球磨法制备富硒绿茶粉工艺优化

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(安康学院化学化工学院,陕西安康 725000)

茶叶作为我国的传统饮品,具有多种保健药理作用,近年来,以抹茶为代表的超微结构茶粉因其能最大程度地保存茶叶营养成分的完整性、提高茶叶的保健功能等特点而倍受欢迎,“吃茶”相对于传统的“饮茶”,不仅可以利用茶叶中的可溶性成分,对茶叶中不溶性的蛋白质、粗纤维等均可以利用[1]。硒元素作为人体必需的微量元素,具有增强人体免疫力、提高人体抵抗多种疾病的能力[2]。茶叶中的硒元素多以硒蛋白、硒多糖等有机硒形式存在[3]。因此,通过食用富硒绿茶粉,人体可以有效摄入硒元素,减少无机硒摄入过程中对人体的伤害[4]。张琳等[5]研究表明,秋茶中硒含量大于春茶,1～2片叶中硒元素含量大于植株底部成叶,且与3～4片叶的硒含量差距不大。抹茶加工采用叶绿素含量高的嫩叶,并通过遮荫覆盖方式增加叶片中叶绿素含量,而传统茶叶加工过程中,常用的炒青、微波杀青、蒸青等工艺,叶绿素易受到高温(炒青温度通常在240～260 ℃)、微波空化效应等因素的影响而发生解离,导致叶片发黄,影响绿茶粉的品质[6-7]。目前,富硒绿茶粉加工过程中的关键因素,一是防止硒元素在加工过程中流失;二是防止叶绿素在温度较高时流失;而关于加工过程中硒元素流失以及采用冷冻干燥加工绿茶粉的工艺过程等相关内容尚未见报道。

本文采用漂烫法杀青、冷冻干燥和球磨法加工超微茶粉,考察硒元素在此过程的流失情况,并对加工工艺进行优化,为富硒茶粉的开发利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

富硒绿茶叶 为秋季成叶,枝芽顶端下方5～8片叶,安康市紫阳县茶园机械化管理示范基地;硒标准品 100 μg/mL,核工业北京化工冶金研究院;去离子水 自制;抹茶粉 宇治抹茶有限公司;0.8%硼氢化钠、0.5%氢氧化钠(使用前临时配制)、盐酸、高氯酸、硝酸、铁氰化钾 均为优级纯，天津化学试剂厂;氩气 99.99%,安康金顺气体有限公司。

FA2204B型电子精密分析天平 上海佑科仪器有限公司;101-1AB型电热烘箱干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司;KQ-250DE型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司;21HEC05型电磁炉 九阳厨具;BCD-231WTM(E)冰箱 美的集团股份有限公司;FD-1A-50型真空冷冻干燥机 上海比浪仪器有限公司;DX-30B小型粉碎机 广州市祥明机械设备有限公司;DM-10L型小型球磨机(配不锈钢球φ10 mm,φ3 mm两种) 南京大冉仪器有限公司;DELSA 440SX激光粒度分析仪 美国库尔特公司;PF6-2非色散原子荧光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;GSL-1100X-SPC12H型等离子薄膜溅射仪 天津品创科技发展有限公司;KYKY-EM3200型数字化扫描电子显微镜 北京中科科仪仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 漂烫法杀青 根据研究结果[8],适当低温长时杀青有利于叶绿素的保护,使茶粉色泽鲜绿,紫阳富硒茶硒元素多以硒蛋白形式存在,其次为硒多糖,二者占总硒量(16.24 μg/g)的78.18%[3]。因此采用沸水漂烫法对茶叶进行杀青,温度100 ℃,取鲜叶50 g,料液比1∶10 g/mL,漂烫时间为0、30、60、90、120、150、180、210和240 s,茶叶漂烫后沥干,吸水纸吸至表面无水分,称取5 g检测叶中硒元素含量,重复3次。

1.2.2 成叶干燥 烘箱干燥法:取60 s漂烫杀青后茶叶沥干,吸水纸吸至表面无水分,称重,温度40 ℃,烘箱干燥时间分别是0、1、2、4、8、12、16、24 h,称重并记录数据,重复3次,按公式(1)计算失水率,绘制干燥曲线。

真空冷冻干燥法:取60 s漂烫杀青后茶叶沥干,吸水纸吸至表面无水分,称重,-30 ℃冷冻过夜,放入冻干机干燥,真空度20 Pa,干燥时间0、1、2、4、8、12、16和24 h,重复3次,称重并记录数据,按公式(1)计算失水率,绘制干燥曲线。

Lw(%)=(1-Ci/C0)×100

式(1)

式中:Lw:失水率(%);Ci:i干燥时刻茶叶重量(g);C0:干燥前茶叶重量(g)。

1.2.3 富硒绿茶粉制备的单因素实验 将干燥后的茶叶放入小型粉碎机粉碎,过60目筛,称取茶叶粗粉30 g,放入小型球磨机中粉碎,温度25 ℃,放入一定数量的不锈钢磨球;以球磨时间、大小球比、球磨转速为变量,以绿茶粉颗粒大小为指标,考察各单因素对茶粉粒径的影响。在球磨时间为40 min、大小球比1∶5、球料比7∶1、转速500 r/min的基本条件下,分别设置各因素的取值为:球磨时间为10、20、30、40、50和60 min;大小球比为1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7和1∶8;球磨转速为300、400、500、600、700、800、900 r/min。

1.2.4 正交试验 根据单因素实验结果,对球磨时间、大小球比和球磨转速设置三因素三水平正交试验,并对结果进行极差和方差分析,确定影响因素主次程度。试验因素与水平如表1所示。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.2.5 原子荧光法测定硒含量 样品中硒含量检测的方法参照GB5009.93-2017,吸取硒标准品1 mL于5 mL容量瓶中,采用5%盐酸定容至刻度,配制质量浓度为20 μg/L硒标准工作液,再用标准工作液分别配制质量浓度为0、5、10、15和20 μg/L的溶液,在原子荧光光度计上测定荧光值(I)并绘制标准曲线。结果表明,硒含量(C)在0～20 μg/L范围内线性关系良好,I=119.4951C-0.5641,决定系数R2=0.9998。

原子荧光光度计测量参数为:灯电流60 mA,负高压270 V,原子化器温度200 ℃,原子化器高度8 mm,载气流量300 mL/min,屏蔽气流量800 mL/min,读数时间10 s,延迟时间1 s,注入量0.5 mL。

1.2.6 粒径检测 称取茶粉0.1 g,置于200 mL去离子水中,250 W,超声分散10 s,放入激光粒度分析仪样品池中测定其粒径分布,取中位径D50为平均粒径。

1.2.7 扫描电镜观察 称取5 mg茶粉样品分散于1 mL去离子水中,超声30 s,量取0.2 mL在导电胶带上,自然风干,在离子溅射仪的样品舱中,10 mA的电流下喷金80 s。样品取出后,装入扫描电镜观察室,观察茶粉颗粒形貌。

1.3 数据处理

以上各样品均做3个平行,每个平行测3次求平均值为所得结果。实验数据采用Excel 2007、SPSS 19.0软件进行了统计分析。

2 结果与分析

2.1 漂烫时间对硒含量的影响

如图1所示,茶叶成叶中硒含量随漂烫时间延长而降低,0～60 s,叶片中硒含量由69.58 μg/kg降至64.72 μg/kg,损失率7%;在60～90 s处形成第一个快速下降曲线,硒元素含量从64.72 μg/kg降至57.61 μg/kg,30 s内硒含量再次降低7%;在120～150 s处绿茶鲜叶中硒含量快速下降34.4%,由56.41 μg/kg降至32.52 μg/kg,说明鲜叶组织在沸水中发生部分解离,导致部分硒蛋白溶出。在漂烫过程中,随时间延长,鲜叶的色泽也由鲜绿变为深绿,再转变为黄绿,90 s后色泽开始发黄,说明叶绿素中镁元素开始流失[6]。

图1 漂烫时间对茶叶叶片中硒含量的影响Fig.1 Effect of blanching time on selenium content of green tea leaves

在漂烫过程中,随时间延长,硒元素逐步迁移到沸水中,相较于加工好的茶叶,硒元素溶出度更高[9-10],从组织结构上,加工好的茶叶因干燥脱水,浸泡过程中质地更为紧致,而鲜叶组织则易被沸水破坏,导致溶出物质增加。鲜叶中的硒元素以硒蛋白、硒多糖以及硒茶多酚为主,在沸水中硒多糖易溶于水,溶出速度较快。茶叶杀青为茶叶鲜叶中所含多酚氧化酶在高温条件下钝化,而不发生酶促褐变反应的过程,因此漂烫后叶片放于40 ℃烘箱内24 h,观察叶片是否发生褐变情况,根据观察结果,漂烫时间在60 s后叶片24 h内无褐变现象。故此,确定漂烫杀青条件确定为100 ℃、60 s。

2.2 干燥时间对茶叶失水率的影响

如图2所示,40 ℃烘箱干燥与真空冷冻干燥曲线类似,0～2 h,水分蒸发较慢,烘箱干燥2 h时,失水率达到7.14%±1.21%,真空冷冻干燥为9.56%±0.46%;2～16 h为水分快速蒸发期,16 h时水分蒸发基本结束,烘箱干燥失水率达到49.52%±1.12%,真空冷冻干燥为52.05%±1.01%;16～24 h,失水率仅增加约1%。在干燥效果方面,真空冷冻干燥比烘箱干燥高2.53%,且对叶绿素及香气成分的保护优于烘箱干燥,这可能与烘箱干燥过程中水、氧的存在导致叶绿素及香气成分损失有关[11-13]。

图2 不同干燥方法对漂烫后茶叶成叶失水率的影响Fig.2 Effect of different drying methods on water loss rate of green tea leaves

2.3 单因素实验结果

2.3.1 球磨时间的影响 球磨时间对于茶粉颗粒粒径的影响如图3所示,球磨时间为10 min时,粒径差异较大,D50值为11.24 μm,粒径范围为9.12～12.36 μm。随着球磨时间增加,茶粉粒径逐步减小,粒径分布较为均匀,30～60 min时,D50值为6.84～7.23 μm,粒径范围变窄,平均粒径减少的趋势变得非常平缓。原因可能是随着颗粒粒径的减小,比表面积增大导致表面自由能增高,茶粉颗粒体系变得不稳定,相互之间发生“团聚”现象以降低表面自由能;随着球磨时间延长,体系逐渐形成“团聚-磨细”的动态平衡,从而降低了球磨效率。因此,球磨时间40 min比较适宜。

图3 球磨时间对富硒绿茶粉颗粒粒径的影响Fig.3 Effect of ball-milling time on particle size of selenium-rich green tea powder

2.3.2 球磨转速的影响 球磨转速对于茶粉粒径的影响如图4所示,随着转速增加,茶粉粒径持续减小,分布更为均匀。在转速700 r/min时,D50值为(3.32±0.41) μm;随着转速增加,900 r/min时,D50值为(3.12±0.95) μm;粒径范围有所增加,原因可能是随着转速增加,剪切力不断增强,颗粒粒径不断减小的同时,小颗粒的“团聚”现象不断增加,在700～900 r/min条件下,D50值减小了约6.02%,粒径分布范围增加了16.27%。因此,球磨转速控制在700 r/min较为适宜。

图4 球磨转速对富硒绿茶粉颗粒粒径的影响Fig.4 Effect of the rotational speed on particle size of selenium-rich green tea powder

2.3.3 大小球比的影响 大小球比对于茶粉颗粒粒径的影响如图5所示,随着大小球比的增加,颗粒粒径不断减小,大小在1∶6时,D50值最小,为(4.26±0.62) μm;当大小球比继续增大时,D50值有所增加。原因可能是在球磨过程中,大球提供撞击力,起到剪切作用,使物料迅速细化,但是撞点少,粉料不够细致,小球则因撞点多,研磨效果好[14],但当大小比不断升高时,小球量不断增加,细化能力减弱,粉体颗粒度有增加趋势。因此,大小球比1∶6时,茶粉粒径最小。

图5 大小球比对富硒绿茶粉颗粒粒径的影响Fig.5 Effect of the ratio of big and small balls on particle size of selenium-rich green tea powder

2.4 正交试验结果

如表3所示,对富硒绿茶粉粒径影响因素次序为:球磨时间(A)>大小球比(C)>球磨转速(B),根据表3中,k1、k2及k3值的大小比较,可以得出最佳工艺条件为A3B3C2,即球磨时间为50 min,球磨转速为800 r/min,大小球比为1∶6,该条件下茶粉的平均粒径为3.25 μm,其硒含量经检测为(63.18±4.22) μg/kg。

表3 超微茶粉加工工艺正交实验结果Table 3 Orthogonal test results of processing technology of ultramicro tea powder

如表4方差分析结果所示,对富硒绿茶粉粒径影响方面,球磨时间为极显著(p<0.001);球磨转速和大小球比为高度显著(p<0.01)。

表4 正交实验结果的方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experiment results

2.5 茶粉形貌观察

如表5、图6所示,与市售抹茶粉相比较,富硒绿茶粉粒径更小,分布更为均匀;从断面看,球磨法制备的茶粉颗粒断面也较为齐整,说明茶粉在球磨机中,受到大小球以及球体与罐壁之间相互碰撞形成的切向撞击力和侧向剪切力而破碎。宇治抹茶粉采用石磨法制备,茶粉颗粒边缘为参差不齐,为撕裂性断面,说明茶粉颗粒受到石磨上下磨齿相对运动产生的剪切力而细化[15-17],且颗粒大小分布相对不均。

表5 富硒绿茶粉与市售宇治茶粉特征对比Table 5 The characteristic comparison between the tea powder made by the experiment and the Yu Zhi tea powder

图6 扫描电镜图(12000×)Fig.6 Scanning electron microscope注:A:富硒绿茶粉;B:宇治抹茶粉(12000×)。

3 结论

采用安康紫阳富硒茶秋茶成叶为原材料制备富硒绿茶粉,100 ℃漂烫60 s,硒元素流失量较小,损失率为7%；通过冷冻干燥法干燥16 h漂烫后的茶叶,干燥效率高,鲜叶失水率为52.05%,且叶绿素在低温条件下保护良好。通过球磨法粉碎加工茶粉,球磨时间、球磨转速及大小球比对茶粉粒径的影响均为显著,其中球磨时间影响最为显著,在考察范围内优化富硒绿茶粉加工工艺过程,球磨时间50 min、球磨转速800 r/min、大小球比1∶6的条件下制备的富硒绿茶粉粒径小,分布均匀,平均粒径为3.25 μm,茶粉中硒含量为(63.18±4.22) μg/kg。该工艺条件下生产的富硒绿茶粉,颗粒均匀,色泽翠绿,茶叶中硒元素保留度高。