抹茶加工及其近紅外檢測中應(yīng)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(fā)揚光大[2]，而中國抹茶生產(chǎn)、應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)存在不足，仍舊需要新興的優(yōu)化工藝來替換，如此才能使抹茶的內(nèi)含成分更多地被保留下來，從而實現(xiàn)我國抹茶工藝的優(yōu)化。抹茶是茶葉深加工產(chǎn)品，我國抹茶工業(yè)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(chǎn)業(yè)鏈，但抹茶產(chǎn)品良莠不齊，抹茶摻偽現(xiàn)象時有發(fā)生，這嚴重破壞了國內(nèi)抹茶市場的良性競爭。為提高抹茶品質(zhì)，快速檢測抹茶成分和定性抹茶真?zhèn)蔚难芯匡@得尤為重要。傳統(tǒng)的抹茶成分檢測主要是化學分析檢測，用化學檢測來檢驗?zāi)ú璧闹饕笜耍核?、茶多酚、氨基酸、灰分、粗纖維、咖啡堿、葉綠素等[4-5]。傳統(tǒng)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(zhì)要求很高，無法實現(xiàn)在抹茶生產(chǎn)及流通過程中對抹茶品質(zhì)進行實時監(jiān)控。而近紅外光譜作為一種新興技術(shù)，通過提取物質(zhì)的全光譜信息，借助數(shù)學方法建立能充分反映全譜區(qū)光譜特征與物質(zhì)品質(zhì)專有屬性關(guān)系的數(shù)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(jié)果客觀以及快速簡便等優(yōu)點，能滿足生產(chǎn)上對抹茶產(chǎn)品進行實時檢測的需求。

1 抹茶的加工技術(shù)

在浙江、貴州的幾處茶廠已形成較為成熟的現(xiàn)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(fù)烘→莖葉分離→裝袋。而在抹茶的精加工環(huán)節(jié)，進廠時的原料稱之為碾茶，此時碾茶經(jīng)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(xiàn)代抹茶。其中，殺青、干燥、粉碎是抹茶加工工藝中的三個關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 抹茶的殺青

茶葉殺青是茶葉加工和品質(zhì)形成的關(guān)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(zhì)部分散失，茶香顯現(xiàn)，為抹茶品質(zhì)和下一步工序奠定基礎(chǔ)[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(fā)，阻斷茶葉發(fā)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(nèi)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(jié)能的新型茶葉殺青技術(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)[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(zhì)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(fā)生器產(chǎn)生的高溫蒸汽來對鮮葉進行殺青，而后經(jīng)揉捻、干燥。研究發(fā)現(xiàn)[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(zhì)的含量。且蒸汽殺青所制抹茶具有較好的感官品質(zhì)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(yǎng)物質(zhì)和香氣物質(zhì)，可以作為提高抹茶品質(zhì)的加工措施。

綜上，經(jīng)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(yǎng)物質(zhì)的流失，能最好地保證抹茶的品質(zhì)，是現(xiàn)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(fā)出茶葉香味的一道工序，它能散發(fā)去青臭氣，進一步提高和發(fā)展抹茶的香氣。經(jīng)統(tǒng)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(chǎn)成本低且無異味等優(yōu)點。研究發(fā)現(xiàn)[13]，熱風干燥加工條件下制得的超微茶粉，其多酚類物質(zhì)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(shù)是利用水吸收大部微波能量的原理，微波對其內(nèi)部水分進行加熱并將水分進行蒸發(fā)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(shù)，微波干燥具有升溫快、熱效率高、易于操作等優(yōu)點，但微波干燥的綠茶較傳統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)將真空干燥室內(nèi)所產(chǎn)生的水蒸氣及時抽出，來實現(xiàn)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(yōu)綠茶優(yōu)于傳統(tǒng)熱風干燥[15-16]。且與傳統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)在品質(zhì)的提升，低溫真空干燥技術(shù)優(yōu)勢明顯。

1.3 抹茶的粉碎

抹茶的國家標準（GB/T 34778—2017）規(guī)定，抹茶粒度指標D60≤18 μm，因此必須經(jīng)過研磨粉碎處理。為適應(yīng)現(xiàn)代規(guī)?；a(chǎn)業(yè)的需要，研發(fā)出了一些新型的超微粉碎技術(shù)。目前抹茶的研磨粉碎技術(shù)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(chǎn)生劇烈的沖擊、碰撞和摩擦等作用力，從而實現(xiàn)對物料的粉碎。球磨粉碎的原理是將原料與球磨介質(zhì)一起裝入高能球磨機中進行機械研磨，原料不斷經(jīng)歷磨球的碰撞、擠壓而反復(fù)變形與斷裂，最終形成超細粉體。電動石磨主要是傳統(tǒng)石磨原理，轉(zhuǎn)子采用變頻電機帶動，轉(zhuǎn)速可在設(shè)定范圍內(nèi)勻速運轉(zhuǎn)，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(shù)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(chǎn)抹茶，相同條件下抹茶中色澤、香氣、滋味均優(yōu)于其他方式，現(xiàn)階段我國抹茶加工企業(yè)大多采用球磨方式加工抹茶，球磨加工抹茶的品質(zhì)也相對較高。

2 國內(nèi)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(shù)是近年來發(fā)展較快的一種綠色、無污染、快速、無損檢測技術(shù)，其被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品、食品領(lǐng)域和茶葉的品質(zhì)檢測分析。近紅外光譜技術(shù)在食品真?zhèn)螕郊倥袆e上得到廣泛應(yīng)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(shù)的優(yōu)點主要有以下幾個：一是能夠分析的對象數(shù)量較多、涵蓋門類較多；二是在分析前樣品不需要進行復(fù)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(huán)境污染較小。NIRS技術(shù)使用方便、對環(huán)境污染小、檢測速度快、效率高，在農(nóng)業(yè)[26]、食品、石油化工[27]、醫(yī)學，天體科學[28]等領(lǐng)域中得到非常廣泛的應(yīng)用。

2.2 近紅外光譜（NIRS）在抹茶加工工藝的研究現(xiàn)狀

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

寧井銘等[29]基于近紅外光譜技術(shù)，設(shè)計了殺青自動化控制生產(chǎn)線。利用紅外光譜技術(shù)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(diào)節(jié)投葉量或滾筒轉(zhuǎn)速，從而保證鮮葉殺勻殺透。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測技術(shù)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(nèi)。

在干燥方面，水分含量是衡量茶葉干燥過程中品質(zhì)的最重要因素之一，吳繼忠等[30]采用近紅外光譜分析技術(shù)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(tǒng)采集茶葉干燥過程樣本的光譜，采用標準正態(tài)變量變換（SNV）預(yù)處理光譜；然后，比較應(yīng)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(yīng)加權(quán)抽樣偏最小二乘模型（CARS-PLS）建立模型，采用交互驗證優(yōu)化模型。陳琳等[31]為實現(xiàn)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(shù)在抹茶加工過程中針對影響品質(zhì)的內(nèi)含成分的含量檢測還比較少見。近紅外光譜技術(shù)檢測抹茶加工過程的內(nèi)含成分含量，對茶葉殺青、干燥等過程品質(zhì)的智能化和數(shù)字化監(jiān)測，以及茶葉智能化加工裝備的開發(fā)具有重要意義。

2.3 成品抹茶定性方面的研究現(xiàn)狀

近年來，抹茶工藝技術(shù)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(shù)，包括斯里蘭卡等傳統(tǒng)茶葉生產(chǎn)大國均較少。而日本是最早利用NIRS技術(shù)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(shù)在茶葉產(chǎn)地、真?zhèn)舞b別等定性分析方面的研究較少。

在國內(nèi)，茶葉的種類繁多，所以NIRS技術(shù)在茶葉的產(chǎn)地、等級[32]、種類、年份和真?zhèn)舞b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(shù)據(jù)描述模式識別來識別四國紅茶，精準地鑒別了茶葉的產(chǎn)地。彭清維等[34]基于近紅外光譜技術(shù)討論了3種不同特征波長和全波段數(shù)據(jù)的4種翠芽等級判別模型。對比4種模型建模結(jié)果，4種模型均取得了很好的預(yù)測效果，預(yù)測集相關(guān)系數(shù)均達到0.93以上。結(jié)果表明，利用可見光近紅外光譜技術(shù)能夠快速、準確、無損地對湄潭翠芽等級進行區(qū)分。Chen等[35]運用NIRS技術(shù)結(jié)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(xiàn)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(yù)測精度；Zhao等[36]運用NIRS技術(shù)與支持向量機（SVM）結(jié)合，達到了3種不同種類茶葉的品質(zhì)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(chǎn)地復(fù)雜，給抹茶的定性研究有著極大的可行性，特別是抹茶真?zhèn)蔚蔫b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(shù)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(jié)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(jié)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(xiàn)狀

近年來，在定量檢測方面，國內(nèi)NIRS技術(shù)應(yīng)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(zhì)評價的研究等。與國外的技術(shù)檢測手段及技術(shù)正在逐步縮小，這有利于未來將近紅外技術(shù)大規(guī)模地投入現(xiàn)代化工廠中使用，使得工廠的操作更加智能化，品質(zhì)控制更加系統(tǒng)化。

白曉麗等[40]以隨機抽取的42個市售速溶茶產(chǎn)品為研究對象，采用近紅外光譜分析技術(shù)并結(jié)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(jié)果證實該方法準確可靠，可以快速有效估測茶的內(nèi)含成分。

同時，更多的研究已經(jīng)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(zhì)成分檢測方面提供了先導(dǎo)，讓抹茶定量方面的研究更加簡單便捷。

日本也已經(jīng)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(guān)系到抹茶最終成品的色澤，其余成分的研究也對抹茶品質(zhì)的提升尤為重要。但國內(nèi)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(yīng)當將這些成分當作抹茶的重點，合理系統(tǒng)地運用近紅外定量分析來提升抹茶的品質(zhì)。

3 展望及結(jié)語

通過在省級范圍內(nèi)選擇多個地理、氣候特征有代表性的區(qū)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(xiàn)階段面臨的問題

在抹茶的覆蓋栽培上不夠全面與系統(tǒng)，許多茶葉場地無法形成區(qū)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(zhì)，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(zhì)不一。

3.2 抹茶加工過程中近紅外快速在線檢測

國內(nèi)外對茶葉品質(zhì)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(yè)評審人員通過一定的評茶程序?qū)Σ枞~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(zhì)的優(yōu)次，這依賴于審評人員感官評審技術(shù)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(huán)境等外界因素的干擾，影響評判結(jié)果的客觀性和公正性。常規(guī)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(mào)易、儲存現(xiàn)場的快速檢測要求。

通過對貴州省抹茶生產(chǎn)加工過程進行風險識別，根據(jù)風險實際情況和國際市場要求，參照國際、國內(nèi)標準，確認抹茶生產(chǎn)的風險關(guān)鍵控制點，針對不同的關(guān)鍵點制訂相應(yīng)控制規(guī)程和標準，完善抹茶生產(chǎn)質(zhì)量控制體系構(gòu)建；同時對抹茶關(guān)鍵控制指標的紅外快速檢測技術(shù)進行研究，實現(xiàn)抹茶品質(zhì)的在線控制。

3.3 基于多規(guī)則多因素約束的抹茶智能化拼配

將不同來源、不同產(chǎn)地的抹茶原料通過現(xiàn)代近紅外檢測技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合，基于多規(guī)則和多因素約束的拼配類規(guī)劃模型，也就是基于抹茶不同的產(chǎn)地、等級、外形、色澤、滋味，結(jié)合抹茶的內(nèi)含物質(zhì)等級標準，形成支持多目標導(dǎo)向的智能拼配系統(tǒng)，可根據(jù)企業(yè)市場需求動態(tài)形成拼配配方，確保抹茶產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性與一致性。

希望通過這種大數(shù)據(jù)的管理模式以及近紅外抹茶在線檢測，構(gòu)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(zhì)，這將急劇加速未來抹茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。