高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)普洱生茶香氣和陳化時(shí)間的影響

張曉云，趙 艷，錢 曄，冷 彥，王白娟*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650201;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201;3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)學(xué)院，云南 昆明 650201;4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)關(guān)黨委，云南 昆明 650201）

2014年發(fā)布的普洱茶國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30766—2014《茶葉分類》中將普洱茶定義為“以地理標(biāo)志保護(hù)范圍內(nèi)的云南大葉種曬青茶為原料，并在地理標(biāo)志性保護(hù)范圍內(nèi)采用特定的加工工藝制成，具有獨(dú)特品質(zhì)特征的茶葉”[1]。研究表明，普洱茶具有降血脂[2-5]、減肥、降血壓[6]、抗突變[7]、抗氧化[8-10]等作用，長(zhǎng)期飲用普洱茶可以減少人體內(nèi)膽固醇和甘油酯的含量，對(duì)高血壓和腦動(dòng)脈硬化患者有良好的治療作用[11]。普洱茶獨(dú)特的香氣、滋味和“越陳越香”的特點(diǎn)已成為引導(dǎo)普洱茶消費(fèi)的主要特征和決定其價(jià)格的重要因素[12]。隨著人民生活水平的提高和對(duì)普洱茶生理功效的逐漸認(rèn)識(shí)，近年來(lái)普洱茶的需求量急劇增加，研究表明，利用高壓脈沖處理后的同年普洱茶香氣趨于陳香，口感趨于醇和，經(jīng)過(guò)高壓脈沖電場(chǎng)處理的茶葉在感官品質(zhì)上接近自然陳化[13]。市場(chǎng)上普洱茶對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境條件較為苛刻，諶瀅等[14]研究表明，普洱生茶感官品質(zhì)隨貯藏年份的增加發(fā)生一定的變化，但變化的程度及方向受到原料[15]、加工工藝[16]、貯藏環(huán)境[17-18]等的影響。因此，使用一種更簡(jiǎn)單、能耗更低和無(wú)污染的普洱茶處理技術(shù)能夠提高普洱茶品質(zhì)，使其盡快達(dá)到最佳飲用期。

高壓脈沖電場(chǎng)（high voltage pulsed electric field，HPEF）處理技術(shù)具有能耗低、無(wú)污染、無(wú)輻射、能量傳遞均勻、能最大限度保持食品品質(zhì)、預(yù)處理時(shí)間短、工藝簡(jiǎn)單、方便推廣等明顯優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被普遍應(yīng)用于食品及農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)中。HPEF技術(shù)應(yīng)用于云南普洱茶加工領(lǐng)域的可行性研究相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要將HPEF利用在食品殺菌、保鮮、酒類陳化等領(lǐng)域，研究表明，葡萄酒經(jīng)HPEF催陳后，其香氣成分會(huì)發(fā)生變化，葡萄酒中的雜醇油含量有所下降，總酸、總酯和苯乙醇的含量有所上升;與新酒相比，催陳后的葡萄酒陳香明顯增加，口感更為醇和，酒體豐滿協(xié)調(diào)[19]。羅斯瀚等[20]利用HPEF對(duì)普洱生茶醇類香氣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證明HPEF促進(jìn)茶葉醇類香氣的最優(yōu)條件為12 kV/120 Hz/30 min，且影響醇類香氣的主要因素是時(shí)間，電壓因素的影響有限。Chen Ting等[21]研究表明，經(jīng)HPEF加工后普洱茶香氣成分含量有明顯變化。

在茶葉的香氣品質(zhì)中，香氣的純異（即香氣是否純正）、濃度和香氣的持久性是構(gòu)成香氣品質(zhì)的重要因素，本研究以不同年份云南臨滄普洱生茶為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用HPEF技術(shù)對(duì)不同年份的茶樣進(jìn)行不同條件處理，結(jié)合并運(yùn)用氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯(lián)用技術(shù)和電子鼻技術(shù)，研究HPEF對(duì)提高普洱生茶香氣品質(zhì)和陳化時(shí)間的可行性。探索提高云南普洱生茶香氣品質(zhì)和縮短云南普洱茶陳化時(shí)間的物理方法，為普洱生茶深加工提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

喬木古樹(shù)茶餅于2015年—2017年采摘于云南臨滄茶區(qū)。

1.2 儀器與設(shè)備

7890A、5975C GC-MS儀 美國(guó)安捷倫公司;PEN3電子鼻 德國(guó)Airsence公司。

DMC-200型高壓脈沖電源（處理箱為五面密封的有機(jī)玻璃處理箱（71 cm×41 cm×41 cm））購(gòu)自大連鼎通科技發(fā)展有限公司。工作原理圖見(jiàn)圖1，主要性能參數(shù)如下：輸出電壓：0～60 kV;輸入電壓：AC220 V±10%;輸出脈沖占空比：0～70%;輸出脈沖頻率：50～2 000 Hz;輸出功率：2 000 W。在GC-MS實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)閮x器設(shè)備更新，電位器示數(shù)可調(diào)的頻率略有不同，故頻率選擇與電子鼻實(shí)驗(yàn)的中間頻率略有不同。

圖 1 高壓脈沖電源工作原理圖Fig. 1 Working principle of HPEF

1.3 方法

1.3.1 GC-MS測(cè)定香氣成分

選取經(jīng)HPEF（12 kV/162 Hz/30 min）處理和未處理的空白組（CK）普洱茶餅（2016年）各200 g為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，先對(duì)每組樣品進(jìn)行香氣提取預(yù)處理（放入溫度超過(guò)80 ℃的烘房高溫烘焙4 h），然后將茶樣進(jìn)行研磨后，放入頂空進(jìn)樣瓶中，進(jìn)行GC-MS檢測(cè)分析。

GC條件：HP-5MS柱（30 m×0.2 mm，0.25 μm）;載氣：He;柱溫升溫程序：50 ℃保持5 min，以5 ℃/min升至250 ℃;分流比：20∶1;進(jìn)樣量：2 μL。

MS條件：電子轟擊離子源;傳輸線溫度：280 ℃;離子源溫度：230 ℃;四極桿溫度：150 ℃;電子倍增器電壓：1 894 V;電子能量：70 eV;質(zhì)量掃描范圍40～600m/z。

1.3.2 電子鼻測(cè)定香氣成分

1.3.2.1 樣品處理

用茶針對(duì)每餅茶撬取50 g，對(duì)于HPEF組（樣品A～I(xiàn)）和空白組（CK），每個(gè)條件下的茶樣準(zhǔn)備3 組平行實(shí)驗(yàn)，裝入自封袋備用。

對(duì)于HPEE組，選取影響HPEF效果最主要的3 個(gè)因素：電壓、頻率和時(shí)間。根據(jù)文獻(xiàn)[22-24]的結(jié)論設(shè)置本實(shí)驗(yàn)的各因素水平。脈沖頻率為120、150 Hz和180 Hz，在實(shí)驗(yàn)室條件下，根據(jù)高壓脈沖電源60 kV條件下面板頻率調(diào)節(jié)電位器示數(shù)與輸出脈沖頻率關(guān)系，確定的相近頻率為120.2 Hz（電位器示數(shù)800）、165.6 Hz（電位器示數(shù)890）和198.4 Hz（電位器示數(shù)930）;因此，本研究各因素水平為：電壓：12、15、18 kV;頻率：120.2、165.6 、198.4 Hz;時(shí)間：30、45、60 min。本實(shí)驗(yàn)三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表 1 HPEE處理?xiàng)l件正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Orthogonal array design for optimization of HPEE parameters

1.3.2.2 香氣成分測(cè)定

采用電子鼻對(duì)茶樣進(jìn)行采集和分析，電子鼻內(nèi)部由10 個(gè)不同的氣味傳感器、信號(hào)處理模塊以及模式識(shí)別系統(tǒng)等功能模塊構(gòu)成，其中電子鼻傳感器編號(hào)與對(duì)應(yīng)響應(yīng)香氣類別見(jiàn)表2。

表 2 電子鼻傳感器編號(hào)與對(duì)應(yīng)響應(yīng)香氣類別Table 2 Electronic nose sensors and corresponding aroma responses

取50 個(gè)100 mL的錐形瓶備用，稱取茶樣時(shí)，將一個(gè)錐形瓶放在天平正中央，水平調(diào)零后，準(zhǔn)確稱取待測(cè)茶樣1.000 g，稱好后用保鮮膜密封瓶口，靜置10 min待測(cè)。測(cè)定條件：采樣間隔：1 s;清洗時(shí)間：200 s;零點(diǎn)修整時(shí)間：10 s;預(yù)采樣時(shí)間：5 s;檢測(cè)時(shí)間：60 s;進(jìn)樣流速：400 mL/min。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用電子鼻自帶的Winmuster軟件對(duì)香氣成分進(jìn)行主成分分析（principal component analysis，PCA）、線性判別分析（linear discrimination analysis，LDA）、傳感器區(qū)分貢獻(xiàn)率（Loadings）分析和偏最小二乘法（partial least squares，PLS）年份預(yù)測(cè)。PCA給出了每個(gè)主成分下樣品區(qū)分的狀況，并可以分析樣品之間主要是由哪一類組分起主要區(qū)分作用;LDA注重類別的分類及各組之間的距離分析;Loadings分析與PCA相關(guān)，它們都基于同一種算法，區(qū)別在于，Loadings算法主要是對(duì)傳感器類別進(jìn)行研究，利用該方法可以確認(rèn)特定條件下各傳感器對(duì)樣品區(qū)分的貢獻(xiàn)率大小，從而可以考察在樣品區(qū)分過(guò)程中哪一類氣體起主要區(qū)分作用;PLS分析用于對(duì)普洱茶樣品年份進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 GC-MS檢測(cè)分析結(jié)果

對(duì)CK組和HPEF組進(jìn)行GC-MS檢測(cè)，譜庫(kù)檢索表及所得結(jié)果如表3所示，CK組有64 種香氣成分，HPEE處理組有67 種香氣成分，在兩組茶樣中存在的香氣成分均有60 種，與CK組比較，新增的香氣成分有7 種，減少的香氣成分有4 種。說(shuō)明HPEF對(duì)普洱生茶香氣組分的種類具有促進(jìn)作用，可能是一種提高香氣品質(zhì)的有效方式。

表 3 普洱生茶CK組與HPEE處理組譜庫(kù)檢索結(jié)果Table 3 MS library search results for identification of aroma components in control and HPEE treated samples

續(xù)表3

2.2 電子鼻香氣檢測(cè)結(jié)果

2.2.1 PCA分析結(jié)果

圖 2 2015（A）、2016（B）、2017（C）年茶樣PCA圖Fig. 2 PCA analysis of tea samples produced in 2015 (A),2016 (B), 2017 (C)

2015年—2017年茶樣PCA結(jié)果如圖2A～C所示。第一主成分和第二主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90%以上的香氣數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。貢獻(xiàn)率越大，說(shuō)明主要成分越能夠較好地反映原來(lái)多指標(biāo)的信息。結(jié)果表明，2015年最佳HPEF條件為I（18 kV/198.4 Hz/45 min），此時(shí)第一主成分的貢獻(xiàn)率為95.732%，加上第二主成分的貢獻(xiàn)率3.849%，最終累計(jì)貢獻(xiàn)率為99.581%;2016年最佳HPEF條件為G（18 kV/120.2 Hz/60 min），此時(shí)第一主成分的貢獻(xiàn)率為98.993%，加上第二主成分的貢獻(xiàn)率0.796%，最終累計(jì)貢獻(xiàn)率為99.789%;2017年最佳HPEF條件為C（12 kV/198.4 Hz/30 min），此時(shí)第一主成分的貢獻(xiàn)率為98.558%，加上第二主成分的貢獻(xiàn)率0.957%，最終累計(jì)貢獻(xiàn)率為99.515%。從各年份的PCA可以看出，當(dāng)電壓條件為18 kV、頻率為198.4 Hz、時(shí)間為45 min時(shí)，對(duì)茶樣的影響最大。

2.2.2 LDA分析結(jié)果

圖 3 2015（A）、2016（B）、2017（C）年茶樣LDA分析圖Fig. 3 LDA analysis of tea samples produced in 2015 (A),2016 (B), 2017 (C)

2015年—2017年茶樣LDA結(jié)果分別如圖3A～C所示。結(jié)果表明，經(jīng)HPEF處理后，茶樣香氣成分發(fā)生了變化，即HPEF處理對(duì)茶樣香氣品質(zhì)有一定的影響。通過(guò)LDA可以較好地區(qū)分不同處理?xiàng)l件下的普洱茶，說(shuō)明不同處理?xiàng)l件下的普洱茶樣品其揮發(fā)物成分存在一定差異，可以被電子鼻檢測(cè)并區(qū)別開(kāi)。

2.2.3 Loadings分析結(jié)果

圖 4 2015（A）、2016（B）、2017（C）年茶樣Loadings分析圖Fig. 4 Loadings analysis of tea samples produced in 2015 (A),2016 (B), 2017 (C)

每類香氣含量不同，每個(gè)傳感器所能接收到的信號(hào)也不同，在圖中的分布必然不同。同一年份茶樣經(jīng)不同HPEF條件處理后，分別對(duì)其進(jìn)行Loadings分析，結(jié)果如圖4A～C所示。在圖4A、B中，6號(hào)和7號(hào)傳感器分別在第一主成分貢獻(xiàn)率和第二主成分貢獻(xiàn)率中數(shù)值最大，說(shuō)明甲烷類和硫化物類香氣組分占2015年—2016年整體香氣的絕大部分，這和茶葉氨基酸富含半胱氨酸、胱氨酸、蛋氨酸等含硫氨基酸有關(guān)，部分含硫氨基酸在加工過(guò)程中可以轉(zhuǎn)變?yōu)槎琢虻葥]發(fā)性香氣物質(zhì)。在圖4C中，2號(hào)和6號(hào)傳感器分別在第一主成分貢獻(xiàn)率和第二主成分貢獻(xiàn)率中數(shù)值最大，說(shuō)明氮氧化合物類和甲烷類香氣組分占2017年整體香氣的絕大部分。

2.3 PLS年份預(yù)測(cè)結(jié)果

在2015年份茶樣的PCA中，HPEF條件為I（18 kV/198.4 Hz/45 min）的情況下，第一主成分和第二主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率最大，在這一條件下，2015年茶樣在I條件下的PLS預(yù)測(cè)圖見(jiàn)圖5A。

在2016年份茶樣的PCA中，HPEF條件為G（18 kV/120.2 Hz/60 min）的情況下，第一主成分和第二主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率最大，在這一條件下，2016年茶樣在G條件下的PLS預(yù)測(cè)圖見(jiàn)圖5B。

在2017年份茶樣的PCA中，HPEF條件為C（12 kV/198.4 Hz/60 min）的情況下，第一主成分和第二主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率最大，在這一條件下，2017年茶樣在C條件下的PLS預(yù)測(cè)圖見(jiàn)圖5C。

圖 5 2015（A）、2016（B）、2017（C）年茶樣PLS分析圖Fig. 5 PLS analysis of tea samples in produced 2015 (A),2016 (B), 2017 (C)

由圖5可知，在50～60 s范圍內(nèi)香氣基本已經(jīng)趨于穩(wěn)定，在此范圍內(nèi)任意一點(diǎn)進(jìn)行年份預(yù)測(cè)，2015年份茶樣經(jīng)I條件處理后的預(yù)測(cè)年份為2011.2283年，2016年份茶樣經(jīng)G條件處理后的預(yù)測(cè)年份為2013.3433年，2017年份茶樣經(jīng)C條件處理后的預(yù)測(cè)年份為2013.0792年，近一步得到50～60 s范圍內(nèi)預(yù)測(cè)年份的平均值結(jié)果：2015年的茶樣預(yù)測(cè)得到的年份為2010.9880年，縮短陳化年份約4.01 年;2016年的茶樣預(yù)測(cè)得到的年份為2013.2886年，縮短陳化年份約2.71 年;2017年的茶樣預(yù)測(cè)得到的年份為2012.8051年，縮短陳化年份約4.19 年。說(shuō)明不同HPEF技術(shù)處理均能縮短普洱生茶的陳化年份，且與脈沖電壓、頻率和處理時(shí)間有關(guān)。

3 討 論

茶葉的感官品質(zhì)由五大因子組成：外形、湯色、香氣、滋味和葉底。香氣在各類茶品質(zhì)因子的評(píng)分系數(shù)中占比25%～35%[25]，是一項(xiàng)關(guān)鍵因子。普洱茶香氣成分是在微生物發(fā)酵和茶自然氧化過(guò)程的協(xié)同作用下形成的，而參與到這個(gè)過(guò)程的黑曲霉在其發(fā)酵過(guò)程中分泌的單寧酶可以使茶葉中的單寧水解成沒(méi)食子酸，降低苦味的同時(shí)，促進(jìn)茶湯轉(zhuǎn)紅[26-28]。HPEF通過(guò)高電壓、短脈沖和低溫條件處理食品，陳錦權(quán)等[29]研究表明，在HPEF處理后，茶湯內(nèi)的醇類、酮類和脂類占香氣成分的大部分，雜環(huán)類所占比例較小，主體香氣成分得以保留。在提取茶葉內(nèi)含物質(zhì)和活性物質(zhì)方面，金哲雄[30]利用PEF技術(shù)從綠茶茶葉中快速提取多糖、多酚、咖啡堿和核酸等，摸索出提取上述物質(zhì)的基本參數(shù)，發(fā)現(xiàn)提取率分別是水提取的1.91、1.10、1.05、1.32 倍，表明PEF技術(shù)在功能性成分提取方面有很大的應(yīng)用前景。本研究證實(shí)了HPEF作用于普洱茶有利于普洱茶的后期陳化過(guò)程，使其品質(zhì)風(fēng)味得到提升。

本實(shí)驗(yàn)研究HPEF對(duì)云南普洱生茶的香氣品質(zhì)和陳化時(shí)間的影響，通過(guò)GC-MS聯(lián)用和電子鼻技術(shù)，對(duì)普洱茶生茶（干茶）香氣品質(zhì)進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)茶樣進(jìn)行了年份預(yù)測(cè)，得到HPEF對(duì)云南普洱生茶香氣品質(zhì)的提高為正向作用，同時(shí)能加快普洱生茶的陳化。但是，電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)中，傳感器陣列只能提供對(duì)某類香氣成分的分析，而不能具體到是哪一種香氣物質(zhì)，具有一定的局限性;由于電子鼻香氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)一旦開(kāi)始進(jìn)行，就需要嚴(yán)格把握時(shí)間間隔，同時(shí)對(duì)準(zhǔn)備樣品的時(shí)間也需要把控好，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不能離開(kāi)，因此檢測(cè)結(jié)果存在一定的誤差。在后期的研究中，考慮生產(chǎn)條件、技術(shù)、貯藏條件等因素對(duì)普洱茶品質(zhì)的影響，將增加其他茶樣作為研究對(duì)象，與此研究結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證本研究中HPEF對(duì)普洱茶香氣品質(zhì)的影響。