鐵觀音茶渣可溶性膳食纖維提取工藝的優化

洪燕婷

(黎明職業大學 材料與化學工程學院， 福建 泉州 362000)

我國是種茶、產茶大國，國人亦喜愛喝茶，茶葉中含有蛋白質、氨基酸等人體必需的營養物質，以及茶多酚、茶多糖、咖啡堿等功能性物質[1]。其中烏龍茶鐵觀音是我國六大茶類中的佼佼者，原產福建安溪，后在閩南、閩北、廣東、臺灣等地盛產，以優異獨特的品質聞名中外[2]。而隨著茶產業鏈的發展和不斷升級，速溶茶、茶飲料和茶多酚等產品的迅速增長，在茶葉采摘、加工和使用過程中產生大量的廢棄茶渣[3]，這些茶渣通常被直接丟棄，造成巨大的資源浪費。茶渣的再利用是茶加工產業重點關注的問題之一。目前，對茶渣的利用研究有將其用作肥料[4]、飼料[5]，對茶渣成分如蛋白質[6]、茶多酚[7]和膳食纖維[8]等進行提取，或對其改性并開發成吸附劑和凈水劑[9]等。茶渣中殘留有豐富的營養物質，尤其是纖維素。有研究表明，鐵觀音茶渣的粗纖維含量高達19.1%，可作為膳食纖維應用到食品領域中，具有加快人體新陳代謝、調節改善機體內部環境和預防心血管疾病等作用[10]。而膳食纖維按照溶解性又可分為可溶性膳食纖維(Souluble Dietary Fiber，SDF)和不可溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber，IDF)[11]。其中，SDF具有預防心血管疾病、減少膽結石形成和幫助減肥等多項功能[12]。目前，提取SDF的主要手段包括生物酶法[13]、物理法[14]、化學法[15]和復合法[16]等，茶渣在食品領域再利用的一個重要方向正是提取利用其膳食纖維，提高SDF提取量。提高SDF溶出量的重要方法之一是讓纖維素大分子組分連接斷裂轉變相對小分子成分，使部分IDF轉換成SDF；擠壓膨化技術則可以利用高溫高壓高剪切力的內部環境，使物料在擠出到常溫常壓的外部瞬間改變分子內部結構和性質[16]。為此，以福建盛產的安溪鐵觀音產生的茶渣為原料，采用擠壓膨化進行改性提高SDF提取量，以SDF溶出量為檢測指標，采用二次回歸旋轉正交法優化探索擠壓膨化法改性工藝，以期為茶渣的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

鐵觀音茶，泉州市安溪縣崇德茶葉有限公司。

試劑：95%乙醇(分析純)，西隴化工股份有限公司；食用花生油，山東魯花集團有限公司。

儀器：JYL-C020型雙螺桿擠壓機，九陽股份有限公司；HHS型電熱恒溫水浴鍋，上海博訊實業有限公司醫療設備廠；AL104-IC型電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；TG16-WS型臺式高速離心機，湖南湘儀實驗儀器制造有限公司；SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵，鄭州長城科工貿有限公司；GZX-914MBE電熱鼓風干燥箱，上海博訊實業有限公司醫療設備；BL-500A型高速多功能粉碎機，浙江省康市松青金廠。

1.2 方法

1.2.1 原材料預處理 購買鐵觀音茶葉模擬生活中泡茶的實際操作制備茶渣，將鐵觀音茶葉以1∶30加入90℃水中，浸泡15 min后過濾取茶渣，重復浸泡3次，將所得茶渣放入烘箱110℃烘干至恒重，粉碎、過40目篩后烘箱80℃烘干至恒重，裝入密封袋備用[13]。

1.2.2 茶渣的擠壓膨化改性單因素試驗 茶渣擠壓膨化工藝流程參考袁根良[14]的方法。

1) 物料水分。固定擠壓膨化機喂料螺桿轉動頻率為20 Hz，擠壓溫度70℃，螺桿轉速15 Hz，以SDF溶出量為指標，研究物料水分含量分別為20%、25%、30%、40%、50%和60%對鐵觀音茶渣擠壓膨化改性效果的影響。

2) 擠壓溫度。固定擠壓膨化機喂料螺桿轉動頻率為20 Hz，物料水分含量50%，螺桿轉速15 Hz，以SDF溶出量為指標，研究擠壓機主機溫度與輔機溫度分別為55℃、60℃、65℃、70℃、75℃和80℃對鐵觀音茶渣擠壓膨化改性效果的影響。

3) 螺桿轉速。固定擠壓膨化機喂料螺桿轉動頻率為20 Hz，物料水分含量50%，擠壓溫度70℃，以SDF溶出量為指標，研究螺桿轉速分別為9 Hz、11 Hz、13 Hz 、15 Hz 、17 Hz和19 Hz對鐵觀音茶渣擠壓膨化改性效果的影響。

1.2.3 擠壓膨化改性工藝條件的優化 基于單因素試驗結果，以鐵觀音茶渣SDF溶出量為指標，以物料水分(X1)、擠壓溫度(X2)、螺桿轉速(X3)為變量因素進行三因素二次旋轉正交優化設計優化擠壓膨化改性鐵觀音茶渣的工藝條件，共23組試驗，每組3次平行。其因素水平見表1。

表1茶渣SDF提取的二次回歸旋轉正交試驗因素及水平

Table 1 Factors and levels of quadric regression rotation orthogonal design for SDF extracted from tea residue

水平編碼值Level codeX1物料水分/%Material moistureX2擠壓溫度/℃Extrusion temperatureX3螺桿轉速/HzScrew speed1.68260.075.0019 152.571.2517 045.067.5015 -137.563.7513 -1.68230.060.0011 水平間隔值△f7.53.752 Horizontal interval value △f

1.2.4 SDF溶出量的測定 鐵觀音茶渣SDF溶出量測定參考黃茂坤[11]并做適當修改，茶渣→粉碎→過篩(40目)→烘干至恒重→稱取樣品(2 g)→加30 mL蒸餾水→60 ℃水浴加熱3 h→離心取上清液→再加入10 mL蒸餾水→再離心取上清液→加4倍上清液95%乙醇→靜置12 h→抽濾→80℃烘干至恒重→計算SDF溶出量。

式中：M1為4倍上清液體積95%乙醇抽濾后重量(恒重)；M2為濾紙重量(恒重)；M0為原料重量(恒重)。

1.2.5 功能性質分析 參照文獻[17]，分別對茶渣及改性后的膳食纖維的持油力、持水力進行檢測。

1.3 數據分析

采用DPS數據處理系統對試驗數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同因素對茶渣SDF溶出量的影響

從圖1看出不同物料水分含量、擠壓溫度和螺桿轉速的茶渣SDF溶出量變化。

2.1.1 物料水分 擠壓是一個高溫高壓高剪切力的反應歷程，對物料含水量要求較高，適當的水分可使纖維素分子濕潤、膨脹，便于物料輸送和擠壓，同時可控制機腔內擠壓和剪切力的大小，有助于纖維素在外力作用下的打開、斷裂及重組[16]。在試驗范圍內，隨著物料水分增多，鐵觀音茶渣SDF溶出量先增后減。在物料水分為50%時，茶渣SDF溶出量最高，為4.26%。在擠壓過程中當茶渣水分較少時，達不到擠壓溫度下的飽和蒸汽壓，擠出時水分急劇蒸發不明顯，茶渣無法充分膨脹，且物料干澀摩擦大易堵塞燒焦；若低于熔體形成所需最低水分含量水平，物料無法向熔融狀態轉換，SDF溶出量自然少；而水分過多時，由于茶渣本身干澀，水分起到了潤滑劑作用降低了茶渣間的摩擦力，茶渣在機腔內受到的擠壓和剪切力變小，纖維高聚物不易發生斷裂，造成鐵觀音茶渣SDF溶出量減少。

Fig.1 SDF dissolution quantity extracted from tea residue under different material moisture, extrusion temperature and screw speed

2.1.2 擠壓溫度 在擠壓過程中，受高溫、高壓、高剪切力的影響，茶渣中膳食纖維分子間化學鍵裂解，分子的理化特性改變，溶解性增大，SDF溶出量增多[13]。鐵觀音茶渣SDF溶出量隨著擠壓溫度的升高呈先增后減趨勢，在擠壓溫度70℃時，茶渣SDF溶出量最高，為4.20%。究其原因：適宜的擠壓溫度可促進不溶性大分子物質熔融、斷裂，使立體微孔網狀結構中的親水基團暴露增多，當擠壓溫度過低時，不利于大分子物質的切斷和親水基團的暴露，使得SDF溶出量不高；但若擠壓溫度過高，物料在機腔中易焦化和團聚，從而降低SDF含量。

2.1.3 螺桿轉速 在擠壓膨化過程中螺桿轉動時產生強烈的摩擦、碾壓和剪切作用使纖維素被微粒化，纖維分子間化學鍵斷裂，有助于IDF向SDF轉化，從而提高SDF溶出量[16]。在試驗范圍內，隨著螺桿轉速加快鐵觀音茶渣SDF溶出量逐漸提高，在螺桿轉速17 Hz時達最高，為4.21%，之后隨螺桿轉速增快，茶渣SDF溶出量反而減少。原因可能是螺桿轉速過快使物料在套筒里的時間過短無法得到充足混合、碾壓、剪切和擠壓，同時機筒與螺桿間的剪切摩擦熱增加，茶渣易受熱不均勻，甚至部分茶渣焦化，導致其SDF溶出量降低。

2.2 二次正交旋轉組合優化分析

2.2.1 二次正交旋轉組合方程的建立與檢驗 從表2可知二次回歸旋轉正交優化試驗結果。對其進行擬合，得到各變量因素對響應值的回歸方程如下：

Y=4.994 54-0.065 60X1-0.150 71X2+0.061 51X3-0.007 77X12+0.064 71X22-0.006 00X32+0.091 25X1X2-0.096 25X1X3+0.041 25X2X3

表2二次回歸旋轉正交試驗各處理茶渣SDF的溶出量

Table 2 SDF dissolution quantity extracted from tea residue of different treatments by quadric regression rotation orthogonal design

試驗號Test No.X1物料水分/%Material moistureX2擠壓溫度/℃Extrusion temperatureX3螺桿轉速/HzScrew speedSDF溶出量/%SDF dissolution amount11114.96211-14.8731-114.9041-1-15.145-1115.046-11-14.737-1-115.518-1-1-15.209-1.6818005.06101.6818004.89110-1.681805.451201.681804.911300-1.68184.8714001.68185.09150004.96160005.05170004.96180005.05190005.03200005.04210004.95220004.96230004.95

經檢驗，失擬項F1(失擬均方/ 誤差均方)在α=0.05和α=0.01水平上都不顯著，且F2(回歸均方/剩余均方)=27.35>F1=1.59，在α=0.01水平上回歸項F2極顯著，表明建立的模型方程與試驗數據的配合可行。且通過F3檢驗，F3(回歸均方/誤差均方)=34.05>F2=1.59，達極顯著水平，進一步確定所得回歸方程可靠。

根據檢驗結果，剔除不顯著項后，簡化回歸方程得：

Y=4.994 54-0.065 60X1-0.150 71X2+0.061 51X3+0.064 71X22+0.091 25X1X2-0.096 25X1X3+ 0.041 25X2X3

從表3可知，各單因子對鐵觀音茶渣中SDF溶出量的影響依次為擠壓溫度(X2)>物料水分(X1)>螺桿轉速(X3)，且3個因素的影響都達極顯著水平；鐵觀音茶渣SDF溶出量與物料水分、擠壓溫度、螺桿轉速的相關系數(R2)為0.949 8，表明該數學模型3個因素對提取率的影響占94.98%，而其他因素的影響和誤差占5.02%。

表3 試驗結果方差分析

2.2.3 單因素效應 將其他因素固定在零水平條件下，3個因素的單因素效應方程分別為：

Y=4.994 54-0.065 60X1-0.007 77X12

Y=4.994 54-0.150 71X2-0.064 71X22

Y=4.994 54+0.061 51X3+0.006 00X32

從圖4看出，擠壓膨化改性鐵觀音茶渣過程中，SDF溶出量會隨著擠壓溫度的升高而下降后趨于平緩；隨物料水分的增多而下降；隨螺桿轉速的增大而上升。

Fig.2 Effect of different influence factors on SDF dissolution quantity extracted from modified Tieguanyin tea residue by extrusion

2.2.4 交互效應X1X2、X1X3、X2X3的F分別為25.495 2、28.365 7、5.21，P分別為0.000 2、0.000 1、0.039 9，說明3個工藝因素之間都存在交互效應，且物料水分與擠壓溫度和螺桿轉速的交互效應達極顯著水平，擠壓溫度與螺桿轉速之間交互作用達顯著水平，這與前面單因素分析3個因素影響皆為極顯著水平對應，說明若采用擠壓膨化改性提高鐵觀音茶渣SDF提取效果應嚴格控制物料水分、擠壓溫度、螺桿轉速3個工藝參數。

2.2.5 提取條件的優化及驗證 對擠壓膨化改性鐵觀音茶渣SDF溶出量高于5.02%的數學回歸模型進行分析，計算在置信度95%下的分布區間為物料水分41.05%～45.29%、擠壓溫度64.66～66.86℃、螺桿轉速14.78～15.95 Hz。取優化后提取條件的平均值方案，則最優提取工藝為物料水分43%、擠壓溫度67℃、螺桿轉速16 Hz，此時鐵觀音茶渣SDF溶出量為6.06%。按最優工藝對優化結果進行2次驗證，實際測量最佳SDF溶出量均值為5.93%，實際值/理論值=0.98，說明模型可信。

2.3 功能性質

經測定，擠壓膨化后的鐵觀音茶渣的SDF溶出量、持水力、持油力比擠壓前都有相應的提高。SDF溶出量由1.02%提升到5.93%，持水力由4.48 g/g增加到5.59 g/g；持油力由2.13 g/g增加到3.02 g/g。這主要是經過擠壓膨化改性，受到高溫高壓高剪切力的作用后，茶渣中的纖維結構發生改變，原本位于內部的親水和疏水基團暴露在外，改善了茶渣與水、油的作用力。

3 結論

采用擠壓膨化改性鐵觀音茶渣，應用二次回歸正交旋轉組合優化設計方案，建立SDF溶出量與物料水分(X1)、擠壓溫度(X2)、螺桿轉速(X3)的數學回歸模型為Y=4.994 54-0.065 60X1-0.150 71X2+0.061 51X3+0.064 71X22+0.091 25X1X2-0.096 25X1X3+ 0.041 25X2X3，確定最優擠壓膨化工藝條件為物料水分、擠壓溫度和螺桿轉速分別為43%、67 ℃和16 Hz，此時鐵觀音茶渣SDF溶出量為5.93%。最優條件改性后的鐵觀音茶渣膳食纖維持水力為5.59 g/g，持油力為3.02 g/g。通過擠壓膨化改性提高鐵觀音茶渣中的SDF含量，對提高鐵觀音產業的整體價值、延長其產業鏈具有一定的意義和商業價值。