抹茶超微粉球磨法生產工藝研究與品質分析

唐 璇，雷 雨，童 凱，李潔媛，李亞蘭，姜 斌，李 東

四川輕化工大學 生物工程學院，四川 宜賓 644000

以經過遮蔭栽培的茶樹鮮葉為原料，經蒸汽殺青、干燥制得的茶葉稱作碾茶，碾茶經研磨加工后獲得的微粉狀粉末即為抹茶[1]。抹茶含有豐富的功效成分，包括2.0% ～ 4.0%的咖啡堿[2]、 10.0%以上的茶多酚[3]、1.0% ～ 2.0%的茶氨酸以及茶蛋白、茶多糖等[4-5]。茶料在超微粉碎時受到來自正向和切向的壓力作用而破碎，最終得到粒徑小于10.0 μm的抹茶超微粉，此時茶粉具有良好的吸附性、溶解性和分散性，有利于提高有效物質的溶出率、吸收率和體內分散度[6-9]。 抹茶經超微粉碎后所具有的優良性質可擴大其在醫療保健、食品、護膚品等行業中的應用。醫療領域中可用于抑制腫瘤干細胞（Cancer stem cells）增殖、抗焦慮、預防心血管病、抗輻射、抗氧化、減肥、提神、消炎殺菌、抗心血管疾病等[10-19]。食品領域中，抹茶的添加為食品提供了具備抗氧化能力的茶多酚，為人體提供了有益的膳食纖維等[20]。護膚品領域中，抹茶具備較好的控油、滋潤和抗衰老效果[21]，由此研發出抹茶與超氧化物歧化酶進行復配的茶綠色、清香型凝膠抹茶面膜[22]。

目前，抹茶超微粉碎技術有球磨、電動石磨、氣流與臥式連續式等幾種，由于生產企業采取的粉碎技術不同，產品質量之間存在較大差異[23]， 市售抹茶粉存在粒徑大、色澤不夠鮮綠明亮等問題。本文旨在優化抹茶粉球磨生產工藝以獲得超微抹茶粉并探究不同工藝參數下抹茶粉的理化性質，為后期抹茶粉的加工、抹茶周邊產品的研發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料與試劑

碾茶（宜賓市屏山縣滿園春色茶葉有限公司）、甲醇（分析純，成都市科龍化工試劑廠）、碳酸鈉（分析純，成都市科隆化學品有限公司）、福林酚（1.0 mol / L，成都市科隆化學品有限公司）、L-茶氨酸（98.0%，麥克林試劑有限公司）、沒食子酸（分析純，上海金穗生物科技有限公司）、磷酸、磷酸氫二鈉-十二水、磷酸二氫鉀、茚三銅-一水（均為分析純，成都市科隆化學品有限公司）。

1.1.2 主要儀器

UItra Scan VIS色差儀（上海信聯創作電子有限公司）、激光粒度測定儀（歐美克儀器公司）、DZKW-4電熱恒溫水浴鍋（北京中興偉業世紀儀器有限公司）、TG16高速離心機（上海盧湘儀離心機儀器有限公司）、YD-YXQM-4L行星球磨機（長沙米淇設備有限公司）、PHS-25 pH計（上海儀電科學儀器股份有限公司）、N5000PLMS紫外可見分光光度計（上海佑科儀器儀表有限公司）、DFT-150多功能高速中藥粉碎機（溫州頂歷醫療器械有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 原材料預處理

將碾茶分批放入高速粉碎機中粉碎40 s，粉碎結束后將其放入50目、100目、150目、200目、250目的標準篩中進行篩分裝袋，作為不同進料粒徑因素的原材料。

1.2.2 單因素試驗

球磨時間因子試驗：在進料粒徑0 ～ 50目、轉速300 r/min、球料比5∶1的條件下，分別設1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h和3.0 h等5種球磨時間處理。

進料粒徑因子試驗：在研磨時間3.0 h、轉速300 r/min、球料比5∶1的條件下，分別設0 ～ 50 目、50 ～ 100 目、100 ～ 150 目、150 ～ 200 目和200 ～ 250目等5種進料粒徑處理。

轉速因子試驗：在研磨時間3.0 h、進料粒徑0 ～ 50目、球料比5∶1的條件下，分別設150 r/min、200 r/min、250 r/min、300 r/min 和350 r/min等5種轉速處理。

球料比因子試驗：在研磨時間3.0 h、進料粒度 0 ～ 50 目、轉速 300 r/min 的條件下，分別設 5∶1、10∶1、15∶1、20∶1和25∶1等 5種球料比處理。

1.2.3 正交試驗

以抹茶粉的D50為指標，依據單因素試驗結果，選取合適的研磨時間、進料粒徑、轉速和球料比設置四因素三水平正交試驗，確定各參數影響的主次以及最優參數組合。試驗因素與水平如表1所示。

表1 正交實驗因素及水平Table l Factors and levels of orthogonal test

1.2.4 粒徑測定

分別稱取三種市售抹茶粉與各研磨樣品0.5 ～ 1.0 g于裝有分散介質的樣品池中，先超聲1 min，再開啟進樣器轉速按鈕，調節到合適的攪拌速度，使樣品均勻分散，對光以后進行測量，每個樣品重復測定3次[1]。

1.2.5 色澤測定

稱取各研磨樣品10.0 g于透明袋中，置于校準后的色差儀上以白板為標樣進行測定，每個樣品重復測定3次。比較其L*值、a*以及b*值，判斷抹茶的亮度以及色澤隨工藝參數變化的趨勢[24]。

1.2.6 化學指標測定

茶多酚含量參照GB/T 8313—2018進行測定； 茶氨酸含量參照GB/T 23193—2017進行測定。

1.2.7 數據統計與分析

數據采用SPSS v.24進行統計與分析，采用單因素方差分析法進行差異顯著性檢驗；采用Excel軟件作圖。每個實驗均做3次平行，結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 球磨時間對粒度的影響

由表 2 知，球磨 1.5 h、2.0 h 和 3.0 h 獲得的抹茶粉D50差異顯著。球磨3.0 h獲得的抹茶粉中粒徑最小，其D50為57.01 μm，粒徑分布在 11.19 ～ 133.84 μm。球磨 1.0 h 時抹茶粉中位徑最大，D50達480.04 μm，粒徑分布在227.61 ～ 783.08 μm。由圖 1 知，研磨 1.0 h、1.5 h 和 2.0 h得到的抹茶粉粒徑分布寬度大，粒度分布集中性較差。研磨3.0 h后抹茶粉的粒徑最小，粒徑分布寬度最小且最集中?？梢?，隨著研磨時間的延長，抹茶粉粒徑有明顯的下降趨勢，粉體粒徑在逐步減小。本試驗選取球磨3.0 h作為后續研究參數。

表2 球磨時間對粒度的影響Table 2 Effect of grinding time on particle size

圖1 不同球磨時間下抹茶粉的粒徑分布（%）Figure 1 Particle size distribution of matcha powder under different grinding time（%）

2.2 進料粒徑對粒度的影響

由表3知，不同進料粒徑對獲得的抹茶粉D50差異顯著。進料粒徑150 ～ 200目獲得的抹茶粉中位徑最小，其D50為24.70 μm，粒徑分布在 11.17 ～ 54.29 μm。進料 0 ～ 50 目時抹茶粉中位徑最大，其D50為 60.27 μm，粒徑分布在 10.35 ～ 140.31 μm。由圖2知，進料150 ～ 200目時，抹茶粉的粒徑分布寬度最小且最集中；其次為進料200 ～ 250目的抹茶粉粒徑大小、粒徑分布寬度與集中性較好。進料 0 ～ 50 目、50 ～ 100 目和100 ～ 150目的抹茶粉粒徑分布寬度大，粒度分布集中性較差。

圖2 不同進料下抹茶粉的粒徑分布（%）Figure 2 Particle size distribution of matcha powder obtained by different feeding materials（%）

表3 進料粒徑對粒度的影響Table 3 Effect of different feed particle size on particle size

以上逆向變化趨勢的出現，可能是當進料粒度到達一定目數或粉體顆粒被研磨到一定程度時，粉體的比表面積增大，此時粉體不能充分分散，由于機械力和范德華力的作用，使被粉碎的抹茶粉體聚團，粉體研磨效率降低[25]。本試驗選取150 ～ 200目的進料作為后續研究 參數。

2.3 球磨轉速對粒度的影響

由表4知，轉速350 r/min獲得的抹茶粉中位徑最小，其D50為109.41 μm，粒徑分布在11.79 ～ 261.87 μm。轉速處于 150 r/min 時抹茶粉中位徑最大，其D50達到514.74 μm，粒徑分布在 298.32 ～ 810.87 μm。由圖 3 可知，轉速處于350 r/min時，抹茶粉的粒徑分布寬度最小且最集中。轉速為 150 ～ 300 r/min 時，抹茶粉粒徑分布寬度大，粒度分布集中性均較差。

表4 轉速對粒度的影響Table 4 Effect of rotating on particle size

圖3 不同轉速下抹茶粉的粒徑分布（%）Figure 3 Particle size distribution of matcha powder under different rotational speeds（%）

出現上述現象的原因可能是因為球磨機的動力不足，球體與抹茶之間的撞擊力度不夠，當轉速到達一定值時，球磨機罐體內的物料和研磨球因為慣性作用跟著罐體做回轉運動，此時的研磨球與碾茶不會發生撞擊，主要依靠摩擦力來粉碎碾茶，球磨效率降低，當球磨機的轉速達到較為適宜的值時，物料脫離罐壁，受到強烈的撞擊與摩擦作用，研磨效率提升[26]。本試驗選取轉速350 r/min作為后續研究參數。

2.4 球料比對粒度的影響

由表5可知，球料比10∶1獲得的抹茶粉中位徑最小，其D50為11.36 μm，粒徑分布在7.38 ～ 17.18 μm。球料比 5 ∶1 時抹茶粉中位徑最大，其 D50 達到 41.90 μm，粒徑分布在 10.51 ～ 87.05 μm。球料比 25∶1與 20∶1、15∶1獲得的抹茶粉D50差異顯著，球料比20∶1和25∶1獲得的抹茶粉D50差異不顯著。由圖4可知，球料比為10:1時，抹茶粉的粒徑分布寬度最小且最集中；其次為球料比15∶1時，抹茶粉粒徑大小、粒徑分布寬度與集中性較好。球料比20∶1與25∶1獲得的抹茶粉粒徑分布寬度較大，粒度分布集中性較好；球料比5∶1時，抹茶粉粒徑分布寬度大，粒度分布集中性較差。

圖4 不同球料比下抹茶粉的粒徑分布（%）Figure 4 Particle size distribution of matcha powder under different ball to material ratio（%）

表5 球料比對粒度的影響Table 5 Effect of ball to material ratio on particle size

出現上述現象的原因可能是當罐體內的研磨球數量增多時，粉體被擠壓在研磨球下方，導致一部分的粉體不能被碰撞研磨，研磨效率降低。本試驗選取球料比10∶1作為后續研究參數。

2.5 品質成分含量

2.5.1 色澤

由表6知，粉體的亮度（L*）隨著時間、轉速的增加先增加后減小，隨著球料比的增加而增加，隨著進料粒度的減小而增加；根據色相值b*/a*的結果可知，隨著研磨時間的延長、進料粒徑的增大、轉速的升高和球料比的增加，綠色調所占比例越小，綠度降低，抹茶粉的色澤品質變差。出現這種現象可能是由于抹茶經粉碎后，光纖吸收系數k隨著粒徑的變化而變化[27]，抹茶粉亮度L*也隨之改變；工藝參數的增大會導致研磨罐內溫度增加，罐內最高溫度達80℃ ～ 85℃，高溫可能對葉綠素造成損失從而使抹茶綠度降低。

表6 單因素試驗色澤測定結果Table 6 Color determination results of single factor experiment

2.5.2 茶多酚含量

由圖5 ～ 圖8可知，茶多酚的含量在1.0 ～ 2.0 h、轉速 150 ～ 300 r/min、進料 0 ～ 150 目時增加；在 2.0 ～ 3.0 h、轉速 300 ～ 350 r/min、進料 150 ～ 250目時增長趨勢明顯減緩，趨于平衡，最高含量可達16.73%，最低含量為16.09%，變化不明顯；在球料比因素中，茶多酚的含量隨著球料比的增加先是急劇增加，再急劇減少，最后趨于平穩。

圖5 球磨時間對茶多酚含量的影響Figure 5 Effect of ball milling time on tea polyphenols

圖6 轉速對茶多酚含量的影響Fig.ure 6 Effect of rotational speed on tea polyphenols content

圖7 球料比對茶多酚含量的影響Figure 7 Effect of ball to material ratio on tea polyphenols content

圖8 進料粒度對茶多酚含量的影響Figure 8 Effect of feed particle size on tea polyphenols content

茶多酚的穩定性極強，當處于pH值4.0 ～ 8.0、250℃的環境中時能保持穩定性1.5 h，本試驗研磨罐內溫度60℃ ～ 82℃，不會引起茶多酚含量變化[28]。出現上述現象的原因可能是茶多酚的析出量與粉體的粒徑有關，其析出量隨

著粉體粒度的減小而增多，當粒度到達一定值時，茶多酚的析出趨于穩定。本試驗結果與黃亞輝等[29]研究的茶葉粉碎過程中茶多酚含量的變化趨勢一致。

2.5.3 茶氨酸含量

由圖9 ～ 圖12可知，茶氨酸的含量在球磨時間 1.0 ～ 1.5 h、轉速 150 ～ 250 r/min、進料 0 ～ 100目時增加，最高可達2.26%；茶氨酸的含量在球磨時間 1.5 ～ 2.5 h、轉速 250 ～ 350 r/min、進料100 ～ 200目時有降低的現象，降低趨勢較為平穩；在球料比因素中，茶氨酸的含量隨著球料比的變化趨勢沒有明顯規律，當球料比為10∶1時，茶氨酸含量最低，為2.05%。

圖9 球磨時間對茶氨酸含量的影響Figure 9 Effect of ball milling time on theanine content

圖10 轉速對茶氨酸含量的影響Figure 10 Effect of rotational speed on theanine content

圖11 球料比對茶氨酸含量的影響Figure 11 Effect of ball to material ratio on theanine content

圖12 進料粒徑對茶氨酸含量的影響Figure 12 Effect of feed particle size on theanine content

出現上述現象的原因可能是碾茶經過球磨粉碎后，以纖維素為主要構成的細胞壁由于受到強烈的剪切力作用而被不同程度破壞，使游離氨基酸得到釋放，此時檢測出的氨基酸含量明顯增高，而當抹茶粉的粒度不斷減小時，會釋放出較多的糖類物質，如可溶性果膠，當用熱水浸提茶氨酸進行含量檢測時可溶性果膠會形成粘稠的膠狀物，影響氨基酸的浸提效果[30]。

2.6 正交實驗結果

由表7可知，研磨時間、進料粒度、轉速和球料比這4個因素對抹茶粉粒徑的影響次序為：研磨時間（A）>球料比（D）>轉速（C）>進料粒徑（B）；最優工藝組合為A2B3C3D3。經驗證試驗，在最優工藝參數組合下抹茶粉的D50 為 9.11 μm。

表7 正交實驗結果Table 7 Results of orthogonal experimental

2.7 幾種市售抹茶粉粒度測定結果

由表8可知，樣品C的中位徑最小，其D50 為 13.00 μm，粒徑分布在 9.83 ～ 43.85 μm。

表8 市售抹茶粉的粒度分布情況Table 8 Particle size distribution of matcha powder on the market

3 結論

本試驗通過比較球磨時間、進料粒度、轉速、球料比等因素對抹茶粉粒度的影響程度為：球磨時間>轉速>球料比>進料粒度。根據正交試驗得到的最佳工藝參數組合為球磨時間2.5 h、進料 200 ～ 250 目、轉速 350 r/min、球料比15∶1。在該參數組合下，抹茶粉的D50為9.11 μm，而市售某品牌抹茶粉的D50僅13.00 μm。

粉體亮度隨著時間、轉速的增加先增加后減小，隨著球料比的增加而增加，隨著進料粒度的減小而增加；隨著工藝參數的增大，色相值增大，抹茶粉由鮮綠色變為黃綠色。在不同生產工藝參數下抹茶粉的茶多酚和茶氨酸含量變化不明顯。

為保持抹茶色澤的鮮綠，應控制球磨溫度在安全范圍，采取降溫措施。后期試驗可通過控制球磨溫度、物料水分含量、研磨球大小比以及茶葉粗纖維含量等來提升抹茶研磨效果，最終達到納米水平。