抹茶超微粉球磨法生产工艺研究与品质分析

唐 璇，雷 雨，童 凯，李洁媛，李亚兰，姜 斌，李 东

四川轻化工大学 生物工程学院，四川 宜宾 644000

以经过遮荫栽培的茶树鲜叶为原料，经蒸汽杀青、干燥制得的茶叶称作碾茶，碾茶经研磨加工后获得的微粉状粉末即为抹茶[1]。抹茶含有丰富的功效成分，包括2.0% ～ 4.0%的咖啡碱[2]、 10.0%以上的茶多酚[3]、1.0% ～ 2.0%的茶氨酸以及茶蛋白、茶多糖等[4-5]。茶料在超微粉碎时受到来自正向和切向的压力作用而破碎，最终得到粒径小于10.0 μm的抹茶超微粉，此时茶粉具有良好的吸附性、溶解性和分散性，有利于提高有效物质的溶出率、吸收率和体内分散度[6-9]。 抹茶经超微粉碎后所具有的优良性质可扩大其在医疗保健、食品、护肤品等行业中的应用。医疗领域中可用于抑制肿瘤干细胞（Cancer stem cells）增殖、抗焦虑、预防心血管病、抗辐射、抗氧化、减肥、提神、消炎杀菌、抗心血管疾病等[10-19]。食品领域中，抹茶的添加为食品提供了具备抗氧化能力的茶多酚，为人体提供了有益的膳食纤维等[20]。护肤品领域中，抹茶具备较好的控油、滋润和抗衰老效果[21]，由此研发出抹茶与超氧化物歧化酶进行复配的茶绿色、清香型凝胶抹茶面膜[22]。

目前，抹茶超微粉碎技术有球磨、电动石磨、气流与卧式连续式等几种，由于生产企业采取的粉碎技术不同，产品质量之间存在较大差异[23]， 市售抹茶粉存在粒径大、色泽不够鲜绿明亮等问题。本文旨在优化抹茶粉球磨生产工艺以获得超微抹茶粉并探究不同工艺参数下抹茶粉的理化性质，为后期抹茶粉的加工、抹茶周边产品的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料与试剂

碾茶（宜宾市屏山县满园春色茶叶有限公司）、甲醇（分析纯，成都市科龙化工试剂厂）、碳酸钠（分析纯，成都市科隆化学品有限公司）、福林酚（1.0 mol / L，成都市科隆化学品有限公司）、L-茶氨酸（98.0%，麦克林试剂有限公司）、没食子酸（分析纯，上海金穗生物科技有限公司）、磷酸、磷酸氢二钠-十二水、磷酸二氢钾、茚三铜-一水（均为分析纯，成都市科隆化学品有限公司）。

1.1.2 主要仪器

UItra Scan VIS色差仪（上海信联创作电子有限公司）、激光粒度测定仪（欧美克仪器公司）、DZKW-4电热恒温水浴锅（北京中兴伟业世纪仪器有限公司）、TG16高速离心机（上海卢湘仪离心机仪器有限公司）、YD-YXQM-4L行星球磨机（长沙米淇设备有限公司）、PHS-25 pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司）、N5000PLMS紫外可见分光光度计（上海佑科仪器仪表有限公司）、DFT-150多功能高速中药粉碎机（温州顶历医疗器械有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 原材料预处理

将碾茶分批放入高速粉碎机中粉碎40 s，粉碎结束后将其放入50目、100目、150目、200目、250目的标准筛中进行筛分装袋，作为不同进料粒径因素的原材料。

1.2.2 单因素试验

球磨时间因子试验：在进料粒径0 ～ 50目、转速300 r/min、球料比5∶1的条件下，分别设1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h和3.0 h等5种球磨时间处理。

进料粒径因子试验：在研磨时间3.0 h、转速300 r/min、球料比5∶1的条件下，分别设0 ～ 50 目、50 ～ 100 目、100 ～ 150 目、150 ～ 200 目和200 ～ 250目等5种进料粒径处理。

转速因子试验：在研磨时间3.0 h、进料粒径0 ～ 50目、球料比5∶1的条件下，分别设150 r/min、200 r/min、250 r/min、300 r/min 和350 r/min等5种转速处理。

球料比因子试验：在研磨时间3.0 h、进料粒度 0 ～ 50 目、转速 300 r/min 的条件下，分别设 5∶1、10∶1、15∶1、20∶1和25∶1等 5种球料比处理。

1.2.3 正交试验

以抹茶粉的D50为指标，依据单因素试验结果，选取合适的研磨时间、进料粒径、转速和球料比设置四因素三水平正交试验，确定各参数影响的主次以及最优参数组合。试验因素与水平如表1所示。

表1 正交实验因素及水平Table l Factors and levels of orthogonal test

1.2.4 粒径测定

分别称取三种市售抹茶粉与各研磨样品0.5 ～ 1.0 g于装有分散介质的样品池中，先超声1 min，再开启进样器转速按钮，调节到合适的搅拌速度，使样品均匀分散，对光以后进行测量，每个样品重复测定3次[1]。

1.2.5 色泽测定

称取各研磨样品10.0 g于透明袋中，置于校准后的色差仪上以白板为标样进行测定，每个样品重复测定3次。比较其L*值、a*以及b*值，判断抹茶的亮度以及色泽随工艺参数变化的趋势[24]。

1.2.6 化学指标测定

茶多酚含量参照GB/T 8313—2018进行测定； 茶氨酸含量参照GB/T 23193—2017进行测定。

1.2.7 数据统计与分析

数据采用SPSS v.24进行统计与分析，采用单因素方差分析法进行差异显著性检验；采用Excel软件作图。每个实验均做3次平行，结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 球磨时间对粒度的影响

由表 2 知，球磨 1.5 h、2.0 h 和 3.0 h 获得的抹茶粉D50差异显著。球磨3.0 h获得的抹茶粉中粒径最小，其D50为57.01 μm，粒径分布在 11.19 ～ 133.84 μm。球磨 1.0 h 时抹茶粉中位径最大，D50达480.04 μm，粒径分布在227.61 ～ 783.08 μm。由图 1 知，研磨 1.0 h、1.5 h 和 2.0 h得到的抹茶粉粒径分布宽度大，粒度分布集中性较差。研磨3.0 h后抹茶粉的粒径最小，粒径分布宽度最小且最集中。可见，随着研磨时间的延长，抹茶粉粒径有明显的下降趋势，粉体粒径在逐步减小。本试验选取球磨3.0 h作为后续研究参数。

表2 球磨时间对粒度的影响Table 2 Effect of grinding time on particle size

图1 不同球磨时间下抹茶粉的粒径分布（%）Figure 1 Particle size distribution of matcha powder under different grinding time（%）

2.2 进料粒径对粒度的影响

由表3知，不同进料粒径对获得的抹茶粉D50差异显著。进料粒径150 ～ 200目获得的抹茶粉中位径最小，其D50为24.70 μm，粒径分布在 11.17 ～ 54.29 μm。进料 0 ～ 50 目时抹茶粉中位径最大，其D50为 60.27 μm，粒径分布在 10.35 ～ 140.31 μm。由图2知，进料150 ～ 200目时，抹茶粉的粒径分布宽度最小且最集中；其次为进料200 ～ 250目的抹茶粉粒径大小、粒径分布宽度与集中性较好。进料 0 ～ 50 目、50 ～ 100 目和100 ～ 150目的抹茶粉粒径分布宽度大，粒度分布集中性较差。

图2 不同进料下抹茶粉的粒径分布（%）Figure 2 Particle size distribution of matcha powder obtained by different feeding materials（%）

表3 进料粒径对粒度的影响Table 3 Effect of different feed particle size on particle size

以上逆向变化趋势的出现，可能是当进料粒度到达一定目数或粉体颗粒被研磨到一定程度时，粉体的比表面积增大，此时粉体不能充分分散，由于机械力和范德华力的作用，使被粉碎的抹茶粉体聚团，粉体研磨效率降低[25]。本试验选取150 ～ 200目的进料作为后续研究 参数。

2.3 球磨转速对粒度的影响

由表4知，转速350 r/min获得的抹茶粉中位径最小，其D50为109.41 μm，粒径分布在11.79 ～ 261.87 μm。转速处于 150 r/min 时抹茶粉中位径最大，其D50达到514.74 μm，粒径分布在 298.32 ～ 810.87 μm。由图 3 可知，转速处于350 r/min时，抹茶粉的粒径分布宽度最小且最集中。转速为 150 ～ 300 r/min 时，抹茶粉粒径分布宽度大，粒度分布集中性均较差。

表4 转速对粒度的影响Table 4 Effect of rotating on particle size

图3 不同转速下抹茶粉的粒径分布（%）Figure 3 Particle size distribution of matcha powder under different rotational speeds（%）

出现上述现象的原因可能是因为球磨机的动力不足，球体与抹茶之间的撞击力度不够，当转速到达一定值时，球磨机罐体内的物料和研磨球因为惯性作用跟着罐体做回转运动，此时的研磨球与碾茶不会发生撞击，主要依靠摩擦力来粉碎碾茶，球磨效率降低，当球磨机的转速达到较为适宜的值时，物料脱离罐壁，受到强烈的撞击与摩擦作用，研磨效率提升[26]。本试验选取转速350 r/min作为后续研究参数。

2.4 球料比对粒度的影响

由表5可知，球料比10∶1获得的抹茶粉中位径最小，其D50为11.36 μm，粒径分布在7.38 ～ 17.18 μm。球料比 5 ∶1 时抹茶粉中位径最大，其 D50 达到 41.90 μm，粒径分布在 10.51 ～ 87.05 μm。球料比 25∶1与 20∶1、15∶1获得的抹茶粉D50差异显著，球料比20∶1和25∶1获得的抹茶粉D50差异不显著。由图4可知，球料比为10:1时，抹茶粉的粒径分布宽度最小且最集中；其次为球料比15∶1时，抹茶粉粒径大小、粒径分布宽度与集中性较好。球料比20∶1与25∶1获得的抹茶粉粒径分布宽度较大，粒度分布集中性较好；球料比5∶1时，抹茶粉粒径分布宽度大，粒度分布集中性较差。

图4 不同球料比下抹茶粉的粒径分布（%）Figure 4 Particle size distribution of matcha powder under different ball to material ratio（%）

表5 球料比对粒度的影响Table 5 Effect of ball to material ratio on particle size

出现上述现象的原因可能是当罐体内的研磨球数量增多时，粉体被挤压在研磨球下方，导致一部分的粉体不能被碰撞研磨，研磨效率降低。本试验选取球料比10∶1作为后续研究参数。

2.5 品质成分含量

2.5.1 色泽

由表6知，粉体的亮度（L*）随着时间、转速的增加先增加后减小，随着球料比的增加而增加，随着进料粒度的减小而增加；根据色相值b*/a*的结果可知，随着研磨时间的延长、进料粒径的增大、转速的升高和球料比的增加，绿色调所占比例越小，绿度降低，抹茶粉的色泽品质变差。出现这种现象可能是由于抹茶经粉碎后，光纤吸收系数k随着粒径的变化而变化[27]，抹茶粉亮度L*也随之改变；工艺参数的增大会导致研磨罐内温度增加，罐内最高温度达80℃ ～ 85℃，高温可能对叶绿素造成损失从而使抹茶绿度降低。

表6 单因素试验色泽测定结果Table 6 Color determination results of single factor experiment

2.5.2 茶多酚含量

由图5 ～ 图8可知，茶多酚的含量在1.0 ～ 2.0 h、转速 150 ～ 300 r/min、进料 0 ～ 150 目时增加；在 2.0 ～ 3.0 h、转速 300 ～ 350 r/min、进料 150 ～ 250目时增长趋势明显减缓，趋于平衡，最高含量可达16.73%，最低含量为16.09%，变化不明显；在球料比因素中，茶多酚的含量随着球料比的增加先是急剧增加，再急剧减少，最后趋于平稳。

图5 球磨时间对茶多酚含量的影响Figure 5 Effect of ball milling time on tea polyphenols

图6 转速对茶多酚含量的影响Fig.ure 6 Effect of rotational speed on tea polyphenols content

图7 球料比对茶多酚含量的影响Figure 7 Effect of ball to material ratio on tea polyphenols content

图8 进料粒度对茶多酚含量的影响Figure 8 Effect of feed particle size on tea polyphenols content

茶多酚的稳定性极强，当处于pH值4.0 ～ 8.0、250℃的环境中时能保持稳定性1.5 h，本试验研磨罐内温度60℃ ～ 82℃，不会引起茶多酚含量变化[28]。出现上述现象的原因可能是茶多酚的析出量与粉体的粒径有关，其析出量随

着粉体粒度的减小而增多，当粒度到达一定值时，茶多酚的析出趋于稳定。本试验结果与黄亚辉等[29]研究的茶叶粉碎过程中茶多酚含量的变化趋势一致。

2.5.3 茶氨酸含量

由图9 ～ 图12可知，茶氨酸的含量在球磨时间 1.0 ～ 1.5 h、转速 150 ～ 250 r/min、进料 0 ～ 100目时增加，最高可达2.26%；茶氨酸的含量在球磨时间 1.5 ～ 2.5 h、转速 250 ～ 350 r/min、进料100 ～ 200目时有降低的现象，降低趋势较为平稳；在球料比因素中，茶氨酸的含量随着球料比的变化趋势没有明显规律，当球料比为10∶1时，茶氨酸含量最低，为2.05%。

图9 球磨时间对茶氨酸含量的影响Figure 9 Effect of ball milling time on theanine content

图10 转速对茶氨酸含量的影响Figure 10 Effect of rotational speed on theanine content

图11 球料比对茶氨酸含量的影响Figure 11 Effect of ball to material ratio on theanine content

图12 进料粒径对茶氨酸含量的影响Figure 12 Effect of feed particle size on theanine content

出现上述现象的原因可能是碾茶经过球磨粉碎后，以纤维素为主要构成的细胞壁由于受到强烈的剪切力作用而被不同程度破坏，使游离氨基酸得到释放，此时检测出的氨基酸含量明显增高，而当抹茶粉的粒度不断减小时，会释放出较多的糖类物质，如可溶性果胶，当用热水浸提茶氨酸进行含量检测时可溶性果胶会形成粘稠的胶状物，影响氨基酸的浸提效果[30]。

2.6 正交实验结果

由表7可知，研磨时间、进料粒度、转速和球料比这4个因素对抹茶粉粒径的影响次序为：研磨时间（A）>球料比（D）>转速（C）>进料粒径（B）；最优工艺组合为A2B3C3D3。经验证试验，在最优工艺参数组合下抹茶粉的D50 为 9.11 μm。

表7 正交实验结果Table 7 Results of orthogonal experimental

2.7 几种市售抹茶粉粒度测定结果

由表8可知，样品C的中位径最小，其D50 为 13.00 μm，粒径分布在 9.83 ～ 43.85 μm。

表8 市售抹茶粉的粒度分布情况Table 8 Particle size distribution of matcha powder on the market

3 结论

本试验通过比较球磨时间、进料粒度、转速、球料比等因素对抹茶粉粒度的影响程度为：球磨时间>转速>球料比>进料粒度。根据正交试验得到的最佳工艺参数组合为球磨时间2.5 h、进料 200 ～ 250 目、转速 350 r/min、球料比15∶1。在该参数组合下，抹茶粉的D50为9.11 μm，而市售某品牌抹茶粉的D50仅13.00 μm。

粉体亮度随着时间、转速的增加先增加后减小，随着球料比的增加而增加，随着进料粒度的减小而增加；随着工艺参数的增大，色相值增大，抹茶粉由鲜绿色变为黄绿色。在不同生产工艺参数下抹茶粉的茶多酚和茶氨酸含量变化不明显。

为保持抹茶色泽的鲜绿，应控制球磨温度在安全范围，采取降温措施。后期试验可通过控制球磨温度、物料水分含量、研磨球大小比以及茶叶粗纤维含量等来提升抹茶研磨效果，最终达到纳米水平。