提香溫度對綠茶（香茶）干燥效能及風味品質的影響

藺志遠，施 江，譚俊峰,*，林 智,*

（1.中國農業科學院茶葉研究所，農業農村部茶樹生物學與資源利用重點實驗室，浙江 杭州 310008；2.中國農業科學院研究生院，北京 100081）

香茶是浙江省具有鮮明特色的大宗綠茶品類，其因“香高”著稱[1-2]，是當地農民增收、農業增效、環境增綠的重要產業。采用滾筒干燥（循環滾炒）提香是香茶傳統制作工藝中的一道關鍵工序，它既是物理學意義上的脫水干燥過程，同時也是香茶風味形成的重要化學反應階段[3]。這一繼承自傳統工藝的獨特干燥方式，在規模化生產時常常需要面對很多條件相互制約，需要反復協調的問題。例如，若突出香氣品質，則臺時產量、能耗等干燥效能指標不理想；而若突出干燥效能指標，則茶葉風味稍顯欠缺。

干燥是茶葉加工過程中的高耗能、長耗時階段，干燥能效控制一直是本領域研究中的重要理論和實踐問題。干燥能耗是指干燥過程中熱源所產生的全部能量，這些能量通過傳質和傳熱不斷被物料或外界環境所吸收。被物料吸收的能量推動了物料含水率的持續變化，并最終實現脫水的目標。在一定干燥條件下，分析物料在干燥過程中的傳熱傳質規律是實現干燥能效控制的前提[4-5]。實際生產中，傳熱傳質過程受傳熱物理條件、干燥設備及參數設置等多方面因素的制約[6-7]，這些因素之間往往存在錯綜的聯系，加之物料自身的物理結構、化學和傳熱傳質特性千差萬別，使得對茶葉干燥能效的研究異常困難，通用的干燥機制往往不能合理解釋具體茶葉的水分散失規律[8-9]。干燥動力學模型是研究物料含水率和溫度動態變化的有效方法，有助于厘清水分散失與其他支配因素間的復雜關系。因此，有針對性地建立茶葉干燥動力學模型，在充分認識茶葉物料特性的基礎上，對茶葉的水分散失和溫度變化規律開展系統性研究將有助于茶葉干燥理論研究的深入。

作為風味嗜好型的飲料，茶葉的干燥過程往往還需充分考慮到風味品質方面的需求。茶葉的感官品質與其風味成分的組成和含量密切相關。例如，茶葉在受熱過程中，能夠新生成吡嗪、吡咯等烘烤味成分[10-11]，花果味的芳樟醇、香葉醇等含量也較干燥前大幅上升[12-13]，這些在干燥過程中發生顯著變化的物質塑造了茶葉的香氣香型特征[14]。因此，在充分考察茶葉干燥動力學的基礎上，探索建立干燥溫度與風味化學成分之間的聯系顯得尤為必要。

本實驗通過建立基于干燥溫度的干燥動力學模型，對干燥過程中的含水率和葉片溫度（葉溫）進行動態監測，并對影響干燥效能和風味品質的各項指標開展研究，相關結果將有助于加深對茶葉干燥機理的系統性認識。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

茶鮮葉購自湖南湘豐茶業有限公司。

無水乙醚（色譜級） 美國Tedia公司；癸酸乙酯（色譜級） 美國Sigma公司；無水硫酸鈉（色譜級）上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

采用中國農業科學院茶葉研究所研制的自動化茶葉循環干燥裝置，該裝置由加熱滾筒和連接進口、出口的傳送帶組成，加熱滾筒長4 635 mm、直徑800 mm。加熱滾筒溫度的準確控制由紅外測溫傳感器、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）、中央控制計算機和電磁閥等實現。由紅外測溫傳感器實時采集加熱滾筒溫度信號，交由PLC完成溫度信號數模轉換，經中央控制器進行決策，再通過下游PLC控制燃燒器電磁閥實現液化石油氣流量的自動調節，最終實現對加熱滾筒溫度的準確控制，溫度控制精度為±3 ℃。

MX-50快速水分測定儀 日本A&D公司；AR350Plus紅外測溫儀 中國智能傳感器有限公司；6890氣相色譜儀 美國安捷倫公司；DSQ離子阱質譜儀美國賽默飛公司；CFJ-II茶葉篩分機 杭州大吉光電儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 茶鮮葉預處理

茶鮮葉按照DB33/T 967—2015《香茶加工技術規程》進行預處理，包括攤放、殺青、回潮、揉捻、解塊、二青、攤涼，得到濕基含水率為23.1%的待提香（干燥）茶葉物料。將茶葉物料等分為12 份，每份41.5 kg，用于1.3.2節中的干燥處理。

1.3.2 不同干燥溫度處理

以香茶加工常采用的提香干燥溫度110 ℃為基準，每20 ℃設置一個溫度梯度。分別設定干燥溫度（即加熱滾筒的筒壁溫度）為90、110、130 ℃和150 ℃，投入1 份待干燥的茶葉物料進行炒制，直至茶葉含水率低于6%時停止。上述不同干燥溫度處理各重復3 次。

1.3.3 茶葉香氣感官評價

茶葉香氣感官評價參照GB/T 23776—2018《茶葉感官審評方法》：稱取3.0 g成品茶于標準審評杯中，倒入150 mL沸水，沖泡5 min后將茶湯轉移至標準審評碗中，由經過專業訓練的茶葉審評小組（其中男性4 名、女性1 名）對香氣特征進行描述。

1.3.4 茶葉香氣組分分析

采用同時蒸餾萃取法結合氣相色譜-質譜進行香氣化學成分分析。同時蒸餾萃取參照朱蔭等[15]的方法：稱取10.0 g成品茶置于500 mL圓底燒瓶中，加入300 mL沸水后搖勻，再加入20 μL癸酸乙酯（0.2 mg/mL），加熱混合樣品至沸騰，隨后加入30 mL重蒸無水乙醚，于50 ℃水浴條件下蒸餾萃取1 h，獲得的精油用無水硫酸鈉去除水分，氮氣濃縮后進樣氣相色譜-質譜檢測。

氣相色譜條件：DB-5MS色譜柱（60 m×0.32 mm，0.25 μm）；升溫程序：起始柱溫50 ℃保持5 min后，以4 ℃/min升至210 ℃，210 ℃保持3 min，再以15 ℃/min升至250 ℃；載氣為高純氦氣，流速1 mL/min。

質譜條件：離子源為電子轟擊離子源；離子源溫度230 ℃；電子能量70 eV；四極桿溫度150 ℃；轉接口溫度280 ℃；質量掃描范圍：35～400 u。

由氣相色譜-質譜分析得到的質譜數據，經計算機在NIST98.L譜庫及自建茶葉譜庫中進行檢索，數據通過Agilent Offline軟件進行處理。

1.3.5 干燥能耗測定

每一批樣品干燥開始前，對液化石油氣瓶進行準確稱質量，記為m0。待該批次干燥結束后，再次對液化石油氣瓶進行準確稱質量，記為m1，則m0-m1即為每批次干燥所消耗的液化石油氣質量。按式（1）計算能耗。

式中：m0為干燥開始前液化石油氣質量/kg；m1為干燥結束后液化石油氣質量/kg；q為燃料熱值，本實驗中液化石油氣熱值為50 MJ/kg。

1.3.6 茶葉成品率測定

依據GB/T 8311—2013《茶 粉末和碎茶含量測定》方法：稱取混勻的茶樣100.0 g置于碎茶篩（篩孔Φ＝1.25 mm）中，然后在碎茶篩下層套入粉末篩（篩孔Φ＝0.63 mm），一同放至茶葉篩分機上進行篩分，篩分結束后準確稱量粉末篩的篩下物，記為粉末質量m1；移去碎茶篩的篩上物，將粉末篩的篩上物重新轉移至碎茶篩上，再次放至茶葉篩分機上進行篩分，篩分結束后準確稱量碎茶篩的篩下物，記為碎茶質量m2。然后按式（2）計算茶葉成品率。

式中：m為稱取茶樣的質量/g；m1為粉末質量/g；m2為碎茶質量/g。

1.4 數據處理與分析

使用SPSS 16.0軟件對香氣組分含量進行數據處理及單因素方差分析，以P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 干燥溫度對茶葉在制品含水率的影響

茶葉在干燥過程中不斷吸收能量，促使內部水分向葉片表面遷移，遷移至葉表的水分發生由液態向氣態的轉變，即水分氣化，在葉片的表面形成氣膜，氣膜在水分蒸氣分壓差的推動下被外部空氣帶走，實現脫水[16]。其中，水分內部遷移的阻力與物料自身結構特性有關[17-18]，而水分遷移的動力及水分氣化的能力則與物料溫度有關[19]。

不同于主要以根莖或葉片為食用部位的農產品，茶葉物料的物理結構更為復雜，它可以近似地看作是由片狀的葉和柱狀的莖構成的復合體，比如常用的一芽二葉或一芽三葉原料是指嫩莖上帶有一個芽以及兩個或三個葉片。葉片部分一般較薄，表面具有豐富的呼吸或蒸騰氣孔，水分遷移路徑短、遷移阻力小；而柱狀的莖由木質化表皮纖維組織所包被，自身不容易失水，莖中的水分需要輸送到葉片才能實現脫水，因此水分遷移路徑長，遷移阻力大。茶葉在干燥前期，以葉片失水為主，水分遷移效率相對較高；茶葉干燥后期，以莖失水為主，由莖向葉遷移的水分提供了表面氣化所需的水分，這部分水分的遷移距離長、阻力大、遷移效率低。結果顯示，隨著干燥時間的推移，茶葉的失水速率（即單位時間內含水率的下降）呈現出逐漸降低的趨勢（圖1）。以干燥溫度110 ℃為例，該干燥過程共耗時39.2 min，其干燥前半段（0～19.6 min）含水率下降了11.8%，而干燥后半段（19.6～39.2 min）僅下降了5.4%。

在物料相同的情況下，水分內部遷移阻力相當，干燥效率僅與水分遷移動力和表面氣化能力有關。研究表明，設定干燥溫度越高，茶葉葉溫相應越高，水分遷移和水分氣化能力也越強，茶葉干燥效率也越高（圖1）。如在最低干燥溫度（90 ℃）條件下，茶葉物料完成干燥所需時間長達47.6 min；而在最高干燥溫度（150 ℃）條件下，達到目標干燥含水率僅用時22.4 min，耗時不到前者的一半。

圖1 干燥溫度對茶葉含水率的影響Fig.1 Effect of drying temperature on moisture content of tea

2.2 干燥溫度與茶葉葉溫的關系

根據熱力學第二定律，熱量自發地從高溫處向低溫處傳遞，只要存在溫差，熱量傳遞就會不斷進行。在茶葉干燥過程中，由于設定的干燥溫度（熱源溫度）遠高于物料的溫度，使得茶葉能夠不斷吸收熱量，表現為水分的氣化吸熱和茶葉葉溫上升儲能。本研究顯示，隨著干燥時間的不斷推移，葉溫不斷上升，至干燥結束時，葉溫達到最高值（圖2）。當設定干燥溫度較高時，葉溫所能達到的平均溫度更高。例如最低干燥溫度（90 ℃）條件下，平均葉溫僅為48 ℃；而在最高干燥溫度（150 ℃）條件下，平均葉溫達60 ℃，較前者高12 ℃。此外，研究結果還發現，設定干燥溫度的差異還對茶葉物料在高溫階段持續受熱的時間長度產生影響。如在最高干燥溫度（150 ℃）條件下，茶葉物料能夠在其平均葉溫（60 ℃）以上持續受熱8.4 min；而最低干燥溫度和次低干燥溫度（90 ℃和110 ℃）的處理直到干燥結束時，其葉溫也無法達到60 ℃。

由傅里葉定律可知，在干燥熱源相同的情況下，傳熱速率主要受溫差的影響。而設定干燥溫度越高，其與茶葉物料之間的溫差越大。因此，高溫干燥條件下葉溫的升溫速率（單位時間內葉溫的上升）快于低溫干燥（圖2）。如最低干燥溫度（90 ℃）條件下，茶葉葉溫的平均升溫速率（初始葉溫與結束葉溫的差值除以干燥耗時）約為0.6 ℃/min；而最高干燥溫度（150 ℃）條件下，葉溫的平均升溫速率則達到1.9 ℃/min，約是前者的3.2 倍。

可見，茶葉物料的升溫速率、平均葉溫和在高溫階段的受熱時長均與設定干燥溫度有關。然而，以往對干燥溫度與實際葉溫之間存在的差異重視不夠，在茶葉干燥動力學研究和工藝參數研究中容易將兩者混淆使用。為此，本研究將在已經明確設定干燥溫度與實際葉溫關系的基礎上，進一步探索干燥溫度、葉溫與茶葉風味之間的關系。

圖2 干燥溫度對茶葉葉溫的影響Fig.2 Effect of drying temperature on leaf temperature

2.3 茶葉風味品質與干燥溫度、葉溫的關系

對不同干燥溫度提香得到的茶葉樣品進行香氣分析，結果表明，干燥溫度的差異對茶葉香氣總量以及香氣組分含量均有影響（表1）。在高溫（150 ℃和130 ℃）干燥條件下，茶葉香氣組分總量以及與綠茶花香、果香、清香有關[20-21]的醇類、與烘烤香等特殊香氣有關[22-23]的醛類物質的含量均顯著高于低溫（110 ℃和90 ℃）干燥。醇類化合物中，在最高干燥溫度（150 ℃）條件下，具有花香、柑橘香的芳樟醇含量較最低干燥溫度（90 ℃）高約35%；具有花香、玫瑰香的香葉醇含量較最低干燥溫度（90 ℃）高約20%。醛類化合物中，呈現花香、巧克力香的苯乙醛含量在最高干燥溫度（150 ℃）條件下較最低干燥溫度（90 ℃）高約64%；糠醛與茶葉烘烤香有關[24-25]，在最高干燥溫度（150 ℃）條件下，其含量較最低干燥溫度（90 ℃）高約36%。進一步對不同設定干燥溫度提香所得茶葉樣品進行感官評價，最低干燥溫度和次低干燥溫度（90 ℃和110 ℃）條件下所得茶葉樣品香氣表現為“純正”；而最高干燥溫度和次高干燥溫度（150 ℃和130 ℃）條件下所得的茶葉樣品的香氣則表現為“高爽或較高爽”，香氣的強度和舒爽度更高。這與醇類和醛類香氣成分含量較高的檢測結果相吻合。

干燥是綠茶香氣最終定型的重要階段之一。在熱作用的推動下，一方面茶葉中的香氣前體物質不斷生成新的香氣組分；另一方面游離于茶葉表面的香氣組分也在不斷散失[26-28]。因此，成品茶的香氣組分含量既取決于香氣組分的生成量，也與散失量有關。葉溫是直接反映茶葉物料的實際受熱情況的指標[29-30]，往往與香氣組分的生成能力直接相關。此外，干燥耗時也是影響香氣組分含量變化的重要因素，一般認為，干燥耗時越久，香氣物質的散失量就越多。結合2.1節和2.2節的結果，認為干燥溫度通過直接改變葉溫以及間接改變干燥耗時共同影響了成品茶的香氣品質，因此，創造有利于香氣成分生成和保留的干燥條件，是今后研究干燥溫度時所需要系統性考慮的問題。

表1 干燥溫度對成品茶香氣組成成分的影響Table 1 Effect of drying temperature on aroma composition of tea

2.4 干燥溫度對能耗的影響

干燥能耗是評價干燥工藝經濟性的重要指標。在干燥過程中，經筒壁傳遞的能量，一部分被茶葉吸收，主要用于水分汽化（表現為含水率下降）和物料儲能（表現為葉溫上升）；另一部分則由筒壁向茶葉物料以外的體系耗散（環境損耗）。如表2所示，過高或過低的干燥溫度均不利于降低能耗。最高干燥溫度（150 ℃）和最低干燥溫度（90 ℃）條件下能耗均較高；而在次高干燥溫度（130 ℃）條件下，干燥能耗最低，僅約為最高干燥溫度或最低干燥溫度的3/4。由此可見，受制于茶葉特殊的莖葉復合結構，外部的傳質和傳熱條件必須與茶葉不同干燥階段的失水需求相匹配才能實現較為經濟的能耗目標。

表2 干燥溫度對干燥耗時、能耗、茶葉香氣感官評價和成品率的影響Table 2 Effects of drying temperature on drying time, energy consumption, aroma sensory evaluation, and yield of tea

2.5 干燥溫度對茶葉成品率的影響

成品率也是考察茶葉加工工藝的指標之一。茶葉在干燥過程中不僅與筒壁持續摩擦碰撞，茶葉之間也存在互相擠壓，這些外力作用導致了斷碎的產生。干燥耗時越長，茶葉發生機械損傷的機率就越大，但最終產生斷碎的程度還受到干燥過程中茶葉物料自身的韌性和脆性不斷變化等因素的疊加影響[31]。因此，本實驗條件下，干燥溫度對茶葉成品率的影響并不明顯。如表2所示，除干燥溫度為110 ℃時茶葉成品率略低以外，其他干燥溫度條件下成品率相差不明顯。

3 討 論

香茶作為一種大宗綠茶，較高的“性價比”是其核心競爭力。所以，在香茶的實際生產中必須對干燥效能指標與風味品質指標進行系統性綜合評價。本研究表明，干燥溫度對干燥耗時、能耗及香氣組分含量等多個核心評價指標均存在影響（圖3），這些指標與茶葉加工中需要考慮的品質或效能調控指標密切相關。如干燥耗時與茶葉的生產效率相關，決定了設備的臺時產量；干燥能耗與干燥的經濟性和環保性相關，與生產成本直接掛鉤；香氣含量則反映了茶葉的品質；而成品率反映了干燥工藝的適用性。可見，干燥溫度對茶葉加工調控指標的影響是多方面的。

圖3 茶葉干燥評價指標雷達圖Fig.3 Radar chart of tea drying evaluation

目前，有關茶葉干燥的理論模型尚未健全，干燥過程中的熱動力學變化規律還有待進一步加強。本研究初步提出茶葉是由葉片和莖兩部分組成的復合體模型，并認為這種復合結構是導致茶葉干燥動力學特性較為復雜和茶葉干燥效率、能耗等評價指標方向各異性的原因之一。

隨著數字化、智能化加工的不斷發展，滿足生產者和消費者日益增強的個性化需求，將是未來茶葉加工業不斷發展的方向。以本研究為例，若以香氣組分含量作為評價指標，則干燥溫度為150 ℃時香氣組分含量最高，但該干燥條件卻不能兼顧干燥能耗；若干燥溫度設定過低，比如干燥溫度為90 ℃時，不僅香氣品質最差、干燥耗時長，而且干燥能耗也較高；綜合來看，干燥溫度為130 ℃時，在最低的能耗情況下，干燥耗時也較短，還實現了較高的香氣組分含量，各評價指標之間比較均衡。由此可見，多角度挖掘茶葉加工過程中的大數據，建立工藝參數與各評價指標之間的內在聯系具有十分重要理論意義。