甘蔗渣制茶工艺优化

彭小燕，王则港，陈加凤，刘淑燕

（1.漳州职业技术学院，福建漳州 363200；2.漳州科技职业学院，福建漳州 363202；3.漳州天康检测技术有限公司，福建漳州 363202）

甘蔗（Saccharum），甘蔗属，是多年生高大实心草本植物，属C4 作物[1]，主要分布在温带和热带，是制糖的主要原料之一。中国产业信息网统计显示，2019 年我国甘蔗的种植面积约138.19 万公顷，甘蔗产量为1.09 亿吨[2]。甘蔗渣为甘蔗制糖后的主要副产物之一，一般占甘蔗重量的25%～30%，故甘蔗渣年产量高达3000 万吨，资源相当丰富[3]。甘蔗渣富含纤维素、半纤维素和木质素，同时也含有一定量的蛋白质、淀粉和可溶性糖，除去水分之后，甘蔗渣中干物质含量可达90%～92%，其中粗蛋白质约2.0%，粗纤维44%～46%，粗脂肪约0.7%，无氮浸出物约42%，粗灰分2%～3%[4]。

甘蔗渣的主要利用途径是作为锅炉燃料烧掉，利用比较单一，经济效益低，造成资源的巨大浪费。学者们不断研究开发甘蔗渣的有效综合利用方法。有学者利用甘蔗渣作为反刍动物饲料，因其木质化程度高，有机物利用率较低[5]，故用甘蔗渣青贮[6−7]、甘蔗尾叶碱化法[8]、甘蔗渣碱化法[9−10]、甘蔗渣糖化法[11]等方法对甘蔗渣处理后再利用，这些方法虽可提高甘蔗渣利用率，但同时也增加了成本。也有学者研究将甘蔗渣制浆造纸[12−13]、制作板材原料[14−15]、制成气体吸附剂[16−17]、染料吸附剂[18−20]和重金属吸附剂[21−23]等，但因甘蔗渣预处理的能源消耗大、处理成本高等缺点，其产业发展缓慢。因此，甘蔗渣的绿色生产工艺及高值化利用还有待开发。

本研究以全面有效利用甘蔗渣资源为出发点，将榨汁后的甘蔗渣经简单预处理后制成甘蔗茶，以甘蔗茶感官评分为指标，采用二次回归正交旋转组合试验得出甘蔗渣制茶的最优工艺参数，并测定了最优工艺下制备的甘蔗茶基本成分，为甘蔗渣制茶的工业化生产提供基础依据，也为甘蔗渣的高值化综合利用提供了思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甘蔗渣 厦门天洽餐饮有限公司，均为甘蔗榨汁后的甘蔗渣；所用试剂 均为分析纯。

电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏试验设备有限公司；DY-6KG 电加热型烘豆机 南阳东亿机械设备有限公司；100T 小型超细研磨机 永康市云达冷风机厂；UV1800PC-DS2 型紫外可见光分光光度计 上海美普达仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 甘蔗渣的预处理 将榨汁后的甘蔗渣切成12 mm 左右，在温度60 ℃的电热恒温鼓风干燥箱中烘制24 h 以除去水分，然后密封于密封袋中，置于干燥箱中以备后用。

1.2.2 甘蔗茶的制备工艺

1.2.2.1 单因素实验 取30 g 预处理后的甘蔗渣分别在炒制温度80、100、120、140、160 ℃，炒制时间10、20、30、40、50 min，转速20、40、60、80、100 r/min下进行甘蔗茶炒制的单因素实验，固定因素水平分别设为：120 ℃、30 min、60 r/min。甘蔗茶炒制完成后置于托盘中冷却，然后用万能粉碎机粉碎后过40 目筛，装在密封袋置于干燥皿中防止变潮。

1.2.2.2 响应面试验 在单因素实验的结果上，以甘蔗茶感官评分为响应，用响应面法（Response surface methodology，RSM）优化甘蔗茶制作工艺。以单因素实验中各单因素最佳条件（炒制温度120 ℃，炒制时间30 min，转速60 r/min），以三因素三水平来设计Box-Behnken 试验，三因素范围及水平编码具体见表1。

表1 Box-Behnken 试验的编码和因子水平Table 1 Coding and factor levels of the Box-Behnken design

1.2.3 感官审评方法 参照袋泡茶的审评方法（国标GB/T 23776-2018）对甘蔗茶进行感官审评，标准见表2。取3 g 粉碎后的甘蔗渣放入茶泡袋中，并将其置于150 mL 评茶杯中，注满150 mL 沸水，加盖浸泡3 min 后揭盖上下提动袋茶两次（两次提动间隔1 min），提动后随即盖上杯盖，至5 min 沥茶汤入评茶碗中，依次审评汤色、香气、滋味和叶底。叶底审评茶袋冲泡后的完整性。依据此感官品评标准对甘蔗茶进行评分。

表2 甘蔗茶感官审评标准Table 2 Table 1 Sensory evaluation table of sugarcane tea

1.2.4 甘蔗渣及甘蔗茶成分的测定 参照国家标准测定甘蔗渣及甘蔗茶的主要成分。水分：GB 5009.3-2016（干燥法）；灰分：GB 5009.4-2016（灼烧法）；还原糖：GB 5009.8-2016。蛋白质：GB 5009.5-2016（微量凯氏定氮法）；脂肪：GB 5009.6-2016（索氏提取法）。

1.3 数据处理

所有试验均重复三次，试验数据用平均数±标准差（Mean±SD）表示，采用Design-Expert 7.0 统计软件对数据进行分析和处理。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

从图1 可以看出，随着炒制温度的升高，甘蔗茶的感官评分明显升高，到120 ℃时达到最高分，随着炒制温度的继续升高，评分逐渐降低，可能是由于温度过高，导致大量深色物质的产生，茶汤颜色较深，出现一定的焦糊味，影响了甘蔗茶的感官评分。故选择炒制温度120 ℃为最佳单因素水平。

图1 炒制温度对甘蔗茶的影响Fig.1 Effect of cooking temperature on sugarcane tea

从图2 可以看出，随着炒制时间的增加，甘蔗茶的感官评分有所增加，在30 min 时达到最大值，之后开始下降。由此可推测，炒制使甘蔗茶中呈色、呈香、呈味物质的生成，随着炒制时间的增加，这些物质逐步积累到最佳水平。但继续增加炒制时间，导致呈色、呈香、呈味物质过多或受到破坏，反而影响甘蔗茶的感官评分。故选择炒制时间30 min 为最佳单因素水平。

图2 炒制时间对甘蔗茶的影响Fig.2 Effect of cooking time on sugarcane tea

由图3 可以看出，随着转速的提高甘蔗茶的感官评分有所提高，当转速为60 r/min 时分值最高为90.08 分，之后随着转速的提高感官评分开始降低，可能是因为过高的转速使得甘蔗渣在炒制的过程中无法较好的与烘豆机壁接触，受热面减少，影响甘蔗茶风味物质的生成，导致感官评分稍有下降。故选择炒制转速60 r/min 为最佳单因素水平。

图3 转速对甘蔗茶的影响Fig.3 Effect of rotating speed on sugarcane tea

2.2 响应面试验

Box-Behnken 试验共包括由17 个试验点，包括12 正交试验和5 个重复的中心试验。中心试验是为了估计误差的可能性。试验结果见表3，包括试验设计和响应值。

采用Dsign-expert7.0 软件对表3 中数据进行多元回归拟合，获得响应值感官评分（Y）与影响因子（炒制温度A、炒制时间B、转速C）的二次多项式回归方程：

表3 Box-Behnken 试验设计及结果Table 3 Box-Behnken design and the results

模型方差分析的结果如表4 所示。通过方差分析可以看出二次模型对感官评分的影响是极显著的（P<0.01）。模型的决定系数（R2）是0.9816，校正后的R2是0.9579，失拟检验的P值是0.0215，说明公式（2）的数学模型拟合良好。从表4 中可以看出，炒制温度A 和炒制时间B 对感官评分有极显著影响（P<0.01），转速C 对感官评分有显著影响（P<0.05）。从回归方程一次项系数绝对值的大小判定3 个因子对感官评分影响大小依次为：A>B>C。二次项A2和C2对感官评分有极显著影响（P<0.01），二次项BC、B2对感官评分有显著影响（P<0.05），其他变量影响均不显著（P>0.05）。

表4 甘蔗茶感官评分方差分析结果Table 4 Results of analysis of variance (ANOVA) for sensory scores of cane tea

2.3 响应面模型和等高线图解析

三维响应面图和等高线图可用来反映自变量的交互作用对响应值的影响，根据模型分别绘制三维曲面图和等高线图，通过分析可以得到最佳响应值。

从图4 可以看出，炒制温度、炒制时间和转速对甘蔗茶感官评分的影响存在交互作用。在响应面图中，响应值受曲线走势的影响。曲线走势越陡，对甘蔗茶感官评分影响越大；曲线走势越平滑，对甘蔗茶感官评分影响越小[24]。由图4A1～图4B2 可以看出，炒制温度的曲线较炒制时间更陡峭，炒制时间的曲线较转速更陡峭，即三个因素中，炒制温度对感官评分的影响相对较大。此外，炒制温度和炒制时间、炒制温度和转速两两交互作用的等高线稀疏，因此，此两者的交互作用对响应值的影响不显著；由图4C1～图4C2 可以看出，炒制时间与转速两者交互作用的高曲线较密集，说明炒制时间与转速的交互作用对响应值的影响显著。

图4 甘蔗茶感官评分的响应面及等高线图Fig.4 Response surface and contour plots for sensory score of cane tea

通过响应面和等高线图确定甘蔗茶炒制的最优条件为：炒制温度126.78 ℃，炒制时间33.52 min，转速为59.49 r/min，理论上甘蔗茶感官评分可达到94.46 分。

2.4 模型验证

为检验响应面法优化甘蔗茶炒制工艺的可靠性，在最优条件基础上，设定炒制温度127 ℃，炒制时间33 min，转速为60 r/min 条件下进行验证试验，实际炒制出的甘蔗茶的感官评分为（92.47±1.20）分，与理论预测值相差2.1%，说明拟合良好，可见该模型能较好地模拟和预测甘蔗茶的感官评分。

2.5 甘蔗渣与甘蔗茶的营养成分

测定甘蔗渣及最优条件下炒制的甘蔗茶中的营养成分。从表5 可以看出，甘蔗渣中含有较多的还原糖（26.84%），推测是因为本次研究所用的甘蔗渣经榨汁后并未进行二次洗涤，有较多糖组分残留。甘蔗渣中蛋白质和灰分含量与前人[4]研究类似，分别占2.27%和2.15%，脂肪含量偏小，推测是因为甘蔗榨汁前削掉甘蔗皮，而皮中含有一定脂肪。与甘蔗渣成分相比，经过炒制后的甘蔗茶中成分含量变化最大的是还原糖，其出现明显降低，蛋白质含量亦有所降低，推测是基于高温炒制过程中部分还原糖发生的焦糖化反应或者与蛋白质发生的美拉德反应产生的影响，这可能是甘蔗茶汤呈现褐色及其他风味的主要原因。

表5 甘蔗渣与甘蔗茶中的营养成分含量Table 5 Contents of nutrients in bagasse and cane tea

3 结论

利用甘蔗榨汁后的甘蔗渣制备甘蔗茶，响应面分析得到甘蔗茶制备的最优条件为：炒制温度127 ℃，炒制时间33 min，转速为60 r/min，该条件下制备的甘蔗茶感官评分为92.47 分，茶汤有浓郁的甘蔗茶香，滋味香中略带甜味，色泽呈现亮褐色，汤底无残留。因此该法所制备的甘蔗茶具有较好的感官评分。对甘蔗渣和甘蔗茶的成分分析可以看出，甘蔗茶中的还原糖含量明显降低，说明在炒制过程中甘蔗渣中的成分在高温条件下发生了反应，生成了其他物质，后续将对此部分进行深入研究。