自然发酵工夫红茶品质形成与儿茶素氧化动力学分析

红茶为世界上六大基本茶类之一,是世界上茶叶生产、消费、贸易的主要茶类,属全发酵茶,具有较好的营养保健功效和较高的饮用价值。红茶茶性温和,色艳味醇,既可清饮,又可调饮,适合大多数人饮用。工夫红茶是红茶类中的一个品类,分大叶类和中小叶类,其原料相对较嫩,品质色黑、条紧、香浓、汤红、味甜(相对于绿茶),近年来在国内市场受到消费者的青睐。

工夫红茶加工工艺相对其他茶类加工工艺较简单(萎凋-揉捻-发酵-干燥),其中发酵是工夫红茶品质色、香、味形成的核心工艺,其化学反应主要以酶催化的儿茶素氧化反应为主,也是工夫红茶品质调控的关键点和加工工艺研究的热点,因此,有关工夫红茶发酵工艺的研究报导较多,主要集中在红茶发酵与品质的关系[1-6],发酵方法的改进[7-12],以及发酵程度控制的化学判断方法[13-22],和现代化发酵装备的研制[9,23]等方面。而儿茶素作为茶树鲜叶主要有机化合物、茶叶多酚类的主要组分(占多酚总量的70%～80%)以及工夫红茶发酵工艺化学反应的主要底物,在发酵反应过程中的动力学分析报道较少。本研究利用汝城白毛茶[Camellia sinensis (L.) O.Kuntze CV.ptilophylla]春季茶树鲜叶为原料,采用传统工夫红茶工艺,以自然发酵技术制作样品,对自然发酵过程中儿茶素氧化动力学进行分析,并结合感官品质差异比较,探索工夫红茶自然发酵过程中品质变化及儿茶素氧化动力学规律,为工夫红茶发酵化学判别提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜叶原料采自湖南郴州汝城县三江口镇绿和老东岭种养专业合作社茶园,选用汝城白毛茶茶树一芽一叶(比例≥85%)为原料,时间2020年3月下旬。

N,N-二甲基甲酰胺(色谱纯),DUKSAN公司;甲醇(色谱纯),国药西陇;冰乙酸(色谱纯),天津大茂;儿茶素标准品,北京中科质检生物技术有限公司。

1.2 仪器与设备

HH-2数显恒温水浴锅,江南仪器厂;高效液相色谱仪LC-10A,日本岛津;6CRZ-35型揉捻机,浙江上洋;,6CHZ-9B提香机,福建佳友;MB25高精度快速水分测定仪、电热便携式蒸汽发生器,上海DZF-18KW。

1.3 实验方法

1.3.1 茶样制作方法

将采摘回厂的鲜叶薄摊于萎凋槽内进行间歇式鼓风(鼓风1 h,停机2 h)萎凋,萎凋适度(含水量60%)后下机进行揉捻,采用35型揉捻机揉捻,揉捻时间90 min,加压方式为无压5 min-轻压40 min-重压40 min-轻压5 min,揉捻完成后下机、解块,将解块好的茶坯盛装于蔑盘内,堆成一个圆堆(堆高10 cm),堆上盖湿布保温并防止水分散失,置于干净无异味的厂房内(室温20 ℃左右)进行自然发酵(每2 h翻堆1次,保证发酵均匀),发酵12 h后汽蒸90 s终止发酵。

揉捻下机、解块后开始取样,取样采用十字交叉法,每次取样200 g,每2 h取样1次,每次取发酵叶样,先进行汽蒸90 s终止发酵,摊凉后放入预热好(90 ℃)的提香机中烘90 min,冷却后装袋贴标。处理好的茶样,统一进行感官审评和儿茶素含量测定。

儿茶素总量及组分含量采用高效液相色谱法测定。检测波长278 nm,流动相A:水,B:V(N,N-二甲基甲酰胺)∶V(甲醇)∶V(冰乙酸)=40∶2∶1.5,流速1.0 mL/min,进样量20 μL,柱温35 ℃,梯度洗脱。

感官审评参照GB/T 23776—2018的规定执行。

1.3.4 平均氧化速度计算

儿茶素平均氧化速度及苦涩味指数[24]计算如公式(1)、公式(2)所示:

式中:

为儿茶素平均氧化速度,mg/(mL·h);t为发酵时间(2、4、6、8、10、12 h);C为儿茶素含量,mg/g;2为发酵2 h。

式中:MEGCG为表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate EGCG)质量,mg;MEGC为表没食子儿茶素(epigallocatechin EGC)质量,mg;MECG为表儿茶素没食子酸酯(epicatechin gallate ECG)质量,mg;MGC为没食子儿茶素(gallocatechin,GC)质量,mg;MEC为表儿茶素(epicatechin EC),mg;MDL-C为DL-儿茶素(DL-catechin,DL-C)质量,mg。

测定数据采用IBM SPSS 20软件进行统计分析,origin 2017软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 发酵过程中品质变化

发酵是工夫红茶品质形成的关键工艺,不同的发酵阶段其茶叶品质存在一定的差异(表1),发酵0～12 h,外形差异主要表现在色泽,色泽从黄褐、黑褐到乌黑,茸毛从米黄色到橙黄至金黄。茶汤色泽变化明显(图1),主要是红色渐深,浓度渐浓。开始发酵(发酵0 h)时汤色为红黄,黄中带红,汤色明亮,发酵2 h时汤色变为橙红明亮,红色浓度稍欠,发酵4 h红色明亮浓度尚浓,发酵6 h汤色红浓明亮,发酵12 h汤色红浓,但亮度变尚亮。香气从明显的青气味到甜香逐渐浓郁,花香显露,其中0～2 h花香有明显的凸现,甜香渐浓;发酵4 h后花香甜香融合,花香强于甜香,青气基本退去;发酵6～10 h甜香浓郁强于花香,花香甜香(花蜜香)更协调;至发酵12 h后,花香渐弱,主要呈现甜香。滋味的变化主要是青涩味消失,刺激性减弱,甜味渐强。尤其是开始发酵时青涩味很浓,刺激性强;发酵4 h后,青涩味基本消失,刺激性减弱,回甘较强;发酵12 h后,刺激性进一步减弱,回甘也减弱。叶底也是反映发酵进程的一个指标,发酵开始后2 h,叶底均有不同程度的青条,色泽黄红,尤其是刚开始发酵时的叶底。发酵4 h后叶底开始变红亮,至发酵10 h后,叶底亮度开始下降,到12 h后,开始变暗。

2.2 发酵过程中儿茶素组分含量变化

在前面实验结果的基础上,选取适度萎凋发酵方式研究自然发酵过程中儿茶素7个主要组分的含量变化(表2),结果表明,7个组分随着发酵的进程均呈下降趋势,发酵12 h后,其中GC和EGC含量降至0或痕量(<0.000 1 mg/g)。通过LSD法多重比较分析发现,GC在发酵过程中两个明显降低阶段,第一是发酵0～2 h,降低了90.90%,差异显著(P<0.05);第二是发酵10～12 h,降低至0或者痕量,差异极显著(P<0.01)。EGC在发酵过程中仅有一个显著降低阶段即发酵0～2 h,降低了78.60%,达到极显著水平(P<0.01)。DL-C发酵2 h与发酵0 h有明显的降低,降低了50.9%,并达到极显著水平(P<0.01);发酵8 h与发酵2 h有明显的降低(P<0.05),降低了73.20%;发酵12 h与发酵2 h有极显著的降低(P<0.01),降低了82.90%;发酵4、6、8、12 h依次降低,但无显著差异(P>0.05)。EC在发酵过程中呈现逐步降低趋势,发酵4 h与发酵0 h有明显的降低(P<0.05),降低了50.00%;而发酵8 h后与发酵0 h有极显著的降低(P<0.01),降低了68.60%。EGCG是儿茶素的主要组分,占儿茶素总量的50%,发酵过程中,其降低主要在开始阶段(0～2 h),发酵2 h与发酵0 h有极显著的降低(P<0.01),降低了63.50%;发酵2 h后,EGCG逐渐降低,但均未有显著性差异(P>0.05)。GCG与EGCG互为异构体,但二者降低规律不同,与发酵0 h比较,GCG分别在发酵2 h和发酵8 h有明显的降低,分别降低了64.20%和91.70%,均达到极显著水平(P<0.01);发酵8 h与发酵2 h相比有显著的降低(P<0.05),GCG降低了76.90%,但未达到极显著水平(P<0.01)。ECG在发酵过程中呈逐步降低趋势,与发酵0 h比,发酵2 h后有显著的降低(P<0.05),降低了43.90%;发酵4 h后有极显著的降低(P<0.01),降低了66.90%。与发酵2 h比较,发酵12 h有显著的降低,降低了82.00%,达到极显著水平(P<0.01)。

计算儿茶素总量、简单儿茶素总量、酯型儿茶素总量和儿茶素苦涩味指数(图2),儿茶素、酯型儿茶素和简单儿茶素总量均呈下降趋势,其中总儿茶素与酯型儿茶素变化趋势基本一致,茶叶中儿茶素含量以酯型儿茶素为主。发酵2 h儿茶素、酯型儿茶素和简单儿茶素总量均极显著性下降(对比发酵0 h,P<0.01)。以发酵2 h为参照,发酵6 h儿茶素总量和酯型儿茶素总量有显著性下降(P<0.05),发酵8 h达到极显著水平(P<0.01),发酵12 h简单儿茶素有显著性的下降(P<0.05)。儿茶素苦涩味指数呈先降后升变化趋势,发酵6 h指数最小,说明此时苦涩味最小,与样品审评结果基本一致。

2.3 发酵过程中儿茶素组分氧化动力学分析

工夫红茶的发酵机理主要是酶驱动的儿茶素氧化聚合反应,儿茶素的氧化速度反映了工夫红茶的发酵进程,也体现了工夫红茶品质的形成过程。试验分析了发酵过程中儿茶素各组分的氧化动力学曲线,并计算了各组分的氧化速率常数K以及半衰期(表3),以ln(Ct/C0)为纵坐标,发酵时间为横坐标作图,得到发酵过程中各儿茶素组分的氧化动力学曲线(图3)。由表3和图3可知,发酵过程中各儿茶素组分的氧化为一级反应,氧化动力学曲线相关系数r均大于0.95,儿茶素氧化速率常数(K)大小依次为EGC>EGCG>GCG>GC>DL-C>ECG>EC,因此,发酵过程中儿茶素组分的氧化速度依次为

以发酵2 h为计算单位,以开始发酵2 h为初始发酵速度,计算儿茶素总量各个单位时间的平均氧化速度,由表4可知,

比

下降了

比

下降了

比

下降了

比

下降了95.16%。发酵6 h后儿茶素氧化动力损失了89.73%,出现发酵动力不足,说明,6～8 h是工夫红茶自然发酵工艺比较理想的时间。

3 结论与讨论

发酵是工夫红茶区别于其他茶类的核心工艺,也是红茶品质形成的关键工艺。发酵工艺的化学反应主要是茶叶中的多酚类在酶的催化下氧化聚合形成茶黄素、茶红素和茶褐素这红茶三大色素物质,其中茶黄素被认为是红茶品质高低的一个化学指标。试验以自然发酵工夫红茶为研究对象,研究发酵过程中儿茶素含量及氧化速度变化规律与感官品质变化。在整个发酵过程中,以发酵6～8 h综合品质最好,汤色红亮,滋味浓醇,其中儿茶素苦涩味指数,以发酵6 h指数最小,8 h次之。因此,发酵6～8 h是工夫红茶自然发酵的理想发酵时间。

从儿茶素氧化动力学来看,儿茶素平均氧化速度以发酵0～2 h最快,2 h后逐步降低,且2～4 h降低幅度最大,2 h下降32.05%,4 h降低了58.17%,6 h降低了89.73%。这种变化反映了工夫红茶品质的形成,也体现了儿茶素氧化化学反应条件(反应介质[10,25]、反应底物浓度[26]、催化反应酶特性[27]等)的变化,发酵开始阶段各个反应条件处于最佳状态,如酶活性高,底物浓度最大。2 h后反应速度明显降低,主要是参与反应的底物浓度降低,儿茶素总量及各组分均呈下降趋势,其中以发酵2 h变化最明显,儿茶素总量降低了52.38%。此外,影响反应动力学的因素还有化学介质变化(温度、介质pH等)、催化反应酶特性变化(酶活性、同工酶等)以及影响因素的交互作用等,这些因素与氧化速度的相关性大小有待进一步系统研究。

儿茶素组分的氧化动力学规律不一,简单儿茶素各个组分(GC、EGC、DL-C、EC)氧化速度呈起伏不定的变化规律;而酯型儿茶素各组分(EGCG、GCG、ECG)氧化速度基本保持逐步降低趋势,主要是儿茶素不同组分化学性质以及参与的化学反应不同所致。现有研究[28]发现的16种茶黄素成分,其形成化学反应中尚未有报导GCG直接参与的化学反应,红茶发酵过程中GCG的氧化是通过异构成EGCG后再参与化学反应,还是直接参与化学反应形成茶黄素或者其他化学物质有待进一步研究。

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