Optimization of Tea Making Process with Bagasse
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摘要: 本研究利用甘蔗榨汁后的甘蔗渣制作甘蔗茶,通过二次回归正交旋转组合试验探讨了炒制温度、炒制时间和转速对甘蔗茶感官评分的影响,确定最优制作工艺条件,并测定最优制备工艺下甘蔗茶营养成分含量。结果表明,炒制温度为127 ℃,炒制时间33 min,转速为60 r/min时,在此条件下,甘蔗渣制茶工艺最优,感官评分为92.47分,感官评价良好,此时甘蔗茶营养成分含量分别为:脂肪0.25%±0.06%,蛋白质1.99%±0.39%,还原糖7.26%±0.38%,水分6.48%±0.27%,灰分1.89%±0.20%,该研究可为甘蔗渣利用提供参考。Abstract: In this study, sugar cane tea was prepared with bagasse. The effects of cooking temperature, cooking time and rotating speed on sensory scores of sugar cane tea were investigated by quadratic regression orthogonal rotation combination design experiment. The optimal processing conditions were determined, and the nutritional components of sugarcane tea were determined. Results showed that: Cooking temperature 127 ℃, cooking time 33 min and rotating speed 60 r/min. Under these conditions, the sensory score of sugarcane tea prepared was 92.47 with a good sensory evaluation. The contents of nutritional components of sugarcane tea prepared under optimal conditions were determined as fat 0.25%±0.06%, protein 1.99%±0.39%, reducing sugar 7.26%±0.38%, water 6.48%±0.27% and mineral 1.89%±0.20%. The research could provide the reference for the utilization of bagasse.
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Keywords:
- bagasse /
- sugarcane tea /
- cooking process /
- sensory scores
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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因素 编码符号 水平 炒制温度(℃) A 100 120 140 炒制时间(min) B 20 30 40 转速(r/min) C 40 60 80 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项目 级别 品质 分数(分) 汤色(30%) 优 茶汤嫩黄、清澈明亮 90~99 良 茶汤黄、明亮 80~89 合格 茶汤深黄或暗黄,欠亮或浑浊 70~79 香气(30%) 优 有浓郁香味(甘蔗香或焦香味),香气纯正、持久 90~99 良 无异味、香气(甘蔗香味或焦香味)较浓郁、持久 80~89 合格 有异味或焦糊味,尚持久 70~79 滋味(30%) 优 茶味醇厚和甘醇,入囗后囗中留有茶香,无苦涩味 90~99 良 味平淡、无刺激性 80~89 合格 有苦味或涩味,口感粗糙 70~79 叶底(10%) 优 茶袋表面无粉末 90~99 良 茶袋表面有粉末残留 80~89 合格 茶袋破损 70~79 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。
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。
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。
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。
表 3 Box-Behnken试验设计及结果Table 3. Box-Behnken design and the results实验号 A炒制温度(℃) B炒制时间(min) C转速(r/min) 感官评分(分) 1 100 30 40 77.17±3.12 2 120 40 80 90.83±0.83 3 100 20 60 74.77±2.18 4 140 40 60 88.67±1.56 5 120 30 60 92.67±1.78 6 140 30 40 87.33±1.67 7 120 40 40 90.67±1.00 8 140 30 80 88.67±1.40 9 140 20 60 88.83±1.66 10 120 30 60 92.80±1.00 11 120 30 60 92.50±0.50 12 120 30 60 93.83±1.50 13 120 20 80 80.83±0.83 14 120 30 60 93.67±0.99 15 100 30 80 74.22±1.11 16 120 20 40 82.17±1.50 17 100 40 60 79.17±1.73 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:
Y=93.09+6.02A+1.84B−1.35C−1.14AB+1.07AC+2.38BC−8.26A2−1.98B2−2.99C2
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变异来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 模型 729.33 9 81.04 41.43 <0.0001 A 290.04 1 290.04 148.29 <0.0001 B 27.16 1 27.16 13.88 0.0074 C 14.55 1 14.55 7.44 0.0294 AB 5.2 1 5.2 2.66 0.1471 AC 4.6 1 4.6 2.35 0.169 BC 22.56 1 22.56 11.54 0.0115 A2 286.98 1 286.98 146.72 <0.0001 B2 16.48 1 16.48 8.42 0.0229 C2 37.66 1 37.66 19.25 0.0032 残差 13.69 7 1.96 失拟误差 12.2 3 4.07 10.9 0.0215 纯误差 1.49 4 0.37 总和 743.02 16 R2=0.9816 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。
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原料 水分(%) 灰分(%) 还原糖(%) 蛋白质(%) 脂肪(%) 甘蔗渣 8.10±0.32 2.15±0.14 26.84±1.20 2.27±0.51 0.10±0.02 甘蔗茶 6.48±0.27 1.89±0.20 7.26±0.38 1.99±0.39 0.25±0.06 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。
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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
因素 编码符号 水平 炒制温度(℃) A 100 120 140 炒制时间(min) B 20 30 40 转速(r/min) C 40 60 80 表 2 甘蔗茶感官审评标准
Table 2 Table 1 Sensory evaluation table of sugarcane tea
项目 级别 品质 分数(分) 汤色(30%) 优 茶汤嫩黄、清澈明亮 90~99 良 茶汤黄、明亮 80~89 合格 茶汤深黄或暗黄,欠亮或浑浊 70~79 香气(30%) 优 有浓郁香味(甘蔗香或焦香味),香气纯正、持久 90~99 良 无异味、香气(甘蔗香味或焦香味)较浓郁、持久 80~89 合格 有异味或焦糊味,尚持久 70~79 滋味(30%) 优 茶味醇厚和甘醇,入囗后囗中留有茶香,无苦涩味 90~99 良 味平淡、无刺激性 80~89 合格 有苦味或涩味,口感粗糙 70~79 叶底(10%) 优 茶袋表面无粉末 90~99 良 茶袋表面有粉末残留 80~89 合格 茶袋破损 70~79 表 3 Box-Behnken试验设计及结果
Table 3 Box-Behnken design and the results
实验号 A炒制温度(℃) B炒制时间(min) C转速(r/min) 感官评分(分) 1 100 30 40 77.17±3.12 2 120 40 80 90.83±0.83 3 100 20 60 74.77±2.18 4 140 40 60 88.67±1.56 5 120 30 60 92.67±1.78 6 140 30 40 87.33±1.67 7 120 40 40 90.67±1.00 8 140 30 80 88.67±1.40 9 140 20 60 88.83±1.66 10 120 30 60 92.80±1.00 11 120 30 60 92.50±0.50 12 120 30 60 93.83±1.50 13 120 20 80 80.83±0.83 14 120 30 60 93.67±0.99 15 100 30 80 74.22±1.11 16 120 20 40 82.17±1.50 17 100 40 60 79.17±1.73 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
变异来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 模型 729.33 9 81.04 41.43 <0.0001 A 290.04 1 290.04 148.29 <0.0001 B 27.16 1 27.16 13.88 0.0074 C 14.55 1 14.55 7.44 0.0294 AB 5.2 1 5.2 2.66 0.1471 AC 4.6 1 4.6 2.35 0.169 BC 22.56 1 22.56 11.54 0.0115 A2 286.98 1 286.98 146.72 <0.0001 B2 16.48 1 16.48 8.42 0.0229 C2 37.66 1 37.66 19.25 0.0032 残差 13.69 7 1.96 失拟误差 12.2 3 4.07 10.9 0.0215 纯误差 1.49 4 0.37 总和 743.02 16 R2=0.9816 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
原料 水分(%) 灰分(%) 还原糖(%) 蛋白质(%) 脂肪(%) 甘蔗渣 8.10±0.32 2.15±0.14 26.84±1.20 2.27±0.51 0.10±0.02 甘蔗茶 6.48±0.27 1.89±0.20 7.26±0.38 1.99±0.39 0.25±0.06 -
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