高壓脈沖電場對普洱生茶香氣和陳化時間的影響

張曉云，趙 艷，錢 曄，冷 彥，王白娟*

（1.云南農業大學機電工程學院，云南 昆明 650201;2.云南農業大學農學與生物技術學院，云南 昆明 650201;3.云南農業大學大數據學院，云南 昆明 650201;4.云南農業大學機關黨委，云南 昆明 650201）

2014年發布的普洱茶國家標準GB/T 30766—2014《茶葉分類》中將普洱茶定義為“以地理標志保護范圍內的云南大葉種曬青茶為原料，并在地理標志性保護范圍內采用特定的加工工藝制成，具有獨特品質特征的茶葉”[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，長期飲用普洱茶可以減少人體內膽固醇和甘油酯的含量，對高血壓和腦動脈硬化患者有良好的治療作用[11]。普洱茶獨特的香氣、滋味和“越陳越香”的特點已成為引導普洱茶消費的主要特征和決定其價格的重要因素[12]。隨著人民生活水平的提高和對普洱茶生理功效的逐漸認識，近年來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，經過高壓脈沖電場處理的茶葉在感官品質上接近自然陳化[13]。市場上普洱茶對于倉儲環境條件較為苛刻，諶瀅等[14]研究表明，普洱生茶感官品質隨貯藏年份的增加發生一定的變化，但變化的程度及方向受到原料[15]、加工工藝[16]、貯藏環境[17-18]等的影響。因此，使用一種更簡單、能耗更低和無污染的普洱茶處理技術能夠提高普洱茶品質，使其盡快達到最佳飲用期。

高壓脈沖電場（high voltage pulsed electric field，HPEF）處理技術具有能耗低、無污染、無輻射、能量傳遞均勻、能最大限度保持食品品質、預處理時間短、工藝簡單、方便推廣等明顯優勢，已經被普遍應用于食品及農產品加工行業中。HPEF技術應用于云南普洱茶加工領域的可行性研究相對較少，國內外學者主要將HPEF利用在食品殺菌、保鮮、酒類陳化等領域，研究表明，葡萄酒經HPEF催陳后，其香氣成分會發生變化，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，酒體豐滿協調[19]。羅斯瀚等[20]利用HPEF對普洱生茶醇類香氣進行了實驗研究，證明HPEF促進茶葉醇類香氣的最優條件為12 kV/120 Hz/30 min，且影響醇類香氣的主要因素是時間，電壓因素的影響有限。Chen Ting等[21]研究表明，經HPEF加工后普洱茶香氣成分含量有明顯變化。

在茶葉的香氣品質中，香氣的純異（即香氣是否純正）、濃度和香氣的持久性是構成香氣品質的重要因素，本研究以不同年份云南臨滄普洱生茶為實驗對象，采用HPEF技術對不同年份的茶樣進行不同條件處理，結合并運用氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯用技術和電子鼻技術，研究HPEF對提高普洱生茶香氣品質和陳化時間的可行性。探索提高云南普洱生茶香氣品質和縮短云南普洱茶陳化時間的物理方法，為普洱生茶深加工提供了理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

喬木古樹茶餅于2015年—2017年采摘于云南臨滄茶區。

1.2 儀器與設備

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

DMC-200型高壓脈沖電源（處理箱為五面密封的有機玻璃處理箱（71 cm×41 cm×41 cm））購自大連鼎通科技發展有限公司。工作原理圖見圖1，主要性能參數如下：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實驗中，因為儀器設備更新，電位器示數可調的頻率略有不同，故頻率選擇與電子鼻實驗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測定香氣成分

選取經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為實驗對象，先對每組樣品進行香氣提取預處理（放入溫度超過80 ℃的烘房高溫烘焙4 h），然后將茶樣進行研磨后，放入頂空進樣瓶中，進行GC-MS檢測分析。

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;質量掃描范圍40～600m/z。

1.3.2 電子鼻測定香氣成分

1.3.2.1 樣品處理

用茶針對每餅茶撬取50 g，對于HPEF組（樣品A～I）和空白組（CK），每個條件下的茶樣準備3 組平行實驗，裝入自封袋備用。

對于HPEE組，選取影響HPEF效果最主要的3 個因素：電壓、頻率和時間。根據文獻[22-24]的結論設置本實驗的各因素水平。脈沖頻率為120、150 Hz和180 Hz，在實驗室條件下，根據高壓脈沖電源60 kV條件下面板頻率調節電位器示數與輸出脈沖頻率關系，確定的相近頻率為120.2 Hz（電位器示數800）、165.6 Hz（電位器示數890）和198.4 Hz（電位器示數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;時間：30、45、60 min。本實驗三因素三水平的正交試驗設計見表1。

表 1 HPEE處理條件正交試驗設計Table 1 Orthogonal array design for optimization of HPEE parameters

1.3.2.2 香氣成分測定

采用電子鼻對茶樣進行采集和分析，電子鼻內部由10 個不同的氣味傳感器、信號處理模塊以及模式識別系統等功能模塊構成，其中電子鼻傳感器編號與對應響應香氣類別見表2。

表 2 電子鼻傳感器編號與對應響應香氣類別Table 2 Electronic nose sensors and corresponding aroma responses

取50 個100 mL的錐形瓶備用，稱取茶樣時，將一個錐形瓶放在天平正中央，水平調零后，準確稱取待測茶樣1.000 g，稱好后用保鮮膜密封瓶口，靜置10 min待測。測定條件：采樣間隔：1 s;清洗時間：200 s;零點修整時間：10 s;預采樣時間：5 s;檢測時間：60 s;進樣流速：400 mL/min。

1.4 數據統計與分析

利用電子鼻自帶的Winmuster軟件對香氣成分進行主成分分析（principal component analysis，PCA）、線性判別分析（linear discrimination analysis，LDA）、傳感器區分貢獻率（Loadings）分析和偏最小二乘法（partial least squares，PLS）年份預測。PCA給出了每個主成分下樣品區分的狀況，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，它們都基于同一種算法，區別在于，Loadings算法主要是對傳感器類別進行研究，利用該方法可以確認特定條件下各傳感器對樣品區分的貢獻率大小，從而可以考察在樣品區分過程中哪一類氣體起主要區分作用;PLS分析用于對普洱茶樣品年份進行預測。

2 結果與分析

2.1 GC-MS檢測分析結果

對CK組和HPEF組進行GC-MS檢測，譜庫檢索表及所得結果如表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。說明HPEF對普洱生茶香氣組分的種類具有促進作用，可能是一種提高香氣品質的有效方式。

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

續表3

2.2 電子鼻香氣檢測結果

2.2.1 PCA分析結果

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結果如圖2A～C所示。第一主成分和第二主成分的累計貢獻率達到90%以上的香氣數據為有效數據。貢獻率越大，說明主要成分越能夠較好地反映原來多指標的信息。結果表明，2015年最佳HPEF條件為I（18 kV/198.4 Hz/45 min），此時第一主成分的貢獻率為95.732%，加上第二主成分的貢獻率3.849%，最終累計貢獻率為99.581%;2016年最佳HPEF條件為G（18 kV/120.2 Hz/60 min），此時第一主成分的貢獻率為98.993%，加上第二主成分的貢獻率0.796%，最終累計貢獻率為99.789%;2017年最佳HPEF條件為C（12 kV/198.4 Hz/30 min），此時第一主成分的貢獻率為98.558%，加上第二主成分的貢獻率0.957%，最終累計貢獻率為99.515%。從各年份的PCA可以看出，當電壓條件為18 kV、頻率為198.4 Hz、時間為45 min時，對茶樣的影響最大。

2.2.2 LDA分析結果

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結果分別如圖3A～C所示。結果表明，經HPEF處理后，茶樣香氣成分發生了變化，即HPEF處理對茶樣香氣品質有一定的影響。通過LDA可以較好地區分不同處理條件下的普洱茶，說明不同處理條件下的普洱茶樣品其揮發物成分存在一定差異，可以被電子鼻檢測并區別開。

2.2.3 Loadings分析結果

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，每個傳感器所能接收到的信號也不同，在圖中的分布必然不同。同一年份茶樣經不同HPEF條件處理后，分別對其進行Loadings分析，結果如圖4A～C所示。在圖4A、B中，6號和7號傳感器分別在第一主成分貢獻率和第二主成分貢獻率中數值最大，說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，部分含硫氨基酸在加工過程中可以轉變為二甲硫等揮發性香氣物質。在圖4C中，2號和6號傳感器分別在第一主成分貢獻率和第二主成分貢獻率中數值最大，說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年份預測結果

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貢獻率最大，在這一條件下，2015年茶樣在I條件下的PLS預測圖見圖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貢獻率最大，在這一條件下，2016年茶樣在G條件下的PLS預測圖見圖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貢獻率最大，在這一條件下，2017年茶樣在C條件下的PLS預測圖見圖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范圍內香氣基本已經趨于穩定，在此范圍內任意一點進行年份預測，2015年份茶樣經I條件處理后的預測年份為2011.2283年，2016年份茶樣經G條件處理后的預測年份為2013.3433年，2017年份茶樣經C條件處理后的預測年份為2013.0792年，近一步得到50～60 s范圍內預測年份的平均值結果：2015年的茶樣預測得到的年份為2010.9880年，縮短陳化年份約4.01 年;2016年的茶樣預測得到的年份為2013.2886年，縮短陳化年份約2.71 年;2017年的茶樣預測得到的年份為2012.8051年，縮短陳化年份約4.19 年。說明不同HPEF技術處理均能縮短普洱生茶的陳化年份，且與脈沖電壓、頻率和處理時間有關。

3 討 論

茶葉的感官品質由五大因子組成：外形、湯色、香氣、滋味和葉底。香氣在各類茶品質因子的評分系數中占比25%～35%[25]，是一項關鍵因子。普洱茶香氣成分是在微生物發酵和茶自然氧化過程的協同作用下形成的，而參與到這個過程的黑曲霉在其發酵過程中分泌的單寧酶可以使茶葉中的單寧水解成沒食子酸，降低苦味的同時，促進茶湯轉紅[26-28]。HPEF通過高電壓、短脈沖和低溫條件處理食品，陳錦權等[29]研究表明，在HPEF處理后，茶湯內的醇類、酮類和脂類占香氣成分的大部分，雜環類所占比例較小，主體香氣成分得以保留。在提取茶葉內含物質和活性物質方面，金哲雄[30]利用PEF技術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的基本參數，發現提取率分別是水提取的1.91、1.10、1.05、1.32 倍，表明PEF技術在功能性成分提取方面有很大的應用前景。本研究證實了HPEF作用于普洱茶有利于普洱茶的后期陳化過程，使其品質風味得到提升。

本實驗研究HPEF對云南普洱生茶的香氣品質和陳化時間的影響，通過GC-MS聯用和電子鼻技術，對普洱茶生茶（干茶）香氣品質進行了分析，并在此基礎上對茶樣進行了年份預測，得到HPEF對云南普洱生茶香氣品質的提高為正向作用，同時能加快普洱生茶的陳化。但是，電子鼻檢測系統中，傳感器陣列只能提供對某類香氣成分的分析，而不能具體到是哪一種香氣物質，具有一定的局限性;由于電子鼻香氣檢測實驗一旦開始進行，就需要嚴格把握時間間隔，同時對準備樣品的時間也需要把控好，實驗過程中不能離開，因此檢測結果存在一定的誤差。在后期的研究中，考慮生產條件、技術、貯藏條件等因素對普洱茶品質的影響，將增加其他茶樣作為研究對象，與此研究結果進行比較分析，驗證本研究中HPEF對普洱茶香氣品質的影響。