SPME/GC-MS法结合电子鼻技术测定茶叶中的香气成分

范 霞 陈荣顺

（1.南京农业大学食品科技学院 江苏南京 210095；2.南京农业大学理学院）

1 前言

目前，茶作为天然保健品是世界上最受欢迎的饮料之一。由于茶叶中含有多种抗氧化物质，对于消除自由基有一定的效果，因此，喝茶有助于延缓衰老，具有养生保健的功能[1]。茶叶中的香气物质十分复杂，主要包括醇类、酯类、醛酮类、酸类、碳氢化合物、胺类物质等。中国茶叶品种繁多，不同品种茶叶中所含香气成分[2-5]的不同会导致其在品质上有明显的差异。固相微萃取与气相色谱-质谱联用（SPME/GC-MS）技术作为一种高效的萃取、分离检测方法，由于无需使用有机溶剂、绿色环保、前处理简单、分析快速、定性准确等特点，目前广泛应用于茶叶香气成分分析领域[6-9]。

气味在茶叶品质鉴定中占有重要地位。对于茶叶品质的评价，感官评价法由于受品茶师的个人经验及身体、情绪等多方面因素的影响，存在一定的局限性。于是，电子鼻作为一种模仿生物嗅觉的电子系统应运而生，它主要利用气体传感器阵列的响应信号来识别气味，从而可以快速获得被测样品的整体特征信息[10-17]，其工作原理包括以下 4部分：（1）气体采样系统。（2）传感器阵列。传感器阵列是整个系统的基础，金属氧化物气体传感器是目前电子鼻系统应用较为广泛的一种导电型传感器，其主要功能是把不同的气味分子在其表面作用下转化为可测的物理信号。（3）主控制系统。包括采样量、采样时间、清洗传感器时间等。（4）软件分析系统。提取有效数据进行建模分析。

本文采用SPME/GCMS 结合电子鼻技术[18]，对5种不同种类的茶叶进行香气成分分析，利用气质联用仪检测出的挥发性风味物质与电子鼻所测得的整体指纹信息作为茶叶品质评定提的论依据。

2 材料与仪器

2.1 实验材料

雨花茶（南京天观茶叶有限公司）；铁观音（福建安溪天月盛世茶厂）；碧螺春（南京天绿工贸有限公司）；龙井茶（杭州西湖名茶有限公司）；金寨翠绿（南京天绿工贸有限公司）；水（蒸馏水）。

2.2 仪器

本研究使用的德国Airsense公司便携式电子鼻PEN3包含10个金属传感器阵列，它们所对应的香气类型见表1。

表1 电子鼻传感器所对应的香气类型

（续表1）

气质联用仪GC 7890A-5975C MSD（美国Agilent公司）；手动SPME进样器65μm PDMS/DVB 57310-U 固相微萃取头（美国 Supelco 公司）；DKS22 型电热恒温水浴锅；分析天平（美国梅特勒-托利多公司）。

3 实验方法

3.1 电子鼻对茶叶香气成分分析

分别准确称取3.000 g 不同品种的茶叶样品，置于100 mL 烧杯中，加入沸水50 mL，用双层保鲜膜封口，浸泡60 min 后开始用电子鼻检测，实验重复 5 次。

电子鼻测定条件：传感器清洗时间为60 s；传感器归零时间为10 s；样品准备时间为5 s；分析采样时间为80s，内部流量300mL/min，进样流量200 mL/min。

3.2 电子鼻数据分析方法

使用电子鼻设备自带的Win Muster 软件对数据进行采集、测量和分析。选取78 s 处的数据进行主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）和负荷加载分析（Loading analysis）。

3.3 GC-MS法对茶叶香气成分分析

准确称取茶叶样品0.3000 g，放入20 mL 的顶空瓶中，加入沸水10 mL，室温下静置5 min，使茶叶香气充分挥发。将顶空瓶置于80℃恒温水浴锅中，把250℃下预先老化5 min 的固相微萃取头插入顶空瓶内茶汤的上方，固定好SPME 手柄，推出纤维头吸附60 min 后取出，立即插入GC-MS 仪器进样口，在250℃条件下解吸附5 min，实验重复3 次。

气相色谱条件：色谱柱：HP-5MS 石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；进样口温度 250℃；程序升温：初始温度40℃，保持3 min，先以4℃/min 升温至 80℃，保持 2 min，再以 2℃/min 升温至 160℃，最后以 12℃/min 升温至 250℃，保持 5 min； 载气为99.999%的高纯氦气，流量为1.0 mL/min；采用不分流模式进样。质谱检测条件：电子轰击（EI）电离源，电子能量70 eV；质量扫描范围50～550 aum，离子源温度230℃； 四级杆温度150℃； 辅助加热温度为250℃。

3.4 GC-MS数据分析

利用Agilent 7890/5975 型气质联用仪NIST08.L谱库对所得到的质谱图进行检索和人工解析，从而确定茶叶中的香气成分，以各色谱峰的峰面积与总峰面积之比为各香气成分的相对含量。

4 结果与分析

4.1 茶叶的主要香气成分

采用SPME/GC-MS 对茶叶进行香气成分检测，图1是5种茶叶的香气成分总离子流色谱图，其中，主要香气化合物的保留时间及其相对含量如表2所示。碧螺春相对含量最高的香气成分为（E,E）-3,5 辛二烯-2-酮、肉豆蔻酸异丙酯和β-紫罗兰酮，这3种化合物的相对含量占其所有香气成分的32.31%。相关研究[19]表明，酮类化合物常带有花果香味，其中带有紫罗兰香气的β-紫罗兰酮是由茶叶中的胡萝卜素降解产生的；龙井相对含量最高的香气成分为（E,E）-3,5 辛二烯-2-酮、3,4-二甲基环己醇和芳樟醇，这3种化合物的相对含量占其所有香气成分的31.35%，醇类化合物通常带有特殊的花香和果香[20]，芳樟醇呈玉兰花香型； 铁观音相对含量最高的香气成分为肉豆蔻酸异丙酯、（E,E）-3,5 辛二烯-2-酮、反-2,4-庚二烯醛，占总含量的29.83%；雨花茶相对含量最高的香气成分为肉豆蔻酸异丙酯、苯甲醛、2-甲基-1-庚烯-6-酮，占总含量的37.18%，苯甲醛具有苦杏仁气味[21]；金寨翠绿相对含量较高的香气成分为肉豆蔻酸异丙酯、反-2,4-庚二烯醛、蘑菇醇、香叶基丙酮，占总含量的35.99%，香叶基丙酮呈清香型。茶叶中的主要香气成分构成不同的茶叶品质，从而赋予茶叶不同的香气。相对含量较少的物质未必对香气的贡献低，任何一种茶叶的香气都是其所含不同芳香物质以不同浓度组合的综合体现。

表2 茶叶香气成分及相对含量

（续表2）

5种茶叶共检测出香气成分42种，根据官能团分类分为醛类、酮类、酯类、酸类、醇类、酚类、碳氢化合物、含氮化合物8类。不同茶叶各香气成分的种类及其相对含量有一定区别，其中，碧螺春、龙井茶、铁观音、雨花茶、金寨翠绿分别检测出香气物质25、40、24、20、23种，各类香气物质的数量与相对含量如表3所示。碧螺春、铁观音和金寨翠绿所含的醛类和酮类化合物最多，龙井含有的醇类和酮类化合物最多，雨花茶所含的醇类和酯类化合物最多。5种茶叶共同含有的香气物质有15种，其中醛类4种，包括苯甲醛、苯乙醛、反-2,4-庚二烯醛、β-环柠檬醛，苯乙醛呈风信子型香气；酮类5种，分别是2-甲基-1-庚烯-6-酮、β-紫罗兰酮、2,2,6-三甲基环己酮、4-乙基-3,4-二甲基-2,5-环己二烯-1-酮、（E,E）-3,5 辛二烯-2-酮；醇类 2种，分别是芳樟醇、3,7-二甲基-1,5,7-辛三烯-3-醇；酯类1种，肉豆蔻酸异丙酯；芳香类化合物1种，2,2-双对羟苯基丙烷；含氮化合物1种，3-甲基吡唑。由于受产地、环境、茶树种植遗传特性、加工工艺等因素的影响，不同品种的茶叶所含的香气组分差别较大，这些成分对构成茶叶的特征风味具有重要作用。

表3 茶叶中所含香气物质分类

4.2 主成分分析

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）也称主分量分析，旨在利用降维的思想[22]，把多指标转化为少数几个综合指标，这个转化把数据变换到一个新的坐标系统中，使得任何数据投影的第一大方差在第一个坐标(称为第一主成分)上，第二大方差在第二个坐标(第二主成分)上，依次类推。主成分分析用减少数据集的维数，同时保持数据集对方差贡献最大的特征。

使用电子鼻自带的Win Muster 软件对数据进行分析，茶叶的主成分分析见图2，2 个主成分的总贡献率高达97.99%，所提取的信息能有效反映原始数据的绝大部分信息。一般情况下，总贡献率只要达到70%～85%，该方法就可以使用。5 个品种的茶叶存在一定的差异，其中，雨花茶与其他4种茶叶相距较远，区分明显。线性判别分析结果见图3，其总贡献率达97.69%，只有碧螺春与金寨翠绿有小部分重叠，说明运用LDA 方法能很好地对5种茶叶进行区分。利用Loading 分析法可以确定当前模式下传感器的相对重要性。如果某一传感器横、纵坐标的对应值接近0，则该传感器的识别作用可以忽略，若单个传感器的响应值越偏离于0，则说明该传感器的识别作用就越大。负荷加载分析的总贡献率为97.99%，其中，1号、3号和 6号传感器对茶叶香气的响应明显，对区分贡献率最大，具体见图4。

图2 不同品种茶叶的PCA分析图

图3 不同品种茶叶的LDA分析图

图4 茶叶的Loading分析图

5 结论

本文采用SPME/GC-MS 结合电子鼻技术对5种茶叶的香气成分进行研究，根据其特征香气成分含量差异及主成分分析法可以很好地实现对不同茶叶种类的区别，这对于茶叶品质真伪鉴别有重要的意义。SPME/GC-MS 共检测出42种香气物质，其中碧螺春、龙井茶、铁观音、雨花茶、金寨翠绿分别测出 25、40、24、20、23种。利用电子鼻技术，通过主成分分析，提取茶叶中的整体指纹信息，5种茶叶香气成分有很好的区分度。由于前处理操作简单、检测灵敏度高、分析速度快，SPME/GC-MS 结合电子鼻技术将广泛用于食品中香气成分分析。