干燥方式对绿茶栗香的影响

张铭铭,江用文,滑金杰,王近近,袁海波,,杨艳芹,

（1.中国农业科学院茶叶研究所,农业农村部茶树生物学与资源利用重点实验室,浙江 杭州 310008；2.中国农业科学院研究生院,北京 100081）

香气是评价绿茶品质的重要因子,其香型特点及形成机制一直是国内外学者研究的热点。绿茶香型主要包括清香、花香、栗香等,其中栗香作为中高档绿茶的优质香型,以其协调而愉悦的香气特征深受消费者喜爱。干燥是香气形成的关键工序,也是茶叶品质发展和固定的最后工序[1]。宛晓春等[2]研究比较了炒干和烘干对茶叶香气的影响,发现炒干比烘干的茶叶香气更持久,较高温度下的烘干更易使茶叶呈现熟香。袁林颖等[3]研究比较了微波干燥和传统热风干燥的香型差异,发现微波干燥的茶叶具有清香,热风干燥的茶叶则易于形成栗香。黄怀生等[4]研究发现在“初烘-滚烘-炒足干（一烘两炒）”的干燥工艺下,茶样具有浓郁的栗香风味。然而,现有研究大多是基于简单的两三种干燥工艺间的比较,或缺乏具体参数,或仅局限于表观的感官比较,缺乏系统性的分析和研究。

目前,顶空固相微萃取（headspace solid phase microextraction,HS-SPME）技术作为一种较为成熟的香气提取技术被广泛应用于茶叶领域[5-8]。红外辅助萃取（infrared-assisted extraction,IRAE）以红外电磁波的形式将分析物从样品中矩阵分割成溶剂,其波长与材料的吸收特性相匹配,是一种性价比高、环境友好且能实现短时高效加热的萃取技术,近年来被广泛应用于药用植物活性成分的提取[9-12]。红外辅助顶空固相微萃取（infrared-assisted extraction coupled to headspace solid-phase microextraction,IRAE-HS-SPME）技术作为一项较新颖的前处理技术,将HS-SPME的富集作用和IRAE的高穿透性、快速加热等优点集于一体,在茶叶香气提取方面取得较佳效果[13-14]。气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS）是目前较为完善且在风味物质研究上应用广泛的一种分析技术[15],具有用量少、灵敏度高、分析速度快和鉴定能力强等特点[16-19]。多元统计分析技术为香气数据的分析、结果的直观展现提供了强有力的手段,如颜鸿飞[20]、尹洪旭[21]、王梦琪[22]等借助偏最小二乘法-判别分析（partial least squares-discriminant analysis,PLS-DA）和层次聚类分析（hierarchical cluster analysis,HCA）等技术实现了香气的有效判别并建立了相关区分模型。

本研究采用IRAE-HS-SPME结合GC-MS技术对香气组分进行分析,借助感官评价、化学成分检测,利用PLS-DA和HCA多元统计分析技术来探究不同干燥方式对绿茶栗香形成的影响。研究结果将有助于指导栗香绿茶的生产实践,同时为优质茶叶的定向调控提供技术借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

茶鲜叶于2018年9月中旬采自浙江省余姚市,品种为福鼎大白,嫩度为单芽至一芽一叶。

癸酸乙酯 梯希爱（上海）化成工业发展有限公司；正构烷烃 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；蒸馏水 杭州娃哈哈集团有限公司。

1.2 仪器与设备

80型电磁杀青机、定制型远红外提香机、YJY-RY-25型燃油链板式烘干机 余姚市姚江源茶叶茶机有限公司；6CR-55型茶叶揉捻机、6CTH-6型茶叶箱式提香机、6CLZ60-8型振动理条机、6CLH-60型六角辉干机 浙江上洋机械有限公司；6CJK-40型茶叶解块机 浙江绿峰机械有限公司；CS-90XZ型烘焙机泉州长盛茶叶机械有限公司；CHM-901型电热式碧螺春烘干机 浙江春江茶叶机械有限公司；20 mL顶空瓶、密封帽、7890B-7000C GC-MS仪 美国Agilent公司；手动SPME手柄、二乙烯基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane,DVB/CAR/PDMS）萃取头 美国Supelco公司；电子天平（精确至0.001 g） 北京赛多利斯科学仪器有限公司；红外灯 浙江海宁市奇异照明电器有限公司；LGJ-50C型冷冻干燥机 北京四环科学仪器厂有限公司。

1.3 方法

1.3.1 加工工艺

经过预实验获得的栗香型绿茶加工工艺流程：自然摊放（室内温度25～28 ℃、相对湿度70%～80% ,水分质量分数降至70%左右）→滚筒式杀青（投叶量150 kg/h、260 ℃、75 s,水分质量分数降至47%左右）→摊凉（1 h,水分质量分数43%左右）→揉捻（30 kg投叶量、转速50～52 r/min、轻揉30 min,水分质量分数降至45%左右）→烘毛火（110 ℃、20 min,水分质量分数降至20%左右）。

绿茶经上述工艺处理后,分别用6 种不同方式干燥（表1）。其中,加工中的过程样（摊放、杀青、揉捻、初烘）进行真空冷冻处理（±35 ℃变温冻干80 h）,待香气检测分析。

表1 6 种干燥方式的参数信息Table 1 Parameters of six drying methods

1.3.2 感官审评

由具有多年评茶经验的专家严格按照GB/T 23776—2018《茶叶感官审评方法》对6 种干燥方式的茶样进行审评,并按照加权法进行评分（总分＝外形×25%+汤色×10%+香气×25%+滋味×30%+叶底×10%）。其中,重点审评茶叶的香气,结合热嗅、温嗅、冷嗅,反复确认香气类型及强度。

1.3.3 化学成分检测

水分质量分数按照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》测定；茶多酚、儿茶素质量分数按照GB/T 8313—2018《茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法》测定；游离氨基酸质量分数按照GB/T 8314—2013《茶 游离氨基酸总量的测定》测定；可溶性糖质量分数按照FB/LH 007—2010《蒽酮比色法》测定；总黄酮质量分数按照FB/LH 006—2010《三氯化铝比色法》测定；叶绿素质量分数按照FB/LH 011—2010《丙酮比色法》测定。

1.3.4 红外辅助顶空固相微萃取

称取0.5 g（精确至0.001 g）茶叶于20 mL的顶空瓶中,加入2 μL癸酸乙酯（20 mg/L）、2 mL沸蒸馏水后立即拧紧顶空瓶盖,将DVB/CAR/PDMS萃取头手动刺穿瓶盖隔膜,置于100 W的红外装置下照射30 min[13],之后将萃取头插入GC-MS进样口,于250 ℃下解吸附4 min；每个样品重复3 次。

1.3.5 GC-MS对香气化合物的定性、定量分析

GC分析条件：色谱柱为HP-5ms Ultra Inert毛细管柱（30 m×0.25 mm,0.25 μm）；载气为高纯He,流速为1 mL/min；进样口温度250 ℃；程序升温：初始柱温为50 ℃,保持5 min,以4 ℃/min 升至150 ℃,保持2 min,再以10 ℃/min升至270 ℃,保持6 min；分流模式：不分流进样。

MS分析条件：离子化方式为电子电离源,电子能量70 eV；离子源温度230 ℃；传输线温度270 ℃；质量扫描范围35～400 amu。

通过MassHunter未知物分析程序,经NIST11标准谱库检索,按相似度大于80%的原则筛选化合物,再根据正构烷烃C7～C40在GC-MS下的线性公式计算各个化合物的保留指数（retention index,RI）,并与谱库中的数值比对,以保留指数相差30以内为标准再次筛选化合物。

按下式采用内标法计算各个化合物的质量浓度。

式中：ρi为任一组分的质量浓度/（μg/L）；ρis为内标的质量浓度/（μg/L）；Ai为任一组分的色谱峰面积；Ais为内标的色谱峰面积。

1.4 数据统计分析

采用SAS 9.4软件进行显著性分析（单因素方差分析）；PLS-DA采用SIMCA-P 11软件；HCA采用MeV 4.90软件。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式下茶样的感官品质评价

经过前期相同工艺的处理后,分别用6 种不同技术进行干燥处理,所得制备样的感官审评结果如表2所示。不同干燥方式下茶样的品质各异,尤其体现在香型和滋味等内质风味方面[23]。根据表2可知,香型方面,斗式热风对流、箱式热风对流和滚筒辉干式传导干燥方式均能产生栗香,但栗香的强度差异较大,以箱式热风对流方式下的栗香得分最高（较其余处理高3～5 分）,这与文献[2]中烘干较炒干更易产生栗香的结果相一致；而链板式热风对流、振动理条式传导方式下的茶样则易产生清香。滋味方面,隧道远红外辐射干燥的茶样口感清醇、带鲜,品质显著优于其他处理样,推测该干燥方式提高了可溶性糖含量[23],故缓解了茶多酚的苦涩感；箱式热风对流方式下的茶样也表现出较醇爽的风味特色,品质次之。

2.2 不同干燥方式对茶样的化学成分影响分析结果

化学成分差异性是茶叶品质多样性的内在因素,为此考查了不同干燥方式下成品茶的化学成分（表3）。茶多酚和儿茶素是茶叶苦涩味的主要呈味物质,其中酯型儿茶素是构成茶汤涩味的主体物质。茶多酚和酯型儿茶素在斗式热风对流、隧道式红外辐射和箱式热风对流方式下质量分数较低,故滋味表现较为醇和。氨基酸是茶叶中的鲜味物质,其质量分数以滚筒辉干式传导和隧道式红外辐射两种方式下较高,一定程度上解释了隧道式红外辐射的茶样滋味带鲜的现象,而滚筒辉干式传导下的茶样则可能是涩味掩盖了鲜味。高温过程中,糖类物质会发生焦糖化反应,也可与氨基化合物发生美拉德反应,生成令人愉快的烘烤香,可溶性糖质量分数以滚筒辉干式传导和振动理条式传导方式下较高,推测可能与热传递方式有关。黄酮类是绿茶汤色的重要组分,该化合物在箱式热风对流干燥方式下的质量分数最高,汤色得分也最高,表现为黄绿明亮。叶绿素是脂溶性色素,主要参与干茶外形的色泽构成[24],其质量分数在箱式热风对流、振动理条式传导、滚筒辉干式传导方式下较高,故干茶色泽表现为较墨绿或墨绿。

表2 6 种干燥方式下茶样的感官审评结果Table 2 Results of sensory evaluation of tea samples obtained by six drying methods

表3 6 种干燥方式下茶样的化学成分Table 3 Chemical constituents of tea samples obtained by six drying methods

2.3 加工工序对绿茶香气组分的影响分析

加工过程中茶叶的香气组分始终处于不断变化中,为更好研究其呈香特点及内在规律,本实验测定了4 个过程样（摊放、杀青、揉捻、初烘）和6 种干燥方式成茶样的香气组分,具体结果见表4。茶样中共检出72 种香气化合物,主要包括醇类、醛类、酯类和芳香烃类等,具体占比情况如图1所示。醇类化合物通常带有特殊的花果香,其种类和相对含量在各种茶中均较高[25],本研究中其种类占比高达25%；整个加工过程中,醇类物质以芳樟醇、脱氢芳樟醇和香叶醇等含量较高。烯类物质对香气形成有重要贡献[25],占化合物种类的17%,其中以月桂烯、罗勒烯、α-荜澄茄油烯等含量较高。芳香烃类和酯类通常是良好香型化合物的代表,一般具有芬芳气息和水果甜香味[26],均占化合物种类的14%。其中,(1S)-4,7-二甲基-1-异丙基-1,2,3,5,6,8A-六氢萘、(1S)-1,2-二氢-4,7-二甲基-1-(1-甲基乙基)-萘的含量在芳香烃中较高；水杨酸甲酯、(Z)-己酸-3-己烯酯、(Z,Z)-3-己烯酸-3-己烯酯、棕榈酸乙酯的含量在酯类物质中较高。已有文献报道,蘑菇醇、月桂烯、芳樟醇、水杨酸甲酯、癸醛、(Z)-己酸-3-己烯酯、顺式-茉莉酮、香叶基丙酮、β-紫罗兰酮、橙花叔醇、植醇等对栗香的形成有重要影响[21,27-29]。上述化合物在各个加工过程中均被检出,但含量各异,这也是香气呈现差异的原因之一。

图1 各类化合物的种类占比图Fig.1 Proportions of all compound classes in green tea

已有研究认为绿茶香气主要是在杀青和干燥过程中形成的[30],基于此本研究对杀青后的过程样及6 种干燥方式成品茶的香气组分进行PLS-DA分析,结果如图2所示。模型拟合参数R2X＝0.822,R2Y＝0.982,预测优度Q2＝0.856,且两拟合参数的差值小于0.2,说明该模型判别分析较为准确[31]。过程样和成品茶的香气组分具有明显的区域分布特征,这一结果印证了干燥工艺对香气形成和发展的重要性。干燥是水分变化的过程,也是香气组分形成的重要阶段,如绿茶中的紫罗兰酮、红茶中的类脂都是在该过程中形成的。茶叶香气在水分质量分数达30%左右逐渐显现,水分质量分数降至10%以下开始形成成品茶特有的浓郁香[32],而足火干燥时水分质量分数在30%～4%之间变化,说明了干燥工序对香气形成的重要性,也为后续探究该工序下不同方式对栗香形成的影响提供一定的基础。

表4 茶样中各香气化合物信息Table 4 Aroma compounds of tea samples

续表4

图2 过程样和成品茶的PLS-DA得分图Fig.2 Partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA) score plots of intermediate and finished tea samples

2.4 不同干燥方式对绿茶栗香形成的影响分析结果

基于感官审评结果将不同干燥方式下的茶样分为栗香（箱式热风对流、滚筒辉干式传导）和非栗香（隧道式红外辐射、振动理条式传导、链板式热风对流、斗式热风对流）两类,并进行PLS-DA。由图3A可知,两组茶样在空间坐标中实现了有效区分,其模型参数R2X＝0.643,R2Y＝0.914,Q2＝0.866,累积解释度和预测能力均较强。不同的热处理方式会影响茶叶的失水速度,进而影响实际水分质量分数,同时对挥发物的生成和香气的呈现有重要影响,因此能有效区分香型。足火干燥是发展茶香的重要阶段,该期间茶叶的水分活度达到一定临界值会发生热反应（如美拉德反应）,从而产生栗香[33]。

变量投影重要性（variable important for the projection,VIP）可量化PLS-DA中每个变量对分类的贡献度,一般认为VIP＞1者起重要的判别作用[34]。由图3B可知,各化合物对区分不同香型的作用由大到小依次为：3-乙基十一烷、(Z)-己酸-3-己烯酯、(Z,Z)-3-己烯酸-3-己烯酯、顺式-茉莉酮、(1S,4S,4aR)-4-异丙基-1,6-二甲基-1,2,3,4,4A,7-六氢萘、1-异丙基-4,7-二甲基-1,2,3,4,5,6-六氢萘、蘑菇醇、(1S,4S,4aR)-1-异丙基-4,7-二甲基-1,2,3,4,4A,5-六氢萘、α-柏木烯、苯乙醇、甲苯、(1S)-4,7-二甲基-1-异丙基-1,2,3,5,6,8A-六氢萘、(+)-雪松醇、柠檬醛、水杨酸甲酯、库贝醇、α-荜澄茄油烯、α-依兰油烯、棕榈酸乙酯、γ-摩勒烯、亚油酸乙酯、脱氢芳樟醇、3-十三酮、十一烷、(Z)-3,7-二甲基-3,6-辛二烯-1-醇、α-紫罗兰酮、β-紫罗兰酮、(E,E)-2,6-二甲基-1,3,5,7-辛四烯、香叶基丙酮、α-毕橙茄醇。上述提及的众多重要化合物均有研究报道,尹洪旭等[21]认为(Z)-己酸-3-己烯酯和(Z,Z)-3-已烯酸-3-己烯酯是熟栗香的特征性组分,本研究筛选出的这两种化合物VIP＞1.5；顺式-茉莉酮、蘑菇醇、水杨酸甲酯、脱氢芳樟醇、β-紫罗兰酮、香叶基丙酮等化合物多次被鉴定为栗香的重要香气组分[21,29,35-36]；叶国注等[37]以顺式-茉莉酮和香叶基丙酮建立Bayes判别方程,不仅可以区分板栗香与非板栗香,而且对板栗香型的强度也有较好的分辨效果；研究表明,蘑菇醇、β-紫罗兰酮是栗香的关键组分[38]。以上结果验证了该模型判别的准确性和感官审评的正确性,同时也说明箱式热风对流、滚筒辉干式传导干燥方式的确有利于绿茶栗香品质的形成。

图3 6 种干燥方式下的PLS-DA得分图（A）和VIP图（B）Fig.3 PLS-DA scores (A) and variable important for the projection plots (B) of tea samples obtained by six drying methods

此外,对6 种干燥方式下茶样的香气组分进行HCA,结果如图4所示。栗香（箱式热风对流、滚筒辉干式传导）和非栗香（隧道式红外辐射、振动理条式传导、链板式热风对流、斗式热风对流）明显聚为两类,与PLS-DA结果相符,再次印证了两种干燥方式的确有利于栗香产生。其中,亚油酸乙酯、棕榈酸乙酯、柠檬醛、苯乙醇、3-乙基十一烷等化合物含量普遍高于非栗香茶样；而脱氢芳樟醇、(E,E)-2,6-二甲基-1,3,5,7-辛四烯、(1S)-4,7-二甲基-1-异丙基-1,2,3,5,6,8A-六氢萘、γ-摩勒烯、库贝醇、α-依兰油烯、α-毕橙茄醇、(1S,4S,4aR)-1-异丙基-4,7-二甲基-1,2,3,4,4A,5-六氢萘、1-异丙基-4,7-二甲基-1,2,3,4,5,6-六氢萘、(1S,4S,4aR)-4-异丙基-1,6-二甲基-1,2,3,4,4A,7-六氢萘、顺式-茉莉酮、(Z)-己酸-3-己烯酯、(Z,Z)-3-己烯酸-3-己烯酯等化合物含量普遍低于非栗香茶样。由此,香型的呈现不仅与化合物种类有关,也与香气组分间的配比密切相关,正是由于这些重要化合物特定的含量配比呈现出了栗香特征。

图4 6 种干燥方式下的HCA结果Fig.4 Hierarchical cluster analysis results of tea samples obtained by six drying methods

3 讨 论

3.1 干燥工艺技术原理分析

众多研究表明,分段干燥使茶叶水分分布更均匀且有利于绿茶品质的形成；第一次干燥采用烘干比炒干更能及时吹走茶叶中的水分,有利于挥发性物质的产生和转化从而促进香气的形成[39]。栗香是绿茶在高温作用下形成的特殊香气[40],足火时茶叶水分质量分数低,是茶叶香型形成的重要阶段,此时探究干燥方式对栗香形成的影响更为科学且更有实际应用价值。

从传热原理角度对6 种干燥方式做进一步的探讨。隧道式红外辐射以辐射形式对茶叶进行加热,茶叶吸收远红外波后,内部分子发生振动、快速碰撞摩擦并迅速转变为热能,使茶叶内外受热均匀、迅速脱水,复水后茶叶能较好地散发原有香气[41]；另一方面,茶叶原料本身较细嫩,经过短时干燥,容易表现出清香、毫香。而链板式热风对流、斗式热风对流、箱式热风对流主要利用热风传递能量,通过空气中不饱和蒸汽与饱和蒸汽间的压力差使热空气与茶叶发生质热交换,从而间接作用于茶叶；该过程茶叶由外到内受热、传热方向与水分扩散方向相反[42],干燥效率虽不如辐射传热,但为茶叶创造了内部湿热、外部干热的环境,在一定的温度和时间下容易形成栗香、焦香等。

本研究中,链板式热风对流方式干燥100 ℃、20 min时茶叶表现出清香,可能是温度或时间未达临界点,且茶叶处于在半敞开式环境中不利于高沸点香气物质产生；而在斗式热风对流方式干燥110 ℃、30 min的条件下,干燥温度和时长均有所提高,但设备本身构造使茶叶处于半敞开环境,不利于温度的保持,故茶叶表现出毫香、稍有栗香；在箱式热风对流干燥80 ℃、40 min条件下,相对温度低烘干时间长的干燥处理和密封的茶机构造形成了一个相对稳定的微域环境,能使茶叶达到适宜的水分活度,故栗香浓郁,得分高达93.34。综上,对流传热方式下热风流动性较强,利于香气挥发,但栗香的形成不仅依赖于一定温度和时间以达到相应的水分质量分数,其设备的微域环境也相当重要。

振动理条式传导、滚筒辉干式传导主要利用茶叶与理条棒、锅壁的接触和反复摩擦传热,同样存在受热不均现象,也容易为特殊香气的产生创造适宜的热反应条件。本研究中,振动理条式传导方式干燥170 ℃、20 min时,茶叶香气表现为清香,可能存在3方面的原因：1）加热时长不足；2）温度设定虽高但并未处于密闭环境导致实际叶温不够高；3）振动频率低于茶叶摩擦生热形成栗香或焦香的临界点。滚筒辉干式传导方式干燥120 ℃、40 min的条件下,茶叶长时间处于高热和茶叶间互作的摩擦热中,在一定时间下容易形成栗香,其栗香得分为90 分,仅次于箱式热风对流方式,推测可能是热风的吹动作用使热量分布相对均匀,香气更易聚集和散发,故效果较佳。

综上,传热方式和设备构造的差异都会影响茶叶的失水方式,改变其所处的微域环境,进而导致茶叶内部的热化学反应进程有所差异,从而呈现不同的香型特点。

3.2 栗香关键组分在加工过程中的变化分析

本研究发现,鲜叶经过传统绿茶加工工艺处理后形成了独特香气,不同干燥方式下的茶样呈现出栗香和非栗香（清香、毫香）等不同香型。虽然许多栗香关键组分从鲜叶到成品茶的整个加工过程中均有出现,但各自含量有所差异。如鲜叶中蘑菇醇（清香带甜）、月桂烯（香酯气）、芳樟醇（花香）、水杨酸甲酯（果香）、香叶基丙酮（木兰香）、反式橙花醇（花香）的含量显著高于其他加工工序,但本身却没有栗香显现。

出现上述情况可能有以下原因：首先,鲜叶中含较多刺激性较强（如青草气）的香气化合物,其掩盖了花果香；其次,这些花果香化合物在一定的沸点下方能散发,这需要借助杀青和干燥过程的高温作用；最后,茶叶香气形成是一个极其复杂的过程,需要特定化合物按照一定的比例协同作用,而茶叶加工过程中的物理化学反应会形成一些新的化合物,这些化合物对栗香的形成起重要的基质作用,这也是本实验研究干燥工序的意义所在。

4 结 论

干燥不仅是香气形成的重要过程,也是影响栗香品质的重要工序。6 种干燥方式中,箱式热风对流和滚筒辉干式传导方式更利于绿茶栗香品质的形成,其中箱式热风对流干燥的制备样栗香最为浓郁。基于PLS-DA、HCA手段对其香气组分进行多元统计分析,其判别结果与感官品质评价吻合,印证了干燥工艺对栗香形成和发展的重要性,同时检测出的众多关键组分也为栗香干燥工艺提供了理论依据。

基于传热原理进行深入探讨发现,对流和传导的传热方式比辐射传热更易产生栗香,且箱式热风对流的传热方式使茶叶外熟内生,密闭环境下湿热作用时间较长,更易发生多酚类的氧化、水解、异构、裂解及氨基酸的水解、缩合、脱羧等化学反应,因此栗香特征明显。归根结底,适宜的湿热环境是热化学反应发生的必要条件,也是栗香产生的关键因子。