基于化学组分的铁观音茶梗和叶茶模式识别研究

王丽丽，杨军国，林清霞，项丽慧，陈 林

(福建省农业科学院茶叶研究所，福建 福安 355015)

毛茶是指在茶叶初加工中经烘干工序所形成的茶叶，此时仍含有茶梗、黄片、茶末等杂质，净茶是指毛茶再加工过程中拣掉茶梗等杂质后的茶叶，这两者统称为叶茶，茶梗则指从成品毛茶中拣下的茎梗。铁观音茶梗最为常见，由于其加工原料要求叶片成熟，一般以小开面2～3叶较为理想，再加上机械化采茶的缘故，成品毛茶茶梗含量甚高。我国是茶叶生产大国，据统计，每年挑出的茶梗约占茶叶毛重的20%，仅安溪县一带每年的茶梗、茶末就达5万t[1]。那么如何充分利用茶梗，提升茶叶产品附加值，是促进茶业可持续发展的途径之一。长久以来，一些科研工作者致力于茶梗的深加工技术研究，如添加茶梗栽培白灵菇[2]、废弃茶梗制备活性炭[3-4]和吸附废水中铜、铬等金属离子[5-6]、茶梗固态生料发酵产单宁酶[7]、提取纯化茶梗中非水溶性膳食纤维、茶多糖、茶皂素、咖啡碱等功能成分[8-12]，以上研究均有效提高了这部分茶叶资源的综合利用价值，为其深度开发利用提供广阔的应用前景。从经济环保角度考虑，茶梗中含量较高的活性成分更值得提取与开发。为探索茶梗中区别于其叶茶(毛茶和净茶)的化学成分，本试验以这3类样品为研究对象，测定其茶多酚、黄酮类、儿茶素类、生物碱、可溶性糖、氨基酸、有机酸等物质含量，并采用化学计量学手段对其进行类群区分，旨在较为全面揭示茶梗的化学组成，为茶梗有效成分的提取利用提供研究思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

收集铁观音样品(SX，X为1-6)，带梗视为毛茶样(SX-R)，拣梗后为净茶样(SX-N)，留梗作为茶梗样(SX-S)。磨碎后-20℃保存备用。见图1。

图1 铁观音毛茶、净茶和茶梗外形特征Fig.1 Appearances of raw tea, net tea and stems from Tieguanyin tea plant注：a、b、c为毛茶、净茶和茶梗干茶样，磨粉后分别记作d、e、f。

FZ102微型植物粉碎机(天津泰斯特司)、1260型液相色谱仪(美国Agilent)、T6新世纪紫外可见分光光度计(北京普析通用)、ACD-0502-U超纯水机(重庆艾科浦)。

1.2 测定方法

茶样茶多酚(TPs)、游离氨基酸(FAAs)、可溶性糖(WSS)、黄酮类(Fs)测定采用分光光度法[13-14]，水浸出物(WE)测定采用称量茶渣的差数法[15]，儿茶素类(GC、EC、EGC、ECG、EGCG)和生物碱(TB、CAF)、氨基酸组分[天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、丝氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)、茶氨酸(Thea)]、有机酸组分(草酸、DL-酒石酸、L-苹果酸、乙酸、柠檬酸、富马酸)测定采用HPLC法[16-18]。以上均重复测定3次。

1.3 数据统计分析

采用PAST(Version 3.20)软件绘制二维“点集”分布视图。采用ChemPattern 2017 Pro软件进行数据分析，首先选择通用化学计量学解决方案“Chemprolifer-XLS，CSV”，并针对变量UV标度化进行数据预处理，离群值识别设95%，选择主成分分析(PCA)，取消“共有模式”，绘制得分图。

2 结果与分析

2.1 化学组分差异

由图2看出，TPs、Fs、WE、FAAs、WSS含量排序为净茶>毛茶>茶梗，其中TP、Fs在净茶和茶梗中含量差别大，净茶中约是茶梗中的2倍，而净茶中WE、FAAs、WSS比茶梗中高10%～30%。研究表明FAAs和WSS是具有生物活性的功能物质，从开发利用角度看，从茶梗中提取纯化FAAs、WSS是一条可行途径。生物碱与儿茶素的测定结果表明，茶梗中TB、GC和EC含量约为净茶的50%，CAF、EGCG、ECG、EGC含量在两者间相差3～4倍(表1)，说明CAF、EGCG、ECG、EGC在茶梗中的含量明显低于净茶和毛茶，提示若以茶梗为原料提取纯化这些物质，则提取率低，成本较高。茶叶中采用HPLC测得的氨基酸种类达20种以上，铁观音样品由于鲜叶原料成熟度较高的缘故，氨基酸含量普遍较低，因此本试验仅显示含量最高的5种氨基酸的测定结果，见表2。毛茶和净茶中氨基酸总含量约为6～8 mg·g-1，茶梗样中较低，为4～5 mg·g-1。氨基酸组分中，Thea含量最高，其次为Asp和Glu，而Ser和Ala含量最低。6种有机酸HPLC测定结果(表3)表明，毛茶、净茶和茶梗中有机酸总量为2%左右，含量较高的组分有草酸、L-苹果酸、乙酸，其中净茶与毛茶有机酸含量相当，茶梗中稍低，主要是草酸和乙酸含量差异造成。

图2 毛茶、净茶和茶梗中主要化学组分含量Fig.2 Chemical compositions of raw tea, net tea and stems of Tieguanyin tea plant注：SX代表茶样名，SX-R、SX-N、SX-S分别为毛茶、净茶和茶梗；下同。

表1 毛茶、净茶和茶梗中生物碱和儿茶素组分含量

注：TC：total catechins(儿茶素总量)，为GC、EGC、EGCG、EC、ECG含量的总和。

表2 毛茶、净茶和茶梗中氨基酸含量

2.2 基于二维“点集”分布的化学模式识别

基于(TPs×FAAs)(TPs×WSS)(TPs×Fs)(TPs×WE)(Fs×WE)含量绘制的二维“点集”分布视图可对铁观音毛茶、净茶和茶梗进行类群区分，尤其茶梗的化学模式完全区别于净茶(图3a-e)。而依据(FAAs×WSS)含量绘制的二维“点集”分布视图对3个群体的类群区分较差(图3)，由(FAAs×Fs)(FAAs×WE)(WSS×WE)(WSS×Fs)绘制的二维“点集”分布视图结果同此(未上图)。由此表明，茶梗与净茶中差异较大的组分依次为TPs、Fs、WE，其次是FAAs和WSS。

表3 毛茶、净茶和茶梗中有机酸含量

图3 二维“点集”分布视图Fig.3 Distribution of data points on 2DSP注：1为毛茶，2为净茶，3为茶梗

2.3 基于主成分分析的化学模式识别

基于儿茶素和生物碱、氨基酸组分、有机酸组分的主成分分析有效性检验均显示，在α=0.05的检验水平上，差异具有统计学意义。

由图4a看出，PC1方差贡献度为90.04%，PC2方差贡献度为5.69%，前2个主成分累计方差贡献度达95.73%；绿色投影圈(净茶组)与红色投影圈(毛茶组)质心较靠近，表明二者类群区分不明显，而蓝色投影圈(茶梗组)与它们质心距离均较远，表明有很好的类群区分。由图4b看出，PC1和PC2累积方差贡献度88.47%，茶梗组与毛茶组和净茶组均基本分离，区分度较好。而基于有机酸组分的得分图(图4c)显示，3个群体分离度较差，有交叉重叠部分，表明3者有机酸含量差异不显著。

图4基于化学组分的主成分分析
Fig.4PCA based on chemical composition of samples
注：a：儿茶素和咖啡碱；b：氨基酸组分；c：有机酸组分。

3 讨论与结论

我国已是世界第一产茶大国，农业部针对茶叶生产形势的调度分析显示，2017年干毛茶产量约258万吨，总产值1920亿元[19]。作为茶叶的副产品——茶梗，除少部分用作枕芯外，绝大多数处理方式是丢弃、焚烧、坑埋，价值未得到很好体现。因此合理有效开发利用茶梗，让废弃茶梗拥有更多的利用空间和发挥更大的经济价值，意义重大。

将茶梗作为一个整体进行开发利用目前多数停留在实验室研究阶段。活性炭能选择性的吸附气相、液相中各种物质，以达到脱色精制、消毒除臭和去污提纯等目的[20]。以武夷山老枞水仙茶梗为原料制备的活性炭，其碘吸附值为453 mg·g-1，得率(制得活性炭质量与茶梗质量的比值)为47%，显示出较好的吸附性能[4]。徐建荣等首次将铁观音茶梗作为一种过滤材料应用于卷烟滤嘴中，起到降低烟气刺激、增补烟香、丰富烟气等作用[21]。以茶梗为原料通过交联、接枝共聚等手段改性，成功制得的磁性纤维素微粒对模拟废水中铜离子的吸附能力较强[5]。由此看来，基于其物理性能及富含纤维素的特点，茶梗附加值得以提高。此外，提取、纯化茶梗中某些功能性成分也是提升茶叶附加值的途径之一。以化学法提取的乌龙茶茶梗非水溶性膳食纤维(IDF)比茶末提取的得率高，持水力好，结合脂肪能力相对笋头有明显优势，持水力和溶胀性较胡萝卜IDF高，具备应用于食品工业方面的潜力[8]。采用酶解处理和碱处理相结合的方法提取IDF，结果显示茶梗比茶渣中含有更多的膳食纤维[22]。以铁观音茶梗为原料，提取天然功能物质——茶多酚作为纺织品整理剂，经碱性固着液处理后织物色牢度提高，且防护紫外线能力大幅度提升[23]。表明茶梗在功能食品、化工等领域有一定应用前景。

茶梗中含有茶多酚、茶氨酸、茶皂素等多种化学成分。用水提、柱层析等提取分离绿茶副产品(如茶末、茶梗)，得到的茶多酚复合物中EGCG含量为44.5%，ECG含量为16.3%，提取率分别为5.3%、2.0%[24]。相比绿茶，铁观音茶梗中多酚及儿茶素本身含量明显较低，提取率也低。采用正交试验优选的提取工艺提取茶梗中茶氨酸，测得其质量浓度为6 mg·g-1[25]，而本试验铁观音净茶和茶梗中茶氨酸含量为2～4 mg·g-1，其含量较低极大可能是因原料品种、嫩度与提取工艺差异所致。茶树老嫩茎(茶梗)中茶皂素含量比老嫩叶也高[26]。许雨石等[27]研究表明以水浸提茶梗测得的茶多酚含量达71.73 mg·mL-1，单宁酶浸提的总游离氨基酸含量为27.57 mg·mL-1，纤维素酶浸提的总糖含量122.55 mg·mL-1，因采用最优工艺提取的缘故，除水浸提法与本文所用的70%甲醇水溶液提取测得的茶多酚数据基本一致外，其余检测数据均高。采用GB8312-2002中分光光度法测得福建乌龙茶茶梗中咖啡碱含量为0.67%～2.85%[28]，本试验用液相测得铁观音茶梗咖啡碱含量仅为0.4%，究其原因主要是检测方法及原料嫩度的不同。而对于茶梗中有机酸含量等方面的报道较为鲜见。

自80年代起，化学计量学方法逐步引入中药材的质量控制方法研究中，几种常用的模式识别方法如主成分分析(PCA)、聚类分析、人工神经网络技术等在中药品种优劣、道地性、成分差异研究中得以应用[29]。化学计量学在中药质量控制中的优势是可根据多变量数值分析把同类异类中药材区分开，具体来说就是充分提取待分析物的特征信息，对其进行降维处理，然后进行模式识别分析[30]。它既克服了直接对比的主观性，又最大限度地保留了化学成分的相关信息，是区别于一般统计方法如SPSS中差异显著性分析的优势所在。杨艳芹等[31]萃取不同产地路路通的挥发性组分，所得数据经化学计量学主成分分析降维，根据几个主成分所占的方差贡献率将不同产地药材归类，再建立载荷图，可明显看出各个地区组分相对含油量的差异或有无。茶梗是从成品毛茶中拣下的茎梗，500 g铁观音毛茶经拣梗等工序精制后，可获得350 g左右的净茶，将化学计量学方法用于茶梗与其毛茶和净茶的全面、快速鉴别归类与成分差异研究具有明显优势。

本试验测定结果表明，在铁观音成品茶中，茶梗中茶多酚、黄酮类、咖啡碱、儿茶素等含量明显低于叶茶(毛茶和净茶)，而茶多糖、游离氨基酸、茶氨酸、有机酸等组分含量差异不明显，茶梗中含量稍低。因此茶梗与叶茶中含量基本相当甚至更高的组分尤其值得提取纯化，从而有效提升茶叶产品附加值。