抹茶加工及其近红外检测中应用的研究进展

陈亮 ，谭红*，谢峰

1. 贵州大学化学与化工学院（贵阳 550025）；2. 贵州省分析测试研究院（贵阳 550024）

抹茶在中国已有1 000多年的历史[1]。1191年，日本僧人荣西禅师将蒸青抹茶制作工艺带回日本，而后抹茶在日本得以保留并发扬光大[2]，而中国抹茶生产、应用研究、抹茶工艺都处于起步阶段，远远落后于日本。特别是抹茶工艺[3]的杀青、干燥、碾磨等关键技术存在不足，仍旧需要新兴的优化工艺来替换，如此才能使抹茶的内含成分更多地被保留下来，从而实现我国抹茶工艺的优化。抹茶是茶叶深加工产品，我国抹茶工业起步晚，仅浙江、贵州省的几处茶厂形成了成熟的抹茶加工产业链，但抹茶产品良莠不齐，抹茶掺伪现象时有发生，这严重破坏了国内抹茶市场的良性竞争。为提高抹茶品质，快速检测抹茶成分和定性抹茶真伪的研究显得尤为重要。传统的抹茶成分检测主要是化学分析检测，用化学检测来检验抹茶的主要指标：水分、茶多酚、氨基酸、灰分、粗纤维、咖啡碱、叶绿素等[4-5]。传统的理化分析耗时耗力，方法繁琐，且需在实验室进行，对检测条件和人员素质要求很高，无法实现在抹茶生产及流通过程中对抹茶品质进行实时监控。而近红外光谱作为一种新兴技术，通过提取物质的全光谱信息，借助数学方法建立能充分反映全谱区光谱特征与物质品质专有属性关系的数学模型，并进一步定性或定量地描述不同样品谱图间的相似程度，从而对样品快速而客观地分型划类，具有样品无损耗、结果客观以及快速简便等优点，能满足生产上对抹茶产品进行实时检测的需求。

1 抹茶的加工技术

在浙江、贵州的几处茶厂已形成较为成熟的现代抹茶加工流程。抹茶的整个加工过程为：鲜叶储存→鲜叶流量计和切断机→鲜叶筛分→蒸汽杀青→风力冷却→碾茶炉（烘房）→梗叶分离机→复烘→茎叶分离→装袋。而在抹茶的精加工环节，进厂时的原料称之为碾茶，此时碾茶经过烘干、风干、色选、筛分、风选等精制步骤，然后通过碾磨加工制成现代抹茶。其中，杀青、干燥、粉碎是抹茶加工工艺中的三个关键技术。

1.1 抹茶的杀青

茶叶杀青是茶叶加工和品质形成的关键性工序，茶鲜叶中酶的活性在杀青过程中被高温钝化，部分水分和低沸点的青气物质部分散失，茶香显现，为抹茶品质和下一步工序奠定基础[6]。抹茶的杀青方法有炒青、微波杀青和蒸汽杀青。

1.1.1 炒青

炒青是指在制作茶叶的过程中利用微火在锅中使茶叶萎凋的手法，通过人工的揉捻令茶叶水分快速蒸发，阻断茶叶发酵的过程，并使茶汁的精华完全保留的工序。王兴奎等[7]研究表明炒青后的茶叶外形色泽紧实绿润，汤色浅绿尚亮，滋味醇和，香气高长。

1.1.2 微波杀青

微波杀青是利用微波快速加热的特性，使茶叶在短时间内升温至活性氧化酶钝化的温度，维持3～5 min即可杀青完成，是一种高效节能的新型茶叶杀青技术。

研究发现[8-9]微波杀青成本低，易控制，易操作；可快速钝化酶类活性，最大限度地保留叶绿素、茶多酚和儿茶素的含量；叶片含水率不会剧烈降低，并有利于叶片外形色泽品质的提升和叶长宽的保持。

1.1.3 蒸汽杀青

蒸汽杀青是利用制茶蒸汽发生器产生的高温蒸汽来对鲜叶进行杀青，而后经揉捻、干燥。研究发现[10-11]蒸汽杀青因为穿透力强，杀青时间短，能够较好地保证茶叶中茶多酚、儿茶素等物质的含量。且蒸汽杀青所制抹茶具有较好的感官品质特征，能够更好地固定富硒抹茶的硒元素、茶多酚、总糖等主要营养物质和香气物质，可以作为提高抹茶品质的加工措施。

综上，经过蒸汽杀青的茶叶外形紧细，油润有光，研磨后的茶粉色泽翠绿、香气怡人，还能防止茶叶中营养物质的流失，能最好地保证抹茶的品质，是现阶段抹茶杀青最有效的方式。

1.2 抹茶的干燥

干燥是杀青成形后，除去茶叶中剩余的水分，同时激发出茶叶香味的一道工序，它能散发去青臭气，进一步提高和发展抹茶的香气。经统计，抹茶的干燥方法有热风干燥、微波干燥以及低温真空干燥[12]。

1.2.1 热风干燥

热风干燥是通过吸湿-解湿平衡原理对物料进行干燥，具有与物料接触面积大、热量交换比较充分、干燥效率高、生产成本低且无异味等优点。研究发现[13]，热风干燥加工条件下制得的超微茶粉，其多酚类物质含量较高，咖啡碱含量较低，苦味轻，茶汤浓醇。

1.2.2 微波干燥

微波干燥技术是利用水吸收大部微波能量的原理，微波对其内部水分进行加热并将水分进行蒸发脱除，从而达到物料干燥的目的。研究表明[14-15]相对于其他干燥技术，微波干燥具有升温快、热效率高、易于操作等优点，但微波干燥的绿茶较传统干燥具有更高的氨基酸含量，这不利于香气的形成。

1.2.3 低温真空干燥

低温真空干燥是将之在真空、低温的干燥箱内保持较低相对湿度，被干燥物料在获得较少的热量下达到干燥效果，再通过排气系统将真空干燥室内所产生的水蒸气及时抽出，来实现茶叶低温真空干燥的目的。

研究表明，低温真空干燥较大程度保留叶绿素含量，所制名优绿茶优于传统热风干燥[15-16]。且与传统热风干燥工艺相比，低温真空干燥得到的绿茶外形色泽嫩绿、清香带花香、滋味醇厚，水浸出物冲泡速率比传统热风干燥快近两倍[17]。

综合考虑，为使抹茶色香味得到很好的保留，以及内在品质的提升，低温真空干燥技术优势明显。

1.3 抹茶的粉碎

抹茶的国家标准（GB/T 34778—2017）规定，抹茶粒度指标D60≤18 μm，因此必须经过研磨粉碎处理。为适应现代规模化产业的需要，研发出了一些新型的超微粉碎技术。目前抹茶的研磨粉碎技术主要有4种——气流粉碎、研磨式超微粉碎、电动石磨和球磨粉碎。

气流粉碎是利用高压、高速气流的能量，使物料颗粒相互产生剧烈的冲击、碰撞和摩擦等作用力，从而实现对物料的粉碎。球磨粉碎的原理是将原料与球磨介质一起装入高能球磨机中进行机械研磨，原料不断经历磨球的碰撞、挤压而反复变形与断裂，最终形成超细粉体。电动石磨主要是传统石磨原理，转子采用变频电机带动，转速可在设定范围内匀速运转，保证了绿茶粉的匀整性，研磨粉碎是通过剪切力的作用，将物料进行粉碎。

表1 粉碎技术类别比较

综合考虑，球磨虽成本昂贵，但却要廉于气流粉碎，且使用球磨机生产抹茶，相同条件下抹茶中色泽、香气、滋味均优于其他方式，现阶段我国抹茶加工企业大多采用球磨方式加工抹茶，球磨加工抹茶的品质也相对较高。

2 国内外近红外在抹茶中的研究进展

2.1 近红外光谱（NIRS）的简介

近红外光谱技术是近年来发展较快的一种绿色、无污染、快速、无损检测技术，其被广泛应用于农产品、食品领域和茶叶的品质检测分析。近红外光谱技术在食品真伪掺假判别上得到广泛应用[21]，包括肉类[22]、植物油、牛奶[23]、蜂蜜[24]、奶粉[25]等食品的掺伪鉴别。

NIRS技术的优点主要有以下几个：一是能够分析的对象数量较多、涵盖门类较多；二是在分析前样品不需要进行复杂的前处理，分析的操作简单、速度较快；三是分析不破坏样品，通过光谱扫描完成；四是对环境污染较小。NIRS技术使用方便、对环境污染小、检测速度快、效率高，在农业[26]、食品、石油化工[27]、医学，天体科学[28]等领域中得到非常广泛的应用。

2.2 近红外光谱（NIRS）在抹茶加工工艺的研究现状

近年来，对于在成品茶的品质检测方面近红外技术已相对成熟，而在抹茶加工工艺的几个关键技术方面近红外技术也有了一定的突破。

宁井铭等[29]基于近红外光谱技术，设计了杀青自动化控制生产线。利用红外光谱技术对杀青后鲜叶含水量在线精确测量，通过可编程逻辑控制器（PLC）调节投叶量或滚筒转速，从而保证鲜叶杀匀杀透。试验结果表明，该系统检测技术和装置具有可靠性和实用性，在线检测误差在2.37%±3.53%范围内。

在干燥方面，水分含量是衡量茶叶干燥过程中品质的最重要因素之一，吴继忠等[30]采用近红外光谱分析技术分析茶叶干燥过程水分含量。采用便携式近红外光谱检测系统采集茶叶干燥过程样本的光谱，采用标准正态变量变换（SNV）预处理光谱；然后，比较应用全光谱偏最小二乘模型（PLS）、遗传偏最小二乘模型（GA-PLS）、竞争性自适应加权抽样偏最小二乘模型（CARS-PLS）建立模型，采用交互验证优化模型。陈琳等[31]为实现工夫红茶干燥中含水率的快速检测，提出了基于近红外光谱红茶干燥中含水率无损检测方法。

但近红外光谱技术在抹茶加工过程中针对影响品质的内含成分的含量检测还比较少见。近红外光谱技术检测抹茶加工过程的内含成分含量，对茶叶杀青、干燥等过程品质的智能化和数字化监测，以及茶叶智能化加工装备的开发具有重要意义。

2.3 成品抹茶定性方面的研究现状

近年来，抹茶工艺技术多以文章、专利等形式在日韩等地交流，其他国家的抹茶技术，包括斯里兰卡等传统茶叶生产大国均较少。而日本是最早利用NIRS技术对茶叶开展研究的国家，目前已研制出专用的近红外分析仪来快速检测茶叶中的水分、全氮量、茶多酚、咖啡碱、氨基酸等主要成分。但是由于国外的茶叶种类少，因此NIRS技术在茶叶产地、真伪鉴别等定性分析方面的研究较少。

在国内，茶叶的种类繁多，所以NIRS技术在茶叶的产地、等级[32]、种类、年份和真伪鉴定等定性方面的研究较为广泛。Ning等[33]利用近红外光谱和支持向量数据描述模式识别来识别四国红茶，精准地鉴别了茶叶的产地。彭清维等[34]基于近红外光谱技术讨论了3种不同特征波长和全波段数据的4种翠芽等级判别模型。对比4种模型建模结果，4种模型均取得了很好的预测效果，预测集相关系数均达到0.93以上。结果表明，利用可见光近红外光谱技术能够快速、准确、无损地对湄潭翠芽等级进行区分。Chen等[35]运用NIRS技术结合多元校正方法对茶叶进行定量和定性分析的可行性研究，并运用软独立建模分类（SIMCA）法实现了龙井、乌龙、碧螺春和铁观音的分类鉴别，并取得了相当高的预测精度；Zhao等[36]运用NIRS技术与支持向量机（SVM）结合，达到了3种不同种类茶叶的品质鉴别。而王胜鹏等[37]也进行了茶叶年份鉴别方面的研究。

在茶叶中如此多的定性研究也正是给抹茶的研究提供了便利。在近红外定性方面，我国品种繁多、产地复杂，给抹茶的定性研究有着极大的可行性，特别是抹茶真伪的鉴别更是重中之重，由于我国目前尚未制定抹茶国家标准及等级分类标准，部分商家直接把绿茶粉当抹茶销售。

赵开飞等[38]基于近红外光谱技术对抹茶掺伪的定性判别进行了研究，以玉露碎为研究对象，掺入不同比例的白砂糖、麦芽糊精、桑叶粉、大麦苗粉，探索了采用近红外光谱分析方法结合主成分分析与线性判别分析和K最近邻法判别抹茶添加非茶成分的可行性。通过PCA-LDA建立的定性判别模型，其准确度和识别率都很高，能快速、准确地对抹茶中是否掺伪进行定性判别。

Yu等[39]的研究提供了一种有效的方法，用可见光谱和化学计量学相结合快速以及非破坏性地鉴定抹茶中的蒸绿茶粉掺假。

2.4 成品抹茶定量方面的研究现状

近年来，在定量检测方面，国内NIRS技术应用于茶叶检测方面，主要集中在绿茶理化成分的测定方面，茶叶、茶汤、茶提取物中的理化成分测定，茶叶品质评价的研究等。与国外的技术检测手段及技术正在逐步缩小，这有利于未来将近红外技术大规模地投入现代化工厂中使用，使得工厂的操作更加智能化，品质控制更加系统化。

白晓丽等[40]以随机抽取的42个市售速溶茶产品为研究对象，采用近红外光谱分析技术并结合偏最小二乘（PLS）法对其水分、咖啡碱和茶多酚含量进行定标建模分析。结果证实该方法准确可靠，可以快速有效估测茶的内含成分。

同时，更多的研究已经成功地建立了茶叶中水浸出物、氨基酸[41]、儿茶素[42]、灰分、咖啡因[43]、茶黄素[44]等多种成分的快速检测模型，为抹茶成分的检测提供了很好的借鉴意义，在抹茶的品质成分检测方面提供了先导，让抹茶定量方面的研究更加简单便捷。

日本也已经对抹茶中的粗纤维、叶绿素、总多酚[45]、单宁、维生素C、茶氨酸[46]、含氮量[47]等进行了深入的研究，因为叶绿素关系到抹茶最终成品的色泽，其余成分的研究也对抹茶品质的提升尤为重要。但国内的抹茶研究起步晚，对于这些成分的研究还较少，所以在未来的抹茶定量研究中应当将这些成分当作抹茶的重点，合理系统地运用近红外定量分析来提升抹茶的品质。

3 展望及结语

通过在省级范围内选择多个地理、气候特征有代表性的区域、选择多个茶园进行中日管护方式的对比试验。

3.1 抹茶现阶段面临的问题

在抹茶的覆盖栽培上不够全面与系统，许多茶叶场地无法形成区域化，不利于抹茶的施肥、管理、栽培等各方面的工作，间接地影响到了抹茶原料的品质，模型适用范围的局限性、专用型近红外仪器的缺乏使成品抹茶品质不一。

3.2 抹茶加工过程中近红外快速在线检测

国内外对茶叶品质的检测基本均采用感官审评和理化分析的方法。感官审评是由训练有素的专业评审人员通过一定的评茶程序对茶叶的外形、香气、汤色和滋味等感官指标进行逐一评判来确定茶叶品质的优次，这依赖于审评人员感官评审技术的熟练程度，且人感觉器官的灵敏度易受到身体状况甚至评审环境等外界因素的干扰，影响评判结果的客观性和公正性。常规的理化分析法具有较高的准确性和可靠性，但是这些方法操作繁琐、检测周期长、成本高且只能在实验室使用，不能满足茶叶加工、收购、贸易、储存现场的快速检测要求。

通过对贵州省抹茶生产加工过程进行风险识别，根据风险实际情况和国际市场要求，参照国际、国内标准，确认抹茶生产的风险关键控制点，针对不同的关键点制订相应控制规程和标准，完善抹茶生产质量控制体系构建；同时对抹茶关键控制指标的红外快速检测技术进行研究，实现抹茶品质的在线控制。

3.3 基于多规则多因素约束的抹茶智能化拼配

将不同来源、不同产地的抹茶原料通过现代近红外检测技术和信息技术结合，基于多规则和多因素约束的拼配类规划模型，也就是基于抹茶不同的产地、等级、外形、色泽、滋味，结合抹茶的内含物质等级标准，形成支持多目标导向的智能拼配系统，可根据企业市场需求动态形成拼配配方，确保抹茶产品品质的稳定性与一致性。

希望通过这种大数据的管理模式以及近红外抹茶在线检测，构建出智能化抹茶拼配的方案，彻底从源头及加工到拼配提升抹茶的品质，这将急剧加速未来抹茶产业的发展。