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3 个产地不同等级庐山云雾茶挥发性成分主成分分析

2018-05-23葛丽琴王远兴

食品科学 2018年10期
关键词:云雾茶庐山挥发性

刘 晔,葛丽琴,王远兴*

(南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室,江西 南昌 330047)

庐山云雾茶是中国十大名茶之一,叶厚毫多、醇香甘润、富含营养,以“味醇、色秀、香馨、汤清”闻名[1],原地产、品质等级、生产年份和相似品种是市场中茶叶掺伪常见的几种类型。常规的化学成分鉴定方法也不足以进行正确的鉴别,因为这些相似茶叶品种有着非常接近的品种亲缘性,其主要品质成分含量差异并不大。快速准确鉴别茶叶品质是当前亟待解决的一项课题[2]。

茶叶的等级主要由其内在的化学成分和冲泡过程中表现出的感官性状所决定。茶叶香气是其所含众多芳香类物质综合表现的结果[3]。挥发性物质的测定多采用气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometry,GCMS)[4]和GC-MS-嗅闻[5]的方式,富集常采用固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)技术[6]。保留指数(retention index,RI)测定常被用来区分不同的同分异构化合物,是一种重现性和准确度都很好的定性分析参数[7]。主成分分析常采用减少数据集的维数,同时保持对数据集方差贡献最大的特征,通过保留低阶主成分,忽略高阶主成分[8],可以更加形象地表现原样本的信息如等级分类、产地的鉴别等[9]。

本实验采用SPME法对不同等级庐山云雾茶样本中的挥发性物质进行萃取,并采用GC-MS对样本中挥发性物质进行定性分析。利用主成分分析法对不同等级庐山云雾茶进行等级分类,建立模型,为今后庐山云雾茶等级区分提供一种方便快速的方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试庐山云雾茶来源于通远镇(5 个等级,每种6 个批次) 庐山茶科所茶场;赛阳镇(4 个等级,每种6 个批次) 庐山露语茶业有限公司;星子县(3 个等级,每种6 个批次) 星子县庐山七尖云雾茶有限公司;正构烷烃(C6~C10、C8~C20)的混合标准品(色谱级) 美国AccuStandard公司;正己烷(色谱纯)德国Merck公司。

等级评定由茶叶采摘日期而定,通常越早采摘的茶叶,产量少等级高。供试品均采于2016年5月份,样品放置于4 ℃冰箱中保存。

1.2 仪器与设备

7890-7000 GC-QQQ-MS气相色谱-三重串联四极杆质谱联用仪(配有MassHunter Workstation色谱工作站和NIST MS Search 2.0质谱检索数据库) 美国Agilent公司;57330-U SPME手柄、50/30 μm二乙烯基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane,DVB/CAR/PDMS)萃取纤维头美国Supelco公司;AL 104电子天平 瑞士Mettler-Toledo公司;HH-2数显恒温水浴锅 国华电器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 前处理条件

清明前后采摘鲜叶,随海拔高度的增加,开采期亦相应延迟到谷雨前后。以一芽一叶初展为标准,长度在3 cm左右。采回后,薄摊于洁净簸箕上,置于阴凉通风处,保持鲜叶纯净。炒制分杀青、抖散、抖捻、炒二青(初干),理条、搓条、拣剔、提毫、除茶末、烘干等工序。结合宋萌萌[10]、陈熠敏[11]等的前处理方法,将通远镇、赛阳镇、星子县3 个地区的庐山云雾茶,粉碎过筛,用电子天平称取2.00 g茶样于20 mL顶空萃取瓶中,立即用聚四氟乙烯隔垫盖子密封;将顶空萃取瓶置于80 ℃水浴锅中水浴平衡30 min,每隔10 min晃动瓶身;再将固相萃取头插入顶空萃取瓶中,萃取吸附30 min。萃取结束后将萃取头放入GC-MS进样口中,250 ℃解吸5 min,使得挥发性成分得到分离。

1.3.2 GC条件

色谱柱:HP-5MS石英毛细柱(30 m×0.25 mm,0.25 µm);升温程序:起始柱温50 ℃,保持5 min,以5 ℃/min升至80 ℃,然后以2 ℃/min升至140 ℃,最后以5 ℃/min升至210 ℃保持5 min;载气为高纯氦气(纯度≥99.999%);载气流速1 mL/min;进样口温度250 ℃;分流比10∶1。

1.3.3 MS条件

电子电离源;电子能量70 eV;传输线温度250 ℃;离子源温度230 ℃;四极杆温度150 ℃;溶剂延迟时间1 min;质量扫描方式为全扫描;质量扫描范围m/z 40~400。

1.3.4 庐山云雾茶挥发性成分RI的测定

将正构烷烃标准品以液体进样的形式,按照1.3.2节升温程序进行分离。进样量为1 µL,分流比为20∶1。记录每个正构烷烃标准品出峰的保留时间,各组分的RI按下式计算,采用Kovats保留指数计算[12]。

RI=100n+(tR(x)-tR(n))/(tR(n+1)-tR(n))×100

式中:tR(x)为待测组分的保留时间/min;n和n+1分别表示正构烷烃的碳原子数;其中tR(n)<tR(x)<tR(n+1)。

1.4 数据处理

根据NIST MS Search 2.0质谱图库检索结果,并结合RI文献值对庐山云雾茶挥发性成分进行了初步筛查鉴定,并运用峰面积归一化法测得各挥发性成分的相对含量。以样本挥发性物质的相对峰面积为变量,将数据导入SIMCA-P 13.0版软件,将数据标准化后进行无监督的主成分分析,并得到特征值,贡献率及预测能力相关数据。

2 结果与分析

2.1 庐山云雾茶挥发性成分的定性分析

图1 3 个产地庐山云雾茶挥发性成分纵向叠加总离子流色谱图Fig. 1 Overlapped total ion current chromatograms of volatile components in Lu Mountain Clouds-Mist Tea

表1 庐山云雾茶挥发性成分定性分析结果Table 1 Qualitative analysis of volatile components in Lu Mountain Clouds-Mist Tea samples

续表1

如图1、表1所示,样品经过GC-MS检测后,得到较为典型的庐山云雾茶总离子流色谱图。可以看出本实验所采用的GC-MS条件可以较好分离这3 个产地庐山云雾茶的挥发性成分。

2.2 庐山云雾茶挥发性物质的主成分分析

通常来说累计方差贡献率大于80%,认为数据是可信的。如表2、3所示,通远镇庐山云雾茶前4 个成分累计方差贡献率为80.4%并拥有0.673的累计预测能力。赛阳镇庐山云雾茶前3 个成分的累计方差贡献率已经达到87.9%,累计预测能力达到0.807,可见前3 个主成分足以说明该数据的变化趋势。星子县庐山云雾茶前3 个成分的累计方差贡献率已经达到89.8%,累计预测能力达到0.704。累计方差贡献率代表着模型拟合后Y变量(因变量)的变化,累计预测能力代表着通过模型可以被预测的Y变量的变化。累计方差贡献率和累计预测能力值接近1.0说明建立了一个很好的模型,以上可知3 个模型均建立良好。

续表2

表3 3 个产地庐山云雾茶主成分的特征值、贡献率及预测能力Table 3 Eigenvalues, cumulative contribution and predication performance of principal components in Lu Mountain Clouds-Mist Tea from three regions

2.2.1 通远镇庐山云雾茶挥发性物质的主成分分析

由图2可知,通远镇5 个等级庐山云雾茶样品总离子流色谱图相似度很高,除了三等约在保留时间17.5、27.5 min时出现硅峰,疑似少许由萃取头带来的硅氧烷类杂峰[44],进行样品峰面积计算时应扣除杂峰。结合图2和表2可知,通远镇庐山云雾茶通过富集的挥发性成分主要有:C20苄醇、C30苯乙醇、C71雪松醇、C27十一烷、C44凤梨醛、C42十二烷。挥发性成分包括醇类(14 种)、醛类(8 种)、酮类(7 种)、酯类(5 种)。醇类:三等(47.87%)>二等(47.74%)>一等(43.86%)>普通(40.68%)>特等(37.99%);醛类:普通(13.05%)>特等(12.49%)>一等(11.57%)>三等(10.76%)>二等(8.67%);酮类:普通(5.41%)>三等(4.82%)>二等(4.41%)>一等(4.37%)>特等(3.84%);酯类:特等(1.47%)=三等(1.47%)>二等(1.44%)>普通(1.24%)>一等(1.17%)。

图2 通远镇5 个等级庐山云雾茶挥发性成分纵向叠加总离子流色谱图Fig. 2 Overlapped total ion current chromatograms of volatile components in five grades of Lu Mountain Clouds-Mist Tea samples from Tongyuan

图3 通远镇5 个等级庐山云雾茶样本的主成分得分图(a)和载荷图(b)Fig. 3 PCA score plots (a) and loading plots (b) of five grades of Lu Mountain Clouds-Mist Tea samples from Tongyuan

由于主成分分析是在没有进行预先分类的情况下,通过每个样本点在得分图上的位置来显示样本的分类信息,因此分类结果更加客观[45]。以各个等级通远镇庐山云雾茶在第1、2主成分上的得分作图,获得所有茶样的二维散点分布图,如图3所示。5 个不同等级的庐山云雾茶在主成分空间上的分布较为分散,各等级的样本均处于相对独立的空间。特等位于图3a右侧,一等位于图3a的中部,二等位于图3a上部,三等位于图3a左侧,普通位于图3a左下侧。由此可见,主成分分析方法对通远镇不同等级云雾茶有较好的区分效果,说明不同等级茶样挥发性成分的相对含量有着一定程度的区别。

表4 通远镇庐山云雾茶挥发性成分中潜在标志物(VIP>1)Table 4 Potential markers of volatile components in Lu Mountain Clouds-Mist Tea from Tongyuan (VIP > 1)

载荷图表明挥发性成分的分布情况,其分布情况与得分图中样本点的分布和位置对应。重要性因子(variable importance in the projection,VIP)值可以量化每个变量对分类的贡献,VIP值越大,变量在庐山云雾茶不同级别间的差异越显著[46]。通过分析计算出的VIP值,发现有37 个挥发性成分VIP值大于1,由表4所示。可以为通远镇云雾茶的级别分类提供一定的理论支持。并在图3b中,将表4中VIP值大于1标注出来。图3b中右边三角形标记的物质,与图3a中特等茶叶样本位置对应,C3己醛(1.67%)、C4顺-3-己烯-1-醇(2.24%)、C5正己醇(0.77%)、C7庚醛(3.81%)、C8己酸甲酯(0.16%)、C9 α-蒎烯(0.36%)、C15正癸烷(1.09%)、C16辛醛(0.84%)、C28芳樟醇(3.99%),说明这些物质是通远镇特等茶叶的特征物质,并且相对含量较其他等级高。具有香气风味的物质[5,47]如:己醛呈生油脂和青草气及苹果味,浓度低时有水果样的特有香气;顺-3-己烯-1-醇有青叶香气;正己醇有淡青的嫩枝叶香气,微带酒香、果香和脂肪香气;庚醛具有强烈和不愉快的粗糙刺鼻的油脂气味、稀释后具有类似甜杏、坚果香气;α-蒎烯有松节油香气[41];辛醛有醛香、蜡香、青果皮香及明显的脂肪和水果气味;芳樟醇有柑橘、萜香、铃兰香、玉兰花香、玫瑰花香、甜的青香及木香,香气柔和、持久。说明这些香气成分是通远镇特等庐山云雾茶的重要气味。图3a中二等庐山云雾茶样本和图3b中C21苯乙醛(0.46%)、C40水杨酸甲酯(0.86%)、C47橙花醇甲醚(4.08%)、C69 δ-毕澄茄烯(1.29%)位置类似,相对含量相比于其他等级较高。其中有香气成分如苯乙醛呈强烈风信子香气、玫瑰、巧克力香气,低浓度时有杏仁、樱桃香味;水杨酸甲酯呈冬青油草药香气、薄荷味。说明这些香气成分是体现通远镇二等庐山云雾茶特征香气。图3a中普通等级庐山云雾茶样本和图3b中C13 1-辛烯-3-醇(0.58%)、C24异佛尔酮(0.87%)、C37萘(0.57%)、C38 3-甲基十一烷(0.52%)、C41马鞭草烯酮(0.54%)、C44凤梨醛(5.09%)、C48 2-甲基十二烷(0.09%)、C61表圆线藻烯(0.21%)、C62长叶烯(0.20%)、C63姜黄烯(0.97%)等位置相似,说明这些挥发性成分相对含量较高。其中有香气风味物质:1-辛烯-3-醇有泥土的清香、蔬菜、真菌香气;异佛尔酮有凉香、木香、清甜香气、果香、樟脑及霉香。这些香气是通远镇普通等级庐山云雾茶的特征气味。综合可以看出,通远镇特等庐山云雾茶宜人香气成分种类很多且相对含量很高,随着等级的下降,提供香气的挥发性物质如己醛、顺-3-己烯-1-醇、正己醇、庚醛、α-蒎烯、辛醛、芳樟醇、苯乙醛、水杨酸甲酯等相对含量有所降低。

2.2.2 赛阳镇庐山云雾茶挥发性物质的主成分分析

图4 赛阳镇4 个等级庐山云雾茶挥发性成分纵向叠加总离子流色谱图Fig. 4 Overlapped total ion current chromatograms of volatile components in four grades of Lu Mountain Clouds-Mist Tea samples from Saiyang

由图4可知,赛阳镇4 个等级庐山云雾茶样品总离子流色谱图极为相似。结合图4和表2可知,赛阳镇庐山云雾茶通过本方式富集的主要挥发性成分相对含量由高到低为:C27十一烷、C30苯乙醇、C20苄醇、C48 2-甲基十二烷、C51 4,6-二甲基十二烷、C28芳樟醇等。挥发性成分包括醇类(14 种)、醛类(8 种)、酮类(7 种)、酯类(5 种)。醇类:二等(31.97%)>三等(30.70%)>特等(29.33%)>一等(28.04%);醛类:一等(12.01%)>二等(11.89%)>三等(10.50%)>特等(10.06%);酮类:三等(6.29%)>一等(5.97%)>特等(4.96%)>二等(4.92%);酯类:二等(1.45%)>三等(1.14%)=一等(1.14%)>特等(1.05%)。

以各个茶样在第1、2主成分上的得分作图,获得所有茶样的二维散点分布图,如图5所示。由图5a可以看出,特等位于得分图左侧,距离其他等级样本较远,一等位于图5a右下侧,距离其他等级样本较远。二等和三等茶叶样本距离很近,二等在右侧,三等在左侧,由于等级是按采摘时间分类的,二等和三等采摘时间均在4月下旬,时间较近,以至二等和三等的庐山云雾茶在主成分空间上的分布较为靠拢,而与特等和一等区分明显。可见,主成分分析方法对赛阳镇庐山云雾茶不同等级有较好的区分效果,说明不同等级茶样挥发性成分的相对含量有着一定程度的区别。

图5 赛阳镇4 个等级庐山云雾茶样本的主成分得分图(a)和载荷图(b)Fig. 5 PCA score plots (a) and loading plots (b) of four grades of Lu Mountain Clouds-Mist Tea samples from Saiyang

表5 赛阳镇庐山云雾茶挥发性成分中潜在标志物(VIP>1)Table 5 Potential markers of volatile components in Lu Mountain Clouds-Mist Tea from Saiyang (VIP > 1)

在图5b中,已将表5中VIP值大于1标注出来。图5a中赛阳镇特等庐山云雾茶与图5b中C21苯乙醛(0.32%)、C48 2-甲基十二烷(6.03%)、C49 1-甲基萘(0.30%)、C51 4,6-二甲基十二烷(4.49%)、C54茉莉酮(1.27%)、C60异丁子香烯(1.75%)、C63姜黄烯(0.06%)、C65 α-广藿香烯(0.49%)、C66 α-衣兰油烯(3.05%)等挥发性物质位置相似,说明其相对于其他等级庐山云雾茶相对含量较高。其中有香气成分如苯乙醛呈强烈风信子香气、玫瑰、巧克力香气,低浓度时有杏仁、樱桃香味;茉莉酮具有花香;异丁子香烯呈紫丁香香气,这些宜人的香气是赛阳镇特等庐山云雾茶代表性的气味。图5a中一等庐山云雾茶与图5b中C2甲苯(1.60%)、C3己醛(3.13%)、C5正己醇(1.57%)、C11苯甲醛(1.87%)、C14 2-正戊基呋喃(3.72%)、C18邻异丙基甲苯(0.79%)、C19柠檬烯(1.19%)、C24异佛尔酮(4.69%)等物质位置相似,相对含量较高。其中有香气风味的物质如己醛呈生油脂和青草气及苹果味,浓度低时有水果样的特有香气;正己醇有淡青的嫩枝叶香气,微带酒香、果香和脂肪香气;苯甲醛具有特殊的苦杏仁气味;2-正戊基呋喃有果香、青香、泥土味和霉臭味;柠檬烯有柠檬、柑橘的果皮香气;异佛尔酮有凉香、木香、清甜香气、果香、樟脑及霉香。图5a中二等云雾茶与图5b中C34橙花醚(0.23%)、C36 3-癸炔-1-醇(2.63%)、C47橙花醇甲醚(4.30%)、C53可巴烯(0.76%)、C69 δ-毕澄茄烯(1.83%)等挥发性物质位置类似,说明这些物质相对含量较高。三等庐山云雾茶在图5a的中间位置,而在图5b中类似位置VIP值大于1的物质很少,说明三等庐山云雾茶特征物质较少。综上可以看出,赛阳镇特等和一等庐山云雾茶具有香气的挥发性物质相对含量较高,随着等级的下降,己醛、正己醇、苯甲醛、2-正戊基呋喃、柠檬烯、异佛尔酮等挥发性物质相对含量降低。

2.2.3 星子县庐山云雾茶挥发性物质的主成分分析

图6 星子县3 个等级庐山云雾茶挥发性成分纵向叠加总离子流色谱图Fig. 6 Overlapped total ion current chromatograms of volatile components in three grades of Lu Mountain Clouds-Mist Tea samples from Xingzi

由图6可知,星子县3 个等级庐山云雾茶样品总离子流色谱图极为相似。结合图6和表2可知,星子县庐山云雾茶通过本方法富集的主要挥发性成分相对含量由高到低有:C20苄醇、C30苯乙醇、C27十一烷、C31 3-亚甲基-1,1-二甲基-2-乙烯基环己烷、C42十二烷、C7庚醛等。挥发性成分包括醇类(13 种)、醛类(8 种)、酮类(7 种)、酯类(5 种)。醇类:一等(48.26%)>特等(43.72%)>二等(42.00%);醛类:一等(9.70%)>特等(9.30%)>二等(8.21%);酮类:一等(2.7%)>特等(2.67%)>二等(2.3%);酯类:二等(2.65%)>特等(2.59%)>一等(2.11%)。

图7 星子县3 个等级庐山云雾茶样本的主成分得分图(a)和载荷图(b)Fig. 7 PCA score plots (a) and loading plots (b) of three grades of Lu Mountain Clouds-Mist Tea samples from Xingzi

表6 星子县庐山云雾茶挥发性成分中潜在标志物(VIP>1)Table 6 Potential markers of volatile components in Lu Mountain Clouds-Mist Tea from Xingzi (VIP > 1)

以各个茶样在第1、2主成分上的得分作图,获得所有茶样的二维散点分布图,如图7所示。由图7a可以看出,特等位于得分图右侧,一等位于得分图左侧,二等位于得分图下部,距离另外2 个等级样本较远。特等和一等庐山云雾茶样本在主成分空间上的分布较为靠拢,而与二等区分明显。可见,主成分分析方法对星子县庐山云雾茶不同等级有较好的区分效果,说明星子县不同等级茶样挥发性成分的相对含量有着一定程度的差别。

通过分析计算出VIP值,发现有29 个挥发性成分VIP值大于1,由表6所示。结合图7a中星子县特等庐山云雾茶所处位置和图7b中C47橙花醇甲醚(3.11%)、C52 α-荜澄茄油烯(0.53%)、C53 可巴烯(0.22%)、C56 α-柏木烯(0.46%)、C61表圆线藻烯(0.17%)、C66 α-衣兰油烯(0.30%)、C67 γ-雪松烯(0.15%)、C69 δ-毕澄茄烯(1.30%)、C73刺柏脑(0.13%)等挥发性物质位置类似,相对含量较另2 个等级高或持平。其中γ-雪松烯具有木香、柏木、类似檀香木并带花香、香水的韵调。图7a中一等庐山云雾茶和图7b中C10 3-乙烯基-环己酮(0.13%)、C11苯甲醛(1.28%)、C18邻异丙基甲苯(0.45%)、C31 3-亚甲基-1,1-二甲基-2-乙烯基环己烷(4.96%)等挥发性物质位置类似,说明这些物质是一等庐山云雾茶的特征物质,相对含量较高。图7a中二等庐山云雾茶与图7b中C21苯乙醛(0.20%)、C23 2,6-二甲基辛烷(0.35%)、C34橙花醚(0.53%)、C35四氢薰衣草醇(1.21%)、C38 3-甲基十一烷(0.22%)、C41马鞭草烯酮(0.26%)、C42十二烷(4.07%)等挥发性物质位置相似,这些物质相对含量较高。C14 2-正戊基呋喃(1.26%)、C44凤梨醛(0.75%)、C60异丁子香烯(0.06%)与二等茶叶样品位置相反,其中2-正戊基呋喃具有果香、青香、泥土味和霉臭味;凤梨醛具有水果香气;异丁子香烯具有紫丁香香气。说明较另外2 个等级茶叶而言,二等庐山云雾茶这些香气成分含量较低。综合可以看出,星子县庐山云雾茶宜人香气成分相对含量随着等级的下降,提供香气的挥发性物质如γ-雪松烯、2-正戊基呋喃、凤梨醛、异丁子香烯等相对含量降低。

3 结 论

本实验通过主成分分析结合GC-MS方法对3 个产地不同等级庐山云雾茶挥发性物质进行了研究。结果显示,在庐山云雾茶样本中共鉴定出76 种挥发性成分,3 个产地不同等级茶叶样本进行主成分分析。其中通远镇庐山云雾茶提取了4 个主成分累计方差贡献率达到80.4%;赛阳镇庐山云雾茶提取了3 个主成分累计方差贡献率达到87.9%;星子县庐山云雾茶提取了3 个主成分累计方差贡献率达到89.8%。从主成分得分图中可直观看出不同等级庐山云雾茶间的差异。该方法能够实现不同产地庐山云雾茶的区分,所建立起来的模型和庐山云雾茶的挥发性物质相对含量信息较吻合。主成分分析不仅能够减少分析的变量,提取有效信息,还能利用建立的模型来区分不同等级的庐山云雾茶。分析结果表明,3 个产地不同等级庐山云雾茶都呈现这样的规律:随着等级的降低,具有香气特征的挥发性成分如己醛、顺-3-己烯-1-醇、正己醇、庚醛、苯甲醛、2-正戊基呋喃、柠檬烯、异佛尔酮、芳樟醇、茉莉酮、异丁子香烯等,相对含量也随之减少。本实验的数据及分析可为今后庐山云雾茶的等级区分提供参考。

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