自动化生产线加工过程中“川红芽茶”主要品质成分变化及回归分析

李 丹,陈 岗,练学燕,李湘成,杜 晓,*,钟晓雪

(1.四川农业大学国家茶检中心(四川)研发中心,四川雅安 625014;2.宜宾川红茶业集团有限公司,四川宜宾 644000)

自动化生产线加工过程中“川红芽茶”主要品质成分变化及回归分析

李 丹1,陈 岗2,练学燕2,李湘成2,杜 晓1,*,钟晓雪1

(1.四川农业大学国家茶检中心(四川)研发中心,四川雅安 625014;2.宜宾川红茶业集团有限公司,四川宜宾 644000)

以四川早白尖品种单芽为原料制作“川红芽茶”,研究其自动化生产线大生产过程中主要品质成分变化及各项成分因子的相关性。结果表明:“川红芽茶”生产过程中各主要成分发生显著变化,随制茶工序推进,与鲜叶相比,含水率、茶多酚总量、儿茶素总量、咖啡碱含量均呈递减趋势,分别降低了92.38%、47.64%、76.74%、11.54%;可溶性糖含量、氨基酸含量呈波动下降趋势,分别降低了5.75%、14.12%;水浸出物总量、茶黄素、茶红素和茶褐素总体呈上升趋势,分别增加了1.37%、302.52%、223.14%和418.84%。通径分析和多元逐步回归分析结果表明,茶多酚、可溶性糖、茶红素对水浸出物含量的影响主要是直接作用,其回归方程为Y1=-3.1463+0.3368X1-19.8961X2+2.8151X3+19.1909X4+0.9947X6;茶褐素对茶多酚含量的影响主要是直接作用,其回归方程为Y2=33.0615+0.0664x2-5.7156x3。

川红工夫,自动化加工,品质成分,回归分析

红茶按外形分为红条茶和红碎茶,而红条茶按初制方法不同又分工夫红茶和小种红茶[1]。川红工夫(Sichuan Congou black tea)与祁红、滇红并称中国三大工夫红茶,始制于20世纪50年代,主产于四川宜宾[2],川红芽茶是川红工夫中的名茶产品,具有外形条索紧细,色泽乌润,满披金毫;内质橘糖香高长持久,汤色红亮,滋味鲜醇爽口,叶底红明匀整的品质特征[3]。目前针对红茶的研究主要集中在加工技术[4-7]、品质控制[8-9]、抗氧化活性[10-13]、降脂[14]等功能研究、对工夫红茶自动化生产加工中品质变化研究鲜见报道,从鲜叶到成品茶,工夫红茶加工过程主要品质成分变化规律及其成分之间相关性研究尚不清楚。而长期以来,由于加工机械条件限制,对工夫红茶加工品质的研究主要集中在各工序单机作业上。未来红茶加工机械的发展方向是实现生产连续化、清洁化、智能化控制及无人作业[15-16],因而对红茶自动化生产线加工过程主要品质成分变化研究成为必要。本研究以四川宜宾川红茶业集团有限公司最新引进的工夫红茶自动连续化清洁生产线工厂生产条件下,各工序在制品为对象,分析测定其主要品质成分,进而对其成分变化规律及成分之间相关性进行分析,进一步完善川红工夫品质形成机理,同时为工夫红茶自动连续化生产加工提供更多的理论数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

茶鲜叶 宜宾高县茶区早白尖茶树品种独芽,于2014年9月在四川宜宾川红集团高县林湖茶厂,以红茶自动连续化清洁生产线工厂生产过程各工序在制品为实验材料,按科学取样方法分别取样1 kg,取样后立刻微波固样1 min、75 ℃温度烘箱烘至足干,取样三批次,混匀后测定内含成分。

BS-124S微量电子分析天平 上海分析仪器厂;UV-2300 紫外-可见分光光度计 上海天美分析仪器公司;ASI-8601红外测温仪 上海兴科环境科技有限公司;WP8007L23-K1 微波炉 顺德格兰仕电器实业有限公司;DHG-9245 A型鼓风式电热恒温干燥箱 上海越众仪器设备有限公司;6CRK-55A 全自动揉捻机、6CJK30-30型解块机、6CHBZK-20A茶叶一体化烘干机、XFFJ40发酵机 长沙湘丰茶叶机械制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 茶样加工工艺流程及参数 红茶加工工艺流程:鲜叶→萎凋→揉捻→发酵→初烘→复烘→三烘。具体加工工艺参数:将462 kg鲜叶经输送带输送到储青槽,摊叶厚度5～6 cm,保持叶温22～23 ℃,储青槽鼓风风量2530 L/s,鼓风时间间隔2 min;鲜叶缓慢输送到萎凋室,叶温24～25 ℃,空气湿度86.4% RH,萎凋8 h,至叶形萎缩、叶质柔软、表面失去光泽、青草气温减退,透出清香;萎凋适度后经输送带输送到下一步进行揉捻,揉捻机每桶投叶量35 kg,转速36 r/min,中压揉捻2 h至条索紧细微卷、手捏成团而茶汁不外溢、青红泛棕色;解块后输送至发酵室发酵4 h,叶温28～30 ℃,空气湿度96% RH,摊叶厚度8 cm,至条索紧细稍卷、发酵香、叶色呈红棕色;初烘温度120 ℃,30 min至条索紧细自然卷曲、乌润稍显金毫、手捏茶条尚软、甜香;复烘20 min,温度100 ℃至条索紧细自然卷曲、乌润显金毫、手捏茶条有刺手感、甜香;三烘25 min,温度85 ℃至条索紧细自然卷曲、满批金毫、手捏茶条成粉、甜香明显。

1.2.2 主要成分测定方法 水浸出物总量采用全量法测定;茶多酚总量采用酒石酸亚铁比色法测定;儿茶素总量采用香荚兰素比色法测定;游离氨基酸含量采用茚三酮比色法测定;咖啡碱含量采用紫外光分光光度法测定;可溶性糖总量采用蒽酮比色法测定;茶色素采用系统分析法测定[17-19]。

1.2.3 数据处理方法 采用Excel 2003对实验数据进行统计,用Origin8.0绘图,DPSv7.05数据处理系统进行方差分析和多元逐步回归分析,显著性检验采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 加工过程中主要成分含量变化

2.1.1 加工过程茶叶含水率的变化 茶叶初制过程中各生化成分变化总是伴随着失水过程进行,各工序含水率影响茶叶加工造型及最终品质。为探究川红芽茶自动化生产过程中各工序水分变化规律,测定了各工序过程样含水率状况,如图1所示。结果表明,随制茶工序推进,川红芽茶自动化生产过程各工序试样含水率呈降低趋势,且各工序含水率下降差异极显著(F含水率=47120.06≥F0.01(6,20)=3.87p≤0.01),茶鲜叶含水率为73.09%,萎凋阶段失水20.08%,萎凋是酶促发酵开始阶段,适当失去水叶形萎缩、叶质柔软,便于后续揉捻工作;发酵阶段在控温控湿室中,较上一工序失水相对较少,失水率为11.78%;初烘和复烘含水率分别为27.53%和18.46%,最后以85 ℃温度烘干至成品茶含水率5.57%，较初始下降了92.38%。

图1 川红芽茶加工过程含水率变化Fig.1 The change of moisture duiring processing of Sichuan black bud tea

2.1.2 加工过程中多酚类及其氧化产物含量变化 茶多酚类是茶叶中多酚类物质的总称,包括黄烷醇类(儿茶素);黄酮及黄酮醇类;花青素、花白素类;酚酸和缩酚酸类。主要为黄烷醇类(儿茶素),占60%～80%[20]。红茶品质形成的过程是茶叶多酚类物质为主体的生化成分氧化过程。川红芽茶加工过程茶多酚、儿茶素变化如图2所示。由图2可知,随制茶工序推进,茶多酚、儿茶素持续呈递减趋势,各工序茶多酚、儿茶素含量差异极显著(F茶多酚=1134.74≥F0.01(6,20)=3.87p≤0.01;F儿茶素=12358.94≥F0.01(6,20)=3.87p≤0.01)。加工结束后,茶多酚、儿茶素含量分别减少了47.64%、76.74%。茶多酚在发酵阶段降低最多,从24.65%减少到18.44%,降幅为24.75%;其次是初烘阶段,降幅为16.68%;儿茶素类降低最多发生在揉捻、其次是发酵阶段,分别降幅为40.59%和40.21%。主要原因是揉捻阶段茶叶细胞破碎,膜透性增加,一方面使反应底物与酶充分接触发生酶促氧化,另一方面高氧化还原电位的多酚类特别是儿茶素类暴露在空气中发生自动氧化[20]。发酵阶段多酚类物质发生了更复杂而深刻酶促及非酶促氧化,使其含量减少,多酚类特别是儿茶素类物质的减少有利于苦涩味降低,红茶滋味变得醇和,同时生成水溶性色素影响茶汤。

多酚类氧化后生成的水溶性氧化产物茶黄素(TFs)、茶红素(TRs)和茶褐素(TBs)的含量和比例决定茶汤红浓明亮程度,同时这类物质还会与糖类、氨基酸类缩合,综合协调茶汤滋味[20]。川红芽茶自动化生产过程三种茶色素变化规律如图3所示。由图3可知,TFs、TRs和TBs呈单峰形先增后减,但总体含量增加的趋势,加工结束时分别增加了302.52%、223.14%、418.84%。随加工推进TFs逐渐增加,在揉捻阶段增幅最大达105.02%,而含量在发酵阶段达到最大值为0.27%;TRs在发酵阶段增幅和含量都达到最大值分别为194.01%和3.37%,随后逐渐减少;TBs在复烘阶段含量达最高3.25%。从图2、图3可以看出茶多酚、儿茶素减少最多的阶段刚好是TBs、TRs大量生成时期,当TRs累积达到一定量时,TBs含量增加。究其原因可能是多酚类经酶促或非酶促氧化生成邻醌,邻醌氧化成TFs、TRs等氧化物质,这类物质进一步与多糖、蛋白质、核酸等聚合形成TBs的大分子复合物,影响干茶和叶底色泽。

图2 川红芽茶加工过程茶多酚、儿茶素变化Fig.2 The change of Polyphenols,catechins duiring processing of Sichuan black bud tea

图3 川红芽茶加工过程三种茶色素变化Fig.3 The change of TFs,TRs,TBs duiring processing of Sichuan black bud tea

2.1.3 加工过程中其它滋味物质含量变化 茶叶品质主要受鲜叶品种和加工工艺决定,品种决定生化基础,加工通过生成或消耗某些物质从而改变内含成分含量及比例关系,各成分之间的动态变化与其特定加工工序有关。茶叶滋味主要是由茶多酚、氨基酸、咖啡碱、可溶性糖等各种主要组成成分含量及配比协调程度决定。实验不仅测定了多酚类及其氧化产物,还分析测定了川红芽茶各加工工序氨基酸、咖啡碱、可溶性糖及水浸出物总量变化,如图4、图5所示。结果表明,氨基酸、可溶性糖呈波动下降趋势,加工结束较鲜叶分别减少了5.75%、14.12%;咖啡碱持续减少,较鲜叶减少了11.54%;水浸出物含量先增后减,但总体含量较鲜叶增加了1.37%。茶叶生化成分存在生成和转化两个方向,若生成量比消耗转化的多,则总量表现为增多,反之减少[21]。氨基酸呈鲜甜味,主要影响茶叶品质的香气和滋味,红茶加工中一方面在萎凋、揉捻、发酵阶段蛋白质酶促水解生产氨基酸,另一方面氨基酸可与酶、邻醌等作用转化成醇、醛类红茶香气物质。由图4可知,氨基酸在萎凋阶段含量达到最大值为3.88%,而后逐渐减少,主要是在相关酶和热的作用下转化为香气物质和其它滋味物质,加工结束时含量为3.22%。

图4 川红芽茶加工过程氨基酸、咖啡碱、可溶性糖变化Fig.4 The change of Amino acids,caffeine,soluble sugar duiring processing of Sichuan black bud tea

图5 川红芽茶加工过程水浸出物变化Fig.5 The change of Water extracts duiring processing of Sichuan black bud tea

茶叶中的可溶性糖主要是单糖、双糖,在红茶中的作用表现在增加茶汤甜醇味,发生焦糖化和羰氨反应,生产醛类、吡咯类、吡嗪类化合物,影响红茶乌润色泽及香气[20]。随工序推进可溶性糖变化是从鲜叶4.46%增加到萎凋叶4.78%,增幅为7.17%,主要原因是不溶于水的原果胶、纤维素等在相关酶作用下分解为小分子的葡萄糖、果糖等,揉捻和发酵阶段分别较上一道工序分别减少了4.51%和3.27%,可能是因为呼吸作用消耗了小分子糖类,而其他糖类的水解速度未超过其消耗速度。初烘、复烘和三烘阶段可溶性糖持续减少,主要是在热的作用下,发生焦糖化反应和糖氨缩合反应,生成香气物质,从而构成川红芽茶橘糖香浓郁持久的物质基础。

表1 多元回归分析结果

注:*表示显著相关(p≤0.05);**表示极显著相关(p≤0.01),下同。

咖啡虽然呈苦味,但可与涩味、鲜味、甜味共同构成独特的味型结构[22]。红茶中的咖啡碱与TFs可通过氢键缔合形成鲜爽类物质,发生“冷后浑”减轻苦涩味,从而影响茶汤滋味“醇厚度”和“鲜爽度”。咖啡碱在川红芽茶加工过程中持续减少,从鲜叶4.58%减少到烘干时为4.05%。

茶叶水浸出物总量是茶汤中各种水溶性物质的总和,反映茶汤滋味的厚薄浓淡,一般与茶叶品质呈正相关[23]。整个加工过程水浸出物波动变化但总体呈上升趋势,加工结束较鲜叶上升幅度为1.37%,水浸出物变化受其它水溶性化学成变化影响,因此有波动。

2.2 加工过程中各成分之间关系分析

2.2.1 加工过程主要成分多元逐步回归模型分析 加工过程各化学成分之间存在复杂的生成、转化关系,探究川红芽茶自动化生产过程各化学成分之间的关系,有助于进一步探究其化学成分变化规律,对研究川红芽茶品质特征形成具有重要的指导意义。因此利用多元逐步回归分析和通径分析方法[24],对其加工过程成分变化进行分析,并构建数学模型。逐步回归方法是实际应用最多的一种选择最优回归方程的方法,是依据先把和因变量相关程度最大的一个因子引入方程,然后从余下诸因子中再筛选对因变量影响最大的一个变量引入方程。据此按自变量对因变量从大到小作用程度依次逐个引入方程。新引进的每一个变量,要对因变量有显著影响才能引入回归方程,从而保证了建立的回归方程最优[25]。通径分析进一步对影响回归方程因变量的直接作用和间接作用进行划分。

茶叶水浸出物是茶汤中各种水溶性物质的总和,反映茶汤厚薄浓淡,一般与茶叶品质呈正相关。为找出影响水浸出物变化的主要因素,以水浸出物含量(Y1)为因变量,茶多酚(X1)、游离氨基酸(X2)、咖啡碱(X3)、可溶性糖(X4)、茶黄素(X5)、茶红素(X6)、茶褐素(X7)为自变量进行逐步回归分析,建立多元线性回归方程(方程Ⅰ);同时为探究多酚类物质与其氧化产物在川红芽茶加工过程中的转化关系,以茶多酚含量(Y2)为因变量,茶黄素(x1)、茶红素(x2)、茶褐素(x3)为自变量建立多元线性回归方程(方程Ⅱ),结果见表1。

由表1可知,经过多元逐步回归分析,川红芽茶在加工过程中茶黄素、茶褐素被剔除,而茶多酚、游离氨基酸、咖啡碱、可溶性糖以及茶红素偏回归系数达到显著水平而被引入方程,比较5个变量偏回归系数发现其对水浸出物含量作用大小为:可溶性糖>茶多酚=茶红素>咖啡碱>游离氨基酸,所建立的回归方程Y1=-3.1463+0.3368X1-19.8961X2+2.8151X3+19.1909X4+0.9947X6经F检验线性关系显著(p≤0.05),决定系数R2为0.9998,说明若用Y1与X1,X2,X3,X4,X6间的线性回归方程来估计Y1,可靠程度可达到99.98%,回归方程效果理想,所得回归方程可把川红芽茶加工过程中水浸出物与茶多酚、游离氨基酸、咖啡碱、可溶性糖以及茶红素含量之间的关系量化,分析结果为工夫红茶加工过程中品质的控制提供一定的理论基础。

为探究茶多酚含量(Y2)与茶黄素(x1)、茶红素(x2)、茶褐素(x3)之间的关系,多元逐步回归剔除不显著相关项x1后得到回归方程Y2=33.0615+0.0664X2-5.7156X3(方程Ⅱ),比较两个变量偏回归系数发现其对茶多酚含量的负相关作用大小为:茶褐素>茶红素,方程决定系数R2为0.9809,F检验线性关系极显著,说明若用Y2与x2,x3间的线性回归方程来估计Y2,可靠程度可达到98.09%,回归方程效果理想,所建模型可以用来定量分析川红芽茶自动化加工过程中茶多酚及其氧化产物之间的转化关系。

2.2.2 加工过程主要成分通径分析 为进一步考察自变量对因变量影响的相对重要程度和性质,将各加工阶段主要生化成分数据用DPS7.05数据统计软件进行通径分析,把统计系数划分为直接通径系数和间接通径系数,从而表示自变量对因变量的直接作用和间接作用。方程Ⅰ中的关系划分及相关系数、直接通径系数、间接通径系数列于表2,由表2可知由X1到Y1有五条通径,即:一条直接通径X1→Y1和四条间接通径X1↔X2→Y1;X1↔X3→Y1;X1↔X4→Y1;X1↔X6→Y1。同理划分X2,X3,X4,X6到Y1的通径。由于X1,X4,X6直接通径系数的绝对值大于相对应项间接通径系数总和绝对值,所以茶多酚(X1),可溶性糖(X4),茶红素(X6)对水浸出物(Y1)的作用主要是直接作用,而氨基酸(X2),咖啡碱(X3)对水浸出物(Y1)的作用主要是间接作用,这可能与这些物质茶多酚(15.30%)、可溶性糖(4.21%)在红茶茶汤中的含量相对于氨基酸(3.22%)、咖啡碱(4.05%)较多,而茶红素(1.43%)是红茶茶汤色素中的主体成分,所以直接作用明显,贡献率大有关,同时也与上述各物质的理化性质及在加工过程中的生成和转化有关,在滋味物质变化中已作分析,此处不再赘述。由直接通径系数可知茶多酚,咖啡碱,可溶性糖,茶黄素,茶红素直接对水浸出物含量影响呈正相关关系,而氨基酸直接对水浸出物含量影响呈负相关关系。五个自变量 X 对水浸出物(Y1)的直接影响和相关系数规律有一定区别。

表2 方程Ⅰ直接作用与间接作用分析

同理考察方程Ⅱ中茶红素(x2)、茶褐素(x3)对茶多酚含量直接作用和间接作用,其相关系数、直接通径系数、间接通径系数列于表3,由表3可知,茶红素对茶多酚的影响主要是通过间接作用(间接通径系数合计为-0.6623),而茶褐素对茶多酚含量的影响主要是直接作用(直接通径系数为-0.9973),其次茶红素和茶褐素与茶多酚含量均为显著负相关关系,说明当茶红素、茶褐素含量增多时,茶多酚显著减少,与茶多酚酶促氧化理论原理相一致。

表3 方程Ⅱ直接作用与间接作用分析

3 结论

在川红芽茶自动化加工过程中,随制茶工序推进,茶叶含水率、茶多酚、儿茶素、咖啡碱持续减少,较鲜叶相比,分别降低了92.38%、47.64%、76.74%、11.54%;可溶性糖、氨基酸呈波动下降趋势,分别降低了5.75%、14.12%;水浸出物、茶黄素、茶红素和茶褐素先增后减,但总体呈上升趋势,分别增加了1.37%、302.52%、223.14%和418.84%。

利用逐步回归分析建立水浸出物(Y1)与茶多酚(X1)、游离氨基酸(X2)、咖啡碱(X3)、可溶性糖(X4)、茶红素(X6)成分之间的回归方程为Y1=-3.1463+0.3368X1-19.8961X2+2.8151X3+19.1909X4+0.9947X6;同时茶多酚(Y2)与茶红素(x2)、茶褐素(x3)的回归方程为Y2=33.0615+0.0664x2-5.7156x3,回归方程结果检验显著。

通过通径分析划分影响回归方程因变量的直接作用和间接作用,茶多酚(X1)、可溶性糖(X4)、茶红素(X6)对水浸出物(Y1)主要是直接作用,而氨基酸(X2)、咖啡碱(X3)主要是间接作用。茶褐素(x3)对茶多酚(Y2)含量的影响主要是直接作用,茶红素(x2)主要是间接作用。

红茶加工已可实现全自动机械化连续化,从而保证了茶叶品质的清洁卫生安全,实验考察了关乎红茶品质的主要化学成分在加工过程中的动态变化规律,并建立了数学模型进行评价,从而为川红芽茶生产过程品质控制及机械自动化、标准化生产和过程中质量控制提供更充分的理论依据。

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Variation and regression analysis in automated production lines of Sichuan black bud tea

LI Dan1,CHEN Gang2,LIAN Xue-yan2,LI Xiang-cheng2,DU Xiao1,*,ZHONG Xiao-xue1

(1.R&D Center,National Tea Inspection Center(Sichuan),Sichuan Agricultural University,Ya’an 625014,China;2.Sichuan Black Tea Industry Group Co.,Ltd,Yibin 644000,China)

Zaobaijian buds was used as the experimental subject to process and examine the changes and correlation of the component factors of Sichuan black bud tea. The results demonstrated that the main chemical components changed greatly during Sichuan black bud tea processing. Moisture,polyphenols,polyphenols,catechins,caffeine showed a decreasing trend,were decreased by 92.38%,47.64%,76.74% and 11.54%,respectively,after the end of processing. Compared with soluble sugar and amino acid were decreased by 5.75%,14.12%.While water extract TFs,TRs and TBs were increased by 1.37%,302.52%,223.14% and 418.84%,respectively. According to progressively regression analysis and path analysis,it was demonstrated that polyphenols,soluble sugar had a direct effect on water extract and the regression equation was Y1=-3.1463+0.3368X1-19.8961X2+2.8151X3+19.1909X4+0.9947X6. At the same time TBs had a direct effect on tea polyphenol and the regression equation was Y2=33.0615+0.0664x2-5.7156x3.

Sichuan Congou black tea;automated processing;quality ingredients;regression analysis

2015-04-09

李丹(1989-),女,硕士,研究方向:茶叶加工与贸易,E-mail:lidancyzj@163.com。

*通讯作者:杜晓(1963-),男,博士,教授,研究方向:茶叶精深加工技术与理论,E-mail:duxiao@vip.163.com。

国家科技部科技支撑计划项目(2013BAD20B07)。

TS272

A

1002-0306(2015)23-0079-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.23.008