挤压膨化工艺参数对夏秋绿茶多酚含量及膨化度的影响

王秀兰梁 进张一芳刘政权周裔彬

(1. 安徽农业大学茶树生物学与资源利用国家重点实验室, 安徽 合肥 230036；2. 安徽农业大学安徽省农产品加工工程实验室，安徽 合肥 230036)

由于夏秋茶品质不及春茶，售价不高且销售渠道不畅通，多数夏秋茶生产基本无利可图，但产量却相对较大，资源浪费极大[1-2]。随着人们对茶与健康研究的不断深入，对富含茶多酚的夏秋茶开发与利用也在不断探索。目前，主要采取降低茶的苦涩味和提高茶的品质[1-3]来改善夏秋绿茶口感。

挤压膨化是通过摩擦、剪切和加热产生高温、高压，使物料经受破碎、混炼、剪切、熔化、杀菌以及熟化等一系列连续化处理，在高温、高压和高剪切力的作用下，物料物性产生变化，由固态粉状或粒状变成糊状，蛋白质发生变性、重组，淀粉发生糊化、裂解，纤维素发生部分降解、细化，酶及其他活性物质失活以及产品中的微生物被杀死[4-6]。挤压膨化不仅可以改变原料的外形、状态，也改变了原料的分子结构、性质，提高产品消化吸收率，改善产品品质，增加产品适口性[7]。目前针对挤压膨化技术应用在夏秋绿茶方面的研究还少有报道。王博等[8]利用双螺旋挤压膨化处理夏秋茶渣，发现膨化后原料粗纤维含量下降3%。

本研究主要利用双螺旋挤压膨化机对夏秋绿茶进行挤压膨化，研究挤压膨化参数对夏秋绿茶中茶多酚含量和膨化度的影响，并对比膨化前后茶叶微观结构的变化，以期为扩大夏秋绿茶的综合利用途径提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

中低档夏秋绿茶：金寨县大别山香源茶叶有限公司。

1.2 仪器与设备

双螺杆膨化挤出机：DSE32型，济南鼎润机械有限公司；

分析天平：AR224CN型，奥豪斯仪器(常州)有限公司制造；

紫外分光光度计：UV-1600型，上海菁华科技仪器有限公司；

电子数显卡尺：JY0-150型，浙江德清盛泰芯电子有限公司；

数显恒温水浴锅：HH型，江苏金坛市金城国胜实验仪器厂；

高速冷冻离心机：JW-3021HR型，安徽嘉文仪器装备有限公司；

数显鼓风干燥箱：DHG-9053A型，上海申贤恒温设备厂；

扫描电子显微镜：Hitachi E-1045型，日本HITACHI公司。

1.3 方法

1.3.1 样品的制备 夏秋绿茶原料粉碎过50～60目筛网，得到夏秋绿茶粉，茶粉经充分混合均匀后使用双螺杆挤出机进行挤压膨化，研究挤压膨化参数对夏秋绿茶中茶多酚含量及膨化度的影响。以物料含水量、套筒温度、螺杆转速3个为影响因素，物料含水量设置为9%，12%，15%，18%；套筒温度一区60 ℃和三区140 ℃固定不变，二区温度设置为120～130，130～140，140～150，150～160 ℃；螺杆转速设置为25，30，35，40 HZ。把挤出的样品粉碎过50～60目后放入铝箔袋中密封保存备用。此外，利用较优的膨化参数条件制备样品，进行后续组成成分和微观结构及红外光谱分析。

1.3.2 膨化夏秋绿茶粉的组成成分分析

(1) 水分：按GB/T 8304—2013执行。

(2) 茶多酚：按GB/T 21733—2008中附录A执行。

(3) 儿茶素：按GB/T 8313—2008执行。

(4) 咖啡碱：按GB/T 8312—2008执行。

(5) 游离氨基酸总量：按GB/T 8314—2013执行。

(6) 粗纤维：按GB/T 5009.10—2003执行。

(7) 可溶性总糖：蒽酮比色法[9]。

(8) 茶氨酸：按GB/T 23193—2008执行。

1.3.3 夏秋绿茶膨化度检测 使用数显电子千分尺测量样品直径，随机抽取15个样品测量直径，其径向膨化率为产品的平均直径d(mm)除以模孔直径(5.05 mm)。以径向膨化率表示膨化度[10]。

1.3.4 膨化夏秋绿茶粉的微观结构分析 使用扫描电子显微镜观察样品的微观结构。膨化后的样品粉碎过30目筛网，未膨化样品为对照，将样品用双面胶带固定在金属样品架上，在真空条件下覆盖金属涂层，加速电压10 kV，对表面结构进行观察。

1.3.5 膨化夏秋绿茶粉红外光谱分析 样品干燥后与KBr颗粒粉混合在红外灯下研磨成粉末，并压成薄片，使用配备有衰减全反射(ATR)的傅里叶变换红外光谱(FTIR)在500～4 000 cm-1波长内扫描，观察膨化前后夏秋绿茶粉的化学结构变化。

2 结果与分析

2.1 挤压膨化参数对茶粉中茶多酚及膨化度的影响

2.1.1 套筒温度 由图1可知，茶多酚含量随套筒温度的升高先增加后降低，膨化度也呈先增加后降低的趋势。这可能是温度增加，套筒内水蒸气压力增大，物料在机头处挤出时，外压瞬间增大，从而使膨化度增大[11] 22[12] 19[13]14-15。当温度超过140 ℃时，物料的黏度下降，对气体的束缚力减弱，气泡在生成过程中提早破裂，造成膨化度降低。茶粉中的淀粉含量较低，所以膨化度变化较小。随着温度的增加，膨化度增加，茶粉结构疏松多孔，促使茶多酚浸出，随着温度升高，茶多酚损失增大，导致茶多酚含量降低。

图1 套筒温度对样品中茶多酚含量及膨化度的影响

Figure 1 Effect of barrel temperature on tea polyphenols content and expansion ratio in samples

2.1.2 物料含水量 在挤出过程中水使物料发生玻璃化的转变，使物料易于变形、膨胀。从图2可以看出，膨化度在一定范围内随着水分含量的增加呈现增加的趋势，而当水分含量>15%时，膨化度有所降低。在试验过程中发现，当水分含量为9%时，膨化样品出现轻微的焦化现象，推测可能是物料被挤压破碎成干粉状，无法充分糊化，致使膨化率较低。当原料水分含量增加时，原料中的淀粉和蛋白质吸收水分，分别糊化、变性，物料黏度增大，原料与螺杆、套筒的摩擦作用增大，在套筒内滞留时间增长，膨化率升高。当水分含量超过15%时，膨化度降低，可能是物料含水量过高，使物料表观黏度降低，呈流体状态，其在膨化机套筒内所受的剪切力、摩擦力减弱，降低在机头处的压力，导致膨化度降低[14] 24[15] 16-18[16] 16-17。茶多酚含量先是随着水分含量的增大而减少，而在水分含量>12%时，茶多酚含量呈现增大的趋势，可能是物料水分含量在9%时，水分含量较低，挤出物呈焦糊状态，挤出物中部分粗纤维及其他物质碳化，使茶多酚容易浸出，茶多酚含量相对较高。当原料水分含量达到12%，样品挤出物焦糊化现象消失，原料相对水分含量较低，在高温环境下，茶多酚含量损失较多。当物料水分含量>12%，水分含量增加，水分遇高温汽化，降低温度对茶多酚的影响，且膨化度增大，挤出物疏松多孔，进而有利于茶多酚的浸出。

图2 物料含水量对膨化样品中茶多酚含量及膨化度的影响

Figure 2 Effect of raw material water content on tea polyphenols content and expansion ratio in Samples

2.1.3 螺杆转速 如图3所示，螺杆转速对夏秋绿茶膨化度影响较小。螺杆转速直接影响套筒内剪切力和压力，转速增加，产生的剪切力增加，机头处产生的压力增加，增大了机头处瞬间挤出时内外压差，使膨化度增加。螺杆转速大于35 Hz 时，螺杆转速过高，物料在套筒内停留时间缩短，大分子物质未充分断裂、降解就被挤压出来，导致膨化度降低，但由于夏秋绿茶中淀粉、蛋白质含量较低，粗纤维含量较高，使膨化度变化不明显。螺杆转速增大，剪切力与摩擦力增强有利于糊化。如果螺杆转速过快，物料在套筒内停留时间较短而不利于糊化[11] 23[12] 11-13[13] 11-12。随螺杆转速的增大茶多酚含量先增大后减小，可能是螺杆转速增大，套筒剪切力增大，夏秋绿茶破碎程度加大，促进茶多酚的浸出，使茶多酚含量增大，当螺杆转速增大到一定程度时，螺杆高速旋转的高强度机械剪切作用，使茶多酚结构有一定的破坏，导致茶多酚含量减低。

图3 螺杆转速对膨化样品中茶多酚含量及膨化度的影响

Figure 3 Effect of screw speed on tea polyphenols content and expansion ratio in Samples

2.2 挤压膨化前后夏秋绿茶粉的溶出成分分析

本试验利用较优的膨化参数条件(套筒温度130～140 ℃，螺杆转速35 Hz，物料水分含量15%)制备夏秋绿茶粉，分析夏秋绿茶膨化前后的浸出成分变化。由表1可见，夏秋绿茶膨化时在套筒内受到高温的作用，茶多酚遇热不稳定，含量降低。物料在挤压机腔内停留时受到挤压、剪切、摩擦和熔融作用，从而促使不溶性纤维向可溶性纤维的转化，粗纤维含量降低[11]。夏秋绿茶在套筒内破碎，促进浸出物的浸出，可溶性总糖含量增大。咖啡碱是相对比较稳定的物质，含量几乎没有变化。游离氨基酸含量降低，茶氨酸含量增高。茶氨酸是茶树中含量最高的游离氨基酸，极易溶于水，且溶解性随温度的升高而增大，挤压膨化后，夏秋绿茶受到高温高压的作用，有利于茶氨酸浸出，且L型茶氨酸减少，D型茶氨酸增加[14]。在高温作用下，儿茶素易氧化、聚合、缩合、异构[15]，导致膨化前后夏秋绿茶中各种儿茶素的变化。

2.3 夏秋绿茶粉膨化前后的微观结构分析

从图4中可以看出，夏秋绿茶表面粗糙不平，附着小颗粒状物质，相互粘连，膨化后的夏秋绿茶表面结构被破坏，颗粒粉碎，团聚而相互粘连形成表面较平整、光滑的结构。这可能是物料在套筒内挤压时，受到高温、高压、高剪切力的作用，使颗粒结构遭到破坏，原料中各种成分发生键的断裂、降解，成分之间也发生由结合到分离、到融合再结合的过程[12] 50 [13] 40。

图4 夏秋绿茶粉膨化前后微观结构扫描图

Figure 4 Microstructure scanning chart of summer and autumn tea before and after extruding

表1 夏秋绿茶挤压前后溶出成分分析†

† GA：没食子酸；C：儿茶素；EC：表儿茶素；EGC：表没食子儿茶素；ECG：表没食子酸酯；EGCG：表没食子儿茶素没食子酸酯。

2.4 膨化夏秋绿茶粉的红外光谱分析

图5为夏秋绿茶粉膨化前后的红外吸收光谱图，夏秋绿茶与膨化夏秋绿茶二者的谱带基本相同，但部分谱带仍存在差异，主要的吸收峰有3 389.26～3 405.12 cm-1为分子内的O—H伸缩振动(—OH)，1 454.87 cm-1为C≡C伸缩振动，1 400～1 200 cm-1为C—H变角振动，700～1 100 cm-1为与伯、仲醇羟基相连的C—O伸缩振动。与未膨化的夏秋绿茶粉相比较，膨化夏秋绿茶粉在1 054.57，1 037.19，1 144.68，1 049.51，830.83 cm-1出现新的吸收峰，在990.52，909.52 cm-1处的吸收峰消失，可能是机械力作用导致物料自身化学键的断裂，从而产生新的物质[12] 49[13] 38-39。代养勇[16] 72-75研究发现，机械作用力会导致物料自身化学键的断裂产生新的物质。如羟基化合物会发生大分子降解反应和脱水反应等。在NMR试验中证实挤压膨化机无碱制备氧化淀粉，分子链的断裂是氧化脱水产生的断裂而不是水解反应。在其他化学物质的存在下活化大分子，产生链自由基，作为接枝起始点或引入新的官能团[19] 83-84。

图5 夏秋绿茶粉膨化前后红外光谱分析

Figure 5 Infrared spectral analysis of summer and autumn green tea powder expanded

3 结论

研究了挤压膨化机的套筒温度、螺杆转速以及物料含水量对夏秋绿茶挤压膨化样品中茶多酚含量和膨化度的影响，对比膨化前后夏秋绿茶组成成分和微观结构的变化。结果表明，套筒温度螺杆转速对挤出物膨化度的影响较小，而物料含水量的影响相对较大。此外挤压处理使得夏秋绿茶微观结构发生了一定的变化，扫描电子显微镜下观察到表面结构变得平整光滑。红外光谱分析结果显示，挤压膨化机械力作用会导致物料自身化学键的断裂。夏秋绿茶经挤压膨化加工后，茶多酚含量降低，茶氨酸含量增大，一定程度上降低了夏秋绿茶苦涩味，改善其口感和食用品质。