催化式红外杀青对绿茶热风干燥的影响

（1.江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江 212013；2.美国农业部西部研究中心，美国加利福尼亚奥尔巴尼 94710；
3.美国加州大学戴维斯分校生物与农业工程系，美国加利福尼亚戴维斯 95616）

摘要：以镇江金山翠芽绿茶鲜叶为原料，以蒸汽杀青为对照，研究红外杀青对茶叶品质的影响，对杀青后茶叶进行不同温度热风干燥得到茶叶成品。考察茶叶中多酚氧化酶（polyphenol o xidase，PPO）含量、VC保留率、茶多酚含量以及感官审评分等指标的变化，建立一种催化式红外杀青联合热风干燥的绿茶加工技术。最优杀青干燥工艺条件为：红外辐照距离20 cm杀青150 s，经揉捻作形后，热风干燥温度70 ℃、干燥40 min。实验结果建立了红外杀青过程中PPO钝化动力学模型和干燥过程中水分干燥动力学模型，可为杀青干燥过程预测提供理论参考。

关键词：茶叶；红外杀青；热风干燥；多酚氧化酶；茶多酚

茶叶含有多种人体必需的、具有较高营养价值、药效作用和保健功能的成分，饮茶有益于身体健康[1-2]。我国绿茶产量占茶叶总产量的75%左右，而杀青和干燥工序是绿茶加工和品质形成的关键工序。茶叶杀青是利用高温将茶鲜叶中影响品质的酶的活性钝化、蒸发部分水分和低沸点的物质使其部分散失，初步显现出茶叶的香味，为茶叶的近一步加工奠定基础[3-6]。茶叶干燥是杀青成形后，除去茶叶中剩余的水分，同时激发出茶叶香味的最后一道工序。因此，茶叶的杀青和干燥是影响茶叶品质的至关重要的因素。

目前茶叶杀青工艺主要为滚筒杀青和汽热杀青为主。滚筒杀青是通过不断翻炒，同时产生热蒸汽来进行杀青处理。滚筒杀青过程中，茶叶直接与筒壁接触，存在受热不均匀现象，并且对技术要求较高，大规模推广生产有较大难度[7-9]；汽热杀青近年来得到较快推广，它是以蒸汽杀青为主，后续配套热风脱水干燥，干茶、茶汤和叶底色泽较绿[8,10-11]。但此方法也存在茶叶香气不够浓郁、工艺繁琐等缺点。

传统的茶叶干燥方式为锅炒干燥和热风干燥[12-13]。锅炒干燥是炒青绿茶特有的干燥、作形工序，通常采取烘、炒、滚3 种干燥方式组合进行[14-15]。但锅炒干燥存在难以把控加工温度、茶叶成品品质参差不齐等缺点。热风干燥的介质为空气，通过吸湿-解湿平衡原理对物料进行脱水干燥。较其他茶叶干燥方法而言，热风干燥具有与物料接触面积大、热量交换充分、干燥效率高、生产成本低且无异味等优点，是名优茶常用的干燥方式[16]。

红外技术是一项颇具潜力的新型加工技术，具有快速、高效等特点，并且红外加热不需要传递介质，有效避免传统接触式杀青不均匀的缺点。同时红外技术还具有高能量利用效率和过程效率，提高最终产品的品质等优势。本研究采用的催化式红外（catalytic infrared，CIR）设备，红外辐射能量是由天然气或液化气在催化剂的作用下与氧气发生的氧化反应产生，该设备的原理是指红外板内部催化式发射器在铂催化剂作用下氧化天然气，产生峰值波长在3～10 μm远红外辐射，这符合水的3 个红外吸收峰值范围，从而使高水分含量的食品快速加热并使水分去除[17]。红外能量是由天然气直接转换而来，提高了设备的能源利用率，是非常节能的一种新型技术。目前，催化式红外干法杀青技术已成功应用于多种蔬菜、水果的杀青干燥工艺中[17-22]。然而，利用红外技术对茶叶进行杀青的报道还较少见。

为解决茶叶杀青干燥技术存在的问题，本研究采用催化式红外技术对新鲜绿茶进行杀青处理，采用热风干燥技术对杀青后绿茶进行干燥，旨在得到一种环保无污染、产品质量好、能耗低、处理时间短的绿茶加工方法。同时对红外杀青及热风干燥过程中酶灭活动力学和水分干燥动力学进行研究，为绿茶杀青干燥工业化生产提供技术和理论支持。

1 材料与方法

实验材料为镇江市官塘桥的金山翠芽茶鲜叶，湿基含水率为77%。鲜叶采摘后置于4 ℃冰箱冷藏，杀青前取出，于阴凉避光处静置15 min。

醋酸缓冲溶液（pH 4.5）、3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙盐酸盐水合物（3-methyl-2-benzothiazole hydrazone，MBTH）、3,4-二羟基肉桂酸（dehydrodiconiferyl alcohol，DHCA）、没食子酸、福林-酚、7.5%碳酸钠溶液、1%草酸溶液、0.02% 2,6-二氯酚靛酚溶液均为分析纯级国药集团化学试剂有限公司。

BAS2202S天平德国Sartorius公司；TM350+手持式红外测温仪香港Tecmen电子有限公司；分光测色仪美国Hunter Associates Laboratory公司；KA23风速仪日本Kanomax公司；101A-3型电热鼓风干燥箱上海实验仪器厂有限公司；HH-S2 数显恒温水浴锅金坛市医疗仪器厂。

图1 催化式红外干燥机
Fig.1 Schematic of CIR blancher/dehydrator

催化式红外干燥机镇江美博红外科技有限公司（图1）。本研究应用的催化式红外干燥设备由催化式红外发生器（30 cm×60 cm）和干燥室（100 cm×100 cm×60 cm）组成。催化式红外发生器先通过电元件预热15 min，然后通过气体控制阀通入天然气或液化气。当设备达到设定温度后，将样品放在铁丝网制成的样品盘（直径20 cm）中，并置于红外发生器的正下方。干燥过程中样品质量通过天平在线实时记录，并用手持式红外测温仪测定样品的温度。红外发生器表面温度为（385±12） ℃。红外强度由样品盘中间向外逐渐下降。

热风干燥机，江苏大学食品与生物工程学院实验室自制（图2）。本研究所用的热风干燥机是由一个直径为20 cm的圆柱型电加热设备。设备末端有一个风机，中间部分是电阻加热器加热空气。样品放在圆形网状样品盘中置于圆柱型管道顶部进行加热处理。每5～10 min，将样品快速取出用天平进行质量测定。干燥过程中热空气温度由T型热电偶进行测定。通过“开”和“关”按键，对电加热系统进行周期性的自动控制。整个处理过程中，热空气速率始终保持在0.5 m/s由风速仪测得。

红外杀青：将茶鲜叶放入红外杀青装置中，分别将红外辐照距离调节为15、20、25 cm进行杀青处理，杀青时间为0、30、60、90、120、150、180、210 s（不同红外辐照距离，杀青时间不同，多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）活力残留率10%为杀青终点）；每批实验茶鲜叶的初始质量保持一致。

蒸汽杀青：在100 ℃蒸汽条件下分别将茶叶杀青0、1、2、3 min；每批实验茶鲜叶的初始质量保持一致。1.3.2 干燥实验

将杀青完成的茶叶揉捻做形，放入热风干燥设备中，分别在60、70、80 ℃的温度条件下进行干燥，每隔5 min将托盘拿出进行称质量，当干燥后的茶叶前后质量变化小于0.1 g时停止加热。最后测定成品茶叶中的茶多酚和VC含量，并进行感官评定，综合上述条件优选茶叶干燥工艺参数。

样品的制浆[23]：取样品10 g与蒸馏水以1∶10（m/m）的比例放入制浆机中进行制浆，然后混合浆液通过棉纱布进行过滤，在离心机中以10 000 r/min的速率离心20 min，上清液测定PPO活力。

PPO活力测定[24]：在10 mL的试管中加入下列溶液：3 mL 0.1 mol/L醋酸盐缓冲液（pH值为4.5），1 mL 2.5 mmol/L的MBTH和1 mL 25.0 mmol/L的DHCA，然后再加上2 mL的原浆液，强力混匀。随后转移至4 mL的比色皿中，用分光光度计测定500 nm波长处吸光度，每30 s记录一次，共计3 min。1 个单位PPO活性被定义为每分钟吸光度增加0.001。

参考GB/T 8313—2008《茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法》[25]，具体步骤如下：用移液管取没食子酸工作液、水（空白对照）以及测试液各2 mL于刻度管内，在每个试管内分别加入2 mL 10%的福林-酚，摇匀。反应3～8 min，加入2 mL 7.5%碳酸钠溶液，加水定容至10 mL，摇匀。室温条件下放置60 min后取2 mL定容液加入8 mL水进行稀释后，在765 nm波长处用分光光度计测定吸光度。

茶叶中VC含量采用化学家学会（association of official analytical chemists，AOAC）2,6-二氯酚靛酚标准滴定法测定[26]。取10 g茶鲜叶或干燥完成后的成品茶叶加入100 mL水放入制浆机中进行制浆，然后混合浆液通过棉纱布进行过滤，在离心机中以5 000 r/min的速率离心15 min，取上层清液2 mL，加入8 mL 1%草酸溶液，用微量滴定管以0.02%的2,6-二氯酚靛酚滴定至淡红色，并保持15 s即为终点。由所用染料的体积计算出T值（平均值），即1 mL染料相当于多少毫克的VC。

按GB/T 23776—2009《茶叶感官审评方法》[27]进行感官分析，取3 g茶样、150 mL沸水、冲泡5 min后评定外形色泽、汤色、香气、滋味和叶底，按每项满分100 分计，总分采用加权法，见公式（1）[28]。

PPO的失活动力学模型采用广泛适用的一级动力学方程表示，如式（2）、（3）所示[19]。

式中：k是反应速率常数/s－1；ln（At/A0）是随时间的线性回归得到的斜率－k；D是递减时间/s。

茶鲜叶的初始含水率通过70 ℃真空烘箱法干燥24 h测定得出。样品红外处理过程中的水分变化曲线采用水分比（moisture ratio，MR）随红外处理时间变化的曲线来表示，其中水分比的计算见式（4）：

式中：MR为水分比；mt为样品在t时刻的质量/g；m0为样品初始时质量/g；me为样品最终质量/g。

许多学者通过实验研究，总结出了一些常用的经验、半经验模型来描述物料干燥情况[17,29]。本研究选择Page模型对催化式红外干燥绿茶干燥曲线进行拟合。模型表达式如下：

模型的精度采用决定系数R2和均方根误差（root mean square error，RMSE）验证。

式中：MRpre,i为模型预测水分比；MRexp,i为实验测得水分比；MRexp为实验测得水分比的平均值；N为实验测得数据组数；n是干燥常数的数目。

2 结果与分析

图3 不同红外辐射距离下绿茶PPO相对残留活性随时间的变化
Fig.3 Residual PPO activity of green tea at different heating times

如图3所示，不同辐照距离条件下处理120～210 s后，茶叶PPO相对残留活性为4.1%～16.0%之间，辐射距离越近，PPO灭活速率越快。随着处理时间的延长，近距离辐射时，PPO灭活速率下降更为显著。但是当辐射距离为15 cm时，茶叶部分被炭化，影响茶叶品质。辐射距离20 cm、处理时间150 s时，PPO相对残留活性为14.3%，继续处理30 s后，PPO相对残留活性为8.3%，下降了6%。当辐射距离为25 cm，处理时间180 s时，PPO相对残留活性为23.6%，继续处理30 s，PPO相对残留活性为16.0%。因此，红外辐射距离对PPO灭活的影响较大，在实际应用中控制辐射距离更重要，即后期杀青实验中选取辐射距离为20 cm。

不同处理条件下，PPO相对残留活性较好地符合一级动力学模型。如表1所示，PPO活力残留实验值与模型拟合值决定系数R2在0.86～0.94之间。随着辐射距离增加，速率常数降低，递减时间延长。递减时间是实验中不同条件下PPO的90%被灭活时所需的处理时间，在91～277 s之间。本研究中得到的模型参数为茶叶红外杀青处理工艺提供了有价值的信息和合理的加工条件。

表1 茶鲜叶PPO灭活的热钝化参数概述
Table1 Thermal inactivation parameters for PPO from green tea

2.2 催化式红外杀青处理对茶鲜叶水分含量的影响及干燥动力学

图4 不同红外辐射距离对茶鲜叶水分比的影响
Fig.4 Moisture contents of green tea at different drying times under various processing conditions

不同辐射距离下茶鲜叶杀青过程中水分比随处理时间变化曲线如图4所示。在相同的辐射源辐射的情况下，距离辐射源越近，茶鲜叶的失水速率越快，例如相同质量的茶鲜叶在干燥时间为120 s的情况下，距离辐射源25 cm的茶叶水分比为0.71左右，距辐射源20 cm的茶叶水分比为0.65左右，距离辐射源15 cm的茶叶水分比为0.54。

图5 不同辐射距离条件下干燥速率曲线
Fig.5 Drying rates of green tea at different moisture contents under various processing conditions

图6 不同辐射距离条件下水分比实测值和模型预测值（Page模型系数
对干燥参数进行线性回归）之间的相关性
Fig.6 Correlation between measured and predicted moisture contents (predicted values from Page model with constants and coeff i cients derived from linear type model)

不同辐射距离条件下茶鲜叶干燥速率变化曲线如图5所示。干燥速率由水分与干物质质量比再同时间的比值表示，在干燥初始阶段，干燥速率随茶叶干基含水率的减少而呈现快速上升的趋势，在达到顶点后，呈逐渐下降的趋势。干燥速率在达到最大值后出现迅速下降的原因是茶叶的水分由内部向表面扩散受到了条件限制。此现象与洋葱、蓝莓和苹果等产品的干燥研究结果类似[17,19-20]。

不同辐射距离条件下的水分比实测值和Page模型预测值的关系曲线如图6所示，所有处理条件下茶叶预测水分含量与实验实测值有较好的拟合性。Page模型（表2所示）能够很好地预测实验中水分变化值（R2＞0.996 7、RMSE值在0.005 0～0.010 5之间）。

表2 绿茶杀青过程中水分干燥模型统计分析结果
Table2 Statistical analysis for the modeling of moisture content against drying time

图7 新鲜、红外杀青、蒸汽杀青茶叶图
Fig.7 Fresh, infrared and steamed green tea

表3 杀青后茶叶品质结果
Table3 Quality of green tea under different fi xation treatments

从图7及表3的审评结果来看（图中均未显示颜色），红外杀青的绿茶外形色泽紧实翠绿初步显现出茶叶独特的茶香味，杀青后茶叶的质地也较为柔软；蒸汽杀青绿茶的外形色泽泛黄且较枯，茶香味较淡，表现最差，说明催化式红外杀青能较好地保持绿茶的外形色泽和香气[30-31]。从茶多酚含量来看，经红外杀青和蒸汽杀青处理的茶叶茶多酚含量均比新鲜茶叶少10%左右。从VC含量来看，红外杀青的茶叶（32.14×10－2mg/mL）比蒸汽杀青的茶叶（26.79×10－2mg/mL）具有更高的VC保留率。综上所述，催化式红外杀青绿茶外形色泽紧实翠绿、茶香明显、VC保留较多，是较为理想的绿茶杀青方式。

2.4 不同热风温度对茶叶水分含量的影响及干燥动力学不同温度条件下茶叶热风干燥水分含量变化曲线如图8所示。红外杀青后经70 ℃热风干燥的茶叶样品所需时间比蒸汽杀青后经70 ℃热风干燥的茶叶样品所需时间更短。此外，同为红外杀青茶叶，热风的温度越高，所需处理时间越短，即失水速率越高。红外杀青后60、70、80 ℃热风干燥和先蒸汽杀青再经70 ℃热风干燥4组实验所需处理时间分别为55、40、25 min和45 min。

图8 不同温度条件下茶叶热风干燥水分含量变化曲线
Fig.8 Moisture contents of green tea at different drying times under various processing conditions

图9 不同温度条件下茶叶干燥速率曲线
Fig.9 Drying rates of green tea at different moisture contents under various processing conditions

不同温度条件下干燥速率曲线如图9所示。所有干燥条件下，随茶叶干基含水率的减少，干燥速率呈现逐渐下降的趋势。热风温度越高，茶叶干燥速率越快。干燥后期，由于茶叶水分含量减少，水分扩散速率变慢，干燥速率最终趋近于0 s－1。

图10 不同温度条件下水分比实测值和模型预测值（Page模型系数对干燥参数进行线性回归）之间的相关性
Fig.10 Correlation between measured and predicted moisture contents (predicted values from Page model with constants and coeff i cients derived from linear type model)

不同温度条件下的水分比实测值和Page模型预测值的关系曲线如图10所示，所有处理条件下茶叶模型预测水分含量与实验实测值有较好的拟合性。Page模型能够很好地预测实验中水分变化值（R2＞0.997 7、RMSE值在0.003 2～0.013 0之间）。

表4 绿茶热风干燥模型统计分析结果
Table4 Statistical analysis for the modeling of moisture content against drying time

表5 干燥后茶叶品质结果
Table5 Chemical quality of the fi nal products

如表5所示，从茶多酚含量来看，红外杀青-热风干燥的茶叶中茶多酚含量均比蒸汽杀青热风干燥的茶叶高。红外杀青后不同温度热风干燥杀青之间茶多酚含量没有显著性差异。从VC含量来看，热风干燥温度越低，VC含量越高；且均高于蒸汽杀青-热风干燥的茶叶。热风干燥温度越高VC含量损失越大。

表6 茶叶成品感官评定结果
Table6 Sensory evaluation of the fi nal products

注：同列肩标不同小写字母代表差异显著（P＜0.05）。

从表6感官评定结果来看，茶叶经红外杀青后，不同温度热风干燥得到干茶叶，从外形、香气、滋味、叶底等各个指标均优于蒸汽杀青热风干燥得到的茶叶。红外杀青不同温度热风干燥得到的茶叶之间审评结果无显著差异。

综合茶叶品质及干燥时间等因素，茶叶经红外杀青后，热风干燥温度70 ℃为较优的干燥工艺参数，在此条件下，干燥时间为40 min，茶多酚保留率为87.01%，VC含量为24.21×10－2mg/mL。

3 结论

催化式红外杀青技术可很好地应用在茶叶的杀青工艺中。红外杀青茶叶具有较高的VC和茶多酚含量，茶叶外形色泽紧实翠绿、茶香明显。得到的红外杀青最优工艺条件为：辐射距离20 cm，杀青时间150 s。在此工艺条件下，茶鲜叶的PPO活力可钝化90%，并且可去除50%左右的水分，在杀青灭酶的同时具有干燥的作用。

经红外杀青热风干燥得到的茶叶产品具有较高的产品质量和较短的干燥时间。热风干燥温度越高，干燥时间越短，但VC含量越低。综合产品质量、感官评定结果和干燥时间等因素得出：红外辐照距离20 cm条件下杀青150 s，经揉捻作形后，热风干燥温度70 ℃条件下干燥40 min，为最优的杀青干燥工艺。

通过对一级动力学模型与杀青实验数据的回归分析得出，一级动力学模型能够很好地预测PPO钝化过程。此动力学模型参数、酶钝化速率常数和递减时间可以对杀青过程进行很好的解释，并提供有价值的参数。通过对Page模型与杀青和干燥过程水分含量实验数据的非线性回归分析得出，Page模型能够很好地预测并描述水分去除过程。

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Fixation and Drying of Green Tea Using Sequential Catalytic Infrared Heating and Hot Air Drying

WU Bengang1, XIAO Mengchao1, LIU Meijuan1, PAN Zhongli1,2,3, MA Haile1,*
(1. School of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;
2. Processed Foods Research Unit, USDA-ARS-WRRC, Albany 94710, USA; 3. Department of Biological and Agricultural Engineering, University of California, Davis 95616, USA)

Abstract：The fi xation and drying characteristics of green tea processed with sequential catalytic infrared (CIR) heating and hot-air (HA) drying were investigated. The effect of CIR fi xation on product quality was compared with that of steaming at 100 ℃. The quality characteristics of green tea were evaluated using polyphenoloxidase (PPO) activity, vitamin C and tea polyphenol contents and sensory evaluation. The best processing conditions were found to be fi xation by CIR heating for 150 s at a distance of 20 cm, followed by sequential rolling and HA drying for 40 min at 70 ℃. A Page model was developed for describing the drying behavior as well as a fi rst-order kinetic model fi t well for describing the PPO inactivation during the process.

Key words：tea; infrared fi xation; hot-air drying; polyphenol oxidase; tea polyphenols

吴本刚, 肖孟超, 刘美娟, 等. 催化式红外杀青对绿茶热风干燥的影响[J]. 食品科学, 2017, 38(9): 126-132. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201709020. http://www.spkx.net.cn

WU Bengang, XIAO Mengchao, LIU Meijuan, et al. Fixation and drying of green tea using sequential catalytic infrared heating and hot air drying[J]. Food Science, 2017, 38(9): 126-132. (in Chinese with English abstract)

基金项目：江苏省自然科学基金青年科学基金项目（20150500）；江苏大学高级人才科研启动基金项目（15JDG070）作者简介：吴本刚（1985—），男，讲师，博士，研究方向为农产品红外加工技术。E-mail：wubg@ujs.edu.cn

*通信作者：马海乐（1963—），男，教授，博士，研究方向为食品物理加工技术。E-mail：mhl@ujs.edu.cn

催化式红外杀青对绿茶热风干燥的影响

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论