湖南黑毛茶等温吸湿模型建立及霉变安全性研究

胥 伟，赵仁亮，姜依何，吴 丹，朱 旗*

黑茶是我国6大茶类之一，初制按照“杀青—揉捻—渥堆—干燥”的工序进行，历史上属于边销茶范畴[1]，是饮食结构以“高脂高蛋白”为主的边疆少数民族用以“消食去腻”不可或缺的饮品[2]，边疆少数民族有“宁可三日无食，不可一日无茶”的说法。随着黑茶保健功能研究的不断深入，黑茶产品逐渐由边销向内销进行延伸，目前黑茶产品的年产量已位居6大茶类第二位，仅次于绿茶类产品[3]。

黑茶作为一种具有加工技术要求高、保健功效突出、经济效益好等特点的产品，其品质形成有赖于微生物的作用[4-9]，其后发酵作用形成了黑茶越陈越香的品质特征。因此，无论是黑毛茶还是黑茶成品，其仓储过程都是黑茶品质形成的一个重要环节[10]。实际生活中有些资本大户通过建立仓库储存黑茶产品以达到品质优化、产品升值的目的。

黑茶在很多产茶区被广泛生产，如云南、广西、四川、湖南、湖北、陕西、浙江等地。但黑茶生产的初制和精制环节是不连续的，存在黑毛茶长途异地运输及仓储环节。如果没有严格的仓储管理措施，在高湿条件下，黑茶因其多孔径特点极易吸湿回潮，导致微生物迅速繁殖，发生霉变并产生毒素[11-14]。因此，对黑茶进行吸湿特性的研究是建立仓储控制体系的重要措施之一。目前，关于茶叶的等温吸湿研究成果较少报道。张哲等[15]对绿茶和红茶进行了吸湿解吸平衡规律的分析，结果表明红茶和绿茶的吸湿解吸规律差异不明显。Botheju等[16]对阿萨姆红茶干燥过程中的解吸附过程平衡含水率进行了研究，表明阿萨姆红茶解吸过程符合Oswin模型。Sinija等[17]对绿茶颗粒和绿茶粉末进行了等温吸湿研究，结果表明绿茶颗粒和粉末吸湿平衡曲线均为二型曲线，Peleg模型能较优地拟合研究对象。

但是黑茶的品质形成又有赖于微生物的活动参与，依据GAB模型理论，水分活度（water activity，aw）为0.1～0.3的水分为单分子层结合水，主要结合在基质之上，该部分水分结合牢固，水分不被微生物利用[18]；早在2001年就有研究人员报道了低aw对茶叶品质的稳定作用[19]，但黑茶产品的贮存过程既不能严格密封，其aw又不能太低，需要明确一个既能保证微生物的代谢用以转化黑茶品质，又不使其产生霉变的平衡含水率。为了更好地服务于黑茶企业的生产，本文通过静态称质量法，利用相关分析软件建立了黑毛茶的吸湿曲面响应模型，对常见的8 种吸附模型进行了等温吸湿非线性回归拟合，为指导黑茶企业产品的安全仓储提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

湖南内销黑毛茶原料，2016年5月产于湖南省桃源县，水分含量为（10.05±0.20）%；浓硫酸（分析纯）国药集团化学试剂有限公司；蒸馏水（实验室自制）。

1.2 仪器与设备

101-3AB型电热鼓风干烘箱 天津市泰斯特仪器有限公司；PYX-800Q-B人工气候箱 广东韶关科力实验仪器有限公司；内径150 mm玻璃干燥器 海门市春博生物实验器材厂；PB303-N电子天平 瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司；铝盒 河北沧州中建仪器有限公司；GZ-150-HSⅡ恒温恒湿培养箱 韶关市广智科技设备有限公司；KL300 LED体视显微镜 德国徕卡显微镜有限公司。

1.3 方法

1.3.1 吸湿等温线的测定

快速准确称取2.0 g左右的黑毛茶样品放入已经恒质量的铝盒中，在烘箱中烘至恒质量，然后放入用不同体积分数浓硫酸建立的不同aw干燥器上部。不同温度下不同体积分数的浓硫酸aw如表1所示。将干燥器分别放置于20、30、40 ℃人工气候室内，每24 h称1 次样品质量，用以计算黑毛茶吸湿平衡含水率，前后2 次样品净质量变化不超过0.001 g视为黑毛茶达到吸湿平衡，每个实验重复3 次，黑毛茶的平衡含水率通过质量分析方法得到。aw近似地表示为溶液水蒸气分压与纯水蒸气分压之比，因此本实验体系aw可近似认定为空气相对湿度[16]。

表1 不同环境温度下不同硫酸溶液的awTable 1 Water activities of sulphuric acid solutions at selected concentrations and temperatures

1.3.2 平衡含水率响应曲面的建立

设定黑毛茶含水率为因变量，aw、吸湿时间为自变量建立响应曲面，依aw和吸湿时间的组合定义实验组次，响应曲面模型设计采用Design-Expert 8.05b软件。

1.3.3 等温吸湿模型选择

参考国内外关于食品等温吸湿模型方面的研究报道，选择了以下8 种模型进行拟合[16-17,20-27]，模型函数表达式见表2。

表2 待拟合吸湿数据的经典模型Table 2 Mathematical models for fitting experimental data

1.3.4 恒温恒湿培养验证

采用恒温恒湿培养的方法模拟黑毛茶仓储，进行霉变验证。温度设定为25 ℃，相对湿度分别为85%、87%和90%，观察表观霉变现象，通过体式显微镜拍照观察霉菌菌丝在茶叶表面生长情况。

1.4 数据统计分析

利用Excel 2003软件绘制出平衡含水率随aw变化的关系，得到相应温度的等温吸湿线。模型拟合软件采用SPSS 22.0软件，采用决定系数R2定义模型拟合效果的优劣，R2越大，说明拟合效果越好，辅以SPSS 22.0软件运行参数误差值进行模型淘汰。

2 结果与分析

2.1 不同温度下黑毛茶等温吸湿曲面响应模型的建立

图1 不同温度水分吸附曲面响应（A～C）及模型拟合效果（a～c）图Fig. 1 Response surface plots for moisture sorption isotherms (A–C)and fitting efficiency (a–c) at different temperatures

不同温度下湖南黑毛茶等温吸湿线呈现出相似的规律及相关差异。相似规律即黑毛茶含水率随吸湿时间和aw的增加而增加，aw增加至0.9左右时，黑毛茶含水率呈指数增长趋势；黑毛茶达到水分吸湿平衡所需时间随着aw的降低而降低；通过软件分析该响应模型，不同温度下黑毛茶吸湿规律均模拟出二元六次方程（表3），图1所示的模型拟合预测值与实测值之间的关系表明该函数可较好地拟合实际模型。通过函数表达式可以计算出不同的aw条件下达到黑毛茶某确定含水率时所需要的时间，在生产上可指导仓库的仓储管理，监控黑毛茶在高湿条件下的吸湿回潮状态。研究还发现黑毛茶吸湿达到平衡所需时间随着温度的升高而降低，在20、30、40 ℃条件下达到水分平衡所需时间分别为14、10、6 d；黑毛茶吸湿达到平衡时黑毛茶的含水率，即平衡含水率随着温度的升高而降低。

表3 不同温度下黑毛茶吸湿规律函数表达式Table 3 Function expressions for the moisture absorption of raw dark tea at different temperatures

2.2 不同温度条件下黑毛茶等温吸湿曲线的建立及模型拟合

图2 不同温度条件下黑毛茶等温吸湿曲线Fig. 2 Moisture absorption isotherms for raw dark tea at different temperatures

由图2所示，在同一温度下平衡含水率随着aw的增加而增加，在同一aw下平衡温度越高，平衡含水率越低。当aw超过0.9时，平衡含水率随aw的增加而呈指数增长趋势。当aw低于0.8时，随着aw的增加，平衡含水率增长较平缓。根据等温吸湿曲线类型判断黑毛茶的等温线属于Ⅱ型等温线。这与Botheju等[16]对阿萨姆红茶和Sinija等[17]对绿茶颗粒和绿茶粉末的研究结果一致。当黑毛茶平衡含水率达到12%时，aw约为0.9左右。图2显示不同温度下黑毛茶等温吸湿模型均呈现非线性特征，采用SPSS 22.0软件对该数据分别采用二次曲线模型、S、成长模型、指数模型及Logistic分配进行曲线估值，模型总计及参数评估见表4。成长模型、指数模型及Logistic分配模型均较优地拟合了该等温吸附曲线，确定该曲线符合非线性估值后，采用该软件进行优选模型非线性拟合，估计方法采用序列二次编程，拟合结果及相关系数见表4。

表4 曲线估值相关参数统计Table 4 Parameters estimates for four nonlinear models

表5 数学模型的相关参数及评价指标Table 5 Relevant parameters and evaluation indices of mathematical models

优选数学模型非线性拟合得出相关参数及评价指标，具体如表5所示。不同温度下拟合各模型其R2值有所差异，Halsey、Ferro-Fonton、Oswin及GAB模型均较优地拟合了20 ℃下黑毛茶的等温吸湿模型，R2值均大于99%，说明拟合效果优，但Halsey和Ferro-Fonton模型在进行非线性回归拟合时均存在参数估值误差值太大的情况；因此在进行数据换算时舍弃该模型，最终确定Oswin和GAB为黑毛茶等温吸附较优模型。根据茯砖茶的GB/T 9833.3—2013《紧压茶 第3部分：茯砖茶》[28]中对水分要求而设定含水率12%为黑毛茶安全贮存的临界值，通过拟合出的GAB及Oswin模型可以计算出，在温度分别为20、30、40 ℃条件下，当黑毛茶吸湿平衡含水率达12%时，对应的aw值分别为0.87、0.87；0.89、0.91；0.90、0.92。根据这两个模型可以得出黑毛茶安全贮存的aw安全临界值为0.87，实际生产上要求生产管理人员在20～40 ℃的室温条件下，要特别关注空气相对湿度达到87%以上的天气，并安排仓储排湿工序介入。

2.3 不同湿度条件下黑毛茶模拟仓储霉变表征

在不同的湿度条件下模拟仓储10 d，黑毛茶表征存在明显差别（图3）。相对湿度85%条件下仓储的黑毛茶未见霉变表征，对其进行体式显微拍照亦未见霉菌菌丝，但茶叶表面有纤毛可见。相对湿度87%条件下培养的黑毛茶可见轻微霉变表征，主要发生在茶梗表面，茶叶表面未见霉变表征，对茶叶表面进行体式显微拍照，可见霉菌菌丝在茶叶表面生长，未见特异化的孢囊梗和产孢结构。相对湿度90%条件下培养的黑毛茶可见严重的霉变表征，对叶片表面进行体视显微拍照可见霉菌菌丝在茶叶表面生长茂盛，并可见特异化的孢囊梗和产孢结构。茶叶在高湿条件下极易发生霉变，因此生产仓储管理人员须严格规范仓储管理制度，创新仓储管理方法并严格执行定期的显微观察检验工作，将仓储霉变的安全问题消灭在萌芽状态。

图3 25 ℃不同湿度条件下黑毛茶模拟仓储10 d的实际图（A、B、C）和体视显微镜观察图（a、b、c，×38）Fig. 3 Pictures (A, B and C) and stereomicroscope observations (a, b, c,× 38) of 10 day stored raw dark tea under simulated storehouse conditions

3 结 论

黑毛茶的吸湿曲面响应模型拟合得到二元六次函数，且拟合效果较优，可通过该函数求得在某一平衡含水率下的aw与吸附时间之间的数量关系。黑毛茶等温吸附曲线属于Ⅱ型等温吸附曲线。在同一温度下，黑毛茶的平衡含水率随着aw的增加而增加，在同一相对湿度下，黑毛茶的平衡含水率随着温度的增加而降低。食品水分吸附的等温线通常由GAB模型描述[29]，本研究结果也表明GAB模型对黑毛茶等温吸附线精度最好，其次是Oswin模型。根据GAB模型计算出相对湿度87%是黑茶安全仓储空气相对湿度的理论临界值，实际显微镜验证发现此条件下仓储10 d有菌丝出现，因此仍存在局部霉变的可能性；因为恒湿培养箱的空气相对湿度是非恒定的，箱体内空气相对湿度存在一定上下波动情况。因此，超过该相对湿度时，要求对生产特别关注，且仓储管理人员必须安排抽湿工序。特别要强调的是，实验室模拟验证下进行的高湿仓储，即使茶叶表面感官检测未出现霉变表征（感官审评也未能发现霉变风味的产生）时，体视显微拍照依然可观察到霉菌菌丝在茶叶表面生长的情况。因此，企业质检人员要严格防范高湿条件带来的茶叶安全风险。针对霉菌的具体种类，本实验室通过宏基因组学技术研究了霉变黑毛茶的真菌多样性，其中98.5%以上为曲霉属真菌[30]，目前尚不能确定具体种类在霉变过程中的动态丰度，虽然感官未能审评出霉变风味，但不能确定是否会对茶叶品质产生安全性影响，相关问题有待进一步研究。

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