抹茶加工及其近紅外檢測中應用的研究進展

陳亮 ，譚紅*，謝峰

1. 貴州大學化學與化工學院（貴陽 550025）；2. 貴州省分析測試研究院（貴陽 550024）

抹茶在中國已有1 000多年的歷史[1]。1191年，日本僧人榮西禪師將蒸青抹茶制作工藝帶回日本，而后抹茶在日本得以保留并發揚光大[2]，而中國抹茶生產、應用研究、抹茶工藝都處于起步階段，遠遠落后于日本。特別是抹茶工藝[3]的殺青、干燥、碾磨等關鍵技術存在不足，仍舊需要新興的優化工藝來替換，如此才能使抹茶的內含成分更多地被保留下來，從而實現我國抹茶工藝的優化。抹茶是茶葉深加工產品，我國抹茶工業起步晚，僅浙江、貴州省的幾處茶廠形成了成熟的抹茶加工產業鏈，但抹茶產品良莠不齊，抹茶摻偽現象時有發生，這嚴重破壞了國內抹茶市場的良性競爭。為提高抹茶品質，快速檢測抹茶成分和定性抹茶真偽的研究顯得尤為重要。傳統的抹茶成分檢測主要是化學分析檢測，用化學檢測來檢驗抹茶的主要指標：水分、茶多酚、氨基酸、灰分、粗纖維、咖啡堿、葉綠素等[4-5]。傳統的理化分析耗時耗力，方法繁瑣，且需在實驗室進行，對檢測條件和人員素質要求很高，無法實現在抹茶生產及流通過程中對抹茶品質進行實時監控。而近紅外光譜作為一種新興技術，通過提取物質的全光譜信息，借助數學方法建立能充分反映全譜區光譜特征與物質品質專有屬性關系的數學模型，并進一步定性或定量地描述不同樣品譜圖間的相似程度，從而對樣品快速而客觀地分型劃類，具有樣品無損耗、結果客觀以及快速簡便等優點，能滿足生產上對抹茶產品進行實時檢測的需求。

1 抹茶的加工技術

在浙江、貴州的幾處茶廠已形成較為成熟的現代抹茶加工流程。抹茶的整個加工過程為：鮮葉儲存→鮮葉流量計和切斷機→鮮葉篩分→蒸汽殺青→風力冷卻→碾茶爐（烘房）→梗葉分離機→復烘→莖葉分離→裝袋。而在抹茶的精加工環節，進廠時的原料稱之為碾茶，此時碾茶經過烘干、風干、色選、篩分、風選等精制步驟，然后通過碾磨加工制成現代抹茶。其中，殺青、干燥、粉碎是抹茶加工工藝中的三個關鍵技術。

1.1 抹茶的殺青

茶葉殺青是茶葉加工和品質形成的關鍵性工序，茶鮮葉中酶的活性在殺青過程中被高溫鈍化，部分水分和低沸點的青氣物質部分散失，茶香顯現，為抹茶品質和下一步工序奠定基礎[6]。抹茶的殺青方法有炒青、微波殺青和蒸汽殺青。

1.1.1 炒青

炒青是指在制作茶葉的過程中利用微火在鍋中使茶葉萎凋的手法，通過人工的揉捻令茶葉水分快速蒸發，阻斷茶葉發酵的過程，并使茶汁的精華完全保留的工序。王興奎等[7]研究表明炒青后的茶葉外形色澤緊實綠潤，湯色淺綠尚亮，滋味醇和，香氣高長。

1.1.2 微波殺青

微波殺青是利用微波快速加熱的特性，使茶葉在短時間內升溫至活性氧化酶鈍化的溫度，維持3～5 min即可殺青完成，是一種高效節能的新型茶葉殺青技術。

研究發現[8-9]微波殺青成本低，易控制，易操作；可快速鈍化酶類活性，最大限度地保留葉綠素、茶多酚和兒茶素的含量；葉片含水率不會劇烈降低，并有利于葉片外形色澤品質的提升和葉長寬的保持。

1.1.3 蒸汽殺青

蒸汽殺青是利用制茶蒸汽發生器產生的高溫蒸汽來對鮮葉進行殺青，而后經揉捻、干燥。研究發現[10-11]蒸汽殺青因為穿透力強，殺青時間短，能夠較好地保證茶葉中茶多酚、兒茶素等物質的含量。且蒸汽殺青所制抹茶具有較好的感官品質特征，能夠更好地固定富硒抹茶的硒元素、茶多酚、總糖等主要營養物質和香氣物質，可以作為提高抹茶品質的加工措施。

綜上，經過蒸汽殺青的茶葉外形緊細，油潤有光，研磨后的茶粉色澤翠綠、香氣怡人，還能防止茶葉中營養物質的流失，能最好地保證抹茶的品質，是現階段抹茶殺青最有效的方式。

1.2 抹茶的干燥

干燥是殺青成形后，除去茶葉中剩余的水分，同時激發出茶葉香味的一道工序，它能散發去青臭氣，進一步提高和發展抹茶的香氣。經統計，抹茶的干燥方法有熱風干燥、微波干燥以及低溫真空干燥[12]。

1.2.1 熱風干燥

熱風干燥是通過吸濕-解濕平衡原理對物料進行干燥，具有與物料接觸面積大、熱量交換比較充分、干燥效率高、生產成本低且無異味等優點。研究發現[13]，熱風干燥加工條件下制得的超微茶粉，其多酚類物質含量較高，咖啡堿含量較低，苦味輕，茶湯濃醇。

1.2.2 微波干燥

微波干燥技術是利用水吸收大部微波能量的原理，微波對其內部水分進行加熱并將水分進行蒸發脫除，從而達到物料干燥的目的。研究表明[14-15]相對于其他干燥技術，微波干燥具有升溫快、熱效率高、易于操作等優點，但微波干燥的綠茶較傳統干燥具有更高的氨基酸含量，這不利于香氣的形成。

1.2.3 低溫真空干燥

低溫真空干燥是將之在真空、低溫的干燥箱內保持較低相對濕度，被干燥物料在獲得較少的熱量下達到干燥效果，再通過排氣系統將真空干燥室內所產生的水蒸氣及時抽出，來實現茶葉低溫真空干燥的目的。

研究表明，低溫真空干燥較大程度保留葉綠素含量，所制名優綠茶優于傳統熱風干燥[15-16]。且與傳統熱風干燥工藝相比，低溫真空干燥得到的綠茶外形色澤嫩綠、清香帶花香、滋味醇厚，水浸出物沖泡速率比傳統熱風干燥快近兩倍[17]。

綜合考慮，為使抹茶色香味得到很好的保留，以及內在品質的提升，低溫真空干燥技術優勢明顯。

1.3 抹茶的粉碎

抹茶的國家標準（GB/T 34778—2017）規定，抹茶粒度指標D60≤18 μm，因此必須經過研磨粉碎處理。為適應現代規模化產業的需要，研發出了一些新型的超微粉碎技術。目前抹茶的研磨粉碎技術主要有4種——氣流粉碎、研磨式超微粉碎、電動石磨和球磨粉碎。

氣流粉碎是利用高壓、高速氣流的能量，使物料顆粒相互產生劇烈的沖擊、碰撞和摩擦等作用力，從而實現對物料的粉碎。球磨粉碎的原理是將原料與球磨介質一起裝入高能球磨機中進行機械研磨，原料不斷經歷磨球的碰撞、擠壓而反復變形與斷裂，最終形成超細粉體。電動石磨主要是傳統石磨原理，轉子采用變頻電機帶動，轉速可在設定范圍內勻速運轉，保證了綠茶粉的勻整性，研磨粉碎是通過剪切力的作用，將物料進行粉碎。

表1 粉碎技術類別比較

綜合考慮，球磨雖成本昂貴，但卻要廉于氣流粉碎，且使用球磨機生產抹茶，相同條件下抹茶中色澤、香氣、滋味均優于其他方式，現階段我國抹茶加工企業大多采用球磨方式加工抹茶，球磨加工抹茶的品質也相對較高。

2 國內外近紅外在抹茶中的研究進展

2.1 近紅外光譜（NIRS）的簡介

近紅外光譜技術是近年來發展較快的一種綠色、無污染、快速、無損檢測技術，其被廣泛應用于農產品、食品領域和茶葉的品質檢測分析。近紅外光譜技術在食品真偽摻假判別上得到廣泛應用[21]，包括肉類[22]、植物油、牛奶[23]、蜂蜜[24]、奶粉[25]等食品的摻偽鑒別。

NIRS技術的優點主要有以下幾個：一是能夠分析的對象數量較多、涵蓋門類較多；二是在分析前樣品不需要進行復雜的前處理，分析的操作簡單、速度較快；三是分析不破壞樣品，通過光譜掃描完成；四是對環境污染較小。NIRS技術使用方便、對環境污染小、檢測速度快、效率高，在農業[26]、食品、石油化工[27]、醫學，天體科學[28]等領域中得到非常廣泛的應用。

2.2 近紅外光譜（NIRS）在抹茶加工工藝的研究現狀

近年來，對于在成品茶的品質檢測方面近紅外技術已相對成熟，而在抹茶加工工藝的幾個關鍵技術方面近紅外技術也有了一定的突破。

寧井銘等[29]基于近紅外光譜技術，設計了殺青自動化控制生產線。利用紅外光譜技術對殺青后鮮葉含水量在線精確測量，通過可編程邏輯控制器（PLC）調節投葉量或滾筒轉速，從而保證鮮葉殺勻殺透。試驗結果表明，該系統檢測技術和裝置具有可靠性和實用性，在線檢測誤差在2.37%±3.53%范圍內。

在干燥方面，水分含量是衡量茶葉干燥過程中品質的最重要因素之一，吳繼忠等[30]采用近紅外光譜分析技術分析茶葉干燥過程水分含量。采用便攜式近紅外光譜檢測系統采集茶葉干燥過程樣本的光譜，采用標準正態變量變換（SNV）預處理光譜；然后，比較應用全光譜偏最小二乘模型（PLS）、遺傳偏最小二乘模型（GA-PLS）、競爭性自適應加權抽樣偏最小二乘模型（CARS-PLS）建立模型，采用交互驗證優化模型。陳琳等[31]為實現工夫紅茶干燥中含水率的快速檢測，提出了基于近紅外光譜紅茶干燥中含水率無損檢測方法。

但近紅外光譜技術在抹茶加工過程中針對影響品質的內含成分的含量檢測還比較少見。近紅外光譜技術檢測抹茶加工過程的內含成分含量，對茶葉殺青、干燥等過程品質的智能化和數字化監測，以及茶葉智能化加工裝備的開發具有重要意義。

2.3 成品抹茶定性方面的研究現狀

近年來，抹茶工藝技術多以文章、專利等形式在日韓等地交流，其他國家的抹茶技術，包括斯里蘭卡等傳統茶葉生產大國均較少。而日本是最早利用NIRS技術對茶葉開展研究的國家，目前已研制出專用的近紅外分析儀來快速檢測茶葉中的水分、全氮量、茶多酚、咖啡堿、氨基酸等主要成分。但是由于國外的茶葉種類少，因此NIRS技術在茶葉產地、真偽鑒別等定性分析方面的研究較少。

在國內，茶葉的種類繁多，所以NIRS技術在茶葉的產地、等級[32]、種類、年份和真偽鑒定等定性方面的研究較為廣泛。Ning等[33]利用近紅外光譜和支持向量數據描述模式識別來識別四國紅茶，精準地鑒別了茶葉的產地。彭清維等[34]基于近紅外光譜技術討論了3種不同特征波長和全波段數據的4種翠芽等級判別模型。對比4種模型建模結果，4種模型均取得了很好的預測效果，預測集相關系數均達到0.93以上。結果表明，利用可見光近紅外光譜技術能夠快速、準確、無損地對湄潭翠芽等級進行區分。Chen等[35]運用NIRS技術結合多元校正方法對茶葉進行定量和定性分析的可行性研究，并運用軟獨立建模分類（SIMCA）法實現了龍井、烏龍、碧螺春和鐵觀音的分類鑒別，并取得了相當高的預測精度；Zhao等[36]運用NIRS技術與支持向量機（SVM）結合，達到了3種不同種類茶葉的品質鑒別。而王勝鵬等[37]也進行了茶葉年份鑒別方面的研究。

在茶葉中如此多的定性研究也正是給抹茶的研究提供了便利。在近紅外定性方面，我國品種繁多、產地復雜，給抹茶的定性研究有著極大的可行性，特別是抹茶真偽的鑒別更是重中之重，由于我國目前尚未制定抹茶國家標準及等級分類標準，部分商家直接把綠茶粉當抹茶銷售。

趙開飛等[38]基于近紅外光譜技術對抹茶摻偽的定性判別進行了研究，以玉露碎為研究對象，摻入不同比例的白砂糖、麥芽糊精、桑葉粉、大麥苗粉，探索了采用近紅外光譜分析方法結合主成分分析與線性判別分析和K最近鄰法判別抹茶添加非茶成分的可行性。通過PCA-LDA建立的定性判別模型，其準確度和識別率都很高，能快速、準確地對抹茶中是否摻偽進行定性判別。

Yu等[39]的研究提供了一種有效的方法，用可見光譜和化學計量學相結合快速以及非破壞性地鑒定抹茶中的蒸綠茶粉摻假。

2.4 成品抹茶定量方面的研究現狀

近年來，在定量檢測方面，國內NIRS技術應用于茶葉檢測方面，主要集中在綠茶理化成分的測定方面，茶葉、茶湯、茶提取物中的理化成分測定，茶葉品質評價的研究等。與國外的技術檢測手段及技術正在逐步縮小，這有利于未來將近紅外技術大規模地投入現代化工廠中使用，使得工廠的操作更加智能化，品質控制更加系統化。

白曉麗等[40]以隨機抽取的42個市售速溶茶產品為研究對象，采用近紅外光譜分析技術并結合偏最小二乘（PLS）法對其水分、咖啡堿和茶多酚含量進行定標建模分析。結果證實該方法準確可靠，可以快速有效估測茶的內含成分。

同時，更多的研究已經成功地建立了茶葉中水浸出物、氨基酸[41]、兒茶素[42]、灰分、咖啡因[43]、茶黃素[44]等多種成分的快速檢測模型，為抹茶成分的檢測提供了很好的借鑒意義，在抹茶的品質成分檢測方面提供了先導，讓抹茶定量方面的研究更加簡單便捷。

日本也已經對抹茶中的粗纖維、葉綠素、總多酚[45]、單寧、維生素C、茶氨酸[46]、含氮量[47]等進行了深入的研究，因為葉綠素關系到抹茶最終成品的色澤，其余成分的研究也對抹茶品質的提升尤為重要。但國內的抹茶研究起步晚，對于這些成分的研究還較少，所以在未來的抹茶定量研究中應當將這些成分當作抹茶的重點，合理系統地運用近紅外定量分析來提升抹茶的品質。

3 展望及結語

通過在省級范圍內選擇多個地理、氣候特征有代表性的區域、選擇多個茶園進行中日管護方式的對比試驗。

3.1 抹茶現階段面臨的問題

在抹茶的覆蓋栽培上不夠全面與系統，許多茶葉場地無法形成區域化，不利于抹茶的施肥、管理、栽培等各方面的工作，間接地影響到了抹茶原料的品質，模型適用范圍的局限性、專用型近紅外儀器的缺乏使成品抹茶品質不一。

3.2 抹茶加工過程中近紅外快速在線檢測

國內外對茶葉品質的檢測基本均采用感官審評和理化分析的方法。感官審評是由訓練有素的專業評審人員通過一定的評茶程序對茶葉的外形、香氣、湯色和滋味等感官指標進行逐一評判來確定茶葉品質的優次，這依賴于審評人員感官評審技術的熟練程度，且人感覺器官的靈敏度易受到身體狀況甚至評審環境等外界因素的干擾，影響評判結果的客觀性和公正性。常規的理化分析法具有較高的準確性和可靠性，但是這些方法操作繁瑣、檢測周期長、成本高且只能在實驗室使用，不能滿足茶葉加工、收購、貿易、儲存現場的快速檢測要求。

通過對貴州省抹茶生產加工過程進行風險識別，根據風險實際情況和國際市場要求，參照國際、國內標準，確認抹茶生產的風險關鍵控制點，針對不同的關鍵點制訂相應控制規程和標準，完善抹茶生產質量控制體系構建；同時對抹茶關鍵控制指標的紅外快速檢測技術進行研究，實現抹茶品質的在線控制。

3.3 基于多規則多因素約束的抹茶智能化拼配

將不同來源、不同產地的抹茶原料通過現代近紅外檢測技術和信息技術結合，基于多規則和多因素約束的拼配類規劃模型，也就是基于抹茶不同的產地、等級、外形、色澤、滋味，結合抹茶的內含物質等級標準，形成支持多目標導向的智能拼配系統，可根據企業市場需求動態形成拼配配方，確保抹茶產品品質的穩定性與一致性。

希望通過這種大數據的管理模式以及近紅外抹茶在線檢測，構建出智能化抹茶拼配的方案，徹底從源頭及加工到拼配提升抹茶的品質，這將急劇加速未來抹茶產業的發展。