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速溶茶干燥加工工艺研究进展

来源:未知 编辑:oemodmdaijiagong 时间:2018-06-25

速溶茶是一种能够迅速溶解于水的固体饮料,以成品茶、半成品茶、茶叶副产品或者鲜叶为原料,通过提取、过滤、浓缩、干燥等工艺过程,加工成一种颗粒状、粉状或小片状的固体,除了便携式小包装直接冲饮,还可广泛用于液体、固体茶饮料和食品当中。

速溶茶

速溶茶具有饮用方便、无需去渣、便于携带和运输等特点,符合现代快节奏生活的需要[1],也赢得了广大消费者的喜爱;同时因其易实现机械化、自动化和连续化生产,近年来发展迅速,其中国内各种速溶茶的生产总量已达10 万吨以上,60%以上的产品出口美、日、韩、港、台等国家和地区[2],国内外越来越关注速溶茶的工艺研究和产品开发。干燥是速溶茶加工过程中的最后一道工序,对成品茶的品质起着决定性的作用, 合适的干燥工艺对提升速溶茶粉的品质及得率有着重要作用, 目前速溶茶的干燥方式主要有喷雾干燥和冷冻干燥两种。本文将重点对这两种干燥方式的主要影响因素及不同种类速溶茶干燥工艺应用进展进行阐述。此外,还对两种干燥方式的效果进行了对比,便于今后对速溶茶干燥工艺作进一步探究。

1 速溶茶发展概况

茶叶是世界上三大受欢迎饮料之一, 并且可以和不同的水果、花和香料进行拼配加工或强化以满足特定消费需求[3]。中国是世界上茶叶种植面积最大、产量最多的国家,截止2015 年,全国茶园面积达到287.73 万公顷,产量增长至227.8 万吨[4]。随着我国茶园面积和茶叶产量的逐年提高, 我国茶产业已面临产能过剩、功能浪费等问题,而加快茶叶加工向现代化茶饮料、速溶茶、茶多酚等深加工领域多层次、多方位的发展对提高茶资源利用率有着重大作用。

速溶茶起源于英国,1940 年英国饮料行业首先进行了速溶红茶的试制, 标志着速溶茶粉制造业的诞生; 我国速溶茶的研制工作从20 世纪60年代开始,经历了不断发展和完善的过程,速溶茶在产品种类、产品质量及产品销售等方面均取得突破性进展。目前市场上速溶茶产品主要有纯味速溶茶和调味速溶茶两大类, 生产地主要在斯里兰卡、印度、肯尼亚、美国以及中国的福建、浙江、湖南、深圳、江西、江苏、云南等省市。

近年来对速溶茶的工艺研究主要集中在提取、转溶、过滤浓缩、保香增香、干燥和功能性茶饮料(如高氨基酸速溶茶[5]、高EGCG 速溶茶[6]和低咖啡因速溶茶[7])研制等方面,并取得了一定进展,如利用低温超声波辅助浸提的茶固型物提取率较高[8]; 以茶末为原料采用微波助提法制备速溶茶粉,产率高、耗时短,便于工业化生产[9];用反渗透膜浓缩法对茶提取液进行浓缩有利于产品香气与冷溶性的提高[10];在加工速溶茶过程中添加一定量的β-环糊精,其最终产品在香气、滋味方面得到很大改善[11];利用脉冲电场(PEF)技术,冷冻浓缩和真空冷冻干燥等多项技术可生产高香速溶茶[12];采用茶叶香气的萃取回收技术(ARS)与超高温瞬时灭菌(UHT)相结合生产出的速溶茶粉和浓缩茶汁的香气品质可与现泡茶相当[13];采用流化床造粒制成的速溶茶粉,流动性和速溶性都很好,对小袋装速溶茶的发展起到了极大的推动作用[14];结合现有的茶叶生产线, 直接利用鲜叶加工得到速溶茶粉[15-16]能有效降低生产成本。这些新型技术与设备的发展缩短了速溶茶的制备时间, 大幅提高速溶茶品质。由于某些新设备投资过大,或新技术生产成本过高等原因, 常规加工工艺制备的速溶茶仍是目前市场上的主流产品。

常规速溶茶粉的加工过程中仍存在着一些问题,如易发生滋味淡、香气低、冷溶性不良、易结块、销售运输和包装难度大、茶汤易混浊和沉淀等情况[17],如何低成本、高效率地解决这些问题是今后速溶茶研究的重点方向。干燥是速溶茶加工成型过程中的最后一步, 通过对干燥工序各项参数进行优化,有利于降低生产成本、提高生产效率、缓解上述常规速溶茶粉的部分品质问题、改善速溶茶的颗粒特性, 以提升速溶茶在包装与贮运上的便利度。

2 速溶茶喷雾干燥技术研究进展

2.1 喷雾干燥的基本工艺流程

喷雾干燥的原理是利用雾化器将料液分散为细小的雾滴, 并在热干燥介质中迅速蒸发溶剂形成干粉的过程,料液的形式可以是溶液、悬浮液、乳浊液等可经泵输送的液体形式, 干燥的产品可以是粉状、颗粒状或经团聚的颗粒[18],具有良好的分散性和溶解性。喷雾干燥技术具有蒸发面积大、干燥速度快、物料温度低、易于连续化生产等优点,在食品干燥中显示出很强的优越性[19],尤其适用于热敏性物质的干燥[20],可广泛应用于食品、工业、医药等行业,常见的有速溶茶、速溶咖啡、奶粉、果蔬粉、染料、洗涤剂、中药制剂等。

2.2 影响喷雾干燥的主要因素

喷雾干燥过程易受到很多条件的影响, 如雾化器的类型与喷嘴口径大小、喷雾干燥工艺参数(如物料浓度、雾化压力、进出口温度、进料流量等)、添加的干燥赋形剂种类和含量等。通过调节影响喷雾干燥的各项因素, 一定范围内调整产品的水分、粒度、密度等粉体特性,达到控制速溶茶产品品质的目的。

2.2.1 雾化器对喷雾干燥的影响

(1)雾化器类型

喷雾干燥中常用的雾化器有压力式和离心式两种,不同的雾化器可以产生不同的雾化形式,雾化形式的选择取决于料液的性质和最终产品要求。

使用离心式雾化器时, 料液在离心力的作用下经微孔被甩成小颗粒, 继而被热空气流干燥成粉状产品。而压力式雾化器是用压力泵将料液从喷嘴孔内高压喷出并被分散为小雾滴, 并与干燥介质接触。钟芳等[21]对压力式雾化器与离心式雾化器所得的样品粒径进行了比较, 发现采用压力式雾化器产生的颗粒大而均匀, 且颗粒表面呈多孔状,样品速溶性好;华飞[22]对比了两种喷雾干燥的速溶茶粉外观品质, 离心喷雾塔干燥所用时间较长,茶粉色泽好,茶粉颗粒细,茶香较淡,口感苦涩味弱,适合于对外观要求较高,饮茶量较少的人群;而压力喷雾塔干燥速率快,茶粉带褐色,颗粒大小可以通过喷头调节,但口感还是较苦涩,适合作为调味速溶茶使用。

(2)喷嘴口径大小

在喷雾干燥塔内由雾化器向一定高温的热空气喷出细小雾滴, 继而被干燥形成颗粒, 一般而言,雾滴的大小决定最终颗粒的大小。大孔径喷片产生雾滴较大,干燥后的粗颗粒明显增多,成品率提高,生产能力增大,但是需要的输送压力也相对提高,对喷嘴帽的磨蚀作用增大,容易影响雾化效果,造成部分液滴干燥不彻底。喷雾干燥的孔径大小可从0.5~2.0 mm 进行选择,石庆宏等[23]对孔径分别为0.79 mm、1.2 mm、1.6 mm 的旋转压力式喷嘴喷雾特性进行了系统的实验研究, 结果表明压力和喷嘴孔径同时影响喷嘴流量、喷雾角、雾滴直径,雾滴粒径主要集中在80~200 μm 之间。为了获得不同粗细和形状的颗粒, 喷头设计成多种型号, 我们可根据速溶茶粉产品制备的实际需要选择合适的雾化器和喷嘴孔径。

2.2.2 工艺参数对喷雾干燥的影响

速溶茶的喷雾干燥过程中, 速溶茶颗粒大小与鲜茶汁浓度成正比,如浓度稀而要求颗粒大,可在喷雾干燥前添加环糊精或液态CO2[24]。不同进出口温度对速溶茶粉的粉体性质有直接的影响,研究表明入口空气温度过高, 会导致粉体的堆积密度、吸湿性、总多酚和抗氧化活性显著减少[25],同时产生非酶性褐变反应, 使速溶茶粉的颜色加深[26];如将进风口温度维持不变时,提高出风口温度可以缩小进出口温度差, 提高热空气在塔内的平均温度,加快干燥速率,有效防止粘塔[27]。一般速溶茶的工业生产进料浓度为20%~40%,进风温度为120~200 ℃,而出风温度一般在60~90 ℃。不同种类的速溶茶其喷雾干燥工艺参数有所不同,其中对喷雾干燥的温度设置研究较多。(1)对于普通的茶类速溶茶工艺参数来说, 喷雾干燥温度相对较高,如邵云飞[28]在进行速溶茶加工工艺研究时发现最佳工艺参数为进风温度175 ℃、出风温度75 ℃、茶汤可溶性固形物12%,研究还表明进风温度对速溶茶色泽的影响显著, 而得率受进风温度和茶汤可溶性固形物含量的影响显著;张春生等[29]进行速溶普洱茶的喷雾干燥工艺研究时采用进风口温度为160 ℃, 出风口温度为70 ℃, 普洱茶汤相对密度1.15 时产品得率较高,感官品质较好。(2)对于冷溶型速溶茶及对热敏性要求较高的茶类如药茶,干燥温度相对较低,如周天山等[30]在进行去苦味冷溶型速溶绿茶加工时发现采用进口温度135℃,出口温度75 ℃,进样速度为10 mL/min,得出的速溶茶品质较好;葛云鹏等[31]对速溶药茶颗粒提取液的干燥方法进行了研究,结果表明进风温度为120 ℃,泵药速度为5 mL/min,所得的药茶干粉中茶多酚含量较高,香气较好。(3)对于某些特定的茶类,还要根据其产品特性来决定喷雾干燥工艺参数,如张焱等[32]对金银花速溶茶的喷雾干燥工艺进行了优化, 当进口温度为200 ℃,喷雾压力为180 kPa,料液相对密度为1.10 时, 生产的速溶金银花茶粉得率较高,感官品质最优。因此对于不同的速溶茶加工,所选择的各项参数也需要做相应调整。2.2.3 赋形剂的使用对喷雾干燥的影响干燥过程中赋形剂(干燥添加剂)主要影响干燥效率、成品粉末的物理性质、化学性质、保质期、稳定性和感官特性。研究表明,使用赋形剂有利于提高喷雾干燥过程效率并改善产品性能[33]。喷雾干燥最常用的赋形剂是高分子量碳水化合物,如淀粉、葡聚糖、麦芽糖糊精、玉米糖浆、阿拉伯胶、环糊精、乳糖、明胶等,但对赋形剂的选择以及添加比例应该根据所需产品的类型和要求确定。在速溶茶加工过程中使用较广的是β-环糊精,其具有特殊的筒结构,可与许多无机、有机分子结合成主客体包合物, 并改善被包合物的物理性质,具有保护、稳定、增溶和选择性定向分子等特性,因而在食品、环境、医药、高分子合成、化妆用品、化学检测等领域应用广泛[34]。速溶茶在加工过程中添加β-环糊精不仅能提升速溶茶粉的香气和滋味,还能在干燥过程中提高产品得率,并对成品起抗结块的作用。姚勇芳等[35]发现添加8%β-环糊精可有效保持速溶乌龙茶香气, 在喷雾干燥过程中保护茶叶中有效成分并改善滋味; 白卫东等[36]在进行八宝速溶茶粉工艺研究中发现,添加一定量的β-环糊精可以较好地提取茶叶中的有效成分,产品得率、香气、滋味更优;也有研究表明[37]在速溶红茶浸提过程中利用混合环糊精(包括α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精及其它糖类)替代β-环糊精,其浸出物总量可提高10%~20%,成品风味均更优,且生产费用可降低20%左右。麦芽糊精是目前使用较多的赋形剂, 具有膨胀、成膜、与风味物质相结合等功能,还能降低氧对壁基质的渗透作用, 使用高水溶解性的麦芽糊精可以显著减少物料分散液的表观粘度, 有利于液体进料的雾化和干燥[38]。郑必胜等[39]在灵芝速溶茶的研制中发现麦芽糊精可提高灵芝速溶茶出粉率; 通过研究麦芽糊精浓度对粉末的物理性能的影响[40],发现提高麦芽糊精浓度可使粉末堆积密度增加,吸湿性降低,水溶性指数(WSI)增加,而水吸收指数(WAI)下降,这对粉末类产品的运输和储藏是有利的。

Nadeem 等[41]对速溶草药茶粉中添加不同的种类和浓度的赋形剂进行了研究, 结果表明:较β-环糊精而言, 阿拉伯胶和麦芽糊精更能有效防止喷雾干燥过程中的香气损失,添加浓度从3%提高到5%后产品得率提高了36%, 产品的溶解性、色泽、汤色清透度均有所提升;但Fang 等[42]指出,大量增加干燥赋形剂不但增加了成本, 也可能会改变最终产品的原始风味和口感, 存在引起消费者不满的风险。

3 速溶茶冷冻干燥技术研究进展

3.1 冷冻干燥的基本工艺流程

冷冻干燥是先将物料进行速冻, 在真空条件下加热, 使物料中的水分由固态冰升华而变为蒸汽,从而使物料脱水干燥。相对于其他干燥方法来说,冷冻干燥全过程在低温、真空条件下进行,避免了氧化及高温对生物活性物质的作用, 能最大限度地保留食品原有的营养、味道、芳香和颜色,特别适用于热敏性物质[43]。使用冷冻干燥技术生产的速溶茶外观色泽均匀, 粉质地疏松呈多空海绵状结构,热溶冷溶的溶解性都特别好,更适宜生产高附加值、高品质要求的速溶茶。但一般的冷冻干燥方法时间较长,不可连续生产,成本也高,因此在大规模生产中受到了限制。

一般的冷冻干燥工艺流程包括前处理、预冻结、升华和再干燥四个阶段,基本过程是将浓缩至20%~30%的茶液装入托盘内,液体的厚度控制在10~15 mm 范围内, 然后将托盘置入速冻库内冻至茶液的共晶点(-18 ℃)以下(一般冻至-25~-30 ℃), 将速冻好的茶液放入真空冷冻干燥室内,使茶液固体处于升华状态,升华结束后在低于物料允许的最高温度下进行干燥。

3.2 影响冷冻干燥的主要因素

3.2.1 前处理对冷冻干燥的影响

前处理的结果对冻干速溶茶的汤色和滋味有着决定性的影响, 由于真空冷冻干燥的速溶茶在干燥前进行冷冻容易产生冷后浑, 因此对前处理工作必须有足够重视。如利用反渗透浓缩技术取代真空浓缩技术更有利于保持产品的良好品质,并成为速溶茶冻干技术相配套的浓缩技术[44-45]。施郁萌等[46] 对冻干速溶绿茶粉的前处理进行了研究,得出最佳工艺参数为:浸提温度85 ℃、浸提2次( 每次30 min ) 、茶水比1 ∶ 40 、预冻结温度-40 ℃,有利于提高后续冻干成品的品质。

3.2.2 工艺参数对冷冻干燥的影响

速溶茶冷冻干燥过程中的参数设置主要有茶液的浓度、装料厚度、冷冻速率、操作压力、加热温度等, 对这些因素进行适当的调控有利于提高干燥速率及制品质量。当茶液的浓度较大时,不仅可以缩短冻干时间,还可以提高单班产量;物料厚度对总干燥时间影响最大[47],物料增厚会导致冻干时间大大增长,因此要尽量增大物料表面积,减小厚度,以提高干燥速率;冷冻速度不同,形成的冰晶体大小、数量及其分布也不同, 成品茶粉的质地、溶解度和均匀性也会不同,通常在1 h 左右将浓缩茶液快速冻结较好; 压力大小主要影响冷冻干燥过程的传热传质, 国内外普遍介绍利用压力循环法可缩短冻干时间,降低能耗;升华过程中的隔板的温度控制对速溶茶品质也会有影响, 在升温的第一阶段温度一般控制在茶浓缩液共晶点(-17~20 ℃)以下,第二干燥阶段将隔板温度控制在60 ℃左右能更好的保持茶中的活性成分[48]。蓝仁华等[49]研究了速溶茶冷冻干燥的最佳操作条件,实验条件下,茶液最适宜浓度为0.91%,进行冻干的茶液最佳厚度为10 mm, 操作压力升到0.06 mmHg 时比机内恒压节省冻干时间13%,提高了冷冻干燥的效率。之后张欣[50]通过建立速溶茶冷冻干燥冻干曲线, 改进了速溶茶冷冻干燥的最佳工艺条件, 即绿茶提取液浓度20%~25%,溶液厚度为10 mm,冻干温度为-17℃,干燥时间为8.5 h,压强为0.1~0.3 mmHg,可达到最佳经济效益。

4 喷雾干燥与冷冻干燥的效果对比

从成品质量来看, 冷冻干燥的速溶茶香味物质及有效成分保留的更多。杨转等[51]在普洱速溶茶的制备中发现, 冻干处理的普洱茶粉中游离氨基酸总量比喷雾干燥样品高, 且茶粉具有较好的冲泡性和品质,汤色澄清嫩绿亮,香气鲜嫩,滋味鲜醇、厚实。Kraujalyte 等[52]发现喷雾干燥和冷冻干燥后的速溶红茶粉除了醛类物质的含量没有显著性差异,其他挥发性成分均具有显著性差异;朱旗等[53]比较了喷雾干燥和冷冻干燥对速溶绿茶香气的影响, 结果表明喷雾干燥后速溶绿茶香气损失严重,冷冻干燥更有利于速溶绿茶香气的保存;叶乃兴等[54]对乌龙茶的冷冻干燥进行了探究,发现冻干茶、冷冻茶的主要香气成分含量较高,主要在于芳樟醇、香橙烯、β-石竹烯、异戊酸苯乙酯、β-杜松烯、橙花叔醇等含量较高;李红等[55]通过聚类分析发现,浓缩液经真空冷冻干燥后2-乙基呋喃等9 种成分消失, 新增正己醛等23 种挥发性成分,可能是高真空导致低沸点成分挥发损失,而糖苷类物质在长时间低温下分解释放出挥发性醇类物质;李等[56]对比了冷冻干燥与喷雾干燥对速溶红茶中γ-氨基丁酸含量的影响,结果发现经冷冻干燥后γ-氨基丁酸损失率低于喷雾干燥, 且制得率更高,更适于生产高含量γ-氨基丁酸速溶红茶。由表1 可见,虽然冷冻干燥的产品质量更好,但是从加工成本来看,冷冻干燥是一个投入多,能耗成本高的工艺, 且目前生产效率也不及喷雾干燥,因此在实际生产中,大多数厂家仍然选择喷雾干燥。目前对于改善冷冻干燥高能耗的问题有诸多研究, 如用一种新型的连续冷冻干燥法———自旋冻结法[57]能有效缓解冷冻干燥只能间歇性工作的缺点; 优化具有喷雾干燥和冷冻干燥两者优点的喷雾真空冷冻干燥系统,可简化加工工序,改善能耗过大等问题。探索高品质速溶茶的喷雾干燥工艺与低能耗的冷冻干燥工艺是今后的研究重点。除了喷雾干燥和冷冻干燥之外, 还有一些其它的干燥方式往往干燥效果不理想或成本太高,因此在实际生产过程中未得到广泛应用, 如恒温减压干燥、加热干燥、喷雾真空冷冻干燥系统、基于微粒凝聚成较大颗粒的一类干燥技术等。

5 展望

综上所述,在速溶茶加工过程中,干燥方式与速溶茶品质的形成有着一定的相关性, 改变干燥参数可改善速溶茶粉的品质与得率, 节约生产成本。我国茶的种类繁多,其理化性质和感官要求也各不相同,即使在相同的干燥条件下,其传质、传热的速率也存在差异, 如果按照同一条件进行喷雾干燥,不仅不能达到理想的干燥效果,而且容易造成能源浪费。因此在速溶茶的工业生产过程中,应针对不同的产品摸索干燥的最佳工艺参数,高效、节能地生产出高质量产品。

随着现代各项技术的日新月异以及机械装备的快速发展,人们高效利用资源、提高产品质量等意识进一步加强, 对速溶茶粉加工工艺的技术要求也越来越高。从最开始的小规模冷冻干燥到大规模的喷雾干燥, 再到后续对干燥工艺参数优化的研究,速溶茶干燥工艺在不断更新,有力推动了速溶茶产业的发展。除了探究速溶茶粉的生产工艺外, 还应该注重将设备的发展和工艺的研究结合起来,促使多个专业的交叉与融合,获得更高效更快速的发展。


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