基于电子鼻与GC-IMS 技术云南昌宁红茶香气研究

刘学艳，王 娟，彭 云，吕才有

云南农业大学 龙润普洱茶学院，云南 昆明 650201

昌宁县位于云南省西部，隶属于保山市。县内气候条件优越，茶区多分布在海拔1400 ～ 2000 m 地带，土壤多为红壤，通透性好，有机质丰富，非常适合茶树生长[1]。昌宁县茶树种质资源丰富，除了本地野生型、过渡型与栽培型茶树外，还有从外地引进的优良茶树品种（如既适制乌龙茶又适制红茶的梅占[2]等），可按滇红加工工艺制成创新产品[3]。

昌宁红茶是昌宁县茶产业特色优势品牌，是云南省的“滇红新秀”。2018 年，昌宁红茶获得云南省地理标志保护产品认证[4]。昌宁当地生产和销售的红茶主要有生态红茶和古树红茶。生态红茶根据加工工艺不同分为毛峰型、针型和螺型红茶；古树红茶又分为以大理茶鲜叶制作的野生古树红茶和以普洱茶（变种）鲜叶制作的栽培型古树红茶[5]。研究表明，红茶中丰富的茶黄素等活性物质[6]赋予了红茶增强肠胃消化功能、肝脏功能[7]，还可消除水肿、利尿[8]，定期喝红茶也有利于预防高血压[9]和糖尿病[10]。

目前，用于红茶香气分析的方法主要有气相色谱质谱法[11]（GC-MS）、顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用法[12]（HS-SPME-GCMS）、电子鼻技术[13]等。如刘洪林等[14]使用HS-SPME-GC-MS 分析了传统红碎茶和CTC 红碎茶的香气组分差异，发现CTC 红碎茶中挥发性成分数量较低，其中醛类化合物和醇类化合物含量较低，但酯类化合物含量高于OTD 红碎茶。乔小燕等[15]使用HS-SPME-GC-MS 测定了云南省耿马县不同等级的CTC 红碎茶香气组分，发现不同等级CTC 红碎茶中以法尼基焦磷酸/牻牛儿基焦磷酸前体物形成的挥发性成分为主。

气相离子迁移谱技术（GC-IMS）是一种将气相色谱与离子迁移谱技术相结合的联用检测技术[16]。该技术高度结合了离子迁移谱技术高分离度和气相色谱的高灵敏度优势，使分离后得到的化学信息更加丰富[17]。该技术具有快速、灵敏、无需前处理、简单方便的优点，在食品风味分析、品质检测以及质量控制等多个领域得到了广泛应用[18]。

本试验采用电子鼻和气相离子迁移谱技术对8 个昌宁红茶的挥发性香气物质进行分析，旨在了解昌宁红茶的香气特征，比较不同茶树品种及不同加工工艺的红茶在香气组分上的差异，进而改善加工工艺，提高昌宁红茶的品质。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为云南省保山市昌宁县农业农村局提供的8 个不同类别的昌宁红茶样品（表1）。

表1 茶样信息Table 1 Information of tea samples

1.2 仪器与设备

FlavourSpec1H1-00053 型气相色谱-离子迁移谱，配备CTCCombiPAL自动顶空进样装置（德国GAS 公司），仪器主要相关参数设置见表2；PEN3 型便捷式电子鼻（德国Airsense 公司），传感器阵列由10 个金属氧化物气敏传感器组成，传感器名称与性能见表3。

表2 GC-IMS 检测参数Table 2 Test parametersof GC-IMS

1.3 电子鼻检测

1.3.1 香气采集

分别用干茶采集法、茶汤采集法、叶底采集法对茶样香气进行采集。干茶采集法：称取2.0 g 茶样放入100 mL 锥形瓶中，用保鲜膜密封静置45 min 后进行香气采集；叶底采集法：将茶汤完全倾倒后，用保鲜膜密封静置30 min 后进行香气采集。30 min 后进行香气采集；茶汤采集法：在锥形瓶中加入100 mL 煮沸的矿泉水，用保鲜膜密封

表3 PEN3 的各传感器名称与性能描述Table 3 Name and performance description of each sensor of PEN3

1.3.2 数据分析

先用电子鼻自带软件WinMuster，由于各传感器在T=56 ～ 58 s 时的响应值较为平稳，因此取这3 s 的响应值，采用PCA 与LDA 进行模式识别分析。

1.4 GC-IMS 检测

1.4.1 GC-IMS 检测条件

使用电子天平称取1.0 g待测样品，置于20 mL 顶空进样瓶中，80℃孵育15 min 后进样，每个样品重复测定3 次。

1.4.2 数据处理

采用仪器自带的三款插件，绘制离子迁移差异图谱、指纹图谱和主成分分析图谱，从3个角度分析样品差异。

2 结果与分析

2.1 电子鼻检测结果

图1 PCA 分析（A：干茶法；B：茶汤法；C：叶底法）Figure 1 PCA analysis（A：dry tea method；B：tea soup method；C：brewed leaf method）

2.1.1 不同茶样香气的PCA 分析

如 图1 所 示，在Correlation-M 矩 阵 下，PCA 分析结果显示，第一主要成分贡献率和第二主要成分贡献率如下：干茶法分别为97.571%和2.368%，茶汤法分别为99.451%和0.405%，叶底法分别为98.361%和1.600%；两者之和分别为：干茶法99.939%、茶汤法99.856%、叶底法99.962%，可以代表茶样的主要信息特征。茶汤法PCA 分析结果显示，茶样CN3、CN4与CN5 的香气比较接近，CN1、CN2、CN6、CN7、CN8 的香气差异较大。叶底法PCA 结果显示，茶样CN3 与CN4 的香气比较接近，CN5与CN2 的香气较接近，CN6 与CN8 的香气较接近，CN1 与另外7 个茶样的香气差异较大。可见，电子鼻PCA 分析可以将不同品种、不同等级的红茶样区分开来。

2.1.2 不同茶样香气的Lodings 分析

图2 Lodings 分析（A：干茶法；B：茶汤法；C：叶底法）Figure 2 Lodings analysis（A：dry tea method；B：tea soup method；C：brewed leaf method）

如图2 所示，在Correlation-M 矩阵下，Lodings 分析结果显示，第一主要成分贡献率和第二主要成分贡献率如下：干茶法分别为97.571%和2.368%%；茶汤法分别为99.451%和0.405%；叶底法分别为98.361%和1.600%；两者之和分别为：干茶法99.939%、茶汤法99.856%、叶底法99.962%，基本可以代表茶样的主要信息特征。

干茶法中，传感器W5S 对第一主成分贡献率最大，其次为W1W；传感器W1W 对第二主成分贡献率最高，W1S次之。说明氮氧化合物类、硫化物类、醇类化合物类对干茶香气贡献率 较高。

茶汤法中，传感器W6S 对第一主成分贡献率最大，其次为W5S；传感器W1S 对第二主成分贡献率最高，W2S 次之，说明氢化物类、氮氧化合物类、烷烃类化合物对茶汤香气贡献率较高。叶底法中，传感器W1W 对第一主成分贡献率最大，其次为W5S；传感器W5S 对第二主成分贡献率最高，其次为W1S，说明硫化物类、氮氧化合物类、烷烃类对叶底香气贡献率较高。综上可看出，对昌宁县8 个红茶样品香气贡献率较高的化合物种类依次为氮氧化合物类、硫化物类、氢化物类、烷烃类和醇类。

2.2 GC-IMS 检测结果

2.2.1 挥发性有机物离子迁移图谱比较

利用GC-IMS 仪器自带的VOCal 软件处理样品后，得到样品离子迁移谱图，图中一个点代表一种挥发性有机物，数字编号所代表的化合物名称及相关信息见表4。纵坐标表示保留时间，横坐标表示漂移时间，红色垂直线表示反应离子峰（RIP），离子峰两侧的每个点代表一种挥发性有机物，颜色的深浅表示含量高低，部分化合物因浓度和性质不同，会产生2个斑点，分别代表单体和二聚体。如图3 为4 号茶样的离子迁移谱图。

另外，利用仪器FlavourSpec®系统自带的LAV 软件内置的Gallery Plot 插件建立了8 个茶叶样品的指纹图谱（图4）。图中每一行代表一个样品，每个样品平行测定3 次，由该样品所含的全部挥发性有机物信号峰组成，每一列为同一保留时间及漂移时间下的有机物的信号峰。

从图中VOCs 的离子峰排列可明显看出，8 个红茶样品，平行测定的样品组内含有共有VOCs，即组内样品具有明显的相似性，仅区别于浓度大小；不同茶叶样品含有对应时间内所特有的VOCs，样品组间则呈现出明显的差异。即8 个茶叶样品中有相似的挥发性香气物质，也有不同种类和含量的挥发性香气物质。

2.2.2 挥发性有机物差异图谱分析

为了更加清晰地比较样品间的差异，采用差异对比模式，直接利用仪器自带的Reporter插件程序将8 个茶叶样品的二维图谱绘制成差异图谱（图5）。差异图谱以1 号茶样的谱图作为参比，剩余7 个样品的谱图扣减参比，图中白色区域表示二者挥发性有机物一致，扣减后没有差异，而红色代表该物质的浓度高于1 号茶样，蓝色代表该物质的浓度低于1 号茶样。

图 3 昌宁红茶样品中挥发性化合物特征峰位置点Figure 3 Location of characteristic peaks of volatile aroma compounds in Changning black tea samples

图 4 昌宁红茶样品挥发性香气化合物的指纹图谱Figure 4 Fingerprint of volatile aroma compounds in Changning black tea samples

图5 昌宁红茶样品的GC-IMS 差异图谱Figure 5 GC-IMS differential chromatogram of volatile aroma compounds in Changning black tea samples

从图5 中可看出，茶叶样品挥发性风味物质的种类和浓度明显不同。其中，4 号茶样明显比其它7 个样品的香气物质浓度高。结合表4可知：1号茶样中苯甲酸乙酯、2-庚酮、2-己酮、1-己醇、己醛、乙酸香叶酯、二甲基硫醚等物质的含量较高，这几种物质是形成梅占红茶特殊香气的重要物质。2 号茶样丁内酯、2-丁酮、丙酮、3-甲基丁酸、异丁酸、乙酸等物质的含量较高，尤其是酸类香气物质含量较其它茶样高；7号茶样中芳樟醇、2-乙基己醇、乙酸乙酯、糠醛、甲醇等物质的含量较高，芳樟醇类物质是滇红茶香气区别于其它地区红茶香气的重要物质之一。3 号样品中苯甲酸甲酯和烯类、醛类物质含量较高。4 号样品中醇类、酯类、醛类香气物质含量较高。5号样品中甲基丙醛、壬醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、（E,E）-2,4-庚二烯醛、E-2-庚烯醛、1-戊醇等物质的含量较高。 6 号样品中2-甲基丁醇、2-甲基噻吩、戊醛等物质的含量较高；8号样品中醛类（癸醛、E-2-壬烯醛）、杂环类（尤其是呋喃类）、乙偶姻等物质的含量较高。此外，等级越高的红碎茶，醇类、酯类香气物质更高；而等级低的红碎茶，烯类、醛类物质更丰富。从差异图（图5）中也可以看出，3 号茶样、4号茶样的差异物质相当明显。

表4 昌宁红茶挥发性组分信息表Table 4 Information table of volatile components in Changning black tea

续表

3 结论与讨论

从电子鼻的检测结果可看出，不同茶树品种、不同加工工艺的茶叶香气物质有较大的差异，电子鼻可以根据挥发性香气物质把茶样区分开来，电子鼻的10 个传感器显示红茶香气主要成分为氮氧化合物类、硫化物类、氢化物类、烷烃类和醇类，这与前人研究结果一致[19]。

通过GC-IMS 共检测出挥发性香气物质91种。其中，醛类31 种、醇类17 种、酯类16 种、酮类8 种、烯类6 种、杂环类6 种、酸类4 种和醚类1 种。任洪涛等[20]使用GC-MS 技术检测到云南红茶的香气物质为醇类最高，醛类次之；本次试验检测结果为醛类物质种类物质最多，是因为本次检测到的醛类香气物质的单体和二聚体较多。

本次试验中3 号、4 号、5 号、7 号和8 号茶样均为凤庆大叶种，3 号茶样和4 号茶样为不同等级的红碎茶，5 号茶样为红螺，8 号茶样为红金针。可以看出相同茶树品种制成红碎茶时香气物质较其它工夫红茶丰富，这与前人的研究结果一致[21]，且等级越高，香气物质越丰富，尤其是烯类、醛类和酯类。可能是因为红碎茶经过揉切工艺，细胞充分破碎，香气前体物质在酶类物质充分氧化、降解、转化作用下形成丰富的香气物质，这也是红碎茶香气高扬持久、滋味醇厚饱满的原因，同时也说明加工工艺直接影响红茶的香气。由5 号、7 号和2 号茶样可以看出，野生茶树和生态茶树香气物质也有极大的差异。2 号茶样茶树为纯野生古茶树，香气物质在种类和含量上较人工干预过的野放茶树高。茶树品种、加工工艺等直接影响着红茶内各物质成分的种类、含量及浓度配比，因此形成不同红茶独特的风味品质[22]。

试验结果表明，电子鼻仪器可以将不同级别、不同茶树品种的红茶区分开来，但不能定量比较红茶挥发性香气物质在组成和含量上的差异。GC-IMS 仪器可以将红茶样品的挥发性组分分离,不同的茶样具有各自不同的GC-IMS 特征谱图信息，可以明显看出样品之间的挥发性组分的差异。等级高的红碎茶，香气组分比等级低的高，野生茶树制成的红茶香气较人工干预的生态茶树香气组分丰富。通过GC-IMS 仪器从昌宁县的8 个红茶样品中检测出91 种挥发性香气物质，包括醛类（31 种）、醇类（17 种）、酯类（16 种）、酮类（8 种）、烯类（6 种）、杂环类（6 种）、酸类（4 种）及醚类等。说明昌宁县的红茶挥发性香气物质种类丰富，每一种茶样都具有各自特征性香气物质，茶树品种、加工工艺、茶叶等级等都是红茶香气的影响因素，多种因子相互协调作用，形成了不同香气特征的红茶。