普洱茶機械化生產及數控發酵的品質研究

趙苗苗，何魯南，李果，易超，劉學艷，羅朝光，呂才有*

普洱茶機械化生產及數控發酵的品質研究

趙苗苗1,2，何魯南3，李果3，易超3，劉學艷3，羅朝光4，呂才有3*

1. 滇西應用技術大學普洱茶學院，云南 普洱 665000；2. 普洱茶研究院，云南 普洱 665000；3. 云南農業大學龍潤普洱茶學院，云南 昆明 650201；4. 普洱市茶葉科學研究所，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線”加工曬青茶，并應用云南普洱茶樹良種場開發的數控發酵系統對加工的曬青毛茶進行發酵，在各個加工過程中取樣，應用電子鼻、氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）、高效液相色譜（HPLC）結合感官審評的方法，研究機械化生產曬青毛茶及其在數控發酵過程中內含成分和香氣物質的變化，為普洱茶機械化加工和產業升級提供一定依據。結果顯示，機械化加工的普洱茶審評結果符合普洱茶國家標準，普洱茶機械化生產具有可行性；數控發酵過程中，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及電子鼻分析結果表明，第一次翻堆時香氣物質與其他出堆樣差異顯著，隨著數控發酵進行，香氣物質種類增加而香氣物質相對含量總體減少，香氣物質種類以醇類、芳香烴類、酮類及醛類為主，檢測出芳香烴類香氣物質較為豐富。

普洱熟茶；機械化；氣相色譜-質譜法；電子鼻；數控發酵

普洱茶是云南地理標志產品，在云南茶產業中占有重要地位。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]，普洱茶主產區普洱市、西雙版納傣族自治州、臨滄市等均地處邊疆山區，生產力水平較低，科學發展茶產業是地區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，主要依靠傳統作坊式加工，產品質量參差不齊，衛生安全也得不到保障。為此，提高并穩定茶葉質量，實現普洱茶的“機械化、清潔化加工”、提高茶園機械化生產水平、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，提高茶葉經濟效益，是未來云南茶產業加工發展的方向[4-5]。

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

傳統發酵技術是將原料潮水后依靠環境的溫度、濕度及微生物進行發酵，存在加工周期長、品質不穩定的問題。云南普洱茶樹良種場的數控發酵系統能夠對發酵過程中的溫度、濕度、供氧、二氧化碳排放量進行調控，具有發酵時間短、機械化翻堆、潮水均勻等特點，可加工幾十千克至數噸茶葉，王興華等[16]研究表明，該系統發酵的普洱茶與傳統發酵茶葉化學物質變化規律相同，數控發酵速度快、香氣好。

本研究聯合國家茶葉產業技術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線”加工曬青茶，實現了工序不交叉、茶葉不落地，并使用云南普洱茶樹良種場開發的數控發酵系統對加工的曬青毛茶進行發酵，運用電子鼻、氣相色譜-質譜聯用儀（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控發酵過程中的樣品進行內含成分和香氣物質的變化規律研究，為普洱茶機械化加工提供參考方案，為茶產業的轉型升級提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

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

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 數控發酵茶樣信息及編號

1.2 儀器與設備

試驗儀器：SB-120D型超聲波清洗機、電子分析天平、電熱鼓風恒溫干燥箱、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，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-質譜聯用儀，美國Agilent公司；電子分析天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司。

茶葉加工設備：攤放輔助系統、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，浙江川崎茶業機械有限公司；云南省普洱茶樹良種場的數字控制立體普洱茶發酵系統（主要包括PLC、溫濕度傳感器以及溫濕度控制系統組成的發酵室和立體普洱茶發酵筐）。

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。機采曬青各參數設定如下：鮮葉量：516?kg；攤青時間：7.1?h；投料速度：50?Hz；殺青機設定鍋溫：進料口端溫度170℃，出料口端溫度150℃；殺青機轉速：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；輸送至曬青盤用時：8.25?h；干燥方式：日光干燥；加工共用時長：22.6?h。

數控發酵：取“曬青茶機械化標準化生產線”生產的曬青茶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，置于多層發酵架上，在發酵室內進行發酵，并對溫度、濕度、供氧量、二氧化碳排放量等參數進行調控，數控發酵室的溫度設定50℃，整個發酵過程分4個階段，共翻堆3次，翻堆間隔時間為6、10、5?d。第一階段數控發酵室的溫度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備內，用30?mL二氯甲烷提取3?h。萃取液濃縮至1.0?mL，用氣質聯用儀進行檢測。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，取響應信號區間55~57?s進行數據分析，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3次。

表2 電子鼻傳感器名稱與性能描述

化學成分測定：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，由專業評茶師進行感官審評，并根據感官給予相應的評語及綜合評價，感官審評方法參照GB/T 22111—2008 地理標志產品普洱茶[1]、GB/T 14487—2017 茶葉感官審評術語[21]、GB/T 23776—2018 茶葉感官審評方法[22]。

1.4 數據分析

GC-MS分析：由GC-MS分析得到的質譜數據經計算機在NIST2011標準譜庫的檢索，查對有關質譜資料，對基峰、質核比和相對豐度等方面進行分析，分別對各峰加以確認，結合保留指數對化合物進行定性，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，對發酵不同樣品的干茶、茶湯、葉底的響應值生成的初始特征向量進行PCA（Principal component analysis）和Loading分析。

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

2 結果與分析

2.1 機械化加工曬青茶及曬青茶發酵過程中感官品質的變化

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線”可以實現曬青茶的加工，但由于機采鮮葉原料粗老，導致干茶外形色澤花雜，多梗及黃片。機械化曬青茶樣經過數控發酵后，第三次翻堆樣（C3）品質優于出堆樣（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系。

2.2 機械化曬青茶發酵過程中內含成分的變化

如表4所示，數控發酵過程中，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]研究普洱茶發酵過程中茶多酚、游離氨基酸、兒茶素含量降低，發酵結束后水浸出物顯著降低，部分發酵過程咖啡因含量顯著增加的結果一致。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 機械化曬青茶數控發酵審評結果

圖1 機械化曬青茶數控發酵審評結果

%

表4 機械化曬青茶數控發酵化學成分含量（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控發酵過程中香氣物質變化

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次平行數據用PCA分析，結果如圖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分開，因此選擇葉底法進行數據分析。

用葉底法分析機械化曬青茶的香氣，從中篩選出響應值更平穩、更具代表性的數據進行香氣質量分析，在各個傳感器T=55~57?s的響應值較為平穩，用SPSS 22軟件算出3組平行試驗數據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。結果表明，電子鼻的PCA分析能夠完全區分機械化曬青茶數控發酵過程中的茶樣。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控發酵不同發酵階段的茶樣香氣物質種類豐富。根據茶樣不同發酵階段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控發酵過程中各類香氣物質的變化規律，根據表5，匯總各香氣物質的種類及相對含量（表6）。

由表6可知，曬青樣及第一次翻堆樣香氣物質相對含量最高。曬青樣檢測出的香氣物質（33種，78.79%）經過數控發酵后，出堆樣（46種，51.26%）中香氣物質種類增加而香氣物質總的相對含量減少，其中芳香烴類、醛類、烯烴類、雜環類、甲氧基類的香氣物質種類增加，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種類最多，說明機械化曬青茶經過數控發酵后，芳香烴類香氣物質豐富。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，說明后發酵過程中，醇類物質含量大幅減少，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-環檸檬醛含量為0.59%。在曬青樣中甲氧基類香氣物質未被檢測出，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 茶樣不同發酵階段PCA分析

圖4 茶樣不同發酵階段loading分析

注：“-”表示未檢測出

Note: ‘-’ indicates undetection

續表5