甘蔗渣制茶工藝優化

彭小燕，王則港，陳加鳳，劉淑燕

（1.漳州職業技術學院，福建漳州 363200；2.漳州科技職業學院，福建漳州 363202；3.漳州天康檢測技術有限公司，福建漳州 363202）

甘蔗（Saccharum），甘蔗屬，是多年生高大實心草本植物，屬C4 作物[1]，主要分布在溫帶和熱帶，是制糖的主要原料之一。中國產業信息網統計顯示，2019 年我國甘蔗的種植面積約138.19 萬公頃，甘蔗產量為1.09 億噸[2]。甘蔗渣為甘蔗制糖后的主要副產物之一，一般占甘蔗重量的25%～30%，故甘蔗渣年產量高達3000 萬噸，資源相當豐富[3]。甘蔗渣富含纖維素、半纖維素和木質素，同時也含有一定量的蛋白質、淀粉和可溶性糖，除去水分之后，甘蔗渣中干物質含量可達90%～92%，其中粗蛋白質約2.0%，粗纖維44%～46%，粗脂肪約0.7%，無氮浸出物約42%，粗灰分2%～3%[4]。

甘蔗渣的主要利用途徑是作為鍋爐燃料燒掉，利用比較單一，經濟效益低，造成資源的巨大浪費。學者們不斷研究開發甘蔗渣的有效綜合利用方法。有學者利用甘蔗渣作為反芻動物飼料，因其木質化程度高，有機物利用率較低[5]，故用甘蔗渣青貯[6?7]、甘蔗尾葉堿化法[8]、甘蔗渣堿化法[9?10]、甘蔗渣糖化法[11]等方法對甘蔗渣處理后再利用，這些方法雖可提高甘蔗渣利用率，但同時也增加了成本。也有學者研究將甘蔗渣制漿造紙[12?13]、制作板材原料[14?15]、制成氣體吸附劑[16?17]、染料吸附劑[18?20]和重金屬吸附劑[21?23]等，但因甘蔗渣預處理的能源消耗大、處理成本高等缺點，其產業發展緩慢。因此，甘蔗渣的綠色生產工藝及高值化利用還有待開發。

本研究以全面有效利用甘蔗渣資源為出發點，將榨汁后的甘蔗渣經簡單預處理后制成甘蔗茶，以甘蔗茶感官評分為指標，采用二次回歸正交旋轉組合試驗得出甘蔗渣制茶的最優工藝參數，并測定了最優工藝下制備的甘蔗茶基本成分，為甘蔗渣制茶的工業化生產提供基礎依據，也為甘蔗渣的高值化綜合利用提供了思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘蔗渣 廈門天洽餐飲有限公司，均為甘蔗榨汁后的甘蔗渣；所用試劑 均為分析純。

電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏試驗設備有限公司；DY-6KG 電加熱型烘豆機 南陽東億機械設備有限公司；100T 小型超細研磨機 永康市云達冷風機廠；UV1800PC-DS2 型紫外可見光分光光度計 上海美普達儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 甘蔗渣的預處理 將榨汁后的甘蔗渣切成12 mm 左右，在溫度60 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中烘制24 h 以除去水分，然后密封于密封袋中，置于干燥箱中以備后用。

1.2.2 甘蔗茶的制備工藝

1.2.2.1 單因素實驗 取30 g 預處理后的甘蔗渣分別在炒制溫度80、100、120、140、160 ℃，炒制時間10、20、30、40、50 min，轉速20、40、60、80、100 r/min下進行甘蔗茶炒制的單因素實驗，固定因素水平分別設為：120 ℃、30 min、60 r/min。甘蔗茶炒制完成后置于托盤中冷卻，然后用萬能粉碎機粉碎后過40 目篩，裝在密封袋置于干燥皿中防止變潮。

1.2.2.2 響應面試驗 在單因素實驗的結果上，以甘蔗茶感官評分為響應，用響應面法（Response surface methodology，RSM）優化甘蔗茶制作工藝。以單因素實驗中各單因素最佳條件（炒制溫度120 ℃，炒制時間30 min，轉速60 r/min），以三因素三水平來設計Box-Behnken 試驗，三因素范圍及水平編碼具體見表1。

表1 Box-Behnken 試驗的編碼和因子水平Table 1 Coding and factor levels of the Box-Behnken design

1.2.3 感官審評方法 參照袋泡茶的審評方法（國標GB/T 23776-2018）對甘蔗茶進行感官審評，標準見表2。取3 g 粉碎后的甘蔗渣放入茶泡袋中，并將其置于150 mL 評茶杯中，注滿150 mL 沸水，加蓋浸泡3 min 后揭蓋上下提動袋茶兩次（兩次提動間隔1 min），提動后隨即蓋上杯蓋，至5 min 瀝茶湯入評茶碗中，依次審評湯色、香氣、滋味和葉底。葉底審評茶袋沖泡后的完整性。依據此感官品評標準對甘蔗茶進行評分。

表2 甘蔗茶感官審評標準Table 2 Table 1 Sensory evaluation table of sugarcane tea

1.2.4 甘蔗渣及甘蔗茶成分的測定 參照國家標準測定甘蔗渣及甘蔗茶的主要成分。水分：GB 5009.3-2016（干燥法）；灰分：GB 5009.4-2016（灼燒法）；還原糖：GB 5009.8-2016。蛋白質：GB 5009.5-2016（微量凱氏定氮法）；脂肪：GB 5009.6-2016（索氏提取法）。

1.3 數據處理

所有試驗均重復三次，試驗數據用平均數±標準差（Mean±SD）表示，采用Design-Expert 7.0 統計軟件對數據進行分析和處理。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

從圖1 可以看出，隨著炒制溫度的升高，甘蔗茶的感官評分明顯升高，到120 ℃時達到最高分，隨著炒制溫度的繼續升高，評分逐漸降低，可能是由于溫度過高，導致大量深色物質的產生，茶湯顏色較深，出現一定的焦糊味，影響了甘蔗茶的感官評分。故選擇炒制溫度120 ℃為最佳單因素水平。

圖1 炒制溫度對甘蔗茶的影響Fig.1 Effect of cooking temperature on sugarcane tea

從圖2 可以看出，隨著炒制時間的增加，甘蔗茶的感官評分有所增加，在30 min 時達到最大值，之后開始下降。由此可推測，炒制使甘蔗茶中呈色、呈香、呈味物質的生成，隨著炒制時間的增加，這些物質逐步積累到最佳水平。但繼續增加炒制時間，導致呈色、呈香、呈味物質過多或受到破壞，反而影響甘蔗茶的感官評分。故選擇炒制時間30 min 為最佳單因素水平。

圖2 炒制時間對甘蔗茶的影響Fig.2 Effect of cooking time on sugarcane tea

由圖3 可以看出，隨著轉速的提高甘蔗茶的感官評分有所提高，當轉速為60 r/min 時分值最高為90.08 分，之后隨著轉速的提高感官評分開始降低，可能是因為過高的轉速使得甘蔗渣在炒制的過程中無法較好的與烘豆機壁接觸，受熱面減少，影響甘蔗茶風味物質的生成，導致感官評分稍有下降。故選擇炒制轉速60 r/min 為最佳單因素水平。

圖3 轉速對甘蔗茶的影響Fig.3 Effect of rotating speed on sugarcane tea

2.2 響應面試驗

Box-Behnken 試驗共包括由17 個試驗點，包括12 正交試驗和5 個重復的中心試驗。中心試驗是為了估計誤差的可能性。試驗結果見表3，包括試驗設計和響應值。

采用Dsign-expert7.0 軟件對表3 中數據進行多元回歸擬合，獲得響應值感官評分（Y）與影響因子（炒制溫度A、炒制時間B、轉速C）的二次多項式回歸方程：

表3 Box-Behnken 試驗設計及結果Table 3 Box-Behnken design and the results

模型方差分析的結果如表4 所示。通過方差分析可以看出二次模型對感官評分的影響是極顯著的（P<0.01）。模型的決定系數（R2）是0.9816，校正后的R2是0.9579，失擬檢驗的P值是0.0215，說明公式（2）的數學模型擬合良好。從表4 中可以看出，炒制溫度A 和炒制時間B 對感官評分有極顯著影響（P<0.01），轉速C 對感官評分有顯著影響（P<0.05）。從回歸方程一次項系數絕對值的大小判定3 個因子對感官評分影響大小依次為：A>B>C。二次項A2和C2對感官評分有極顯著影響（P<0.01），二次項BC、B2對感官評分有顯著影響（P<0.05），其他變量影響均不顯著（P>0.05）。

表4 甘蔗茶感官評分方差分析結果Table 4 Results of analysis of variance (ANOVA) for sensory scores of cane tea

2.3 響應面模型和等高線圖解析

三維響應面圖和等高線圖可用來反映自變量的交互作用對響應值的影響，根據模型分別繪制三維曲面圖和等高線圖，通過分析可以得到最佳響應值。

從圖4 可以看出，炒制溫度、炒制時間和轉速對甘蔗茶感官評分的影響存在交互作用。在響應面圖中，響應值受曲線走勢的影響。曲線走勢越陡，對甘蔗茶感官評分影響越大；曲線走勢越平滑，對甘蔗茶感官評分影響越小[24]。由圖4A1～圖4B2 可以看出，炒制溫度的曲線較炒制時間更陡峭，炒制時間的曲線較轉速更陡峭，即三個因素中，炒制溫度對感官評分的影響相對較大。此外，炒制溫度和炒制時間、炒制溫度和轉速兩兩交互作用的等高線稀疏，因此，此兩者的交互作用對響應值的影響不顯著；由圖4C1～圖4C2 可以看出，炒制時間與轉速兩者交互作用的高曲線較密集，說明炒制時間與轉速的交互作用對響應值的影響顯著。

圖4 甘蔗茶感官評分的響應面及等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots for sensory score of cane tea

通過響應面和等高線圖確定甘蔗茶炒制的最優條件為：炒制溫度126.78 ℃，炒制時間33.52 min，轉速為59.49 r/min，理論上甘蔗茶感官評分可達到94.46 分。

2.4 模型驗證

為檢驗響應面法優化甘蔗茶炒制工藝的可靠性，在最優條件基礎上，設定炒制溫度127 ℃，炒制時間33 min，轉速為60 r/min 條件下進行驗證試驗，實際炒制出的甘蔗茶的感官評分為（92.47±1.20）分，與理論預測值相差2.1%，說明擬合良好，可見該模型能較好地模擬和預測甘蔗茶的感官評分。

2.5 甘蔗渣與甘蔗茶的營養成分

測定甘蔗渣及最優條件下炒制的甘蔗茶中的營養成分。從表5 可以看出，甘蔗渣中含有較多的還原糖（26.84%），推測是因為本次研究所用的甘蔗渣經榨汁后并未進行二次洗滌，有較多糖組分殘留。甘蔗渣中蛋白質和灰分含量與前人[4]研究類似，分別占2.27%和2.15%，脂肪含量偏小，推測是因為甘蔗榨汁前削掉甘蔗皮，而皮中含有一定脂肪。與甘蔗渣成分相比，經過炒制后的甘蔗茶中成分含量變化最大的是還原糖，其出現明顯降低，蛋白質含量亦有所降低，推測是基于高溫炒制過程中部分還原糖發生的焦糖化反應或者與蛋白質發生的美拉德反應產生的影響，這可能是甘蔗茶湯呈現褐色及其他風味的主要原因。

表5 甘蔗渣與甘蔗茶中的營養成分含量Table 5 Contents of nutrients in bagasse and cane tea

3 結論

利用甘蔗榨汁后的甘蔗渣制備甘蔗茶，響應面分析得到甘蔗茶制備的最優條件為：炒制溫度127 ℃，炒制時間33 min，轉速為60 r/min，該條件下制備的甘蔗茶感官評分為92.47 分，茶湯有濃郁的甘蔗茶香，滋味香中略帶甜味，色澤呈現亮褐色，湯底無殘留。因此該法所制備的甘蔗茶具有較好的感官評分。對甘蔗渣和甘蔗茶的成分分析可以看出，甘蔗茶中的還原糖含量明顯降低，說明在炒制過程中甘蔗渣中的成分在高溫條件下發生了反應，生成了其他物質，后續將對此部分進行深入研究。