高压脉冲电场在云南普洱茶中的应用研究进展

陈 婷，刘昕露， 王白娟

（1.重庆城市管理职业学院，重庆 401331；2.云南农业大学，云南 昆明 650201）

0 引言

国标GB/T 30766—2014将普洱茶定义为“普洱茶是以地理标志保护范围内的云南大叶中晒青茶为原料，并在地理标志性保护范围内采用特定的加工工艺制成，具有独特品质特征的茶叶”［1］。云南普洱茶一般包括晒青茶（生茶）、熟茶两大系列［2］。南普洱茶因其滋味、香气及降脂减肥等诸多保健功效而受到越来越多的关注［3-5］。为了提高普洱茶的品质，使其滋味更加醇厚、香气愈浓、保健功效更加显著，在普洱茶的加工过程中，生产者愈发重视其加工技术水平的提高和储存方式的完善，使其不论是口感或香气，还是外形都能够更好地满足广大爱茶者的需求，不仅加快了云南普洱茶作为世界三大无酒精饮料之一脱颖而出的步伐［6］，还提高了云南普洱茶的市场交易量及云南省茶农的经济收入。因此，加快普洱茶的陈化，提高普洱茶的品质成为云南普洱茶行业亟须解决的问题［7］。

高压脉冲电场(High Voltage Pulsed Electric Field，HPEF)作为一种非热处技术［8］，目前已被普遍应用于食品及农产品加工行业中。高压脉冲电场具有能耗低、无污染、传递均匀、能最大限度保持食品的品质、预处理时间短、便于推广等明显优势。因此，HPEF具有广阔的应用和发展前景，并越来越受到国内外科研人员的关注。比如，高压脉冲电场处理技术在杀菌保鲜［9-22］中应用广泛。崔晓美等［23］研究了HPEF对石榴汁的灭菌作用，结果表明HPEF的强度及时间是影响高压脉冲电场杀菌作用的2个关键因素，且适当参数的HPEF对石榴汁有很好的灭菌效果；Simpson等［24］在研究HPEF对还原苹果汁的保鲜效果时，发现当电场强度为50 kV/cm、脉冲个数为10个、脉宽为2 μs、处理温度为45 ℃时，苹果汁的货架期显著增加，从7 d增加到28 d，且处理前后苹果汁中维生素和糖分含量及感官品质没有发生改变。其次高压脉冲电场处理技术在物质提取方面同样应用颇多［25-31］。如金声琅等［32］在探究HPEF对提取番茄皮渣中的番茄红素影响时，找到了其最佳的HPEF处理参数条件，即当电场强度为30 kV/cm、脉冲个数为8个时，番茄红素提取率高达96.7%；殷涌光等［33］研究确定了HPEF法提取干松针总黄酮的工艺条件，当电场强度为20 kV/cm、脉冲数为8个、料液比为1∶50(m∶v)时，其提取效果最佳。

本研究团队经过10余年对云南普洱茶的研究，利用高压脉冲电场处理技术对成品普洱茶进行了预处理加工，发现不同的高压脉冲电场处理对普洱茶感官品质、普洱茶中细菌数量［34-35］、茶水浸出物含量［36］、茶多酚含量［37］，茶叶中总灰分含量［38］、氨基酸含量［39］、香气成分含量［40-43］、咖啡碱含量［44-45］、普洱茶陈化［45］、抗氧化性［46-49］等均产生了正向积极的效果。

1 高压脉冲电场的作用机理

电穿孔是指因微生物细胞在HPEF作用下其膜上的双磷脂层和蛋白质在短时间内出现不稳定的状态而产生的一种现象［50-52］。当细胞处于电场强度为kV/cm级、持续时间为微秒至毫秒级的HPEF之中时，薄膜上的蛋白质通道、磷脂双分子层在结构上均会发生改变，在其膜上产生小孔，进而更改细胞膜的通透性，增强其渗透能力，使得一些小分子物质如水分子通过小孔进入到细胞内，丰富其营养物质，增强其生命力。当施加的电场足够大时，细胞膜通透性在很大程度上得到增强，当细胞内的压强大于细胞外时，细胞膜就会破损，进而失去活性（图1）。

图1 细胞电穿孔的可逆击穿过程

2 高压脉冲电场预处理装置

本团队前后使用的高压脉冲电场电源有2套设备。

其一是由大连理工大学静电与特种电源研究所研制的直流高压发生器，配上储能电容Ce和脉冲电容Cp这2组电容器，通过相互垂直的2个火花隙开关RSG1和RSG2的一通一断，实现脉冲电容的充电和向高压接口相连的反应器极板与地极板间放电，从而在两极板间形成前沿陡峭的高压脉冲电场，如图2所示。主要性能参数为：输出电压0～60 kV可调，脉冲宽度≤300 ns，脉冲上升前沿≤50 ns，重复频率0～200 pps可调。

图2 高压脉冲发生器原理图

其二是由大连鼎通科技发展有限公司研发的DMC-200型高压脉冲电源，如图3所示。220 V交流电经过调压器和升压变压器产生交流高电压，其通过整流电路之后，对主电容进行充电，并通过限流电阻对放电电容充电，从而产生直流高电压，当高压开关在触发信号控制下导通，则放电电容其两端的高压通过介质迅速放电，形成高压脉冲。此设备具有电路简单可靠、效率高、操作简单安全等特点。

图3 DMC-200型高压脉冲电源

3 高压脉冲电场在云南普洱茶中的应用

云南主要包括西双版纳、普洱、临沧、保山四大茶区。本研究以临沧茶区不同山头的普洱茶作为研究对象，研究高压脉冲电场处理技术对普洱茶感官品质、灭菌、茶水浸出物、茶多酚、醇类香气、抗氧化性的影响。

3.1 高压脉冲电场对普洱茶感官品质的影响

利用电子天平准确称量对照组和经HPEF处理的各组普洱熟茶茶样3 g，按照茶叶感官评审方法的国家标准：GB/T 23776—2009［51］进行普洱茶感官品质评审。邀请3位高级评茶员对经高压脉冲电场处理前后的茶样进行感官评审，评审内容主要有普洱茶汤色、香气、滋味及叶底。

研究发现，经过不同HPEF处理后的普洱熟茶的感官品质在汤色、香气、滋味及叶底4个方面均存在一定的差异，且适当的HPEF处理能够使普洱茶的香气更陈香、更浓，汤色红艳且浓度高，滋味醇厚，叶底变软、变淡，茶水浸出物多。在10组茶样中，HPEF处理参数条件为12 kV、162 Hz、55 min组茶样的感官品质最优，收敛性最好。总的来说，经过合适的HPEF处理后的茶叶其汤色、滋味、香气、叶底均有所改善，即普洱茶的感官品质有所提升。

3.2 高压脉冲电场对普洱茶细菌数量的影响

选取8种普洱熟茶作为茶样，设置3组不同的HPEF参数对8种茶样进行预处理，然后对经HPEF预处理的茶样和未处理茶样菌落总数分别进行培养检测，比较分析处理前后茶样的菌落总数情况。研究表明，经HPEF处理后的茶样的细菌总数在一定程度上均有所减少，当HPEF参数条件为14 kV、136 Hz、60 min时灭菌效果最好，平均灭菌率为92%。

3.3 高压脉冲电场对普洱茶茶水浸出物的影响

选取2005—2011年大益7542（生茶）和大益7572（熟茶）作为茶样，设置3组不同HPEF参数条件对茶样进行预处理，检测处理前后茶样的茶水浸出物。研究发现，经HPEF处理后，茶样茶水浸出物含量均明显增加。其中经14 kV、120 Hz、60 min HPEF处理后的茶样茶水浸出物含量大幅增加。

3.4 高压脉冲电场对普洱茶茶多酚的影响

选取2005—2011年福元昌五星（熟茶）和福元昌古树（生茶）作为茶样，设置3组不同参数的HPEF对茶样进行预处理，检测经HPEF处理前后茶样的茶多酚含量。研究发现,经HPEF处理后的茶样,茶多酚含量均明显减少，当HPEF参数条件为14 kV、120 Hz、60min时，茶样的茶多酚含量大幅减少，且经HPEF处理后茶叶的茶多酚含量减少的趋势与自然陈化的茶叶茶多酚含量减少的趋势一致。

3.5 高压脉冲电场对普洱茶醇类香气的影响

选取2012年乔木古树为原料，设置9组不同参数的 HPEF对茶样进行预处理，并利用电子鼻对茶样香气成分进行检测。研究发现，经HPEF(参数条件为18 kV、120 Hz、45 min)处理后，茶样醇类香气的含量增加了21.8%。同时利用电子鼻自带软件Winmuster对醇类香气的数据进行主成分(PCA) 、线性判别(LDA) 及传感器区别贡献率 (Loadings) 的分析，结果表明HPEF提高普洱茶醇类香气含量的优化条件为12 kV、120 Hz、30 min，影响醇类香气含量的主要因素是时间，而电压因素的影响有限。

3.6 高压脉冲电场对普洱茶总灰分的影响

选取云南勐库大叶种普洱茶为茶样，设置3组不同参数的HPEF对茶样进行预处理，并检测经HPEF 处理前后茶样的总灰分含量。研究发现，经HPEF 预处理后，茶样总灰分的含量均明显减少。在相同时间(60 min)下，电压和频率越高，茶样总灰分的含量减少得越多。其中，经HPEF(参数条件为30 kV、120 Hz、60 min)处理后，茶叶总灰分的含量降低程度最大，且经合适的HPEF处理后茶样总灰分的含量可达到国内外茶叶进出口检验及国内监督检查的要求。

3.7 高压脉冲电场对普洱茶氨基酸的影响

选取2005—2013年大益7572（熟茶）和大益7542（生茶）作为茶样，设置3组不同参数的HPEF对茶样进行预处理，检测经HPEF处理前后茶样的氨基酸含量。研究发现，不同年份的普洱茶，随着贮存时间的延长，氨基酸含量均呈现下降趋势；且经HPEF处理后的茶样，氨基酸含量均明显增加。其中经HPEF(参数条件为14 kV、120 Hz、60 min)处理后的茶样中氨基酸含量最高。

3.8 高压脉冲电场对普洱茶抗氧化性的影响

采用不同参数的HPEF对茶样进行预处理，分析经不同高压脉冲电场条件处理对普洱茶体外、体内抗氧化性的影响。普洱茶的体外抗氧化性主要研究其茶多糖［54-55］、茶多酚［56-57］对羟基自由基(Hydroxyl Radical，·OH)、超氧阴离子(Superoxide Anion，O2·-)、 DPPH自由基(2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl)的体外清除能力。另外，将茶样喂食SD大鼠后，对其血清、肝、肾、心脏和脑中的谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活力、 过氧化氢酶(CAT) 活力、抑制羟自由基能力和低脂质过氧化物(MDA)含量进行检测，评价经HPEF预处理后茶样的体内抗氧化能力。

研究结果表明：（1）适当的高压脉冲电场能提高普洱茶的体外抗氧化活性。经过高压脉冲电场处理后的茶样中茶多糖含量均有所提高。其中，当HPEF处理参数为19 kV、99 Hz、55 min时，普洱茶的茶多糖含量高达0.1672 mg/mL，比空白组茶样茶多糖含量高出了5.09%。当HPEF处理参数为22 kV、99 Hz、55 min时，普洱茶的茶多酚含量最低，为0.0067 mg/mL，比空白组茶多酚含量降低了43.22%。即适当的HPEF处理可以提高茶样中茶多糖的含量，降低茶样中茶多酚的含量，促使大量茶多酚转化为茶褐素，加快其陈化，且其陈化效果与自然陈化一致，进而提高普洱茶抗氧化活性。而茶多糖、茶多酚的抗氧化活性主要表现在·OH、O2·-、DPPH自由基的体外清除率及其总还原能力。结果表明，经过HPEF处理后茶样中的茶多糖、茶多酚对·OH自由基的体外清除率最高，分别为99.97%和98.75%，对O2·-清除率最高分别为99.57%和79.51%，对DPPH自由基的体外清除最大分别为99.45%和97.89%；而茶多糖、茶多酚粗提物浓度越大，其总还原能力越强。即适当的HPEF处理可以在很大程度上提高茶多糖、茶多酚对·OH、O2·-、DPPH自由基的清除能力以及增强其总还原能力。

（2）合适的高压脉冲电场能提高普洱茶体内抗氧化性。将经HPEF(12 kV、162 Hz、55 min)处理后的茶样喂食SD大鼠，然后对其血清、肝、肾、心脏和脑中GSH-Px活力、 CAT 活力、MDA含量进行检测，评价经HPEF预处理茶样的体内抗氧化能力。其中，经不同条件HPEF处理的普洱茶均能较好地提高大鼠血清GSH-Px活力、CAT活力和抑制羟自由基能力，并有效降低 MDA 含量。相对于空白组，在血清、肝脏组织、肾脏组织、心脏组织和脑组织中，经HPEF处理的普洱茶均较好地提高了GSH-Px活力、CAT活力，有效抑制了羟自由基能力，降低了MDA 含量，且在心脏组织中HPEF高剂量组灌胃8周后差异性最显著，GSH-Px活力提高了49.90%，CAT活力提高了 261.13%，抑制羟自由基能力提高了121.20%，MDA含量降低了27.78%，均达到了极显著水平(P＜0.01) ，即经适当HPEF处理的普洱熟茶能加强生物体内氧化损伤的防御，增强体内抗氧化功能。

4 高压脉冲电场对普洱茶品质的影响因素分析

以上研究表明，适当参数的高压脉冲电场对提高云南普洱茶品质具有很好的促进作用。其影响普洱茶品质的主要因素包括脉冲电场的电压强度(kV)、脉冲频率(Hz)、作用时间(min)，但这3个主要因素对云南普洱茶品质的提升并不是单一作用，3个主要因素之间具有协同作用。因此，进一步深层次研究高压脉冲电场3个主要因素之间的协同作用，阐释高压脉冲电场对云南普洱茶品质提升的作用机理、优化高压脉冲电源和电场预处理装置将是本团队今后的主要研究方向。

5 展望

本团队利用10余年的时间研究了高压脉冲电场处理技术对云南普洱茶灭菌、茶多酚、茶水浸出物、总灰分、氨基酸、抗氧化性等的影响，取得了一定的研究成果。利用适当参数的高压脉冲电场对普洱茶进行预处理，可以在很大程度上提高普洱茶的品质，同时本团队也将成果应用到了云南福茶茶叶有限公司等数家普洱茶内外销企业，新增了数千万元的销售额。此外，高压脉冲电场作为一种非热加工的物理处理技术，已经广泛应用于食品行业的灭菌及物质提取，杀菌效果显著优于其他杀菌技术，且HPEF对于天然产物的提取效果同样优于传统的物质提取方法。然而，这项预处理技术也有一定的缺点和局限性。高压脉冲电场处理技术在加工处理不同的物质时，需考虑物质的结构、大小、物理化学特性等因素，并结合物质的相关特性优化高压脉冲电场及处理装置，以达到更好的效果。其次，高压脉冲电场技术由于受到自身成本及使用安全环境的限制，并没有完全应用于食品及农产品加工的工业化生产。因此，为了将高压脉冲电场这项处理技术广泛地应用于食品及农产品加工及物质提取的工业化生产，还需进一步优化高压脉冲电源和电场预处理装置，使其实现工业化生产成为可能。