挤压膨化对绿茶茶渣中没食子酸影响实验研究

王博，周小芬，叶阳，朱宏凯，董春旺，钱园凤

（1.中国农业科学院茶叶研究所，浙江省茶叶加工工程重点实验室，浙江杭州310008；2.中国农业科学院研究生院，北京100081，3.浙江省武义县农业局，浙江武义321200）

挤压膨化对绿茶茶渣中没食子酸影响实验研究

王博1，2，周小芬2，3，叶阳1，*，朱宏凯1，董春旺1，钱园凤1，2

（1.中国农业科学院茶叶研究所，浙江省茶叶加工工程重点实验室，浙江杭州310008；2.中国农业科学院研究生院，北京100081，3.浙江省武义县农业局，浙江武义321200）

利用DS30-III型双螺杆挤压膨化机对绿茶茶渣进行挤压膨化加工，在单因素试验的基础上，选取了物料含水量、喂料速度、螺杆转速、套筒温度为影响因子，以绿茶茶渣中没食子酸为响应面值，应用响应面设计方法建立数学模型，进行响应面分析。结论表明，获得高没食子酸含量的最佳工艺参数为：物料含水量70％，喂料速度58 r/min，螺杆转速60 r/min，套筒温度60℃。挤压膨化参数对没食子酸含量影响的大小依次为：物料含水量＞螺杆转速＞套筒温度＞喂料速度。经过最佳挤压膨化参数处理的绿茶茶渣中没食子酸含量为3.57mg/g，与原料相比，没食子酸含量增加2.69mg/g。

挤压膨化；绿茶茶渣；没食子酸

近年来，我国茶饮料、速溶茶和茶多酚等深加工产品的生产量快速递增，茶饮料位于饮用水和碳酸饮料之后名列各类饮料第三位。2010年，全国速溶茶年产量约0.35万t，这些茶饮料及速溶茶公司每年产生的茶渣达到16万t[1]。专家预计，未来几年国内外“茶多酚”需求量将迅速攀升至2 000 t左右，茶多酚大量生产的同时也会带来大量的茶渣。如何有效的处理茶渣对于生产公司来说是一个十分棘手的问题，部分公司选择出钱由环保部门处理，但是大部分茶渣被当做普通垃圾随意处理，这些茶渣经过风吹日晒，散发出异味，严重污染了周边的环境。因此，开发茶渣是使之成为一种新型的具有可利用价值的自愿，不仅可以提高资源利用率，而且可以有效的保护生态环境。

没食子酸（Gallic acid，GA），化学名为3，4，5-三羟基苯甲酸，是植物水解单宁的组成部分，广泛存在于葡萄，茶叶等植物中，是自然界存在的一种多酚类化合物[2]。在茶叶中，没食子酸是茶多酚的重要组成单元，常以酯的形式连接在儿茶素的3位羟基上，形成一系列的酯型儿茶素衍生物[3]。已有文献证明，没食子酸有显著的抗氧化活性[4]，并有抗菌、抗炎、抗肿瘤、抗突变等生理活性[5-7]。国内已有学者进行了绿茶中没食子酸提取工艺的研究[8]。

双螺杆挤压膨化技术是现代食品工业中的一项重要技术，其原理是将物料喂入挤压机中，借助螺杆强制输送，通过摩擦、剪切和加热产生高温、高压，使物料经受挤压、混炼、剪切、熔融、杀菌和熟化等一系列复杂的连续化处理，当物料从机筒末端模具中被挤出时，压力骤然降至常压，水分急剧汽化而产生巨大的膨胀力，物料瞬间膨化，形成多孔状的产品[9]。目前还没有关于挤压膨化技术对茶渣中多酚类物质影响的文献报道。因此，本试验利用双螺杆挤压膨化机，选取喂料速度、物料含水量、螺杆转速和套筒温度作为自变量，研究分析挤压膨化参数对绿茶茶渣中没食子酸含量的影响，以期提高绿茶茶渣中没食子酸的含量，进而为从绿茶茶渣中提取、分离、纯化没食子酸提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试样品为杭州茗宝食品有限公司提供的绿茶茶渣。

1.2 设备与仪器

DS30-III型双螺杆挤压膨化机，由驱动单元、组合式机筒、同向双螺杆、喂料器组成。其中组合式机筒分为4个区，有3个压力测试点。加工温度、螺杆转速和喂料速度均为无级可调。检测系统配有温度、压力探测器和传感器，可通过计算机进行全程控制，直接读取膨化加工过程中的喂料速度、螺杆转速、压力和各区温度等参数。设备生产能力最高可达20 kg/h。

FA2104型电子分析天平，精度0.1mg；Waters600高效液相色谱仪：美国Waters公司；SHIMADZU UV-2401 PC紫外分光光度仪：日本SHIMADZU公司；DKS26电热恒温水浴锅：上海精宏试验设备有限公司。

1.3 工艺流程

茶渣→称量→粉碎→调节物料含水量→挤压膨化→磨碎→没食子酸含量的测定

1.4 测定方法

没食子酸含量测定采用Waters高效液相色谱仪，色谱柱：ODS-2HYPERSIL（250×4.6，5μm）；进样量20μL，流速1ml/min，检测波长280 nm；流动相A相为乙腈，B相为0.5％甲酸，梯度洗脱方法：0～16min，93.5％A～85％A；16 min～20 min，85％A～75％A；20min～23min，93.5％A。

1.5 试验方案

1.5.1 单因素实验

选取物料含水量、喂料速度、螺杆转速、套筒温度为考察因素，没食子酸含量为评价指标进行单因素试验，探讨各因素变化对没食子酸含量的影响。

1.5.2 响应面法试验设计

综合单因素实验的结果，应用响应面法进行方案设计，以物料含水量（X1）、喂料速度（X2）、螺杆转速（X3）以及套筒温度（X4）为自变量，没食子酸含量（Y）为响应面值，设计4因素5水平试验对挤压膨化工艺参数进行优化。

2 结果与分析

2.1 挤压膨化对没食子酸含量影响的单因素试验

2.1.1 物料含水量对没食子酸含量的影响

在喂料速度为74 r/min，螺杆转速为120 r/min，套筒温度为40℃的条件下，考察物料含水量（30％、40％、50％、60％、70％）对没食子酸含量的影响，试验结果如图1所示。

图1 物料含水量对没食子酸含量的影响Fig.1 Effect of moisture content of material on content of Gallic acid

由图1可知，随着物料含水量的逐渐增加，没食子酸含量呈现出先下降后上升再下降的趋势，当物料含水量为60％时，没食子酸含量达到最大。因此物料含水量选择60％为宜。

2.1.2 喂料速度对没食子酸含量的影响

在物料含水量为50％，螺杆转速为120 r/min，套筒温度为40℃的条件下，考察喂料速度（42、58、74、90、106 r/min）对没食子酸含量的影响，试验结果如图2所示。

图2 喂料速度对没食子酸含量的影响Fig.2 Effect of Feeding speed on content of Gallic acid

由图2可知，随着喂料速度的增大，没食子酸含量也呈现出先上升后下降的趋势，当喂料速度为74 r/min时，没食子酸含量达到最大。因此喂料速度选择74 r/min为宜。

2.1.3 螺杆转速对没食子酸含量的影响

在物料含水量为50％，喂料速度为74 r/min，套筒温度为40℃的条件下，考察螺杆转速（60、90、120、150、180 r/min）对没食子酸含量的影响，试验结果如图3所示。

图3 螺杆转速对没食子酸含量的影响Fig.3 Effect of rotational speed of screw on content of Gallic acid

由图3可知，在试验因素选择范围以内，随着螺杆转速的增大，没食子酸含量呈现出现上升后下降再上升的趋势，而在螺杆转速为90 r/min时，没食子酸含量达到最大。因此螺杆转速选择90 r/min为宜。

2.1.4 套筒温度对没食子酸含量的影响

在物料含水量为50％，喂料速度为74 r/min，螺杆转速为120 r/min的条件下，考察套筒温度（20、30、40、50、60℃）对没食子酸含量的影响，试验结果如图4所示。

图4 套筒温度对没食子酸含量的影响Fig.4 Effect of temperature of barrel on content of content of Gallic acid

由图4可知，在试验因素选择范围以内，随着套筒温度的增加，没食子酸含量呈现出现下降后上升再下降的趋势，而在套筒温度为50℃时，没食子酸含量达到最大。因此，套筒温度选择50℃为宜。

2.2 挤压膨化工艺参数优化试验

2.2.1 优化试验方案

响应面试验设计因素水平编码表见表1，响应面试验设计方案及结果见表2。

表1 因素水平编码表Table1 Encode table of factors and levels

表2 试验方案及结果Table2 Experimental plan and results

2.2.2 回归模型的建立

以物料含水量（X1）、喂料速度（X2）、螺杆转速（X3）、套筒温度（X4）为参数，采用响应面分析法，研究不同挤压膨化参数条件对游离氨基酸总量（Y）的影响规律。具体试验结果见表2。回归方程的偏回归系数检验和方差分析见表3和表4。

回归方程为：

表3 响应面试验偏回归系数显著性测验的结果Table 3 Significance analysis of partial regression coefficient of response surface experiment

表4 响应面试验方差分析Table4 Variance analysis of response surface experiment

由表3方程的偏回归系数检验分析结果可知：从一次项看，物料含水量（X1）的一次项、套筒温度（X4）的一次项和没食子酸含量呈正相关，喂料速度（X2）的一次项、螺杆转速（X3）的一次项和没食子酸含量呈负相关，其中物料含水量（X1）的一次项、螺杆转速（X3）的一次项、套筒温度（X4）的一次项影响显著。从二次项看，物料含水量（X1）的二次项、喂料速度（X2）的二次项、螺杆转速（X3）的二次项、套筒温度（X4）的二次项和没食子酸含量呈正相关，其中物料含水量（X1）的二次项、套筒温度（X4）的二次项影响显著。从交互项看，物料含水量（X1）与螺杆转速（X3）的交互项、喂料速度（X2）与套筒温度（X4）的交互项和没食子酸含量呈正相关，物料含水量（X1）与喂料速度（X2）的交互项、物料含水量（X1）与套筒温度（X4）的交互项、喂料速度（X2）与螺杆转速（X3）的交互项、螺杆转速（X3）与套筒温度（X4）的交互项和没食子酸含量呈负相关；其中螺杆转速（X3）与套筒温度（X4）的交互项影响显著。

由表4响应面试验方差分析可知，F失拟=1.11＜F0.05（10，11）=2.85，说明回归方程拟合的较好，又因为F回归= 112.44＞F0.05（14，21）=2.20，说明方程在0.05水平是显著的，即试验数据与所采用的二次数学模型基本相符。

2.2.3 挤压膨化参数对没食子酸含量的影响分析

通过表3方程的偏回归系数检验分析可得出各挤压参数对没食子酸含量影响由大到小依次为：物料含水量＞螺杆转速＞套筒温度＞喂料速度。接下来具体分析各因素对游离氨基酸总量的影响，根据所建立的回归模型，将3个挤压膨化参数分别固定于-1，0，1水平，代入方程中，即可求得关于没食子酸含量的单因素方程，根据单因素方程作图，见图5～图8。同时做关于没食子酸含量的双因素交互作用图，见图9。

图5 物料含水量和没食子酸含量之间的关系Fig．5 The relationship between content of Gallic acid and the moisture content of material

图6 喂料速度和没食子酸含量之间的关系Fig．6 The relationship between content of Gallic acid and feeding speed

图7 螺杆转速和没食子酸含量之间的关系Fig．7 The relationship between content of Gallic acid and rotational speed of screw

图8 套筒温度和没食子酸含量之间的关系Fig．8 The relationship between content of Gallic acid and temperature of barrel

图9 双因素交互作用对没食子酸含量的影响Fig．9 The influence of two-factor interactions on content of Gallic acid

2.2.3.1 物料含水量对没食子酸含量的影响

物料含水量对没食子酸含量影响的单因素方程如下：

由图5和双因素图9.1、9.2、9.3可知，没食子酸含量随物料含水量增加而增大，这可能是在挤压膨化过程中，物料含水量的提高有助于酯型儿茶素和其他含有没食子酰基的化合物的水解，从而使没食子酸含量增加。

2.2.3.2 喂料速度对没食子酸含量的影响

喂料速度对没食子酸含量影响的单因素方程如下：

由图6和双因素图9.1、9.4、9.5，可以看出，随着喂料速度的增加，没食子酸含基本保持不变。原因主要是在本研究所考察的因素范围内，喂料速度对没食子酸含量的影响并不显著，导致在不同的喂料速度条件下，没食子酸含量变化不显著，这与方差分析的结果一致。

2.2.3.3 螺杆转速对没食子酸含量的影响

螺杆转速对没食子酸含量影响的单因素方程如下：

由图7和双因素图9.2、9.4、9.6，可以看出，随着螺杆转速的增加，没食子酸含量呈现出下降的趋势，原因可能是：随着螺杆转速的增加，绿茶茶渣在机筒内停留时间随之而减少，在机筒内所受的加温、剪切等作用也随之而减弱，不利于酯型儿茶素和其他含有没食子酰基的化合物的水解，没食子酸含量随之而减少。

2.2.3.4 套筒温度对没食子酸含量的影响

套筒温度对没食子酸含量影响的单因素方程如下：

由图8和双因素图9.3、9.5、9.6，可以看出，随着套筒温度的增加，没食子酸含量呈现出上升的趋势，原因可能是：随着温度的增加，绿茶茶渣中水解酶的活性逐渐增大，加速了酯型儿茶素和其他含有没食子酰基的化合物的水解，从而使没食子酸含量增加。

2.2.4 挤压膨化参数的优化

采用design-expert软件包的optimization choices工具箱对回归方程求导，求解所得方程组，可得到模型极值点坐标，即在X1、X2、X3、X4因素水平编码分别为2，-2，-2，2处，没食子酸含量得到了最大值。通过换算可知，获得高没食子酸含量的绿茶茶渣的最佳挤压膨化参数为：物料含水量70％，喂料速度58 r/min，螺杆转速60 r/min，套筒温度60℃。此时，得到没食子酸含量的理论最大值为3.74mg/g。

2.2.5 验证试验

用获得高没食子酸含量的绿茶茶渣的最佳挤压膨化参数：物料含水量70％，喂料速度58 r/min，螺杆转速60 r/min，套筒温度60℃进行三次挤压膨化试验，分别测定所得样品的没食子酸含量，得到三次挤压膨化试验样品的没食子酸含量平均值为3.57mg/g。理论的没食子酸含量为3.74mg/g，二者的相对误差为4.76％，在允许的范围内，说明模型拟合度较高，预测准确。

2.2.6 挤压膨化前后没食子酸含量对比分析

取挤压膨化前的茶渣样品进行没食子酸含量的测定，经过三次测定后，测得的平均值为0.88mg/g。由验证试验的结果可知，采用最优的挤压膨化参数进行处理，获得没食子酸含量为3.57mg/g，为挤压膨化前样品的4.06倍。原因主要是：绿茶茶渣在机筒内受到高温剪切作用，使酯型儿茶素和其他含有没食子酰基的化合物大量水解，从而使没食子酸含量增高。经过一定的挤压膨化作用之后，绿茶茶渣中没食子酸含量有了很大提高，增加了其作为没食子酸提取原料的价值。

3 结论

通过单因素试验设计，以及在此基础上用designexpert软件包进行四因素五水平响应面法试验设计，建立响应值与各因素之间的数学模型，依此模型可以预测理论没食子酸含量，得到挤压膨化参数对没食子酸含量影响的大小依次为物料含水量＞螺杆转速＞套筒度＞喂料速度。

采用design-expert软件包的optimization choices工具箱对二次回归模型进行优化，得到绿茶茶渣通过挤压膨化作用后，获得高没食子酸含量的最佳工艺参数为：物料含水量70％，喂料速度58 r/min，螺杆转速60 r/min，套筒温度60℃。在此条件下得到没食子酸含量的理论值为3.74mg/g。通过验证试验测得实际没食子酸含量为3.57mg/g，与理论分析结果的相对误差为4.76％，表明回归方程结果可信。

挤压膨化前后的绿茶茶渣没食子酸含量的对比分析表明，经过最佳挤压膨化参数处理后绿茶茶渣中没食子酸含量为挤压膨化前原料中没食子酸含量的4.06倍，增进了绿茶茶渣作为没食子酸提取原料的价值。其机理可能是：绿茶茶渣在机筒内受到高温剪切作用，使酯型儿茶素和其他含有没食子酰基的化合物大量水解，从而使没食子酸含量增高。

参考文献：

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[2]李肖玲,崔岚,祝德秋.没食子酸生物学作用的研究进展[J].中国药师,2004,7(10):767-769

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[9]杨薇.螺杆挤压机及其在食品工业中的应用[J].昆明理工大学学报,2001,26(3):78-83

Experimental Research of Influence of Extrusion Parameters on Crude Fiber in the Green Tea Leaves

WANG Bo1，2，ZHOU Xiao-feng2，3，YE Yang1，*，ZHU Hong-kai1，DONG Chun-wang1，QIAN Yuan-feng1，2
（1.Tea Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Tea Processing Engineering of Zhejiang Province，Hangzhou 310008，Zhejiang，China；2.Graduate SchoolofChinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing100081，China；3.Agriculture Department of Wuyi，Wuyi321200，Zhejiang，China）

Researcher extruded green tea-leaves with DS30-III twin-screw extruder.According to single factor investigation，the mathematical models with the content of Gallic acid as the responses to moisture content of material，feeding speed，rotational speed of screw and temperature of barrel were established by using response surface design.It was followed by response surface analysis.The results showed that the optimal extrusion parameters of high content of Gallic acid in green tea-leaves were that moisture content of material was 70％，feeding speed rotational was 58 r/min，speed of screw was 60 r/min and temperature of barrel was 60℃.The significance of parameters on the content of Gallic acid in green tea-leaves was decreased according to the ranking of moisture content of material＞rotational speed of screw＞temperature of barrel＞feeding speed.The content of Gallic acid in the tea-leaves that is dealt with optimal extrusion parameters was 3.57mg/g，compared with the raw materials before extrusion；the content of Gallic acid had a increase of 2.69mg/g.

extrusion；green tea-leaves；crude fiber

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.04.003

2013-09-12

浙江省重大科技专项重点农业项目（2009C12029）

王博（1986—），男（蒙古），在读硕士，研究方向：茶叶加工与质量控制。

*通信作者：叶阳（1962—），男（汉），研究员，研究生，研究方向：茶叶加工与质量控制。