響應面設計優化工夫紅茶萎凋工藝參數

滑金杰　袁海波　江用文　汪芳　陳根生　劉千錄

摘要：對萎凋末期茶樣的常規生化成分含量與成品茶感官品質進行相關性分析，而后以萎凋末期高相關性的品質生化組分和成茶感官總分為考察指標，運用響應面設計對萎凋溫度、相對濕度、光照強度等工藝參數進行優化。結果表明：茶多酚含量與成茶感官品質呈顯著正相關，兒茶素總量和TP+AA+SS 含量（茶多酚、氨基酸、可溶性糖三者總量）與成茶感官得分呈極顯著正相關。在單因素試驗基礎上，采用響應面分析法，以萎凋末期兒茶素總量和TP+AA+SS含量為響應值，對萎凋環境參數進行優化，建立影響因素與響應值之間的二次回歸數學模型，獲得最佳工藝參數：萎凋溫度為27～29 ℃，相對濕度為69%～72%，光照度為5 700～6 400 lx。

關鍵詞：響應面設計；工夫紅茶；萎凋末期；生化成分；感官品質；工藝參數

中圖分類號： TS272.5+2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0362-05

萎凋作為工夫紅茶首道加工工序，顯著影響成茶的感官品質，現階段國內外紅茶萎凋的研究已具有很好的理論基礎[1-2]，但多局限于對某一單因素的研究，如溫度、光照度、相對濕度等[3-5]，并沒有將多種因素綜合起來探討不同萎凋工藝參數對茶樣生化成分、紅茶綜合品質的影響。本研究采用SAS軟件對萎凋末期茶樣的常規生化成分含量與成品茶感官品質建立相關性，選取與成茶品質顯著相關的生化成分作為考察指標，在前期單因素試驗基礎上通過響應面設計，對生化指標和成茶感官總分建立優化的萎凋參數模型，得出較優的萎凋工藝參數，旨在為工夫紅茶工業生產提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 鮮葉原料

鮮葉品種為福鼎大白，采自浙江省杭州市農業科學院茶葉研究所茶園，2013年9月4—8日采摘，標準為1芽1葉至1芽2葉初展為主。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 在前期單因素試驗基礎上，選取萎凋溫度、相對濕度、光照度等3個因素，應用響應面設計中的Box-Behnken設計進行制茶試驗，以選取的生化指標、感官審評總分為指標優化萎凋工藝參數。調節人工氣候箱的溫度、相對濕度、光照度等參數，每處理設置2.5 kg鮮葉，將鮮葉混勻、薄攤，置于人工氣候箱內進行萎凋。具體因素、參數設計如表1所示。

1.2.2 工藝流程及取樣 鮮葉在人工氣候箱內進行萎凋，至含水率達62%～64%時進行取樣，置于液氮冷凍固樣，低溫冷凍干燥（-30、20 ℃）。冷凍干燥樣磨碎過100目篩，裝于密封袋內，置于-20 ℃冰柜待測，檢測生化成分；而后采用25型揉捻機進行揉捻，每處理1.5 kg，程序為：空揉5 min→輕揉5 min→重揉30 min→輕揉5 min→解塊，總計45 min。發酵溫度26 ℃，相對濕度95%以上（通過加蓋濕布調控濕度），發酵時間4 h；用提香機120 ℃初烘15 min，適當攤涼后85 ℃烘至足干（20 min左右）。

1.3 指標測定

1.3.1 生化成分檢測 按照GB/T 8304—2002 《茶 水分測定》規定的方法，采用103 ℃恒質量法測定茶葉含水率。按照 GB/T 8313—2002《茶 茶多酚測定》規定的方法，采用酒石酸亞鐵比色法測定茶葉茶多酚含量。按照GB/T 8314—2002 《茶 游離氨基酸總量測定》規定的方法，采用茚三酮比色法測定茶葉氨基酸含量。采用蒽酮比色法測定茶葉可溶性糖含量。采用三氯化鋁比色法測定茶葉黃酮總量。采用高效液相色譜法（HPLC）[6] 測定茶葉兒茶素含量。

1.3.2 茶湯感官審評 取3 g茶樣，加入150 mL沸純水沖泡5 min后進行密碼審評，采用評語與百分制打分相結合的方式評定茶葉品質（包括外形色澤、湯色、香氣、滋味4項指標），每項100分，感官總分計算公式如下：

感官總分=（香氣得分+滋味得分）×30%+（外形得分+湯色得分）×20%。

1.4 數據處理

采用SAS 9.1軟件進行相關性分析，采用Design Expert軟件進行響應面分析，繪制響應面三維曲面圖。

2 結果與分析

2.1 萎凋末期紅茶生化成分與成茶感官品質相關性

表2為筆者前期進行的萎凋光照度、溫度、相對濕度、通氧量等4個單因素試驗測得的萎凋末期茶樣的生化成分（茶多酚、氨基酸、可溶性糖、黃酮、兒茶素等）含量與對應的成茶感官總分。兒茶素作為紅茶品質成分茶黃素、茶紅素的反應底物，直接影響兩者的含量、成茶的感官品質。

由表3可以看出，萎凋末期，茶多酚含量與成品茶感官品質顯著相關；氨基酸和黃酮含量與成茶感官總分無顯著相關性；兒茶素總量、TP+AA+SS含量與成茶感官得分極顯著相關。因此，后續的Box-Behnken設計分別以萎凋末期茶樣的兒茶素總量、TP+AA+SS含量以及成茶的感官審評總分作為考察指標，進行對應的萎凋工藝參數優化。

2.2 以萎凋末期兒茶素總量優化萎凋參數

借助人工氣候箱、揉捻機、提香機等制茶設備，采用Box-Behnken設計對萎凋工藝參數進行優化，對應的兒茶素含量、TP+AA+SS含量、感官得分等如表4所示。由于制茶原料為秋季鮮葉，因此成茶的感官審評總分整體偏低。針對萎凋末期茶樣的兒茶素總量經多項回歸優化后得二次回歸方程：兒茶素總量=13.04-0.026A+0.26B-0.62C+0.44AB+0.47AC+0.38BC-2.69A2-1.63B2-1.89C2，式中A、B、C分別代表萎凋溫度、相對濕度、光照強度，該方程表達了萎凋末期茶樣兒茶素含量與所選3個萎凋因子之間的關系。對試驗結果進行方差分析（表5），可以看出所建模型的F值為3.85，達到顯著水平，表明該數學模型高度顯著，此外各平方也對萎凋末期兒茶素總量影響顯著。endprint

應用Design-Expert 7.1 軟件對上述試驗結果進行分析，繪制響應曲面圖，由圖1可見，3個因子固定2個變量進行雙因子降維分析顯示，雙因子與萎凋末期兒茶素總量均呈倒鐘形關系，即存在1個極大值點，對回歸方程求極大值，得最佳參數為：溫度27.97 ℃、相對濕度71.21%、光照度 5 521.35 lx。

2.3 以萎凋末期茶多酚、氨基酸、可溶性糖總量優化萎凋參數

以福鼎大白為鮮葉原料，采用Box-Behnken設計對萎凋末期茶樣TP+AA+SS總量最大化進行萎凋工藝參數優化。根據t檢驗的P值>|t|的概率小于0.05，回歸方程顯著；小于0.01則回歸方程極顯著的判斷原則[8]，由表6可以看出，C、AC、A2、B2、C2等均對TP+AA+SS含量影響顯著，A、B、AB、BC等均為非顯著項。TP+AA+SS含量經優化擬合后得二次回歸方程：TP+AA+SS總量=37.39+0.093A-0.015B+0.53C-0.55AB+1.05AC-0.33BC-2.26A2-1.25B2-2.64C2，該方程表達了萎凋末期茶樣茶多酚、氨基酸、可溶性糖總量與所選3個萎凋因子之間的關系。對試驗結果進行方差分析（表6），可以看出所建模型所建模型的F值為35.02，達到極顯著水平，表明該數學模型高度顯著。

應用Design-Expert 7.1 軟件對上述結果進行分析，制作響應曲面圖，由圖2可見，對3個因子進行雙因子降維分析顯示，雙因子與萎凋末期茶樣TP+AA+SS總量均呈倒鐘形關系，均存在1個極大值點，對回歸方程求極大值，得相應的最佳參數為：溫度28.41 ℃、相對濕度69.37%、光照度6 335.03 lx。

2.4 以成茶感官得分優化萎凋參數

以成茶感官審評總分為優化指標，經多項回歸優化后得二次回歸方程：成茶感官審評總分=88.91-1.38A+1.70 B+1.31C+2.25AB+7.92A C-0.10BC-3.82A2-807B2-4.56C2，式中A、B、C分別代表萎凋溫度、萎凋相對濕度、萎凋光照強度，該方程表達了響應面設計制成紅茶的感官品質與所選3個萎凋因子之間的關系。對試驗結果進行方差分析（表7），可以看出所建模型的失擬值為4.95（不顯著），具有較好的擬合度。

應用Design-Expert 7.1 軟件分析繪制響應曲面圖（圖3），對3個因素固定2個變量進行雙因子效應分析，結果顯示，雙因子與成茶感官審評得分的相關性均呈倒鐘形，均存在極大值點，對回歸方程求極大值，得到2套符合要求的最佳參茶的預計感官總分為 89.09，顯著優于上述測得值。

3 結論與討論

有研究顯示，茶多酚、氨基酸、可溶性糖、兒茶素等含量直接影響工夫紅茶的制作工藝，最終影響成茶的香氣、滋味、湯色等感官品質[9-10]，但多存在于推測層面。本研究對萎凋末期茶樣的常規生化成分與后期成茶的感官品質相關性進行分析，結果表明，茶多酚含量與成茶感官品質呈顯著正相關，氨基酸和黃酮含量與成茶感官總分無相關性，兒茶素總量和TP+AA+S含量與成茶感官得分呈極顯著正相關。此外，現有萎凋工藝的研究多局限于某一單因素，本研究創新性地將Box-Behnken設計應用于紅茶萎凋工藝優化當中，選取萎凋溫度、相對濕度、光照度等3個因素，以萎凋末期茶樣兒茶素總量、TP+AA+SS總量、成茶感官品質為考察指標，綜合探討多因素共同作用對相應指標的影響，并找出最優參數，即以兒茶素總量為指標時，最佳參數為：溫度27.97 ℃、相對濕度71.21%、光照度 5 521.35 lx；以茶多酚、氨基酸、可溶性糖總量為指標時，最優參數為溫度28.41 ℃、相對濕度6937%、光照度 6 335.03 lx；以成茶感官得分為指標時，最優參數為：溫度27.63 ℃、相對濕度71.98%、光照度為6 307.82 lx，或者溫度27.71 ℃、相對濕度71.98%、光照度為6 335.21 lx。由此可見，成茶感官得分的最優參數與萎凋末期茶樣生化成分的最優參數近乎接近，即可驗證前期的相關性試驗，因此若要得到較優的生化成分和感官品質，萎凋溫度應控制在27～29 ℃，相對濕度應控制在69%～72%，光照度應控制在 5 700～6 400 lx。因試驗條件的限制，本研究僅將3個萎凋因素進行整合用于響應面設計，且只考慮3個對應指標，有待于進一步深入試驗，下一步研究應結合更多萎凋因素，并盡可能找到與成茶感官品質顯著相關的單一組分進行優化，從而得出更精準的參數，為滿足不同需求提供實際指導。

參考文獻：

[1]Owuor P O，Tsushida，Horita H，et al. Effects of artificial withering on the chemical composition and quality of black tea[J]. Trop Sci，1987，27（3）：159-166.

[2]滑金杰，袁海波，江用文，等. 萎凋過程鮮葉理化特性變化及其調控技術研究進展[J]. 茶葉科學，2013，33（5）：465-472.

[3]Owuor P O，Obanda M. The impact of withering temperature on black tea quality[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture，1996，70（3）：288-292.

[4]張靈枝，王登良，毛明輝.不同光照強度曬青對單樅茶品質的影響[J]. 食品科學，2005，26（6）：185-188.

[5]范仕勝，晉 秀，楊 清，等. 人工光照萎凋對茶葉主要品質成分與酶活性的影響[J]. 湖北農業科學，2012，51（6）：1152-1155.

[6]張正竹. 茶葉生物化學實驗教程[M]. 北京：中國農業出版社，2009：33-62.

[7]張宇鐳，黨 琰，賀平安. 利用Pearson相關系數定量分析生物親緣關系[J]. 計算機工程與應用，2005，41（33）：79-82，99.

[8]Fay M P，Proschan M A. Wilcoxon-Mann-Whitney or t-test on assumptions for hypothesis tests and multiple interpretations of decision rules[J]. Statistics Surveys，2010，4：1-39.

[9]段紅星，邵宛芳. 紅茶加工中物質變化與品質形成的關系[J]. 福建茶葉，2004，26（2）：13-14.

[10]池玉洲，黃林敏. 萎凋、發酵等關鍵工序對工夫紅茶品質影響的生產實踐與研究進展[J]. 福建茶葉，2011，33（3）：11-14.吳德龍，王志耕，梅 林，等. 真空低溫噴霧干燥法制備乳酸菌微膠囊的工藝參數優化[J]. 江蘇農業科學，2015，43（10）：367-370.endprint