电子鼻对不同种类抹茶香气成分的辨别与分析

王佳音，王凤玲,2*，王福东，黄瑷琳

1(天津商业大学 生物技术与食品科学学院，天津,300400) 2(天津市食品与生物技术重点实验室，天津,300400)

抹茶起源于中国，南宋时期被荣西和尚带回日本，在日本得到了较大发展[1]。抹茶作为一种天然超细微绿茶粉末，具有较高的营养和食用保健价值[2-4]。近几年，国内在饮品、奶制品、烘焙制品、肉制品、糖果巧克力制品、保健食品和其他副食品行业中已经开始应用，成为我国不少茶企业新的发展方向。目前研究主要集中于抹茶的主要成分以及发展状况和前景分析[5-6]，但对于不同种类抹茶香气成分辨别的研究较少[7-11]。

我国关于抹茶的国家标准刚刚执行[12]，还缺乏全面性，因此对抹茶品质进行科学地区分辨别具有重要的意义。电子鼻作为一种新型的无损检测技术，通过模拟人的嗅觉对样品整体信息进行全面快速地检测，具有重复性好、检测时间短、检测结果客观可靠等优势。电子鼻多应用于日常加工工艺的优化和品质的监控，辨别食醋、牛奶、脂类、酒、咖啡、茶叶、果实品质等[13-20]。电子鼻作为一种通过气味评价茶叶等级的新方法，成为目前研究茶叶香气品质的主要趋势和热点[21]。

香气是茶叶重要品质之一，目前已发现700多种物质[7]。由于茶叶的种类不一样,所以其香味也有所不同,主要是因为其内部蕴含的香气物质不同。本文通过电子鼻对不同种类不同形态抹茶的香气进行辨别研究，并运用多元统计分析中的主成分分析(principal component analysis，PCA)和判别因子分析(discriminant factor analysis，DFA)，进一步优化电子鼻在分析抹茶香气时的影响因素，建立电子鼻抹茶香气的分析系统，用传感器的指纹雷达图验证PCA和DFA分析方法的可行性，并研究不同种类的抹茶香气成分的组成和差异，为抹茶辨别及质量控制提供科学支持和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

11种抹茶：具体样品信息见表1，于-4 ℃保存；nC6～nC16正构烷烃标准样品，美国Restek公司。

Heracles II超快速气味指纹分析仪，法国 Alpha MOS S.A.有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品的前处理

分别称取11种不同种类的抹茶粉于20 mL钳口顶空瓶中，放于HERACLES II样品托盘的相应位置上，每个样品3个平行，不同样品之间加一个空的钳口瓶，用于消除样品之间的影响；抹茶汤是将抹茶粉与去离子水在钳口瓶中直接混合，在需要孵化测定时，进行孵化振荡混匀，使香气成分最大程度地进入电子鼻，减少抹茶香气的损失，每个样品3个平行，不同样品之间加一个空的钳口瓶。

1.2.2 电子鼻检测条件

进样量5 000 μL，清洗时间90 s，注射器温度比孵化温度高10 ℃，填充速度500 μL/s，注射速度125 μL/s，进样口温度200 ℃，进样口压力10 kPa，出口30 mL/min，注射时间45 s，捕集温度40 ℃，加热振荡器搅拌速度500 r/min，开始搅拌5 s，停止搅拌2 s，阀温度250 ℃，检测器温度260 ℃。

1.2.2.1 抹茶粉参数的优化

抹茶粉的样品量、孵化温度等主要因素直接影响电子鼻响应强度，需要对其进行设定和分析。在孵化温度一定的条件下[22]，分别称取0.2、0.5和0.8 g的同一抹茶样品，利用电子鼻进行检测分析，根据电子鼻的响应强度与抹茶粉含量关系，确定最佳的抹茶粉含量。采用上述最佳的抹茶粉含量，在电子鼻不同孵化温度下(50、55、60、65、70 ℃)，对11种不同种类的抹茶粉进行区分辨别，以确定电子鼻最佳孵化温度[23]。

1.2.2.2 抹茶汤参数的优化

方法同1.2.2.1，确定最优的茶水比(1∶4、1∶6、1∶8)和孵化温度(50、55、60、65 ℃)。

1.2.3 抹茶中香气成分的鉴定

取20 μL正构烷烃标准样品，用1.2.2中最优检测条件进样分析，分析标准品中每个烷烃的峰保留时间、峰面积和峰高，根据其保留指数数据和面积归一化法，建立校正模型，对样品中化合物进行定性和半定量分析。

2 结果与分析

2.1 抹茶粉实验参数的优化分析

2.1.1 抹茶粉样品量的优化分析

抹茶粉样品量直接影响电子鼻的响应强度，实验分别对0.2、0.5和0.8 g的样品量进行测定，结果见图1。可知，同一种抹茶，不同样品量，电子鼻的响应强度不同，且样品量为0.2 g时，含量较少的香气成分的峰响应值较低；样品量为0.5 g时，电子鼻图谱中所有香气响应强度适宜，各香气成分均能很好地表示；当样品量为0.8 g时，电子鼻传感器响应值强度达到饱和，考虑到仪器保护以及样品用量，本实验选用的抹茶样品量为0.5 g。

图1 不同样品量下抹茶样品S的电子鼻响应强度Fig.1 Electronic nose response intensity diagram of matcha sample S with different sample amounts

2.1.2 电子鼻孵化温度的优化分析

最适孵化温度是通过加热使香气成分尽可能地挥发出来，不稳定的成分又不分解时的温度，实验分别对5个孵化温度下的PCA和DFA进行分析。

每个茶样重复3次，所得到的不同温度下抹茶粉的PCA和DFA分析如表2，识别指数>95，说明电子鼻对11种不同种类的抹茶做了很好的区分，能很好地反映抹茶样品的香味轮廓[26]，其中60 ℃时，电子鼻的识别指数为98，辨别因子的总贡献率达到91.227%，均高于其他温度。在样品量为0.5 g，孵化温度60 ℃时，电子鼻能很好地区分辨别不同种类的抹茶粉，如图2和图3所示。

表2 不同温度下抹茶粉的主成分分析和辨别因子分析Table 2 PCA and DFA summary of matcha at different temperatures

可以看出，相同种类的抹茶样品重复性较好，不同种类的样品之间没有重叠且落在不同区域，说明在该条件下电子鼻对抹茶粉的区别程度较好。DFA是一种监督式分类的方法，通过缩小组内差异，扩大组间的差异来分析不同样品[27-28]。此外，图2对抹茶香气的区分效果其中优于图3，其组间距离较远，组内距离较近，区分程度较好。由图2的主成分1轴来看(主成分1轴较主成分2轴所占比重大)[29]，其中Y1与Y2、H1与H2、J1、J2与J3、 L1与L2、L3组间距离较近，成分相似，组内距离较远，说明电子鼻能很好地区分不同产地的不同抹茶品种。

图2 不同抹茶样品在60 ℃下的主成分分析Fig.2 PCA diagram of different kinds of matcha samples at 60 ℃

图3 不同抹茶样品在60 ℃下的辨别因子分析Fig.3 DFA analysis of different kinds of matcha samples at 60 ℃

从图4可以看出，不同抹茶粉对电子鼻传感器的响应强度有明显的差异，其中Y1、Y2与H1、H2；J1、J2与J3； L1与L2、L3电子鼻指纹图谱相似，主要区别在于含量的不同，这与PCA和DFA的结果一致。

图4 60 ℃下不同种类抹茶样品的主要传感器雷达图Fig.4 Radar of main sensors of different kinds of matcha samples at 60 ℃

2.2 抹茶汤实验参数的优化

2.2.1 样品茶水比的优化

实验分别对茶水比为1∶4、1∶6、1∶8的抹茶汤进行测定，电子鼻的响应强度见图5。由图5可知，随着茶水比的增加，电子鼻传感器的响应值强度先增加后降低，在茶水比为1∶6时，电子鼻的响应值最大，样品中各种香气物质的峰值适宜。本实验选用茶水比为1∶6的抹茶样品进行电子鼻后续的检测。

图5 不同茶水比的抹茶样品J1对电子鼻响应强度图Fig.5 Electronic nose response intensity diagram of matcha sample J1 with different tea to water ratios

2.2.2 电子鼻孵化温度的优化

抹茶汤香气采用直接混合法制备，振荡器中孵化温度直接影响其香气的挥发，对4个孵化温度下的PCA和DFA的数据结果进行汇总，见表3。

表3 不同温度下抹茶汤的主成分分析和辨别因子分析Table 3 PCA and DFA summary of matcha soup at different temperatures

由表3可知，在孵化温度为55 ℃时，电子鼻对11种不同种类的抹茶汤区分效果良好，PCA的识别指数为95，总贡献率为91.608%，均高于其他孵化温度，区分辨别效果最好。但在65 ℃下，其识别指数和总贡献率最低，可能是随着温度升高，抹茶汤中香气成分不稳定，导致区分和辨别不明显。所以在55 ℃，茶水比为1∶6时，电子鼻对于区分辨别不同种类的抹茶汤效果最好，PCA和DFA结果如图6和图7所示。

可以看出，茶水比为1∶6、孵化温度为55 ℃时，区域没有重叠，说明电子鼻对抹茶汤的区分辨别效果较好，图6横坐标的范围明显大于图7，说明PCA对抹茶汤香气的区分效果优于DFA，图6中，Y1与Y2、L1与L2、L3、J1与J2、J3分布在主成分的不同区域，且组内距离较近，区分程度较好。

图6 不同种类的抹茶汤在55 ℃下的主成分分析Fig.6 PCA analysis of different kinds of matcha soup at 55 ℃

图7 不同种类的抹茶汤在55 ℃下的辨别因子分析Fig.7 DFA analysis of different kinds of matcha soup at 55 ℃

表3可知，在最优的电子鼻检测条件下，抹茶粉的重复性高于抹茶汤，电子鼻对抹茶粉的辨别指数达到98，而茶汤仅仅为95，是由于茶粉香气物质较茶汤更加稳定，而茶汤香气物质受到外界的影响因素较多。所以电子鼻对抹茶粉的区分辨别程度优于抹茶汤。

图8 55 ℃下不同种类抹茶的主要传感器雷达图Fig.8 Radar of main sensors of different kinds of matcha samples at 55 ℃

由图8可以看出，不同种类的抹茶汤对电子鼻传感器的强度有直观可见的差异[30]，其中样品S与Y1、Y2成分相似，H1与H2；L1和L2、L3；J1与J2、J3距离较近，成分相似，这与PCA的结果一致，验证在最优检测条件下，电子鼻能很好地区分不同品种的抹茶汤。

2.3 电子鼻对抹茶香气成分的分析

通过上述电子鼻检测条件的优化，在样品量0.5 g，孵化温度为60 ℃时，得到11种抹茶粉香气成分及相关指数，如表4所示。

本实验11种抹茶共确定了259种香气成分，醇类化合物共检测到44种，主要包括芳樟醇(花香和木香，相对含量4.38%～9.76%)、香叶醇(甜的玫瑰花香，相对含量2.35%～6.77%)、壬醇(玫瑰和橙的愉快香气，相对含量2.33%～5.35%)、苯甲醇(微弱芳香气味，相对含量0.94%～2.45%)、3-辛醇(相对含量0.75%～1.34%)；酮类化合物共检测到34种，主要包括大马士酮(似玫瑰的芳香，相对含量2.32%～3.46%)、3-己酮(相对含量0.86%～1.35%)、1-辛烯-3-酮(相对含量0.79%～1.82%)、2,3-辛二酮(甜的奶油香，相对含量1.04%～2.33%)；醛类化合物共检测到46种，主要包括苯甲醛(苦杏仁味，相对含量1.14%～2.79%)、顺式-3-己烯醛(相对含量0.95%～1.19%)、壬醛(有玫瑰、柑橘香气，相对含量2.59%～4.38%)、(3Z,6Z)-3,6-壬二烯醛(相对含量0.84%～1.07%)；酯类化合物43种，主要包括Delta-戊内酯(相对含量1.21%～3.08%)、乙酸庚酯(草药、青香及似杏香的香味，相对含量2.26%～5.79%)、2-甲基丁酸乙酯(相对含量0.79%～1.43%)、乙酸反-2-己烯酯(相对含量1.01%～3.86%)；萜烯类化合物19种，主要有月桂烯(甜香脂气味，相对含量1.03%～2.27%)、β-蒎烯(相对含量0.63%～1.05%)、(S)-(-)柠檬烯(相对含量1.26%～2.53%)、双戊烯(相对含量介于0.88%～1.07%)；烷烃类化合物14种，主要有4-甲基壬烷(相对含量1.0%～2.33%)；含氮类化合物19种，主要包括2-乙酰基吡嗪(相对含量0.53%～0.86%)、2-乙基-6-甲基吡嗪(相对含量0.34%～0.73%)；其他类有10种，主要成分有间二甲苯(强烈芳香气味，相对含量0.24%～0.53%)、桉叶油素(相对含量0.32%～0.49%)、萘(樟脑丸之气味，相对含量0.55%～0.97%)。其中不同产地抹茶粉的香气成分不同，同一产地不同种类抹茶的香气成分差异较小。

表4 电子鼻鉴定出11种抹茶的主要香气成分及相关指数Table 4 The main aroma compounds and correlation index in eleven kinds of matcha identified by electronic nose

续表4

序号香气的中文名称相对含量范围/%相关指数/%SY1Y2H1H2J1J2J3L1L2L3其他物质46桉叶油素47间二甲苯48缬草酸49川芎嗪50愈创木酚51萘1.19～3.8887.49-43.8670.4172.50-75.4875.9583.4181.34-85.8270.0878.5679.2475.2185.4084.3487.4378.9674.6589.5590.6483.2785.0487.4181.7970.3889.3184.2375.4177.9671.7290.7991.0987.9086.7692.0590.2488.3973.7685.5586.3287.7180.0790.9473.0475.0192.6375.5270.0371.3479.1574.4876.02--85.6982.5272.79--73.98-75.6-

注：“-”：未检出或定性相关指数小于70%。

由表4可以看出，抹茶中主要香气成分中醇类、酯类、醛类化合物组分较高，醇类的含量最高，约占19.43%～23.79%。11种抹茶中共有的香气成分有35种，其中醇类化合物有8种，酮类化合物5种，醛类化合物5种，酯类化合物6种，萜烯类化合物3种，烷烃类化合物1种，含氮类化合物3种、其他物质4种。

3 结论

实验确定了电子鼻检测抹茶粉和抹茶汤的最优参数，得到电子鼻在最优检测条件下对不同种类抹茶粉的区分辨别能力优于抹茶汤。对5个产地的11种抹茶的香气进行分析：薛埠镇的鑫品精品抹茶(J1)、鑫品一级抹茶(J2)和鑫品玉品抹茶(J3)相比，J3香气成分中的醇类、醛类、酯类化合物种类和数量高于J2、J1；对于石各庄镇的英鹏标准型抹茶(L1)、精品型抹茶(L2)和优良型抹茶(L3)，L2香气成分中的醇类、醛类、酯类化合物种类和含量高于L1、L3；上海宝山区的宇治C-1(Y1)和C-2(Y2)相比，Y2香气成分中的醇类、醛类、酮类化合物种类数量高于Y1；对于杭州茗宝抹茶607(H1)和633(H2)来说，H2香气成分中的醇类化合物的种类和含量高于H1。

通过电子鼻对抹茶粉的定性和半定量分析，结果表明：5个产地的抹茶品种香气成分差异明显，相同产地抹茶香气成分差异较小，但不同生产工艺中相应成分明显不同，这与电子鼻PCA及雷达图的结果一致；电子鼻能够准确地区分来自5个产地的11种抹茶，同时可以快速检测出抹茶的具体香气成分及其异同，为抹茶香气成分的分析和质量鉴定提供基础。研究结果说明，利用电子鼻区分辨别不同种类抹茶香气是可行的。