球磨法制備富硒綠茶粉工藝優化

,,,,

(安康學院化學化工學院,陜西安康 725000)

茶葉作為我國的傳統飲品,具有多種保健藥理作用,近年來,以抹茶為代表的超微結構茶粉因其能最大程度地保存茶葉營養成分的完整性、提高茶葉的保健功能等特點而倍受歡迎,“吃茶”相對于傳統的“飲茶”,不僅可以利用茶葉中的可溶性成分,對茶葉中不溶性的蛋白質、粗纖維等均可以利用[1]。硒元素作為人體必需的微量元素,具有增強人體免疫力、提高人體抵抗多種疾病的能力[2]。茶葉中的硒元素多以硒蛋白、硒多糖等有機硒形式存在[3]。因此,通過食用富硒綠茶粉,人體可以有效攝入硒元素,減少無機硒攝入過程中對人體的傷害[4]。張琳等[5]研究表明,秋茶中硒含量大于春茶,1～2片葉中硒元素含量大于植株底部成葉,且與3～4片葉的硒含量差距不大。抹茶加工采用葉綠素含量高的嫩葉,并通過遮蔭覆蓋方式增加葉片中葉綠素含量,而傳統茶葉加工過程中,常用的炒青、微波殺青、蒸青等工藝,葉綠素易受到高溫(炒青溫度通常在240～260 ℃)、微波空化效應等因素的影響而發生解離,導致葉片發黃,影響綠茶粉的品質[6-7]。目前,富硒綠茶粉加工過程中的關鍵因素,一是防止硒元素在加工過程中流失;二是防止葉綠素在溫度較高時流失;而關于加工過程中硒元素流失以及采用冷凍干燥加工綠茶粉的工藝過程等相關內容尚未見報道。

本文采用漂燙法殺青、冷凍干燥和球磨法加工超微茶粉,考察硒元素在此過程的流失情況,并對加工工藝進行優化,為富硒茶粉的開發利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

富硒綠茶葉 為秋季成葉,枝芽頂端下方5～8片葉,安康市紫陽縣茶園機械化管理示范基地;硒標準品 100 μg/mL,核工業北京化工冶金研究院;去離子水 自制;抹茶粉 宇治抹茶有限公司;0.8%硼氫化鈉、0.5%氫氧化鈉(使用前臨時配制)、鹽酸、高氯酸、硝酸、鐵氰化鉀 均為優級純，天津化學試劑廠;氬氣 99.99%,安康金順氣體有限公司。

FA2204B型電子精密分析天平 上海佑科儀器有限公司;101-1AB型電熱烘箱干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司;KQ-250DE型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;21HEC05型電磁爐 九陽廚具;BCD-231WTM(E)冰箱 美的集團股份有限公司;FD-1A-50型真空冷凍干燥機 上海比浪儀器有限公司;DX-30B小型粉碎機 廣州市祥明機械設備有限公司;DM-10L型小型球磨機(配不銹鋼球φ10 mm,φ3 mm兩種) 南京大冉儀器有限公司;DELSA 440SX激光粒度分析儀 美國庫爾特公司;PF6-2非色散原子熒光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司;GSL-1100X-SPC12H型等離子薄膜濺射儀 天津品創科技發展有限公司;KYKY-EM3200型數字化掃描電子顯微鏡 北京中科科儀儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 漂燙法殺青 根據研究結果[8],適當低溫長時殺青有利于葉綠素的保護,使茶粉色澤鮮綠,紫陽富硒茶硒元素多以硒蛋白形式存在,其次為硒多糖,二者占總硒量(16.24 μg/g)的78.18%[3]。因此采用沸水漂燙法對茶葉進行殺青,溫度100 ℃,取鮮葉50 g,料液比1∶10 g/mL,漂燙時間為0、30、60、90、120、150、180、210和240 s,茶葉漂燙后瀝干,吸水紙吸至表面無水分,稱取5 g檢測葉中硒元素含量,重復3次。

1.2.2 成葉干燥 烘箱干燥法:取60 s漂燙殺青后茶葉瀝干,吸水紙吸至表面無水分,稱重,溫度40 ℃,烘箱干燥時間分別是0、1、2、4、8、12、16、24 h,稱重并記錄數據,重復3次,按公式(1)計算失水率,繪制干燥曲線。

真空冷凍干燥法:取60 s漂燙殺青后茶葉瀝干,吸水紙吸至表面無水分,稱重,-30 ℃冷凍過夜,放入凍干機干燥,真空度20 Pa,干燥時間0、1、2、4、8、12、16和24 h,重復3次,稱重并記錄數據,按公式(1)計算失水率,繪制干燥曲線。

Lw(%)=(1-Ci/C0)×100

式(1)

式中:Lw:失水率(%);Ci:i干燥時刻茶葉重量(g);C0:干燥前茶葉重量(g)。

1.2.3 富硒綠茶粉制備的單因素實驗 將干燥后的茶葉放入小型粉碎機粉碎,過60目篩,稱取茶葉粗粉30 g,放入小型球磨機中粉碎,溫度25 ℃,放入一定數量的不銹鋼磨球;以球磨時間、大小球比、球磨轉速為變量,以綠茶粉顆粒大小為指標,考察各單因素對茶粉粒徑的影響。在球磨時間為40 min、大小球比1∶5、球料比7∶1、轉速500 r/min的基本條件下,分別設置各因素的取值為:球磨時間為10、20、30、40、50和60 min;大小球比為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7和1∶8;球磨轉速為300、400、500、600、700、800、900 r/min。

1.2.4 正交試驗 根據單因素實驗結果,對球磨時間、大小球比和球磨轉速設置三因素三水平正交試驗,并對結果進行極差和方差分析,確定影響因素主次程度。試驗因素與水平如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.2.5 原子熒光法測定硒含量 樣品中硒含量檢測的方法參照GB5009.93-2017,吸取硒標準品1 mL于5 mL容量瓶中,采用5%鹽酸定容至刻度,配制質量濃度為20 μg/L硒標準工作液,再用標準工作液分別配制質量濃度為0、5、10、15和20 μg/L的溶液,在原子熒光光度計上測定熒光值(I)并繪制標準曲線。結果表明,硒含量(C)在0～20 μg/L范圍內線性關系良好,I=119.4951C-0.5641,決定系數R2=0.9998。

原子熒光光度計測量參數為:燈電流60 mA,負高壓270 V,原子化器溫度200 ℃,原子化器高度8 mm,載氣流量300 mL/min,屏蔽氣流量800 mL/min,讀數時間10 s,延遲時間1 s,注入量0.5 mL。

1.2.6 粒徑檢測 稱取茶粉0.1 g,置于200 mL去離子水中,250 W,超聲分散10 s,放入激光粒度分析儀樣品池中測定其粒徑分布,取中位徑D50為平均粒徑。

1.2.7 掃描電鏡觀察 稱取5 mg茶粉樣品分散于1 mL去離子水中,超聲30 s,量取0.2 mL在導電膠帶上,自然風干,在離子濺射儀的樣品艙中,10 mA的電流下噴金80 s。樣品取出后,裝入掃描電鏡觀察室,觀察茶粉顆粒形貌。

1.3 數據處理

以上各樣品均做3個平行,每個平行測3次求平均值為所得結果。實驗數據采用Excel 2007、SPSS 19.0軟件進行了統計分析。

2 結果與分析

2.1 漂燙時間對硒含量的影響

如圖1所示,茶葉成葉中硒含量隨漂燙時間延長而降低,0～60 s,葉片中硒含量由69.58 μg/kg降至64.72 μg/kg,損失率7%;在60～90 s處形成第一個快速下降曲線,硒元素含量從64.72 μg/kg降至57.61 μg/kg,30 s內硒含量再次降低7%;在120～150 s處綠茶鮮葉中硒含量快速下降34.4%,由56.41 μg/kg降至32.52 μg/kg,說明鮮葉組織在沸水中發生部分解離,導致部分硒蛋白溶出。在漂燙過程中,隨時間延長,鮮葉的色澤也由鮮綠變為深綠,再轉變為黃綠,90 s后色澤開始發黃,說明葉綠素中鎂元素開始流失[6]。

圖1 漂燙時間對茶葉葉片中硒含量的影響Fig.1 Effect of blanching time on selenium content of green tea leaves

在漂燙過程中,隨時間延長,硒元素逐步遷移到沸水中,相較于加工好的茶葉,硒元素溶出度更高[9-10],從組織結構上,加工好的茶葉因干燥脫水,浸泡過程中質地更為緊致,而鮮葉組織則易被沸水破壞,導致溶出物質增加。鮮葉中的硒元素以硒蛋白、硒多糖以及硒茶多酚為主,在沸水中硒多糖易溶于水,溶出速度較快。茶葉殺青為茶葉鮮葉中所含多酚氧化酶在高溫條件下鈍化,而不發生酶促褐變反應的過程,因此漂燙后葉片放于40 ℃烘箱內24 h,觀察葉片是否發生褐變情況,根據觀察結果,漂燙時間在60 s后葉片24 h內無褐變現象。故此,確定漂燙殺青條件確定為100 ℃、60 s。

2.2 干燥時間對茶葉失水率的影響

如圖2所示,40 ℃烘箱干燥與真空冷凍干燥曲線類似,0～2 h,水分蒸發較慢,烘箱干燥2 h時,失水率達到7.14%±1.21%,真空冷凍干燥為9.56%±0.46%;2～16 h為水分快速蒸發期,16 h時水分蒸發基本結束,烘箱干燥失水率達到49.52%±1.12%,真空冷凍干燥為52.05%±1.01%;16～24 h,失水率僅增加約1%。在干燥效果方面,真空冷凍干燥比烘箱干燥高2.53%,且對葉綠素及香氣成分的保護優于烘箱干燥,這可能與烘箱干燥過程中水、氧的存在導致葉綠素及香氣成分損失有關[11-13]。

圖2 不同干燥方法對漂燙后茶葉成葉失水率的影響Fig.2 Effect of different drying methods on water loss rate of green tea leaves

2.3 單因素實驗結果

2.3.1 球磨時間的影響 球磨時間對于茶粉顆粒粒徑的影響如圖3所示,球磨時間為10 min時,粒徑差異較大,D50值為11.24 μm,粒徑范圍為9.12～12.36 μm。隨著球磨時間增加,茶粉粒徑逐步減小,粒徑分布較為均勻,30～60 min時,D50值為6.84～7.23 μm,粒徑范圍變窄,平均粒徑減少的趨勢變得非常平緩。原因可能是隨著顆粒粒徑的減小,比表面積增大導致表面自由能增高,茶粉顆粒體系變得不穩定,相互之間發生“團聚”現象以降低表面自由能;隨著球磨時間延長,體系逐漸形成“團聚-磨細”的動態平衡,從而降低了球磨效率。因此,球磨時間40 min比較適宜。

圖3 球磨時間對富硒綠茶粉顆粒粒徑的影響Fig.3 Effect of ball-milling time on particle size of selenium-rich green tea powder

2.3.2 球磨轉速的影響 球磨轉速對于茶粉粒徑的影響如圖4所示,隨著轉速增加,茶粉粒徑持續減小,分布更為均勻。在轉速700 r/min時,D50值為(3.32±0.41) μm;隨著轉速增加,900 r/min時,D50值為(3.12±0.95) μm;粒徑范圍有所增加,原因可能是隨著轉速增加,剪切力不斷增強,顆粒粒徑不斷減小的同時,小顆粒的“團聚”現象不斷增加,在700～900 r/min條件下,D50值減小了約6.02%,粒徑分布范圍增加了16.27%。因此,球磨轉速控制在700 r/min較為適宜。

圖4 球磨轉速對富硒綠茶粉顆粒粒徑的影響Fig.4 Effect of the rotational speed on particle size of selenium-rich green tea powder

2.3.3 大小球比的影響 大小球比對于茶粉顆粒粒徑的影響如圖5所示,隨著大小球比的增加,顆粒粒徑不斷減小,大小在1∶6時,D50值最小,為(4.26±0.62) μm;當大小球比繼續增大時,D50值有所增加。原因可能是在球磨過程中,大球提供撞擊力,起到剪切作用,使物料迅速細化,但是撞點少,粉料不夠細致,小球則因撞點多,研磨效果好[14],但當大小比不斷升高時,小球量不斷增加,細化能力減弱,粉體顆粒度有增加趨勢。因此,大小球比1∶6時,茶粉粒徑最小。

圖5 大小球比對富硒綠茶粉顆粒粒徑的影響Fig.5 Effect of the ratio of big and small balls on particle size of selenium-rich green tea powder

2.4 正交試驗結果

如表3所示,對富硒綠茶粉粒徑影響因素次序為:球磨時間(A)>大小球比(C)>球磨轉速(B),根據表3中,k1、k2及k3值的大小比較,可以得出最佳工藝條件為A3B3C2,即球磨時間為50 min,球磨轉速為800 r/min,大小球比為1∶6,該條件下茶粉的平均粒徑為3.25 μm,其硒含量經檢測為(63.18±4.22) μg/kg。

表3 超微茶粉加工工藝正交實驗結果Table 3 Orthogonal test results of processing technology of ultramicro tea powder

如表4方差分析結果所示,對富硒綠茶粉粒徑影響方面,球磨時間為極顯著(p<0.001);球磨轉速和大小球比為高度顯著(p<0.01)。

表4 正交實驗結果的方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experiment results

2.5 茶粉形貌觀察

如表5、圖6所示,與市售抹茶粉相比較,富硒綠茶粉粒徑更小,分布更為均勻;從斷面看,球磨法制備的茶粉顆粒斷面也較為齊整,說明茶粉在球磨機中,受到大小球以及球體與罐壁之間相互碰撞形成的切向撞擊力和側向剪切力而破碎。宇治抹茶粉采用石磨法制備,茶粉顆粒邊緣為參差不齊,為撕裂性斷面,說明茶粉顆粒受到石磨上下磨齒相對運動產生的剪切力而細化[15-17],且顆粒大小分布相對不均。

表5 富硒綠茶粉與市售宇治茶粉特征對比Table 5 The characteristic comparison between the tea powder made by the experiment and the Yu Zhi tea powder

圖6 掃描電鏡圖(12000×)Fig.6 Scanning electron microscope注:A:富硒綠茶粉;B:宇治抹茶粉(12000×)。

3 結論

采用安康紫陽富硒茶秋茶成葉為原材料制備富硒綠茶粉,100 ℃漂燙60 s,硒元素流失量較小,損失率為7%；通過冷凍干燥法干燥16 h漂燙后的茶葉,干燥效率高,鮮葉失水率為52.05%,且葉綠素在低溫條件下保護良好。通過球磨法粉碎加工茶粉,球磨時間、球磨轉速及大小球比對茶粉粒徑的影響均為顯著,其中球磨時間影響最為顯著,在考察范圍內優化富硒綠茶粉加工工藝過程,球磨時間50 min、球磨轉速800 r/min、大小球比1∶6的條件下制備的富硒綠茶粉粒徑小,分布均勻,平均粒徑為3.25 μm,茶粉中硒含量為(63.18±4.22) μg/kg。該工藝條件下生產的富硒綠茶粉,顆粒均勻,色澤翠綠,茶葉中硒元素保留度高。