不同产地绿茶红外指纹图谱分析

韩丽瑶，李 梁*，张一帆，蒲继锋，池福敏

（1.西藏农牧学院，西藏 林芝 860000；2.西藏农牧科学院 农业质量标准与检测研究所，西藏 拉萨 850032）

我国茶叶种类繁多，主要有绿茶、红茶、黑茶、白茶、黄茶和青茶（乌龙茶）六大类茶，其中约有70%是绿茶[1]。绿茶是历史上最早的茶类，鲜叶经过杀青、揉捻、干燥后制成的茶[2]，由于没有经过发酵处理，茶叶的大部分天然物质得以保存，如茶多酚、儿茶素、咖啡碱、氨基酸、维生素、醇类和酚类等生化成分[3]，能预防癌症、延缓衰老、降血脂及美容养颜等[4-7]，对人体有较强保健作用。然而，茶树种类、栽培方式、加工方法、地理环境和气候都会对绿茶品质有不同程度的影响[8-11]。

目前，对茶叶品质的判定主要还是由专家靠视觉、嗅觉、听觉和触觉等感官来分析茶叶的颜色、形状与气味等[12-14]。此方法虽然简便、快速，但个人情感喜好、环境因素都极易影响感官评定的准确性。近年来，近红外光谱技术发展迅速，尤其是傅立叶变换红外光谱法（FTIR）。通过与标准图谱比较，确定出官能团、顺反异构、取代基及其位置等来鉴定样品，可对固态、液态及气态的有机化合物进行结构分析。傅里叶变换红外光谱仪信噪比大、分辨率高、重现性好，在对整个化合物分子进行鉴别时，测出的指纹图谱具有高度特征性。袁敏、张铭光和袁鹏等人[15]采用热裂解色谱/质谱法对茶叶的指纹图谱进行了研究，发现同等级茶叶的相关系数＞0.900，不同等级茶叶的相关系数＜0.820，说明不同等级茶叶间存在一定的差异；王继坤、陈桥等人[16]采用光谱/色谱法对茶叶的真实属性进行了研究，通过对平均分离大小对比，发现不同产地的偏离大小与纬度有一定关系，为以后茶叶产地鉴别研究奠定了基础。因此，不同种类、品质、产地的茶叶，由于内在成分含量的差异，在对整个化合物分子进行鉴别时，针对指纹区的指纹图谱进行研究，可以很好的鉴别茶叶产地和品质。我国采用红外光谱技术对茶叶产地分析的研究较少，尤其是对绿茶产地的分类研究。本试验采用红外指纹图谱技术对不同产地的绿茶进行分析比较，试图为绿茶产地研究提供参考。

1 材料与方法

1 材料与仪器

1.1.1 材料

50批绿茶样品分别采集于安徽、福建、贵州、山东、四川、西藏、浙江等7个省30个主产县，样品信息见表1，光谱纯KBr（国药集团化学试剂公司）。

1.1.2 仪器设备

真空干燥箱（上海跃进医疗器械有限公司）；中药材粉碎机LD-2000A 型（盛大机械有限责任公司）；F-P400 行星式球磨仪（湖南弗卡斯实验仪器有限公司）；震荡筛（浙江正泰电器股份有限公司）；玛瑙研钵（上海弘毅仪器设备有限责任公司）；BJ-15 型粉末压片机（天津博君科技有限公司）；电子天平（上海瑞堂科技有限公司）；红外灯（飞利浦(中国)投资有限公司）；FTIR-660S 傅里叶红外光谱仪（安捷伦科技有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备

茶叶样品放入真空干燥箱中后抽出干燥箱内空气，使茶叶在60℃下干燥至恒重。烘干后的茶叶放入粉碎机内粉碎，100 s 后取出茶粉过200 目筛，装入塑封袋中封好并标记名称。按照1:50 的比例分别称取准备好的试样和干燥的溴化钾粉末，混合均匀后放入玛瑙研钵内，在红外灯照射下研磨10 min。将研磨好的混合粉末样品放入压片模具内，将压片机压力逐渐加至12 T 后保持3 min，制成厚度适中的透明圆片状样品。实验时，保持实验环境温度为20℃～27℃，湿度为15%。

1.2.2 光谱测量

傅立叶红外光谱仪在使用前需开机预热30 min，预热完成后用镊子将样品放入样品仓中，关闭仓门，稳定后开始测量。将仪器参数设置为分辨率4 cm-1，光谱范围400～4000 cm-1，在防止H2O 和CO2干扰的情况下扫描50 次。控制温度在50℃～120℃之间，每隔2 min 测量一次，重复5 次，取平均值。

1.3 数据处理

用OMNIC 8.2 软件对采集到的光谱数据进行平滑、基线校正、去噪等处理，再将初步处理后的光谱数据导入软件Origin 9.0 进行图谱分析，最后采用SPSS 软件进行系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 方法学考察

2.1.1 精密度

任意选取一个样品，连续测定5 次，红外光谱图具有一致性，相关系数分别为0.9997、0.9993、1.0000、0.9995 和0.9998，说明仪器具有良好的精密度。

表1 茶样及来源Table1 Tea samples and the origin

2.1.2 重现性

任意选取一个样品，分成5份压片，测定每一份样品压片的红外光谱，红外光谱基本一致。相关系数分别为1.0000、0.9988、0.9999、0.9994 和0.9997，说明该方法重现性良好。

2.1.3 稳定性

任意选取一个样品，保存在真空干燥器中，每隔0.5 h 测定一次，共测定6 次。记录5 h 内的光谱图，红外光谱图无显著差异，相关系数分别为0.9993、0.9999、0.9996、1.0000 和0.9999，说明处理好的样品在5 h 内稳定。

2.2 指纹图谱分析

2.2.1 共有性

将所有绿茶样品的红外光谱图加和，取平均值后得到平均光谱（图1），从平均光谱中共确定了12个峰作为不同产地绿茶红外指纹图谱共有的吸收峰，不同产地间共有峰的位置不完全相同，在相差5 cm-1及以内的被认为是共有峰。进行初步归属，结果如表2，这些峰主要分布在3500～600 之间，1648 cm-1附近存在的吸收峰反映出的是蛋白质中C-O，1363 cm-1附近的振动吸收峰反映出的是酚类物质，1232 cm-1附近存在的吸收峰反应出的是醇类物质，1200～950 cm-1是多糖的特征光谱区，在900～400 cm-1的范围内吸收峰变少，峰强度也开始变弱，反映出苯环上取代基和卤化物的存在[17-19]。共有峰所反应出的是不同产地绿茶中共同含有的茶多酚、多糖、氨基酸和儿茶素等化合物，与绿茶的功效和营养价值相吻合。

图1 50个绿茶样品的平均红外光谱Fig.1 Average peaks in the infrared spectrum of 50 green tea samples

2.2.2 特征性

将每7个产地绿茶样品的红外光谱数据分别相加求平均值，得到7个产地各自的平均光谱图（图2）。从图中可以看出不同产地绿茶的红外图谱非常相似，峰位都基本相同，由此说明不同产地绿茶的化学成分基本相同。而指纹区的差异反映出不同地区的土壤、气候及海拔等方面对绿茶化学成分及其含量的影响。

表2 7个产地红外光谱图共有峰的归属Table 2 Common peaks in the infrared spectrum of the green tea samples from 7regions

图2 7个产地绿茶样品的平均红外光谱Fig.2 Average peaks in the infrared spectrum of green tea samples from 7 regions

为了比较7个不同产地绿茶的FTIR 光谱差异，本试验比较了各产地绿茶的指纹区图谱（图3）。经分析可知，不同产地绿茶平均红外光谱峰形相似，不同峰位处出现差异。其中，安徽、西藏和福建产地所产绿茶在1515 cm-1附近出现C=O 及C=C 双键的吸收峰(峰a)，且福建所产绿茶该峰吸收较强。西藏、贵州、四川所产绿茶在1370 cm-1附近出现氨基吸收峰(峰b)，且西藏产地的该峰吸收较强。西藏、四川、福建产地所产绿茶在775 cm-1附近出现O-H 和N-H小而尖的吸收峰。西藏和贵州产地的绿茶无其他差异峰，说明这两个产地所产的绿茶较为相似；山东产地所产绿茶特征峰较少，与其他产地所产绿茶有较大差异。

图3 7个产地绿茶的 FTIR 平均光谱比较Fig.3 Contrast the average peaks in the infrared spectrum of green tea sample from 7 regions

2.3 聚类分析

聚类分析可以明确样本间的相关关系，在SPSS 软件中采用离差平方和法和欧氏距离法进行聚类分析，聚类后得到树状图(图4)。结果表明，以5 为临界值进行分类可明显区分安徽、四川、贵州、山东、浙江5个地区的样品，西藏、福建绿茶样品有一定区分度，但差距不明显；当临界值为10 时，50个茶叶样本能明显的进行区分；以10 为距离进行区分可将样品分为三类：安徽单独归为一类；四川、西藏、福建、贵州的茶叶样品聚为一类；山东、浙江的茶叶样品聚为一类，当临界值大于20 时，所有茶叶样本聚为一大类。

3 结论与讨论

图4 50个茶样的系统聚类分析图Fig.4 Dendrogram of 50 tea samples by using cluster analysis

本试验将绿茶粉末与溴化钾混合后压片制成样品后，运用FTIR 光谱技术对我国不同产地的 50个绿茶样品进行了研究。采用平均值法建立了红外指纹图谱，绿茶中各种化学成分的整体信息结果都能在红外光谱的峰位、峰形和峰强度中得以体现。在对共有峰的分析中可发现，不同产地所产绿茶中都有氨基酸、萜类、多酚类物质及其氧化物等化学成分；在对不同产地绿茶的平均光谱的比较中发现，不同产地所产绿茶的红外光谱走势基本相同，只在峰位、峰形和峰强度等方面存在一定差别。通过聚类分析可判断出绿茶的产地差别与相似程度。

本试验选用绿茶的主要产地分布在我国西南、华南及江南的广大产区。结果表明，产地的地理位置相邻或接近的绿茶样品的FTIR 光谱相似，含有的主要成分及含量也相近，如四川、西藏、贵州等地。由此可见，茶叶品质与地理环境有一定的联系，试验结果也显示山东与四川等地所产绿茶的FTIR 光谱差异较大，这两个产地相距较远，气候环境差异也较大。这表明不同的纬度、海拔高度具有不同的光照时间和相应的温度特征，海拔高的地方温度较低，光照较强，抑制茶叶的生物活性与代谢速率，影响生化物质的含量，从而影响茶叶的生物特征，相应的红外光谱也会有一定差别。西藏和福建地理位置相距较远，气候环境差异较大，但绿茶样品的FTIR 光谱相似，经调查得知西藏所栽茶树均是从福建引进的，由此可见茶叶的品质还与自身遗传基因有关。