喷雾干燥法制备红茶粉工艺优化

严利平，汪杨丽，李 睿，李 东,*，童 凯，雷 雨，康振辉，姜 斌

1.四川轻化工大学 生物工程学院 (宜宾 644000)2. 重庆市食品药品检验检测研究院 (重庆 401121)3. 泸县商务和经济合作局 (泸州 646100)

红茶属全发酵茶，是以适宜的茶树新牙叶为原料，经萎凋、揉捻、发酵、干燥等一系列工艺过程精制而成的茶，是我国第二大茶类。具有馥郁的香气和醇厚的滋味。国内外研究表明，红茶具有生津清热、提神消疲[1-2]以及抗癌、抗氧化、预防衰老[3-5]和调节肠道菌群与抗肥胖[6]等多种生理功能，具有重要的深加工价值。随着我国茶叶种植面积的增大，夏秋茶资源充足且价格低廉，因制成的绿茶苦涩味重，导致大量夏秋茶无人采摘，每年茶叶的利用率太低，造成资源浪费。把夏秋茶叶充分利用起来，加工制作成红茶，进行深加工产品的生产。

目前，我国茶叶深加工产业已形成两个产品体系：有效组分体系和功能成分体系[7]。有效组分体系包括茶粉、茶饮料和含茶食品等。而红茶粉粉质细腻，溶解性能好，除了直接饮用外，还可作为一种营养强化剂和天然色素添加剂，被广泛用于食品、保健品和化妆品等诸多行业，衍生了品种繁多的茶产品。

喷雾干燥是利用雾化器将料液雾化成直径微小的雾滴，在干燥塔中与热空气直接接触的过程中迅速蒸发料液中的水分，料液在极短的时间内干燥成粉状或细颗粒状产品后从干燥塔排出至旋风分离器实现气固分离从而获得干燥产品的一种干燥技术[8]。该技术具有干燥速度快、时间短、工艺简单、控制方便、粉末均一性好等优势[9-10]，因而广泛用于奶粉[11]、速溶咖啡[12]、果蔬粉[13-14]等产品的深加工，但对红茶的深加工研究报道还较少。本试验以红茶为原料，通过单因素正交试验，以红茶粉的得率和含水率为指标，探讨进口温度、进样流量、风机功率等因素对红茶粉喷雾干燥效果的影响，进而优化其喷雾干燥工艺参数，以期为红茶深加工利用提供参考。

1.材料与方法

1.1 材料与试剂

原料：红茶，市售(产自四川宜宾)。十二水磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、水合茚三酮、谷氨酸，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

B-290喷雾干燥仪：瑞士步琦有限公司；M1-L23B美的微波炉：广东美的厨房电器制造有限公司；UV-1800紫外可见分光光度计：上海佑科仪器仪表有限公司；TG16离心机：上海卢湘离心机仪器有限公司；分析天平：上海佑科仪器仪表有限公司；MB25快速水分测定仪：上海图新电子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 红茶粉制备工艺

红茶粉制备工艺流程为：红茶→粉碎→微波浸提→过滤离心→红茶汤液→喷雾干燥→产品。

工艺要点：红茶粉碎后过标准筛，按茶水比1∶20(g/mL)比例经微波浸提3 min，趁热过滤离心，将分离的澄清的红茶提取液(红茶提取液中茶多酚含量为4.39%，游离氨基酸含量为1.09%，咖啡碱含量为3.35%)进行喷雾干燥，获得红茶粉。

1.3.2 单因素试验设计

(1)进风温度对喷雾干燥效果的影响

固定进样流量20%、风机功率100%，在进风温度分别为120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃的条件下，对浸提的红茶汤液进行喷雾干燥，研究进口温度对喷雾干燥效果的影响。

(2)风机功率对喷雾干燥效果的影响

固定进风温度为140 ℃、进样流量20%，在风机功率(风机功率100%,相当于气体流量40 m3/h)分别为80%、85%、90%、95%、100%的条件下，对浸提的红茶汤液进行喷雾干燥，研究风机功率对喷雾干燥效果的影响。

(3)进样流量对喷雾干燥效果的影响

固定进风温度为140 ℃、风机功率100%，在进样流量(进样流量30%,相当于9 mL/min)分别为10%、15%、20%、25%、30%的条件下，对浸提的红茶汤液进行喷雾干燥，研究进样流量对喷雾干燥效果的影响。

1.3.3 正交试验设计

在单因素试验的基础上，为探究喷雾干燥过程中影响红茶粉得率的主次因素及进一步优化喷雾干燥工艺的最佳条件，以试验红茶粉的含水率、得率为指标，以喷雾干燥的进口温度(A)、进样流量(B)、进风机功率(C)作为试验的影响因素，设计三因素三水平的正交试验。

表1 正交试验因素及水平

1.3.4 喷雾干燥产品得率

式中：M1为喷雾干燥后产品质量，g；M2为红茶的质量，g。

1.3.5 外观特征及理化指标检测

水分含量的测定，采用快速水分测定仪测定；茶多酚含量的测定，参照GB/T 8313—2018，采用福林酚法测定；游离氨基酸总量的测定，参照GB/T 8314—2013，采用茚三酮显色法；咖啡碱含量的测定，参照GB/T 8312—2013，采用紫外分光光度法测定；外观特征参考GB/T18798.4—2013附录A感官品质检验方法。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1进口温度对红茶喷雾干燥的影响

进口温度是喷雾干燥的主要热源，雾滴在干燥塔内干燥时，需要足够高的温度来提供热量[15]。因此，考察了进口温度在120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃条件下，对红茶喷雾干燥效果的影响，结果见图1。

图1 不同进口温度对红茶喷雾干燥效果的影响

从图1可知，干粉得率随着进口温度的升高呈现出先增加后降低的趋势，并在150 ℃时是得率达到最大值18.71%。相似的研究现象也出现在张婷婷等[16]制备武夷岩茶速溶茶粉；陈丰等[17]用银耳预泡液制备精粉。该现象的原因可由喷雾干燥传热的热效率计算公式[18]：η=(T1-T2)/(T1-T0)(其中：T1为干燥塔的进口温度，T2为干燥塔的进出口温度，T0为环境温度)可以看出进风温度越小，热效率就越低。当进口温度小于150 ℃时，因为热效率小，在干燥塔内的雾滴含有的多糖等成分不能充分地干燥，容易粘附着在干燥塔内壁，造成干粉得率比较低。当进风温度过大于150 ℃时，干燥物料表面的水分过快蒸发，容易形成粘块状，使物料内部的水分不能够充分的扩散蒸发，容易引起物料回潮而附着于干燥塔的内壁上；含水率随着进风温度的升高而降低；以及出口温度随着进口温度的升高而升高，有研究表明，当出口温度高于产品玻璃化转变温度时，有一部分产品就会开始呈现熔融态[19]。故进风温度选择140 ℃、150 ℃、160 ℃进行正交试验。

2.1.2 进样流量对红茶喷雾干燥的影响

进料速度决定了物料在干燥室、分离器、输送机中的停留时间，同时，还影响着物料雾化以及液滴的大小[20]。因此，考察了进样流量在10%、15%、20%、25%、30%条件下，对红茶喷雾干燥效果的影响，结果见图2。

图2 进样流量对红茶喷雾干燥效果的影响

从图2可知，含水率随着进样流量的增加而增加，干粉得率和出口温度都随着进样流量的增加而降低，在进料流量10%的时候干粉得率达到最大，因为进料流量在增大的同时，喷雾干燥的雾滴也在变大[21]，导致喷雾干燥不够彻底，容易发生粘壁现象或直接以雾滴的形式落在盲肠管里。所以干粉得率下降。但在进样流量较小时，所需要的喷雾干燥时间增加导致干燥效率过低，故进样流量选择15%、20%、25%进行正交试验。

2.1.3 风机功率对红茶喷雾干燥的影响

喷雾干燥机工作时的风机功率与形成的负压有关，风机功率越大，负压就越大。因此，考察了进风机功率在80%、85%、90%、95%、100%条件下，对红茶喷雾干燥效果的影响，结果见图3。

图3 风机功率对红茶喷雾干燥效果的影响

从图3可知，风机功率对出温度影响不明显，在66 ℃左右；含水率随着风机功率的增加而增加；干粉得率随风机功率的增加呈先增加后减小的趋势。并在95%达到最大值19.15%。在风机功率较小于95%时，由于负压过小物料经过干燥塔的时间较长水分含量较小，以及部分物料不能到达分离器进入盲肠瓶，导致干粉得率较低；当风机功率大于95%时，由于负压过大，物料快速进入旋风分离器，由于对物料干燥不彻底，一部分粘附在旋风分离器内壁，一部分进入了出口过滤器，导致得率降低。故风机功率选择90%、95%、100%进行正交试验。

2.2 正交试验结果分析

对单因素试验得出的所有数据进行结果分析，选取进风温度(A)、进样流量(B)、风机功率(C)进行正交试验(因素水平见表1)，确定红茶粉喷雾干燥的最优工艺参数，正交试验结果见表2。

表2 喷雾干燥工艺正交试验结果

由表2可以看出，对于评价指标中的红茶粉得率而言，通过极差值R的比较，可知影响喷雾干燥的主次因素为B>A>C，即进样流量影响最大，其次是进口温度，最后是风机功率；结合表3可看出，进样流量对喷雾干燥产品得率的影响差异极显著(P<0.01)，进口温度对喷雾干燥产品得率的影响差异显著(P<0.05)，风机功率对喷雾干燥产品得率的影响差异不显著(P>0.05)，红茶粉得率最佳的喷雾干燥工艺参数为A2B1C2，即进风温度150℃、进料流量15 % 和风机功率为95%。

表3 得率正交试验方差分析

由表2可以看出，对于评价指标中的红茶粉含水率而言，通过极差值R的比较，可知影响喷雾干燥的主次因素为C>A>B，即进样流量影响最大，其次是进口温度，最后是风机功率；结合表4可看出，风机功率对喷雾干燥产品含水率的影响差异显著(P<0.05)，进样流量和进口温度2个因素对喷雾干燥产品含水率的影响为差异不显著(P>0.05)。红茶粉含水率最佳喷雾干燥工艺参数为A3B2C3，即进风温度160 ℃、进料流量20 % 和风机功率为100%。

表4 含水率正交试验方差分析

其中，进样流量和进风温度主要影响红茶粉的得率，风机功率主要影响红茶粉的含水率。综合各因素影响大小以及经济性，以得率为考察指标，得出其最优的因素组合为A2B1C2。以含水率为考察指标，得出其最优的因素组合为A3B2C3。

2.3 验证试验

验证试验结果见表5。由表5可以看出，组合A2B1C2的红茶粉得率明显比组合A3B2C3高，组合A3B2C3的含水率比组合A2B1C2的低。因为组合A2B1C2和A3B2C3的喷雾干燥制的红茶粉含水率均小于6%，符合茶粉含水率的要求[22]，得出组合A2B1C2制备的红茶粉优于组合A3B2C3。即在制备红茶粉过程中，喷雾干燥工艺参数进风温度150℃、进样流量15% 、风机功率95% ，制备的红茶粉得率最高为20.24%，含水率为4.33%。

表5 验证试验结果

2.4 红茶粉物理性状与成分分析

通过优化的工艺组合喷雾干燥得到红茶粉，其红茶粉得率为20.24 %，含水率为4.33 %，其理化性状指标分别见表6、表7。

表6 红茶粉物理性状

表7 红茶粉生化成分分析

以最优工艺参数制备出的红茶粉呈黄棕色粉末，溶解性良好，富有茶香味，滋味较醇。此外，红茶粉内含成分比较丰富，茶多酚类含量为308.33 mg/g，游离氨基酸含量为34.78 mg/g，咖啡碱含量为138.54 mg/g。符合QB/T18798.4—2013《固态速溶茶》[20]中的感官指标要求和理化指标。

3 结 论

试验采用喷雾干燥法干燥红茶提取液，通过正交试验优化获得最佳喷雾干燥工艺参数：进口温度150 ℃，进样流量15%，风机功率95%，在此优化条件下，出口温度72 ℃，干燥后的红茶粉含水量为4.33%，干粉得率为20.24%，红茶粉均匀细小呈棕黄色粉末，溶解性良好，内含物比较丰富，茶多酚类含量为308.33 mg/g，游离氨基酸含量为34.78 mg/g，咖啡碱含量为138.54 mg/g。

干燥方法对茶粉的外观色泽及品质起着重要的作用，目前常用的有喷雾干燥和冷冻干燥。两种干燥方法都有各自的优势，张靓[20]等对速溶茶干燥工艺研究进展中表明，冷冻干燥的茶粉中有效成分保留的更多，但冷冻干燥投入多，能耗成本高，且生产效率也不及喷雾干燥。因此，喷雾干燥在实际生产中运用更多，可见红茶粉喷雾干燥工艺具备研究价值。