基于氣味在線(xiàn)檢測(cè)的綠茶鍋式殺青系統(tǒng)研究

蔣建軍 李臻峰,2 宋飛虎,2

(1. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

中國(guó)是全球最大的產(chǎn)茶國(guó)，綠茶遠(yuǎn)銷(xiāo)200多個(gè)國(guó)家。綠茶中含有茶多酚和氨基酸等物質(zhì)，常喝對(duì)身體有益[1-3]。殺青是通過(guò)高溫鈍化氧化酶活性，防止多酚類(lèi)物質(zhì)被氧化導(dǎo)致綠茶變紅、散發(fā)青臭氣，同時(shí)蒸發(fā)水分、使綠茶變軟，為揉捻創(chuàng)造條件[4]。人工炒茶時(shí)綠茶香氣的判別主要依靠嗅覺(jué)，這會(huì)受感官靈敏度的影響，一致性較差，不適合大量生產(chǎn)，因此需要引進(jìn)一種定量的自動(dòng)化氣味檢測(cè)儀器代替人工嗅覺(jué)[5]。

PEN3電子鼻是一種由功能各異的化學(xué)傳感器陣列識(shí)別氣味的儀器，被廣泛運(yùn)用于食品工業(yè)。Wen等[6]利用PEN3電子鼻對(duì)六寶茶干茶和濕茶進(jìn)行測(cè)定并建立預(yù)測(cè)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)判別準(zhǔn)確率達(dá)90%。Qin等[7]利用PEN3電子鼻對(duì)不同品質(zhì)的綠茶和紅茶進(jìn)行識(shí)別研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PEN3電子鼻能快速區(qū)分不同茶葉的品質(zhì)差異。Wu等[8]利用PEN3電子鼻采集不同成熟度油桃的氣味并成功進(jìn)行區(qū)分。然而，上述研究均未能將PEN3電子鼻用于綠茶加工過(guò)程，尤其是殺青過(guò)程中的在線(xiàn)檢測(cè)以及基于檢測(cè)結(jié)果的反饋控制當(dāng)中。

研究擬在不同殺青溫度條件下，利用PEN3電子鼻在線(xiàn)檢測(cè)綠茶殺青過(guò)程中的氣味，并對(duì)各傳感器響應(yīng)值進(jìn)行分析，選取代表氧化反應(yīng)揮發(fā)物和香氣揮發(fā)物的兩個(gè)傳感器傳感器6和傳感器9來(lái)探究溫度對(duì)殺青過(guò)程中氣味的影響，并將品質(zhì)作為定量依據(jù)，再通過(guò)階段變溫來(lái)進(jìn)行殺青過(guò)程的優(yōu)化控制，旨在探究電子鼻在線(xiàn)檢測(cè)的可行性，并通過(guò)電子鼻來(lái)反饋控制殺青過(guò)程以達(dá)到優(yōu)化殺青方式的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

綠茶鮮葉：綠茶濕基含水率(75.0±0.4)%(烘干法，105 ℃烘干至質(zhì)量恒定)，試驗(yàn)前綠茶冷藏于(4±1) ℃冰箱中，浙江省溫州市。

1.1.2 試劑

磷酸鹽緩沖液：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

磷酸二氫鉀：分析純，上海泰坦科技股份有限公司；

沒(méi)食子酸溶液：分析純，山東優(yōu)索化工科技有限公司。

1.1.3 儀器與設(shè)備

電子秤：ES5000型，精度范圍±0.000 1 g，永康市艾瑞貿(mào)易有限公司；

熱電偶：k型，精度范圍±5 ℃，浙江源煌電氣科技有限公司；

非接觸式在線(xiàn)紅外測(cè)溫儀：ASCD-01A型，精度范圍±1 ℃，杭州米科傳感技術(shù)有限公司；

微型氣泵：JH12-65型，螞蟻電子商務(wù)有限公司；

電子鼻：PEN3型，德國(guó)AIRSENSE公司；

紫外分光光度計(jì)：UV-1800型，日本島津公司；

綠茶鍋式殺青系統(tǒng)(如圖1所示)：系統(tǒng)包含在線(xiàn)氣味檢測(cè)部分、溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制部分、翻炒速度控制部分、上位機(jī)控制4大部分。在線(xiàn)氣味檢測(cè)部分包括PEN3電子鼻、微型氣泵、集氣瓶和冷凝裝置。PEN3電子鼻主要是通過(guò)待揮發(fā)性氣味與相應(yīng)傳感器接觸，使傳感器響應(yīng)值發(fā)生變化，相應(yīng)的10個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的敏感物質(zhì)類(lèi)型如表1所示。溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制部分包括熱電偶、非接觸式在線(xiàn)紅外測(cè)溫儀、電熱絲盤(pán)和風(fēng)扇，殺青時(shí)熱電偶會(huì)將鍋溫，非接觸式在線(xiàn)紅外測(cè)溫儀會(huì)將葉溫實(shí)時(shí)輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，設(shè)定溫度后，在Labview軟件中通過(guò)PID反饋調(diào)節(jié)電熱絲盤(pán)功率，并利用風(fēng)扇降溫，實(shí)現(xiàn)殺青鍋鍋溫恒定(±3 ℃)。翻炒速度控制部分包括直流電機(jī)和槳葉，通過(guò)Labview軟件控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)翻炒速度。上位機(jī)控制部分通過(guò)計(jì)算機(jī)向加熱裝置、翻炒裝置發(fā)送控制信號(hào)，來(lái)調(diào)節(jié)加熱裝置輸出功率和直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。

1. 采集卡 2. 微型氣泵 3. 殺青鍋 4. 電機(jī) 5. 非接觸式在線(xiàn)紅外測(cè)溫儀 6. 機(jī)械炒手 7. 熱電偶 8. 鍋蓋 9. 計(jì)算機(jī) 10. 集氣瓶 11. 電子鼻(PEN3) 12. 集氣瓶 13. 冷凝裝置 14. 晶閘管 15. 支架 16. 電熱絲盤(pán) 17. 風(fēng)扇

表1 PEN3電子鼻所用傳感器及其性能描述

1.2 試驗(yàn)方法

基于氣味在線(xiàn)檢測(cè)的綠茶鍋式殺青試驗(yàn)系統(tǒng)選用的微型氣泵氣流量是3 L/min，殺青方案如表2所示，每次試驗(yàn)取(80±1) g綠茶鮮葉。先將綠茶鮮葉進(jìn)行攤青(即將綠茶鮮葉放在清潔的竹匾上，置于干凈通風(fēng)無(wú)異味的環(huán)境下，攤放6 h)，然后進(jìn)行殺青，直到濕基含水率約55%時(shí)結(jié)束，再將殺青后的綠茶在同等條件下進(jìn)行揉捻、干燥，制成成品茶，對(duì)其進(jìn)行品質(zhì)分析，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

表2 基于氣味在線(xiàn)檢測(cè)的綠茶鍋式殺青試驗(yàn)方案?

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

1.3.1 氣味檢測(cè) 通過(guò)PEN3電子鼻分析殺青過(guò)程中的氣味，選取傳感器趨于穩(wěn)定時(shí)期即25 s后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[9]。

1.3.2 GC-MS分析 參照文獻(xiàn)[10]。

1.3.3 化學(xué)品質(zhì)測(cè)定

(1) 茶多酚含量：參照文獻(xiàn)[11]。

(2) 氨基酸含量：參照文獻(xiàn)[12]。

(3) 酚氨比：參照文獻(xiàn)[13]。

(4) 氧化酶活性：參照文獻(xiàn)[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同翻炒速度條件下的殺青過(guò)程

利用PEN3電子鼻在線(xiàn)檢測(cè)綠茶殺青過(guò)程中的氣味，由于PEN3型電子鼻的主要原理是待揮發(fā)性物質(zhì)與相應(yīng)類(lèi)型的傳感器接觸時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率以及揮發(fā)性氣味物質(zhì)的含量和種類(lèi)發(fā)生不同程度的改變，其響應(yīng)值會(huì)偏離于1，如果沒(méi)有感應(yīng)氣體或者感應(yīng)氣體的濃度值低于檢測(cè)值，則檢測(cè)結(jié)果會(huì)接近甚至等于1。殺青過(guò)程中，PEN3電子鼻傳感器6和傳感器9偏離1且數(shù)值較大，因此重點(diǎn)對(duì)傳感器6和傳感器9進(jìn)行分析。圖2為鍋溫恒定為180 ℃，翻炒速度分別為15，25，35 r/min時(shí)，PEN3電子鼻傳感器6和傳感器9響應(yīng)值變化曲線(xiàn)圖。鍋溫相同，翻炒速度越慢，殺青鍋內(nèi)空氣流速越慢，不利于氣味散發(fā)；翻炒速度越快，殺青鍋內(nèi)空氣流速越快，越有利于氣味散發(fā)，但翻炒速度越快，綠茶被拋射后著陸點(diǎn)越集中，不利于綠茶迅速升溫，且翻炒速度越快對(duì)氣味的影響力度越小。因此，選取25 r/min作為最佳翻炒速度，與何磊等[15]所研究一致。

2.2 溫度均勻連續(xù)可控性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

基于氣味在線(xiàn)檢測(cè)的綠茶鍋式殺青系統(tǒng)是通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)電熱絲盤(pán)的加熱功率以及風(fēng)扇降溫的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制的。試驗(yàn)開(kāi)始前先標(biāo)定k型熱電偶和非接觸式在線(xiàn)紅外測(cè)溫儀，并在Labview中調(diào)試得到PID自整定控制參數(shù)(0.073，14.028，2.806)。k型熱電偶貼于鍋壁，實(shí)時(shí)測(cè)量鍋溫；非接觸式在線(xiàn)紅外測(cè)溫儀置于鍋蓋上，實(shí)時(shí)測(cè)量葉溫。通過(guò)晶閘管，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)與電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換，不斷調(diào)整輸出電壓信號(hào)(0～5 V)，加熱殺青鍋，當(dāng)溫度高于設(shè)定值5 ℃時(shí)，利用Labview控制風(fēng)扇降溫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋溫和葉溫的實(shí)時(shí)控制。圖3為殺青溫度控制效果圖，溫度波動(dòng)范圍±8 ℃，控制效果良好。

2.3 不同殺青溫度條件下電子鼻傳感器響應(yīng)值變化

應(yīng)用PEN3電子鼻對(duì)綠茶殺青過(guò)程中的氣味檢測(cè)過(guò)程中，傳感器6和傳感器9響應(yīng)值較大。圖4為不同殺青溫度條件下傳感器6響應(yīng)值變化曲線(xiàn)圖。鍋溫為160，180，200 ℃時(shí)，傳感器6響應(yīng)值的最大值分別為160 ℃>200 ℃>180 ℃，殺青時(shí)長(zhǎng)分別為270，245，210 s。

電子鼻傳感器響應(yīng)值變化基本遵循兩段式：上升階段和下降階段[16]。由于每組試驗(yàn)電子鼻傳感器響應(yīng)值都是先上升后下降的，說(shuō)明在殺青過(guò)程中綠茶揮發(fā)性氣味也是先增加后減少的，因此取傳感器響應(yīng)值最大值前后的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)以及最大值點(diǎn)分別進(jìn)行GC-MS分析，如表3 所示，綠茶殺青后的效果圖如圖5所示。

鍋溫為160 ℃時(shí)，綠茶中氧化酶活性較高，會(huì)將茶多酚氧化生成2,6-二叔丁基苯醌，葉片變紅，此外，綠茶中的糖類(lèi)、氨基酸和不飽和脂肪酸會(huì)在氧化酶的作用下生成呋喃類(lèi)等危害物質(zhì)，如2-[(2R，5R)-5-甲基-5-乙烯基四氫呋喃-2-基]丙-2-醇和3-甲基呋喃；綠茶中的亞麻酸和亞油酸還會(huì)在氧化酶的作用下生成含C6或者C9的醛、醇類(lèi)物質(zhì)如(Z)-14-甲基-8-十六碳烯-1-縮醛、3-甲基-1,2-環(huán)戊烷二醇、壬醛和反式-3-己烯-1-醇[17]。鍋溫為200 ℃時(shí)，溫度越高，非酶促反應(yīng)增強(qiáng)，綠茶中的氨基酸、糖類(lèi)和維生素被氧化分解生成呋喃、醛類(lèi)物質(zhì)，如順-Alpha,Alpha-5-三甲基-5-乙烯基四氫化呋喃-2-甲醇。對(duì)比電子鼻傳感器響應(yīng)值最大值出現(xiàn)前后的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)以及最大值點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，電子鼻傳感器響應(yīng)值到達(dá)最大值之前，酶促和非酶促等氧化反應(yīng)能力均較強(qiáng)，氧化反應(yīng)生成物較多；電子鼻傳感器響應(yīng)值達(dá)到最大值時(shí)，酶促和非酶促等氧化反應(yīng)能力均達(dá)到最強(qiáng)，氧化反應(yīng)生成物最多；電子鼻傳感器響應(yīng)值到達(dá)最大值之后，酶促和非酶促等氧化反應(yīng)能力均減弱，氧化反應(yīng)生成物減少。所以傳感器6可以命名為氧化反應(yīng)指示傳感器[18]。

圖2 不同翻炒速度條件下電子鼻傳感器響應(yīng)值變化曲線(xiàn)

圖3 殺青溫度控制效果圖

圖4 不同殺青溫度條件下的傳感器6響應(yīng)值變化曲線(xiàn)

圖5 不同殺青溫度條件下的殺青效果圖

表3 不同殺青溫度條件下的甲基類(lèi)代表成分

圖6為不同殺青溫度條件下傳感器9響應(yīng)值變化曲線(xiàn)圖，傳感器9響應(yīng)值最大值分別為200 ℃>180 ℃>160 ℃，殺青溫度越高，傳感器9響應(yīng)值越大，響應(yīng)值曲線(xiàn)越陡峭。

如表4所示，殺青過(guò)程中，隨著溫度的升高，綠茶中的青草味物質(zhì)和天然的油脂如葉醇、水楊酸甲酯和甲酸庚酯消失，良好的芳香型物質(zhì)如反式橙花叔醇、芳樟醇、β-紫羅蘭酮和BETA-環(huán)檸檬醛增多[19]。但殺青溫度過(guò)高，氨基酸和糖類(lèi)在高溫下脫水，羰氨縮合和降解生成吡嗪類(lèi)物質(zhì)如2-甲氧基-3-異丁基吡嗪和(1E)-3,3-二甲基-1-(3-硝基苯基)-1-三嗪以及糖醛類(lèi)衍生物如苯己醛，并產(chǎn)生焦邊、焦葉，不符合殺青要求[20]。對(duì)比電子鼻傳感器響應(yīng)值最大值出現(xiàn)的前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)以及最大值點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，電子鼻傳感器響應(yīng)值到達(dá)最大值之前，綠茶中的青草味和天然的油脂較多；電子鼻傳感器響應(yīng)值達(dá)到最大值時(shí)，青草味減少，香氣逸散嚴(yán)重；電子鼻傳感器響應(yīng)值到達(dá)最大值之后，青草味基本消失，但溫度過(guò)高，不利于香氣的保留，所以傳感器9可以命名為香氣指示傳感器。

圖6 不同殺青溫度條件下的傳感器9響應(yīng)值變化曲線(xiàn)

2.4 階段變溫分析

綠茶殺青時(shí)講究“高溫殺青，先高后低”的原則。恒溫殺青，效果較差，因此需要通過(guò)階段變溫來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。殺青初期需要通過(guò)高溫鈍化氧化酶活性，但是長(zhǎng)時(shí)間高溫容易產(chǎn)生焦邊、焦葉，也不利于香氣的保留，因此需要降低溫度[21]。

圖7為階段變溫條件下的氧化反應(yīng)指示傳感器響應(yīng)值變化曲線(xiàn)。由圖7可知，電子鼻傳感器響應(yīng)值曲線(xiàn)均是先上升后下降的，說(shuō)明殺青過(guò)程中酶活性隨時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后減少。階段變溫試驗(yàn)中，由于不能確定揮發(fā)性氣味最大值出現(xiàn)的時(shí)間，所以當(dāng)氧化反應(yīng)指示傳感器響應(yīng)值先增再減時(shí)立刻變溫，分別對(duì)溫度進(jìn)行降20 ℃和40 ℃處理，發(fā)現(xiàn)氧化反應(yīng)指示傳感器響應(yīng)值降低，且溫度下降越多，氧化反應(yīng)指示傳感器響應(yīng)值越低，品質(zhì)越好。

表4 不同殺青溫度條件下的芳香類(lèi)代表成分

圖7 階段變溫條件下氧化反應(yīng)指示傳感器響應(yīng)值變化曲線(xiàn)

圖8為階段變溫條件下的香氣指示傳感器響應(yīng)值變化曲線(xiàn)。殺青過(guò)程中，香氣指示傳感器響應(yīng)值先增大后減小。香氣揮發(fā)值也是先上升后下降的，階段變溫可以有效降低香氣指示傳感器響應(yīng)值，減少香氣揮發(fā)。

2.5 不同殺青方案殺青后綠茶化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)

茶多酚與氨基酸是決定綠茶品質(zhì)的重要物質(zhì)，酚氨比低的綠茶滋味更鮮爽。如表5所示，溫度越高，茶多酚含量越低，這是由于兒茶素在高溫條件下發(fā)生裂解反應(yīng)[22]。而氨基酸含量是先增后減的，這是由于溫度低時(shí)，蛋白質(zhì)降解生成氨基酸，隨著殺青溫度的升高，氨基酸的氧化還原反應(yīng)增強(qiáng)，含量下降[23]。因此，鍋溫從160 ℃變化到200 ℃的過(guò)程中，綠茶中的茶多酚含量從16.49%降低到15.74%，氨基酸含量從1.46%先增加到2.25%再降低到1.81%。

氧化酶活性越高，茶多酚等物質(zhì)越易被氧化，因此需要高溫鈍化氧化酶活性，如表5所示，溫度越高，氧化酶活性越低，茶多酚和氨基酸等物質(zhì)越容易被保留[24]。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鍋溫先升到180 ℃，再降到140 ℃時(shí)，品質(zhì)最佳且滋味最鮮爽，此時(shí)茶多酚和氨基酸分別為20.85%和3.66%，酚氨比為5.85，氧化酶活性為5.19 U/mL。

由于殺青是綠茶加工的一個(gè)步驟，殺青后的綠茶屬于非成品茶，因此，試驗(yàn)并未對(duì)由180 ℃降低到140 ℃時(shí)殺青后的綠茶香氣進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。但是將最能代表綠茶品質(zhì)因素茶多酚、氨基酸以及酚氨比作為定量依據(jù)，通過(guò)階段變溫的確有效地抑制了氧化酶活性，使得茶多酚和氨基酸等物質(zhì)更好地保留下來(lái)，氨酚比較低，而氨酚比低綠茶泡水后感官較優(yōu)[25]。

3 結(jié)果

鍋溫為160，180，200 ℃時(shí)利用PEN3電子鼻在線(xiàn)檢測(cè)殺青過(guò)程中的氣味。通過(guò)PEN3電子鼻傳感器響應(yīng)值曲線(xiàn)變化發(fā)現(xiàn)，殺青溫度越低，酶促氧化反應(yīng)越強(qiáng)，葉片變紅，不利于茶多酚等物質(zhì)保留；殺青溫度越高，不利于香氣的保留，且綠茶容易產(chǎn)生焦邊、焦葉。

殺青過(guò)程始終保持同一溫度，無(wú)法兼顧前期滅酶及中后期減少香氣消散的需求，因此，前期在電子鼻傳感器響應(yīng)值上升階段，先迅速升高溫度，盡可能多地鈍化氧化酶活性，使茶多酚和氨基酸等物質(zhì)更多地保留下來(lái)；中后期在電子鼻傳感器響應(yīng)值下降階段，適當(dāng)降低溫度，保留香氣，防止焦糊。綜合來(lái)看，殺青前期先將鍋溫升到180 ℃，中后期再降低到140 ℃，既能夠盡可能多地鈍化氧化酶活性，又能有效保留茶多酚和氨基酸，降低氨酚比，品質(zhì)最佳。此時(shí)茶多酚和氨基酸分別為20.85%和3.66%，酚氨比為5.85，氧化酶活性為5.19 U/mL。證實(shí)了基于氣味在線(xiàn)檢測(cè)的綠茶鍋式殺青系統(tǒng)的可行性，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可用于實(shí)時(shí)檢測(cè)殺青過(guò)程中的揮發(fā)性氣味，并準(zhǔn)確地根據(jù)揮發(fā)性氣味的變化規(guī)律作出反饋控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，高品質(zhì)的殺青處理。

圖8 階段變溫條件下香氣指示傳感器響應(yīng)值變化曲線(xiàn)

表5 不同殺青溫度條件下的綠茶化學(xué)品質(zhì)分析結(jié)果?