湖南黑毛茶等溫吸濕模型建立及霉變安全性研究

胥 偉，趙仁亮，姜依何，吳 丹，朱 旗*

黑茶是我國(guó)6大茶類之一，初制按照“殺青—揉捻—渥堆—干燥”的工序進(jìn)行，歷史上屬于邊銷(xiāo)茶范疇[1]，是飲食結(jié)構(gòu)以“高脂高蛋白”為主的邊疆少數(shù)民族用以“消食去膩”不可或缺的飲品[2]，邊疆少數(shù)民族有“寧可三日無(wú)食，不可一日無(wú)茶”的說(shuō)法。隨著黑茶保健功能研究的不斷深入，黑茶產(chǎn)品逐漸由邊銷(xiāo)向內(nèi)銷(xiāo)進(jìn)行延伸，目前黑茶產(chǎn)品的年產(chǎn)量已位居6大茶類第二位，僅次于綠茶類產(chǎn)品[3]。

黑茶作為一種具有加工技術(shù)要求高、保健功效突出、經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)的產(chǎn)品，其品質(zhì)形成有賴于微生物的作用[4-9]，其后發(fā)酵作用形成了黑茶越陳越香的品質(zhì)特征。因此，無(wú)論是黑毛茶還是黑茶成品，其倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程都是黑茶品質(zhì)形成的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[10]。實(shí)際生活中有些資本大戶通過(guò)建立倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存黑茶產(chǎn)品以達(dá)到品質(zhì)優(yōu)化、產(chǎn)品升值的目的。

黑茶在很多產(chǎn)茶區(qū)被廣泛生產(chǎn)，如云南、廣西、四川、湖南、湖北、陜西、浙江等地。但黑茶生產(chǎn)的初制和精制環(huán)節(jié)是不連續(xù)的，存在黑毛茶長(zhǎng)途異地運(yùn)輸及倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)。如果沒(méi)有嚴(yán)格的倉(cāng)儲(chǔ)管理措施，在高濕條件下，黑茶因其多孔徑特點(diǎn)極易吸濕回潮，導(dǎo)致微生物迅速繁殖，發(fā)生霉變并產(chǎn)生毒素[11-14]。因此，對(duì)黑茶進(jìn)行吸濕特性的研究是建立倉(cāng)儲(chǔ)控制體系的重要措施之一。目前，關(guān)于茶葉的等溫吸濕研究成果較少報(bào)道。張哲等[15]對(duì)綠茶和紅茶進(jìn)行了吸濕解吸平衡規(guī)律的分析，結(jié)果表明紅茶和綠茶的吸濕解吸規(guī)律差異不明顯。Botheju等[16]對(duì)阿薩姆紅茶干燥過(guò)程中的解吸附過(guò)程平衡含水率進(jìn)行了研究，表明阿薩姆紅茶解吸過(guò)程符合Oswin模型。Sinija等[17]對(duì)綠茶顆粒和綠茶粉末進(jìn)行了等溫吸濕研究，結(jié)果表明綠茶顆粒和粉末吸濕平衡曲線均為二型曲線，Peleg模型能較優(yōu)地?cái)M合研究對(duì)象。

但是黑茶的品質(zhì)形成又有賴于微生物的活動(dòng)參與，依據(jù)GAB模型理論，水分活度（water activity，aw）為0.1～0.3的水分為單分子層結(jié)合水，主要結(jié)合在基質(zhì)之上，該部分水分結(jié)合牢固，水分不被微生物利用[18]；早在2001年就有研究人員報(bào)道了低aw對(duì)茶葉品質(zhì)的穩(wěn)定作用[19]，但黑茶產(chǎn)品的貯存過(guò)程既不能?chē)?yán)格密封，其aw又不能太低，需要明確一個(gè)既能保證微生物的代謝用以轉(zhuǎn)化黑茶品質(zhì)，又不使其產(chǎn)生霉變的平衡含水率。為了更好地服務(wù)于黑茶企業(yè)的生產(chǎn)，本文通過(guò)靜態(tài)稱質(zhì)量法，利用相關(guān)分析軟件建立了黑毛茶的吸濕曲面響應(yīng)模型，對(duì)常見(jiàn)的8 種吸附模型進(jìn)行了等溫吸濕非線性回歸擬合，為指導(dǎo)黑茶企業(yè)產(chǎn)品的安全倉(cāng)儲(chǔ)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

湖南內(nèi)銷(xiāo)黑毛茶原料，2016年5月產(chǎn)于湖南省桃源縣，水分含量為（10.05±0.20）%；濃硫酸（分析純）國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；蒸餾水（實(shí)驗(yàn)室自制）。

1.2 儀器與設(shè)備

101-3AB型電熱鼓風(fēng)干烘箱 天津市泰斯特儀器有限公司；PYX-800Q-B人工氣候箱 廣東韶關(guān)科力實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；內(nèi)徑150 mm玻璃干燥器 海門(mén)市春博生物實(shí)驗(yàn)器材廠；PB303-N電子天平 瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；鋁盒 河北滄州中建儀器有限公司；GZ-150-HSⅡ恒溫恒濕培養(yǎng)箱 韶關(guān)市廣智科技設(shè)備有限公司；KL300 LED體視顯微鏡 德國(guó)徠卡顯微鏡有限公司。

1.3 方法

1.3.1 吸濕等溫線的測(cè)定

快速準(zhǔn)確稱取2.0 g左右的黑毛茶樣品放入已經(jīng)恒質(zhì)量的鋁盒中，在烘箱中烘至恒質(zhì)量，然后放入用不同體積分?jǐn)?shù)濃硫酸建立的不同aw干燥器上部。不同溫度下不同體積分?jǐn)?shù)的濃硫酸aw如表1所示。將干燥器分別放置于20、30、40 ℃人工氣候室內(nèi)，每24 h稱1 次樣品質(zhì)量，用以計(jì)算黑毛茶吸濕平衡含水率，前后2 次樣品凈質(zhì)量變化不超過(guò)0.001 g視為黑毛茶達(dá)到吸濕平衡，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，黑毛茶的平衡含水率通過(guò)質(zhì)量分析方法得到。aw近似地表示為溶液水蒸氣分壓與純水蒸氣分壓之比，因此本實(shí)驗(yàn)體系aw可近似認(rèn)定為空氣相對(duì)濕度[16]。

表1 不同環(huán)境溫度下不同硫酸溶液的awTable 1 Water activities of sulphuric acid solutions at selected concentrations and temperatures

1.3.2 平衡含水率響應(yīng)曲面的建立

設(shè)定黑毛茶含水率為因變量，aw、吸濕時(shí)間為自變量建立響應(yīng)曲面，依aw和吸濕時(shí)間的組合定義實(shí)驗(yàn)組次，響應(yīng)曲面模型設(shè)計(jì)采用Design-Expert 8.05b軟件。

1.3.3 等溫吸濕模型選擇

參考國(guó)內(nèi)外關(guān)于食品等溫吸濕模型方面的研究報(bào)道，選擇了以下8 種模型進(jìn)行擬合[16-17,20-27]，模型函數(shù)表達(dá)式見(jiàn)表2。

表2 待擬合吸濕數(shù)據(jù)的經(jīng)典模型Table 2 Mathematical models for fitting experimental data

1.3.4 恒溫恒濕培養(yǎng)驗(yàn)證

采用恒溫恒濕培養(yǎng)的方法模擬黑毛茶倉(cāng)儲(chǔ)，進(jìn)行霉變驗(yàn)證。溫度設(shè)定為25 ℃，相對(duì)濕度分別為85%、87%和90%，觀察表觀霉變現(xiàn)象，通過(guò)體式顯微鏡拍照觀察霉菌菌絲在茶葉表面生長(zhǎng)情況。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2003軟件繪制出平衡含水率隨aw變化的關(guān)系，得到相應(yīng)溫度的等溫吸濕線。模型擬合軟件采用SPSS 22.0軟件，采用決定系數(shù)R2定義模型擬合效果的優(yōu)劣，R2越大，說(shuō)明擬合效果越好，輔以SPSS 22.0軟件運(yùn)行參數(shù)誤差值進(jìn)行模型淘汰。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下黑毛茶等溫吸濕曲面響應(yīng)模型的建立

圖1 不同溫度水分吸附曲面響應(yīng)（A～C）及模型擬合效果（a～c）圖Fig. 1 Response surface plots for moisture sorption isotherms (A–C)and fitting efficiency (a–c) at different temperatures

不同溫度下湖南黑毛茶等溫吸濕線呈現(xiàn)出相似的規(guī)律及相關(guān)差異。相似規(guī)律即黑毛茶含水率隨吸濕時(shí)間和aw的增加而增加，aw增加至0.9左右時(shí)，黑毛茶含水率呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；黑毛茶達(dá)到水分吸濕平衡所需時(shí)間隨著aw的降低而降低；通過(guò)軟件分析該響應(yīng)模型，不同溫度下黑毛茶吸濕規(guī)律均模擬出二元六次方程（表3），圖1所示的模型擬合預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系表明該函數(shù)可較好地?cái)M合實(shí)際模型。通過(guò)函數(shù)表達(dá)式可以計(jì)算出不同的aw條件下達(dá)到黑毛茶某確定含水率時(shí)所需要的時(shí)間，在生產(chǎn)上可指導(dǎo)倉(cāng)庫(kù)的倉(cāng)儲(chǔ)管理，監(jiān)控黑毛茶在高濕條件下的吸濕回潮狀態(tài)。研究還發(fā)現(xiàn)黑毛茶吸濕達(dá)到平衡所需時(shí)間隨著溫度的升高而降低，在20、30、40 ℃條件下達(dá)到水分平衡所需時(shí)間分別為14、10、6 d；黑毛茶吸濕達(dá)到平衡時(shí)黑毛茶的含水率，即平衡含水率隨著溫度的升高而降低。

表3 不同溫度下黑毛茶吸濕規(guī)律函數(shù)表達(dá)式Table 3 Function expressions for the moisture absorption of raw dark tea at different temperatures

2.2 不同溫度條件下黑毛茶等溫吸濕曲線的建立及模型擬合

圖2 不同溫度條件下黑毛茶等溫吸濕曲線Fig. 2 Moisture absorption isotherms for raw dark tea at different temperatures

由圖2所示，在同一溫度下平衡含水率隨著aw的增加而增加，在同一aw下平衡溫度越高，平衡含水率越低。當(dāng)aw超過(guò)0.9時(shí)，平衡含水率隨aw的增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)aw低于0.8時(shí)，隨著aw的增加，平衡含水率增長(zhǎng)較平緩。根據(jù)等溫吸濕曲線類型判斷黑毛茶的等溫線屬于Ⅱ型等溫線。這與Botheju等[16]對(duì)阿薩姆紅茶和Sinija等[17]對(duì)綠茶顆粒和綠茶粉末的研究結(jié)果一致。當(dāng)黑毛茶平衡含水率達(dá)到12%時(shí)，aw約為0.9左右。圖2顯示不同溫度下黑毛茶等溫吸濕模型均呈現(xiàn)非線性特征，采用SPSS 22.0軟件對(duì)該數(shù)據(jù)分別采用二次曲線模型、S、成長(zhǎng)模型、指數(shù)模型及Logistic分配進(jìn)行曲線估值，模型總計(jì)及參數(shù)評(píng)估見(jiàn)表4。成長(zhǎng)模型、指數(shù)模型及Logistic分配模型均較優(yōu)地?cái)M合了該等溫吸附曲線，確定該曲線符合非線性估值后，采用該軟件進(jìn)行優(yōu)選模型非線性擬合，估計(jì)方法采用序列二次編程，擬合結(jié)果及相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 曲線估值相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Parameters estimates for four nonlinear models

表5 數(shù)學(xué)模型的相關(guān)參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 5 Relevant parameters and evaluation indices of mathematical models

優(yōu)選數(shù)學(xué)模型非線性擬合得出相關(guān)參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體如表5所示。不同溫度下擬合各模型其R2值有所差異，Halsey、Ferro-Fonton、Oswin及GAB模型均較優(yōu)地?cái)M合了20 ℃下黑毛茶的等溫吸濕模型，R2值均大于99%，說(shuō)明擬合效果優(yōu)，但Halsey和Ferro-Fonton模型在進(jìn)行非線性回歸擬合時(shí)均存在參數(shù)估值誤差值太大的情況；因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)換算時(shí)舍棄該模型，最終確定Oswin和GAB為黑毛茶等溫吸附較優(yōu)模型。根據(jù)茯磚茶的GB/T 9833.3—2013《緊壓茶 第3部分：茯磚茶》[28]中對(duì)水分要求而設(shè)定含水率12%為黑毛茶安全貯存的臨界值，通過(guò)擬合出的GAB及Oswin模型可以計(jì)算出，在溫度分別為20、30、40 ℃條件下，當(dāng)黑毛茶吸濕平衡含水率達(dá)12%時(shí)，對(duì)應(yīng)的aw值分別為0.87、0.87；0.89、0.91；0.90、0.92。根據(jù)這兩個(gè)模型可以得出黑毛茶安全貯存的aw安全臨界值為0.87，實(shí)際生產(chǎn)上要求生產(chǎn)管理人員在20～40 ℃的室溫條件下，要特別關(guān)注空氣相對(duì)濕度達(dá)到87%以上的天氣，并安排倉(cāng)儲(chǔ)排濕工序介入。

2.3 不同濕度條件下黑毛茶模擬倉(cāng)儲(chǔ)霉變表征

在不同的濕度條件下模擬倉(cāng)儲(chǔ)10 d，黑毛茶表征存在明顯差別（圖3）。相對(duì)濕度85%條件下倉(cāng)儲(chǔ)的黑毛茶未見(jiàn)霉變表征，對(duì)其進(jìn)行體式顯微拍照亦未見(jiàn)霉菌菌絲，但茶葉表面有纖毛可見(jiàn)。相對(duì)濕度87%條件下培養(yǎng)的黑毛茶可見(jiàn)輕微霉變表征，主要發(fā)生在茶梗表面，茶葉表面未見(jiàn)霉變表征，對(duì)茶葉表面進(jìn)行體式顯微拍照，可見(jiàn)霉菌菌絲在茶葉表面生長(zhǎng)，未見(jiàn)特異化的孢囊梗和產(chǎn)孢結(jié)構(gòu)。相對(duì)濕度90%條件下培養(yǎng)的黑毛茶可見(jiàn)嚴(yán)重的霉變表征，對(duì)葉片表面進(jìn)行體視顯微拍照可見(jiàn)霉菌菌絲在茶葉表面生長(zhǎng)茂盛，并可見(jiàn)特異化的孢囊梗和產(chǎn)孢結(jié)構(gòu)。茶葉在高濕條件下極易發(fā)生霉變，因此生產(chǎn)倉(cāng)儲(chǔ)管理人員須嚴(yán)格規(guī)范倉(cāng)儲(chǔ)管理制度，創(chuàng)新倉(cāng)儲(chǔ)管理方法并嚴(yán)格執(zhí)行定期的顯微觀察檢驗(yàn)工作，將倉(cāng)儲(chǔ)霉變的安全問(wèn)題消滅在萌芽狀態(tài)。

圖3 25 ℃不同濕度條件下黑毛茶模擬倉(cāng)儲(chǔ)10 d的實(shí)際圖（A、B、C）和體視顯微鏡觀察圖（a、b、c，×38）Fig. 3 Pictures (A, B and C) and stereomicroscope observations (a, b, c,× 38) of 10 day stored raw dark tea under simulated storehouse conditions

3 結(jié) 論

黑毛茶的吸濕曲面響應(yīng)模型擬合得到二元六次函數(shù)，且擬合效果較優(yōu)，可通過(guò)該函數(shù)求得在某一平衡含水率下的aw與吸附時(shí)間之間的數(shù)量關(guān)系。黑毛茶等溫吸附曲線屬于Ⅱ型等溫吸附曲線。在同一溫度下，黑毛茶的平衡含水率隨著aw的增加而增加，在同一相對(duì)濕度下，黑毛茶的平衡含水率隨著溫度的增加而降低。食品水分吸附的等溫線通常由GAB模型描述[29]，本研究結(jié)果也表明GAB模型對(duì)黑毛茶等溫吸附線精度最好，其次是Oswin模型。根據(jù)GAB模型計(jì)算出相對(duì)濕度87%是黑茶安全倉(cāng)儲(chǔ)空氣相對(duì)濕度的理論臨界值，實(shí)際顯微鏡驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)此條件下倉(cāng)儲(chǔ)10 d有菌絲出現(xiàn)，因此仍存在局部霉變的可能性；因?yàn)楹銤衽囵B(yǎng)箱的空氣相對(duì)濕度是非恒定的，箱體內(nèi)空氣相對(duì)濕度存在一定上下波動(dòng)情況。因此，超過(guò)該相對(duì)濕度時(shí)，要求對(duì)生產(chǎn)特別關(guān)注，且倉(cāng)儲(chǔ)管理人員必須安排抽濕工序。特別要強(qiáng)調(diào)的是，實(shí)驗(yàn)室模擬驗(yàn)證下進(jìn)行的高濕倉(cāng)儲(chǔ)，即使茶葉表面感官檢測(cè)未出現(xiàn)霉變表征（感官審評(píng)也未能發(fā)現(xiàn)霉變風(fēng)味的產(chǎn)生）時(shí)，體視顯微拍照依然可觀察到霉菌菌絲在茶葉表面生長(zhǎng)的情況。因此，企業(yè)質(zhì)檢人員要嚴(yán)格防范高濕條件帶來(lái)的茶葉安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)霉菌的具體種類，本實(shí)驗(yàn)室通過(guò)宏基因組學(xué)技術(shù)研究了霉變黑毛茶的真菌多樣性，其中98.5%以上為曲霉屬真菌[30]，目前尚不能確定具體種類在霉變過(guò)程中的動(dòng)態(tài)豐度，雖然感官未能審評(píng)出霉變風(fēng)味，但不能確定是否會(huì)對(duì)茶葉品質(zhì)產(chǎn)生安全性影響，相關(guān)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

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