趙苗苗，何魯南，李果，易超，劉學(xué)艷，羅朝光，呂才有*

普洱茶機械化生產(chǎn)及數(shù)控發(fā)酵的品質(zhì)研究

趙苗苗1,2，何魯南3，李果3，易超3，劉學(xué)艷3，羅朝光4，呂才有3*

1. 滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)普洱茶學(xué)院，云南 普洱 665000；2. 普洱茶研究院，云南 普洱 665000；3. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)龍潤普洱茶學(xué)院，云南 昆明 650201；4. 普洱市茶葉科學(xué)研究所，云南 普洱 665000

為研究機械化加工普洱茶的可行性，使用“曬青茶機械化標準化生產(chǎn)線”加工曬青茶，并應(yīng)用云南普洱茶樹良種場開發(fā)的數(shù)控發(fā)酵系統(tǒng)對加工的曬青毛茶進行發(fā)酵，在各個加工過程中取樣，應(yīng)用電子鼻、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）、高效液相色譜（HPLC）結(jié)合感官審評的方法，研究機械化生產(chǎn)曬青毛茶及其在數(shù)控發(fā)酵過程中內(nèi)含成分和香氣物質(zhì)的變化，為普洱茶機械化加工和產(chǎn)業(yè)升級提供一定依據(jù)。結(jié)果顯示，機械化加工的普洱茶審評結(jié)果符合普洱茶國家標準，普洱茶機械化生產(chǎn)具有可行性；數(shù)控發(fā)酵過程中，兒茶素、沒食子酸（GA）、水浸出物、茶多酚及氨基酸的含量呈減少趨勢，咖啡堿含量增加；GC-MS及電子鼻分析結(jié)果表明，第一次翻堆時香氣物質(zhì)與其他出堆樣差異顯著，隨著數(shù)控發(fā)酵進行，香氣物質(zhì)種類增加而香氣物質(zhì)相對含量總體減少，香氣物質(zhì)種類以醇類、芳香烴類、酮類及醛類為主，檢測出芳香烴類香氣物質(zhì)較為豐富。

普洱熟茶；機械化；氣相色譜-質(zhì)譜法；電子鼻；數(shù)控發(fā)酵

普洱茶是云南地理標志產(chǎn)品，在云南茶產(chǎn)業(yè)中占有重要地位。普洱茶分為普洱生茶與普洱熟茶，普洱熟茶具有湯色紅濃明亮、香氣陳香、滋味醇厚回甘的獨特品質(zhì)特征[1]。然而，云南普洱茶總體均價低于全國平均水平[2]，普洱茶主產(chǎn)區(qū)普洱市、西雙版納傣族自治州、臨滄市等均地處邊疆山區(qū)，生產(chǎn)力水平較低，科學(xué)發(fā)展茶產(chǎn)業(yè)是地區(qū)脫貧攻堅的良好途徑[3]。近幾年我國茶葉采摘和加工機械數(shù)量呈增長趨勢，但云南茶葉加工大部分仍停留在單機半手工、半機械化加工狀態(tài)，主要依靠傳統(tǒng)作坊式加工，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，衛(wèi)生安全也得不到保障。為此，提高并穩(wěn)定茶葉質(zhì)量，實現(xiàn)普洱茶的“機械化、清潔化加工”、提高茶園機械化生產(chǎn)水平、大幅降低茶園管理與采摘成本，有效解決“采茶難”和“管理難”問題，提高茶葉經(jīng)濟效益，是未來云南茶產(chǎn)業(yè)加工發(fā)展的方向[4-5]。

普洱茶后發(fā)酵是形成普洱熟茶的關(guān)鍵工藝[6]，是改變普洱茶茶多酚和生物活性的重要步驟[7]。數(shù)控發(fā)酵是實現(xiàn)普洱茶“清潔化”加工的重要途徑，茶葉數(shù)字化加工可對各個工序進行數(shù)字化控制，使機械按預(yù)先設(shè)置的參數(shù)自行作業(yè)[8]，近年已有部分學(xué)者在普洱茶發(fā)酵機械方面開展了一些研究。孫楊鋒等[9]設(shè)計了滾筒式潮水機械，提高了普洱茶潮水的效果；馬振綱等[10]構(gòu)建了普洱茶發(fā)酵清潔化車間；吳曉強等[11]開發(fā)了一套以S7-300PLC為核心的發(fā)酵車間溫濕度控制系統(tǒng)，可以更好地控制普洱茶發(fā)酵過程中的濕度、溫度和通風(fēng)時間；趙永潔等[12]設(shè)計了普洱茶發(fā)酵車間測控系統(tǒng)，利用PLC和現(xiàn)場總線等技術(shù)，使茶堆溫度和葉片含水率保持在給定范圍內(nèi)。為了發(fā)酵生產(chǎn)中小批量普洱茶，吳紹帥等[13]研制的雙層保濕轉(zhuǎn)動式普洱茶發(fā)酵罐可以有效解決水分、溫濕度、微生物等因素難控，成品茶風(fēng)味不穩(wěn)定等難題；羅新文等[14]在此基礎(chǔ)上改良設(shè)計的二代發(fā)酵罐進一步彌補了部分不足，但仍有一定局限性。劉晗[15]研究設(shè)計的基于PLC的數(shù)字化普洱茶發(fā)酵系統(tǒng)，具有對普洱茶發(fā)酵過程中數(shù)據(jù)進行監(jiān)測采集、錄像監(jiān)控等功能，實現(xiàn)了普洱茶發(fā)酵的數(shù)字化和可視化。

傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)是將原料潮水后依靠環(huán)境的溫度、濕度及微生物進行發(fā)酵，存在加工周期長、品質(zhì)不穩(wěn)定的問題。云南普洱茶樹良種場的數(shù)控發(fā)酵系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)酵過程中的溫度、濕度、供氧、二氧化碳排放量進行調(diào)控，具有發(fā)酵時間短、機械化翻堆、潮水均勻等特點，可加工幾十千克至數(shù)噸茶葉，王興華等[16]研究表明，該系統(tǒng)發(fā)酵的普洱茶與傳統(tǒng)發(fā)酵茶葉化學(xué)物質(zhì)變化規(guī)律相同，數(shù)控發(fā)酵速度快、香氣好。

本研究聯(lián)合國家茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系普洱綜合試驗站和栽培與茶園機械研究室，使用雙人采茶機采摘鮮葉，通過“曬青茶機械化標準化生產(chǎn)線”加工曬青茶，實現(xiàn)了工序不交叉、茶葉不落地，并使用云南普洱茶樹良種場開發(fā)的數(shù)控發(fā)酵系統(tǒng)對加工的曬青毛茶進行發(fā)酵，運用電子鼻、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）、高效液相色譜（HPLC）、感官審評等方法對機械化加工曬青茶及其數(shù)控發(fā)酵過程中的樣品進行內(nèi)含成分和香氣物質(zhì)的變化規(guī)律研究，為普洱茶機械化加工提供參考方案，為茶產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

材料：機械化生產(chǎn)的群體種曬青毛茶及其數(shù)控發(fā)酵過程中的一堆、二堆、三堆和出堆茶樣（表1）。曬青加工地點：景谷縣民樂鎮(zhèn)白龍有限公司茶葉加工廠。數(shù)控發(fā)酵地點：云南省茶樹良種場三樓發(fā)酵室。

試劑：表沒食子兒茶素（0.116?mg·mL-1）、兒茶素（0.101?mg·mL-1）、咖啡堿（0.109?mg·mL-1）、表兒茶素（0.103?mg·mL-1）、表沒食子兒茶素沒食子酸酯（1.08?mg·mL-1）、表兒茶素沒食子酸酯（0.108?mg·mL-1），乙腈為色譜級，其他試劑均為分析純，兒茶素、咖啡堿、表兒茶素、表沒食子兒茶素沒食子酸酯、表兒茶素沒食子酸酯購于德國Dr. Ehrenstorfer公司。

表1 數(shù)控發(fā)酵茶樣信息及編號

1.2 儀器與設(shè)備

試驗儀器：SB-120D型超聲波清洗機、電子分析天平、電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱、756CRT紫外可見分光光度計、茶樣粉碎機、玻璃干燥器、101A2型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，寧波新芝生物科技公司；1200型高速液相色譜系統(tǒng)，美國Agilent Technologies公司；PEN3便攜式電子鼻，德國Airsens公司；7890A-5975C GC-MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國Agilent公司；電子分析天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司。

茶葉加工設(shè)備：攤放輔助系統(tǒng)、儲青機、水平輸送機、茶葉遠紅外滾筒殺青機、冷卻振動槽、Z型輸送機、茶葉程控自動揉捻機，成都奧特光波科技有限公司；雙人采茶機，浙江川崎茶業(yè)機械有限公司；云南省普洱茶樹良種場的數(shù)字控制立體普洱茶發(fā)酵系統(tǒng)（主要包括PLC、溫濕度傳感器以及溫濕度控制系統(tǒng)組成的發(fā)酵室和立體普洱茶發(fā)酵筐）。

1.3 方法

機械化曬青茶加工：使用雙人采茶機采摘鮮葉，用“曬青茶機械化標準化生產(chǎn)線”加工鮮葉，加工步驟為：鮮葉攤放、殺青、揉捻、解塊、日光干燥。機采曬青各參數(shù)設(shè)定如下：鮮葉量：516?kg；攤青時間：7.1?h；投料速度：50?Hz；殺青機設(shè)定鍋溫：進料口端溫度170℃，出料口端溫度150℃；殺青機轉(zhuǎn)速：19.38?Hz；殺青用時：3.75?h；Z型輸送機速度：50?Hz；揉捻時間：3.5?h；加壓時間：空揉5?min，加5段壓力40?Hz 10?min；輸送至?xí)袂啾P用時：8.25?h；干燥方式：日光干燥；加工共用時長：22.6?h。

數(shù)控發(fā)酵：取“曬青茶機械化標準化生產(chǎn)線”生產(chǎn)的曬青茶0.12?t，潮水量50%，潮水混勻后，將茶葉裝入長寬約50?cm×50?cm的大號塑料筐，每筐放茶葉20~30?kg，茶葉厚度25?cm左右，置于多層發(fā)酵架上，在發(fā)酵室內(nèi)進行發(fā)酵，并對溫度、濕度、供氧量、二氧化碳排放量等參數(shù)進行調(diào)控，數(shù)控發(fā)酵室的溫度設(shè)定50℃，整個發(fā)酵過程分4個階段，共翻堆3次，翻堆間隔時間為6、10、5?d。第一階段數(shù)控發(fā)酵室的溫度40℃、濕度80%，第二階段溫度48℃、濕度80%，第三階段溫度50℃、濕度80%，最后一階段溫度50℃、濕度45%，發(fā)酵時間總計26?d。

GC-MS檢測：準確稱取茶樣50.0?g，將供試茶樣置于同時蒸餾萃取設(shè)備內(nèi)，用30?mL二氯甲烷提取3?h。萃取液濃縮至1.0?mL，用氣質(zhì)聯(lián)用儀進行檢測。GC-MS分析條件：色譜柱：HP-5MS，30?m×0.25?mm×0.25?μm；載氣：氦氣（純度＞99.999%）；流速：1.2?mL·min-1；柱溫：初溫50℃，保留2?min，以4℃·min-1升至220℃，保留25?min；進樣口溫度：250℃。質(zhì)譜條件如下，電離方式：EI；電離能量：70?eV；離子源溫度：250℃；全譜掃描，掃描范圍為40~400?m/z。進樣量：1?μL，分流比：20∶1。

電子鼻檢測：采用PEN3便攜式電子鼻（Portable electronic nose）進行檢測，儀器設(shè)置測定時間為60?s，傳感器歸零時間為10?s；樣品準備時間為5?s；進樣流量為300?mL·min-1；清洗通道200?s，平衡45?s，取響應(yīng)信號區(qū)間55~57?s進行數(shù)據(jù)分析，具體傳感器性能描述見表2。干茶香氣采集：每個茶樣稱取1?g干茶放入150?mL的錐形瓶中，密封靜置30?min至香氣飽和后測其干茶的香氣；茶湯香氣采集：干茶香氣測定完成后將50?mL煮沸的超純水注入錐形瓶中，靜置45?min后，待茶湯冷卻后測定茶湯的香氣；葉底香氣采集：茶湯香氣測定完畢后，將錐形瓶中的茶湯倒出，將盛有葉底的錐形瓶封口靜置30?min后測定葉底香氣。每個茶樣重復(fù)3次。

表2 電子鼻傳感器名稱與性能描述

化學(xué)成分測定：水分測定參照GB/T 8304—2013[17]；水浸出物測定參照GB/T 8305—2013[18]；茶多酚測定參照GB/T 8313—2008[19]；氨基酸測定參照GB/T 8314—2013[20]；兒茶素和咖啡堿測定采用高效液相色譜（HPLC）法同時測定樣品中的兒茶素和咖啡堿含量[21]。

感官審評方法：準確稱取3?g茶樣，按茶水比1∶50的比例加入沸水，沖泡5?min，由專業(yè)評茶師進行感官審評，并根據(jù)感官給予相應(yīng)的評語及綜合評價，感官審評方法參照GB/T 22111—2008 地理標志產(chǎn)品普洱茶[1]、GB/T 14487—2017 茶葉感官審評術(shù)語[21]、GB/T 23776—2018 茶葉感官審評方法[22]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

GC-MS分析：由GC-MS分析得到的質(zhì)譜數(shù)據(jù)經(jīng)計算機在NIST2011標準譜庫的檢索，查對有關(guān)質(zhì)譜資料，對基峰、質(zhì)核比和相對豐度等方面進行分析，分別對各峰加以確認，結(jié)合保留指數(shù)對化合物進行定性，同時運用峰面積歸一化法測得各香氣組分的相對含量。

電子鼻分析：使用電子鼻配套軟件WinMaster，對發(fā)酵不同樣品的干茶、茶湯、葉底的響應(yīng)值生成的初始特征向量進行PCA（Principal component analysis）和Loading分析。

茶葉化學(xué)成分分析：運用SPSS 22和Excel 2016軟件，采用Duncan’s新復(fù)極差測驗（SSR法）檢驗=0.05水平下的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 機械化加工曬青茶及曬青茶發(fā)酵過程中感官品質(zhì)的變化

如表3和圖1所示，制得的機械化曬青茶樣（C曬青）外形墨綠、含梗及黃片，湯色橙黃渾濁，香氣清香，滋味純正，表明使用“曬青茶機械化標準化生產(chǎn)線”可以實現(xiàn)曬青茶的加工，但由于機采鮮葉原料粗老，導(dǎo)致干茶外形色澤花雜，多梗及黃片。機械化曬青茶樣經(jīng)過數(shù)控發(fā)酵后，第三次翻堆樣（C3）品質(zhì)優(yōu)于出堆樣（C出堆）；出堆樣湯色紅濃較暗，香氣有倉味，滋味有倉味，葉底粗老、呈褐色，與普洱茶品質(zhì)特征湯色紅濃明亮，香氣陳香純正，滋味醇厚回甘及葉底紅褐存在差異[23]，這與機械化曬青茶因機械采摘原料粗老有一定的關(guān)系。

2.2 機械化曬青茶發(fā)酵過程中內(nèi)含成分的變化

如表4所示，數(shù)控發(fā)酵過程中，氨基酸、茶多酚、水浸出物、兒茶素、GA的含量逐漸減少，咖啡堿含量出堆樣比曬青樣高。機械化曬青茶樣中的氨基酸、茶多酚、水浸出物和GA含量分別是出堆樣的2.63、3.59、2.79倍和15倍。機采茶到第二次翻堆時已檢測不出ECG含量，第三次翻堆時兒茶素已檢測不出。這與Zhao等[24]研究普洱茶發(fā)酵過程中茶多酚、游離氨基酸、兒茶素含量降低，發(fā)酵結(jié)束后水浸出物顯著降低，部分發(fā)酵過程咖啡因含量顯著增加的結(jié)果一致。出堆樣與曬青樣的氨基酸、茶多酚、咖啡堿及水浸出物含量差異顯著。出堆樣與第三次翻堆樣的氨基酸、茶多酚及水浸出物含量差異不顯著。

表3 機械化曬青茶數(shù)控發(fā)酵審評結(jié)果

圖1 機械化曬青茶數(shù)控發(fā)酵審評結(jié)果

%

表4 機械化曬青茶數(shù)控發(fā)酵化學(xué)成分含量（n=4）

注：“-”表示未檢測出，同行的不同字母表示顯著差異，＜0.05

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

2.3 機械化加工曬青茶及其在數(shù)控發(fā)酵過程中香氣物質(zhì)變化

2.3.1 電子鼻分析

將茶樣用干茶法、茶湯法、葉底法3種不同香氣采集法測得的3次平行數(shù)據(jù)用PCA分析，結(jié)果如圖2所示，與干茶法和茶湯法相比，葉底法能更好地將各茶樣區(qū)分開，因此選擇葉底法進行數(shù)據(jù)分析。

用葉底法分析機械化曬青茶的香氣，從中篩選出響應(yīng)值更平穩(wěn)、更具代表性的數(shù)據(jù)進行香氣質(zhì)量分析，在各個傳感器T=55~57?s的響應(yīng)值較為平穩(wěn)，用SPSS 22軟件算出3組平行試驗數(shù)據(jù)的平均值及標準偏差。PCA分析如圖3所示，在Correlation-M矩陣下，第一主成分貢獻率為99.17%，第二主成分貢獻率約為0.45%，兩者之和為99.62%，表示2個主成分能夠較基本代表茶樣的主要信息特征，能客觀的分析普洱茶香氣物質(zhì)。結(jié)果表明，電子鼻的PCA分析能夠完全區(qū)分機械化曬青茶數(shù)控發(fā)酵過程中的茶樣。其中第一主成分貢獻率最高的為第一次翻堆樣，第二主成分貢獻率最高為的曬青樣，出堆樣和第三次翻堆樣中第一主成分貢獻率較低，但出堆樣的第二主成份的貢獻率較高。

Loading分析如圖4所示，在Correlation-M矩陣中，R7（W1W）對第一主成分貢獻率最大，說明硫化物對茶樣的第一主成分貢獻率最大；R10（W3S）傳感器對第二主成分貢獻率最大，說明烷烴類對第二主成分貢獻率最大。對第一和第二主成分貢獻率較大的傳感器較多，說明機械化曬青茶數(shù)控發(fā)酵不同發(fā)酵階段的茶樣香氣物質(zhì)種類豐富。根據(jù)茶樣不同發(fā)酵階段PCA分析所示（圖3），曬青樣第一及第二主成分貢獻率比出堆樣高，說明曬青茶烷烴類及硫化物類相對含量比出堆樣高；第一次翻堆樣第一主成分的貢獻率最高，說明硫化物的相對含量較高。

2.3.2 GC-MS分析

為了研究機械化曬青茶數(shù)控發(fā)酵過程中各類香氣物質(zhì)的變化規(guī)律，根據(jù)表5，匯總各香氣物質(zhì)的種類及相對含量（表6）。

由表6可知，曬青樣及第一次翻堆樣香氣物質(zhì)相對含量最高。曬青樣檢測出的香氣物質(zhì)（33種，78.79%）經(jīng)過數(shù)控發(fā)酵后，出堆樣（46種，51.26%）中香氣物質(zhì)種類增加而香氣物質(zhì)總的相對含量減少，其中芳香烴類、醛類、烯烴類、雜環(huán)類、甲氧基類的香氣物質(zhì)種類增加，酮類、醇類、硫化物類、酚類變化不大，氮氧化合物、酯類及烷烴類均減少。

結(jié)合表5、表6可知，出堆樣的香氣相對含量由高到低，以醇類、芳香烴類、酮類、醛類為主，其中以芳香烴類的香氣物質(zhì)種類最多，說明機械化曬青茶經(jīng)過數(shù)控發(fā)酵后，芳香烴類香氣物質(zhì)豐富。機械化曬青茶醇類中以葉綠醇（32.05%）、芳樟醇（8.24%）、-松油醇（2.34%）為主，出堆樣中醇類以葉綠醇（5.21%）、芳樟醇（1.14%）為主，說明后發(fā)酵過程中，醇類物質(zhì)含量大幅減少，以葉綠醇減少最多。芳香烴以菲為主，機械化曬青茶中菲含量為3.86%，出堆樣中為6.82%。酮類在曬青茶中以香葉基丙酮為主（2.67%），在出堆樣中以-紫羅酮（2.66%）為主。醛類在曬青茶中只檢測出-環(huán)檸檬醛（0.72%），在出堆樣中檢測出8種醛類，以苯乙醛為主（1.83%），出堆樣中-環(huán)檸檬醛含量為0.59%。在曬青樣中甲氧基類香氣物質(zhì)未被檢測出，而從第一次翻堆到出堆均檢測出，其中在第二次翻堆時含量最高，達4.18%，隨后呈遞減趨勢，出堆樣中含量為1.2%。

圖2 茶樣loadings 分析

圖3 茶樣不同發(fā)酵階段PCA分析

圖4 茶樣不同發(fā)酵階段loading分析

注：“-”表示未檢測出

Note: ‘-’ indicates undetection

續(xù)表5