普洱茶机械化生产及数控发酵的品质研究

2020-10-16赵苗苗何鲁南李果易超刘学艳罗朝光吕才有

茶叶科学 2020年5期

赵苗苗，何鲁南，李果，易超，刘学艳，罗朝光，吕才有*

普洱茶机械化生产及数控发酵的品质研究

赵苗苗1,2，何鲁南3，李果3，易超3，刘学艳3，罗朝光4，吕才有3*

1. 滇西应用技术大学普洱茶学院，云南普洱 665000；2. 普洱茶研究院，云南普洱 665000；3. 云南农业大学龙润普洱茶学院，云南昆明 650201；4. 普洱市茶叶科学研究所，云南普洱 665000

为研究机械化加工普洱茶的可行性，使用“晒青茶机械化标准化生产线”加工晒青茶，并应用云南普洱茶树良种场开发的数控发酵系统对加工的晒青毛茶进行发酵，在各个加工过程中取样，应用电子鼻、气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）、高效液相色谱（HPLC）结合感官审评的方法，研究机械化生产晒青毛茶及其在数控发酵过程中内含成分和香气物质的变化，为普洱茶机械化加工和产业升级提供一定依据。结果显示，机械化加工的普洱茶审评结果符合普洱茶国家标准，普洱茶机械化生产具有可行性；数控发酵过程中，儿茶素、没食子酸（GA）、水浸出物、茶多酚及氨基酸的含量呈减少趋势，咖啡碱含量增加；GC-MS及电子鼻分析结果表明，第一次翻堆时香气物质与其他出堆样差异显著，随着数控发酵进行，香气物质种类增加而香气物质相对含量总体减少，香气物质种类以醇类、芳香烃类、酮类及醛类为主，检测出芳香烃类香气物质较为丰富。

普洱熟茶；机械化；气相色谱-质谱法；电子鼻；数控发酵

普洱茶是云南地理标志产品，在云南茶产业中占有重要地位。普洱茶分为普洱生茶与普洱熟茶，普洱熟茶具有汤色红浓明亮、香气陈香、滋味醇厚回甘的独特品质特征[1]。然而，云南普洱茶总体均价低于全国平均水平[2]，普洱茶主产区普洱市、西双版纳傣族自治州、临沧市等均地处边疆山区，生产力水平较低，科学发展茶产业是地区脱贫攻坚的良好途径[3]。近几年我国茶叶采摘和加工机械数量呈增长趋势，但云南茶叶加工大部分仍停留在单机半手工、半机械化加工状态，主要依靠传统作坊式加工，产品质量参差不齐，卫生安全也得不到保障。为此，提高并稳定茶叶质量，实现普洱茶的“机械化、清洁化加工”、提高茶园机械化生产水平、大幅降低茶园管理与采摘成本，有效解决“采茶难”和“管理难”问题，提高茶叶经济效益，是未来云南茶产业加工发展的方向[4-5]。

普洱茶后发酵是形成普洱熟茶的关键工艺[6]，是改变普洱茶茶多酚和生物活性的重要步骤[7]。数控发酵是实现普洱茶“清洁化”加工的重要途径，茶叶数字化加工可对各个工序进行数字化控制，使机械按预先设置的参数自行作业[8]，近年已有部分学者在普洱茶发酵机械方面开展了一些研究。孙杨锋等[9]设计了滚筒式潮水机械，提高了普洱茶潮水的效果；马振纲等[10]构建了普洱茶发酵清洁化车间；吴晓强等[11]开发了一套以S7-300PLC为核心的发酵车间温湿度控制系统，可以更好地控制普洱茶发酵过程中的湿度、温度和通风时间；赵永洁等[12]设计了普洱茶发酵车间测控系统，利用PLC和现场总线等技术，使茶堆温度和叶片含水率保持在给定范围内。为了发酵生产中小批量普洱茶，吴绍帅等[13]研制的双层保湿转动式普洱茶发酵罐可以有效解决水分、温湿度、微生物等因素难控，成品茶风味不稳定等难题；罗新文等[14]在此基础上改良设计的二代发酵罐进一步弥补了部分不足，但仍有一定局限性。刘晗[15]研究设计的基于PLC的数字化普洱茶发酵系统，具有对普洱茶发酵过程中数据进行监测采集、录像监控等功能，实现了普洱茶发酵的数字化和可视化。

传统发酵技术是将原料潮水后依靠环境的温度、湿度及微生物进行发酵，存在加工周期长、品质不稳定的问题。云南普洱茶树良种场的数控发酵系统能够对发酵过程中的温度、湿度、供氧、二氧化碳排放量进行调控，具有发酵时间短、机械化翻堆、潮水均匀等特点，可加工几十千克至数吨茶叶，王兴华等[16]研究表明，该系统发酵的普洱茶与传统发酵茶叶化学物质变化规律相同，数控发酵速度快、香气好。

本研究联合国家茶叶产业技术体系普洱综合试验站和栽培与茶园机械研究室，使用双人采茶机采摘鲜叶，通过“晒青茶机械化标准化生产线”加工晒青茶，实现了工序不交叉、茶叶不落地，并使用云南普洱茶树良种场开发的数控发酵系统对加工的晒青毛茶进行发酵，运用电子鼻、气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）、高效液相色谱（HPLC）、感官审评等方法对机械化加工晒青茶及其数控发酵过程中的样品进行内含成分和香气物质的变化规律研究，为普洱茶机械化加工提供参考方案，为茶产业的转型升级提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1材料与试剂

材料：机械化生产的群体种晒青毛茶及其数控发酵过程中的一堆、二堆、三堆和出堆茶样（表1）。晒青加工地点：景谷县民乐镇白龙有限公司茶叶加工厂。数控发酵地点：云南省茶树良种场三楼发酵室。

试剂：表没食子儿茶素（0.116 mg·mL-1）、儿茶素（0.101 mg·mL-1）、咖啡碱（0.109 mg·mL-1）、表儿茶素（0.103 mg·mL-1）、表没食子儿茶素没食子酸酯（1.08 mg·mL-1）、表儿茶素没食子酸酯（0.108 mg·mL-1），乙腈为色谱级，其他试剂均为分析纯，儿茶素、咖啡碱、表儿茶素、表没食子儿茶素没食子酸酯、表儿茶素没食子酸酯购于德国Dr. Ehrenstorfer公司。

表1 数控发酵茶样信息及编号

1.2 仪器与设备

试验仪器：SB-120D型超声波清洗机、电子分析天平、电热鼓风恒温干燥箱、756CRT紫外可见分光光度计、茶样粉碎机、玻璃干燥器、101A2型电热鼓风恒温干燥箱，宁波新芝生物科技公司；1200型高速液相色谱系统，美国Agilent Technologies公司；PEN3便携式电子鼻，德国Airsens公司；7890A-5975C GC-MS气相色谱-质谱联用仪，美国Agilent公司；电子分析天平，奥豪斯仪器（上海）有限公司。

茶叶加工设备：摊放辅助系统、储青机、水平输送机、茶叶远红外滚筒杀青机、冷却振动槽、Z型输送机、茶叶程控自动揉捻机，成都奥特光波科技有限公司；双人采茶机，浙江川崎茶业机械有限公司；云南省普洱茶树良种场的数字控制立体普洱茶发酵系统（主要包括PLC、温湿度传感器以及温湿度控制系统组成的发酵室和立体普洱茶发酵筐）。

1.3 方法

机械化晒青茶加工：使用双人采茶机采摘鲜叶，用“晒青茶机械化标准化生产线”加工鲜叶，加工步骤为：鲜叶摊放、杀青、揉捻、解块、日光干燥。机采晒青各参数设定如下：鲜叶量：516 kg；摊青时间：7.1 h；投料速度：50 Hz；杀青机设定锅温：进料口端温度170℃，出料口端温度150℃；杀青机转速：19.38 Hz；杀青用时：3.75 h；Z型输送机速度：50 Hz；揉捻时间：3.5 h；加压时间：空揉5 min，加5段压力40 Hz 10 min；输送至晒青盘用时：8.25 h；干燥方式：日光干燥；加工共用时长：22.6 h。

数控发酵：取“晒青茶机械化标准化生产线”生产的晒青茶0.12 t，潮水量50%，潮水混匀后，将茶叶装入长宽约50 cm×50 cm的大号塑料筐，每筐放茶叶20~30 kg，茶叶厚度25 cm左右，置于多层发酵架上，在发酵室内进行发酵，并对温度、湿度、供氧量、二氧化碳排放量等参数进行调控，数控发酵室的温度设定50℃，整个发酵过程分4个阶段，共翻堆3次，翻堆间隔时间为6、10、5 d。第一阶段数控发酵室的温度40℃、湿度80%，第二阶段温度48℃、湿度80%，第三阶段温度50℃、湿度80%，最后一阶段温度50℃、湿度45%，发酵时间总计26 d。

GC-MS检测：准确称取茶样50.0 g，将供试茶样置于同时蒸馏萃取设备内，用30 mL二氯甲烷提取3 h。萃取液浓缩至1.0 mL，用气质联用仪进行检测。GC-MS分析条件：色谱柱：HP-5MS，30 m×0.25 mm×0.25 μm；载气：氦气（纯度＞99.999%）；流速：1.2 mL·min-1；柱温：初温50℃，保留2 min，以4℃·min-1升至220℃，保留25 min；进样口温度：250℃。质谱条件如下，电离方式：EI；电离能量：70 eV；离子源温度：250℃；全谱扫描，扫描范围为40~400 m/z。进样量：1 µL，分流比：20∶1。

电子鼻检测：采用PEN3便携式电子鼻（Portable electronic nose）进行检测，仪器设置测定时间为60 s，传感器归零时间为10 s；样品准备时间为5 s；进样流量为300 mL·min-1；清洗通道200 s，平衡45 s，取响应信号区间55~57 s进行数据分析，具体传感器性能描述见表2。干茶香气采集：每个茶样称取1 g干茶放入150 mL的锥形瓶中，密封静置30 min至香气饱和后测其干茶的香气；茶汤香气采集：干茶香气测定完成后将50 mL煮沸的超纯水注入锥形瓶中，静置45 min后，待茶汤冷却后测定茶汤的香气；叶底香气采集：茶汤香气测定完毕后，将锥形瓶中的茶汤倒出，将盛有叶底的锥形瓶封口静置30 min后测定叶底香气。每个茶样重复3次。

表2 电子鼻传感器名称与性能描述

化学成分测定：水分测定参照GB/T 8304—2013[17]；水浸出物测定参照GB/T 8305—2013[18]；茶多酚测定参照GB/T 8313—2008[19]；氨基酸测定参照GB/T 8314—2013[20]；儿茶素和咖啡碱测定采用高效液相色谱（HPLC）法同时测定样品中的儿茶素和咖啡碱含量[21]。

感官审评方法：准确称取3 g茶样，按茶水比1∶50的比例加入沸水，冲泡5 min，由专业评茶师进行感官审评，并根据感官给予相应的评语及综合评价，感官审评方法参照GB/T 22111—2008 地理标志产品普洱茶[1]、GB/T 14487—2017 茶叶感官审评术语[21]、GB/T 23776—2018 茶叶感官审评方法[22]。

1.4 数据分析

GC-MS分析：由GC-MS分析得到的质谱数据经计算机在NIST2011标准谱库的检索，查对有关质谱资料，对基峰、质核比和相对丰度等方面进行分析，分别对各峰加以确认，结合保留指数对化合物进行定性，同时运用峰面积归一化法测得各香气组分的相对含量。

电子鼻分析：使用电子鼻配套软件WinMaster，对发酵不同样品的干茶、茶汤、叶底的响应值生成的初始特征向量进行PCA（Principal component analysis）和Loading分析。

茶叶化学成分分析：运用SPSS 22和Excel 2016软件，采用Duncan’s新复极差测验（SSR法）检验=0.05水平下的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 机械化加工晒青茶及晒青茶发酵过程中感官品质的变化

如表3和图1所示，制得的机械化晒青茶样（C晒青）外形墨绿、含梗及黄片，汤色橙黄浑浊，香气清香，滋味纯正，表明使用“晒青茶机械化标准化生产线”可以实现晒青茶的加工，但由于机采鲜叶原料粗老，导致干茶外形色泽花杂，多梗及黄片。机械化晒青茶样经过数控发酵后，第三次翻堆样（C3）品质优于出堆样（C出堆）；出堆样汤色红浓较暗，香气有仓味，滋味有仓味，叶底粗老、呈褐色，与普洱茶品质特征汤色红浓明亮，香气陈香纯正，滋味醇厚回甘及叶底红褐存在差异[23]，这与机械化晒青茶因机械采摘原料粗老有一定的关系。

2.2 机械化晒青茶发酵过程中内含成分的变化

如表4所示，数控发酵过程中，氨基酸、茶多酚、水浸出物、儿茶素、GA的含量逐渐减少，咖啡碱含量出堆样比晒青样高。机械化晒青茶样中的氨基酸、茶多酚、水浸出物和GA含量分别是出堆样的2.63、3.59、2.79倍和15倍。机采茶到第二次翻堆时已检测不出ECG含量，第三次翻堆时儿茶素已检测不出。这与Zhao等[24]研究普洱茶发酵过程中茶多酚、游离氨基酸、儿茶素含量降低，发酵结束后水浸出物显著降低，部分发酵过程咖啡因含量显著增加的结果一致。出堆样与晒青样的氨基酸、茶多酚、咖啡碱及水浸出物含量差异显著。出堆样与第三次翻堆样的氨基酸、茶多酚及水浸出物含量差异不显著。

表3 机械化晒青茶数控发酵审评结果

图1 机械化晒青茶数控发酵审评结果

表4 机械化晒青茶数控发酵化学成分含量（n=4）

注：“-”表示未检测出，同行的不同字母表示显著差异，＜0.05

Note:‘-’means undetected, different letters of peers indicate significant difference,<0.05

2.3 机械化加工晒青茶及其在数控发酵过程中香气物质变化

2.3.1 电子鼻分析

将茶样用干茶法、茶汤法、叶底法3种不同香气采集法测得的3次平行数据用PCA分析，结果如图2所示，与干茶法和茶汤法相比，叶底法能更好地将各茶样区分开，因此选择叶底法进行数据分析。

用叶底法分析机械化晒青茶的香气，从中筛选出响应值更平稳、更具代表性的数据进行香气质量分析，在各个传感器T=55~57 s的响应值较为平稳，用SPSS 22软件算出3组平行试验数据的平均值及标准偏差。PCA分析如图3所示，在Correlation-M矩阵下，第一主成分贡献率为99.17%，第二主成分贡献率约为0.45%，两者之和为99.62%，表示2个主成分能够较基本代表茶样的主要信息特征，能客观的分析普洱茶香气物质。结果表明，电子鼻的PCA分析能够完全区分机械化晒青茶数控发酵过程中的茶样。其中第一主成分贡献率最高的为第一次翻堆样，第二主成分贡献率最高为的晒青样，出堆样和第三次翻堆样中第一主成分贡献率较低，但出堆样的第二主成份的贡献率较高。

Loading分析如图4所示，在Correlation-M矩阵中，R7（W1W）对第一主成分贡献率最大，说明硫化物对茶样的第一主成分贡献率最大；R10（W3S）传感器对第二主成分贡献率最大，说明烷烃类对第二主成分贡献率最大。对第一和第二主成分贡献率较大的传感器较多，说明机械化晒青茶数控发酵不同发酵阶段的茶样香气物质种类丰富。根据茶样不同发酵阶段PCA分析所示（图3），晒青样第一及第二主成分贡献率比出堆样高，说明晒青茶烷烃类及硫化物类相对含量比出堆样高；第一次翻堆样第一主成分的贡献率最高，说明硫化物的相对含量较高。

2.3.2 GC-MS分析

为了研究机械化晒青茶数控发酵过程中各类香气物质的变化规律，根据表5，汇总各香气物质的种类及相对含量（表6）。

由表6可知，晒青样及第一次翻堆样香气物质相对含量最高。晒青样检测出的香气物质（33种，78.79%）经过数控发酵后，出堆样（46种，51.26%）中香气物质种类增加而香气物质总的相对含量减少，其中芳香烃类、醛类、烯烃类、杂环类、甲氧基类的香气物质种类增加，酮类、醇类、硫化物类、酚类变化不大，氮氧化合物、酯类及烷烃类均减少。

结合表5、表6可知，出堆样的香气相对含量由高到低，以醇类、芳香烃类、酮类、醛类为主，其中以芳香烃类的香气物质种类最多，说明机械化晒青茶经过数控发酵后，芳香烃类香气物质丰富。机械化晒青茶醇类中以叶绿醇（32.05%）、芳樟醇（8.24%）、-松油醇（2.34%）为主，出堆样中醇类以叶绿醇（5.21%）、芳樟醇（1.14%）为主，说明后发酵过程中，醇类物质含量大幅减少，以叶绿醇减少最多。芳香烃以菲为主，机械化晒青茶中菲含量为3.86%，出堆样中为6.82%。酮类在晒青茶中以香叶基丙酮为主（2.67%），在出堆样中以-紫罗酮（2.66%）为主。醛类在晒青茶中只检测出-环柠檬醛（0.72%），在出堆样中检测出8种醛类，以苯乙醛为主（1.83%），出堆样中-环柠檬醛含量为0.59%。在晒青样中甲氧基类香气物质未被检测出，而从第一次翻堆到出堆均检测出，其中在第二次翻堆时含量最高，达4.18%，随后呈递减趋势，出堆样中含量为1.2%。