基于通径分析的不同等级红茶与化学成分相关性研究

韦玲冬，张 雯，王春波，刘 荣

黔南民族师范学院 生物科学与农学院，贵州 都匀 558000

红茶属于全发酵茶类，其中所含的化学成分是决定茶叶特性的物质基础。红茶的呈味物质和功能性成分有茶多酚、茶黄素、茶红素、咖啡碱、氨基酸等[1-3]。近年来，在茶叶等级的判定上，Gill[4]等以物理参数为基础，通过纹理分析对红茶进行无损分级；同时电子鼻技术[5]、电子舌技术[6]及计算机视觉技术[7]在茶叶等级判定已被广泛应用；席佳丽[8]对云南临沧不同级别红茶化学成分进行比较，结果发现不同等级工夫红茶咖啡碱、儿茶素、茶黄素含量1 级 ＞ 特级 ＞ 3 级 ＞ 6 级；程焕[9]等人对红茶与绿茶感官品质与其化学组分的相关性研究发现各种茶样之间的产地和等级间差异主要是鲜度和涩度，而与之相关的组分主要是茶氨酸和咖啡碱，茶多酚的影响还有待进一步考察。上述研究在相关性分析基础上探究不同内含成分与级别间相关性，而茶叶内含成分对等级的直接作用和间接影响的大小，确定影响等级的主要内含成分的相关研究未见报道。

通径分析是在相关分析与回归分析的基础上，将相关系数分解为直接作用系数和间接作用系数，可用通径系数（直接作用）绝对值的大小直接比较自变量在回归方程中的重要性，抓住多变量系统中的关键因子[10]。本文研究采用了通径分析和多元回归分析方法，建立茶叶等级与内含成分多元回归方程的同时，区分了内含成分作为自变量对等级依变量的直接作用和间接影响的大小，确定了影响红茶等级的主要内含成分。试验为后期利用茶叶中主要化学指标对红茶等级的判定提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：红茶精制样特级至7级。不同级别间按一定比例拼配并设定级别系数，得到样品共60份，如表1。由表中可看出：级别系数值（Y）=Y i*a%+Y j*b%，其中：a% +b% = 100%，a%和 b% 代表不同级别拼配时所占比例；i, j =（0 ～7），代表不同茶叶等级值。

表1 不同等级红茶拼配样品Table 1 Mixed samples of different grades of black tea (n=60)

仪器：Waters高效液相色谱仪；UV-1600 紫外可见分光光度仪（北京瑞利仪器有限公司）；DHG-9240A 型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；UDK-159 型全自动凯氏定氮仪（意大利 VELP 公司）；DK 8S 型消化炉 （意大利VELP 公司）；FIWE6 型纤维素测定仪及全套配件反射板、玻璃坩埚、RC2 型2位加热板、PVC 管、坩埚钳、溶剂杯（意大利 VELP 公司）；KSW-4D-11 型箱式电阻炉温度控制器（上海跃进医疗器械厂）。

1.2 试验方法

1.2.1 茶多酚含量的测定

参照GB/T 8313—2008《茶叶中茶多酚和儿茶素类的检测方法》测定方法[12]。

1.2.2 咖啡碱含量的测定

采用高效液相色谱（HPLC）法，参照GB/T 8312—2002《茶 咖啡碱测定》。

1.2.3 游离氨基酸含量的测定

按照 GB/T 8314—2002《茶 游离氨基酸总量测定》。

1.2.4 水浸出物含量的测定

参考GB/T 8305—2002《茶水浸出物测定》进行检测。

1.2.5 全氮量测定

使用UDK-159型全自动凯氏定氮仪，参照GB/T 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定方法》。

1.2.6 粗纤维含量测定

根据GB/T 8310—2002《茶叶中粗纤维的测定方法》，使用FIWE6 型纤维素测定仪及全套配件对茶叶粗纤维含量进行检测。

2 结果与分析

2.1 不同等级间内含成分比较

表2可看出，不同等级红茶中的全氮量在4.53% ～ 5.02%，特级含量最高；水浸出物含量范围为37.00% ～ 41.68%,七级水浸出物含量最低；茶多酚、咖啡碱、游离氨基酸含量分别在 9.80% ～ 13.65%、2.67% ～ 3.42% 及 2.95% ～ 4.26%，一级茶叶均为最高含量；粗纤维的含量随着级别系数的增加而增加，含量为9.31% ～ 11.34%，这是由于纤维素、可溶性糖等物质与茶鲜叶老嫩度相关，进一步影响制茶过程中茶叶形状品质的形成[11-12]。

表2 不同等级红茶中内含成分比较 （%）Table 2 Comparison of chemical components in different grades of black tea （%）

不同级别茶叶内含成分差异，标准差大小依次为水浸出物（1.77）＞茶多酚（1.22）＞粗纤维（0.85）＞游离氨基酸（0.51）＞咖啡碱（0.26）＞全氮量（0.19）。说明不同等级红茶中水浸出物含量、茶多酚含量及粗纤维含量的差异大，这是由于不同等级红茶原料差异所致。水浸出物对茶叶品质起决定性作用，一般情况下，茶叶级别越高，其水浸出物含量就越高，而茶叶的粗纤维含量是决定茶叶的老嫩度，嫩度与级别密切相关[13]。全氮量及咖啡碱标准差值小，则表明不同等级间全氮量及咖啡碱成分变化差异小，这可能与咖啡碱化学性质较稳定的特性有关[14]。

2.2 化学成分与等级间的相关性

对红茶中各内含成分与等级进行相关性分析，相关系数如表3所示。粗纤维含量与红茶级数存在显著正相关，说明等级低，原料粗老，粗纤维含量高；水浸出物、咖啡碱、游离氨基酸、全氮量、茶多酚含量与等级数存在显著的负相关关系。各内含成分与等级相关系数大小依次为：水浸出物（r = |-0.950|）＞咖啡碱（r = |-0.932|)＞全氮量（r = |-0.801|）＞茶多酚（r = |-0.673|）＞游离氨基酸（r = |-0.509|）＞粗纤维（r = |0.322|）。红茶原料老嫩程度（粗纤维）对等级的影响小于茶叶中可溶性生化成分（咖啡碱，茶多酚，氨基酸等）对等级的影响程度。

表3 红茶内含成分与等级间相关性分析Table 3 Correlation between chemical components and grades of black tea

各内含成分间相关作用显著且较高的有：水浸出物（X2）与咖啡碱（X4），r = 0.952；水浸出物（X2）与全氮量（X1），r = 0.814；茶多酚（X3）与咖啡碱（X4），r = 0.765；全氮量（X1）与咖啡碱（X4）。由此表明，红茶品质形成是各种内含成分协同作用的结果。咖啡碱对茶叶滋味起到协调作用，是参与红茶冷后浑的重要物质之一[15]。不同级别祁门工夫红茶中，咖啡碱随级别降低而减少[16]。

2.3 内含成分对等级影响的通径分析

相关系数的大小虽能代表红茶等级与各内含成分之间的相关程度，但并不能完全反映出各内含成分对红茶等级的相对重要性。通径分析是在相关分析与回归分析的基础上，将相关系数分解为直接作用系数和间接作用系数，可用通径系数（直接作用）绝对值的大小反映各内含成分对红茶品质的影响大小[17]。利用DPS软件，通过通径分析计算，剖析内含成分对茶叶等级的直接作用（即通径系数）与间接作用的大小。由表4可以看出：内含成分对等级直接影响大小（通径系数）：水浸出物（X2）＞咖啡碱（X4）＞粗纤维（X6）＞全氮量（X1）＞游离氨基酸（X5）＞茶多酚（X3），表明水浸出物及咖啡碱对等级的直接影响较大，而茶多酚含量对等级的直接影响最小，其间接影响系数（-0.705）大于直接影响系数（0.023），这是由于红茶品质的形成中多酚类物质少，通过氧化聚合生成茶黄素、茶红素等[18]，其主要通过与咖啡碱、水浸出物间相关作用对茶叶等级产生间接影响。分析表明茶多酚与等级间存在的显著关系，主要是通过间接作用产生显著影响。

表4 茶叶内含成分与红茶等级的通径分析Table 4 Path analysis between biochemical components and grades of black tea

2.4 多元回归方程的建立

根据测定资料运用逐步引入——剔除法(Stepwise) 进行逐步多元回归分析[19-20]。分析中（图1A）剔除茶多酚因素（X3）建立等级与内含成分间数值模拟方程，得到的回归方程：

图1 红茶等级化学成分回归方程Figure 1 Regression equation between grades and chemical composition of black tea

Y= 30.189-314.191X1+5.347X2-713.852X4+ 104.332X5+40.569X6，决定系数 R2= 0.9055。但实际上茶多酚含量与茶叶等级有显著的相关性，因此将茶多酚因素（X3）进行引入（图1B），建立等级与内含成分间数值模拟方程，得到的回归方程：Y= 49.00-130.71X1-95.75X2+4.20X3-246.95X4+34.36X5+50.15X6，决定系数R2= 0.8992。

3 结论与讨论

不同级别茶叶内含成分中标准差的变化：水浸出物的标准差（1.77）＞茶多酚（1.22）＞粗纤维（0.85）＞游离氨基酸（0.51）＞咖啡碱（0.26）＞全氮量（0.19），表明不同级别间不同内含物质的变化大小是茶叶等级系数差异的综合体现，对于红茶而言，茶多酚类物质在制造过程中发生复杂变化。刘亚峰[18]等基于通径分析的不同萎凋程度的浙江红茶化学成分与感官品质关系研究发现，茶多酚（X1）直接作用通径系数小于间接作用总和通径系数，茶多酚通过间接作用影响茶叶感官品质。影响浙江龙井43和迎霜所制的春季红茶品质的最主要成分是茶黄素单体TF-3'-G。 本研究利用DPS软件，进行通径分析计算，将相关系数分解为直接作用系数和间接作用系数，直观剖析内含成分对茶叶等级的直接作用（即通径系数），间接作用的大小，并通过回归分析建立等级与内含成分间数值模拟方程。结果表明：内含成分对等级直接影响大小（通径系数）：水浸出物（X2）＞咖啡碱（X4）＞粗纤维（X6）＞全氮量（X1）＞游离氨基酸（X5）＞茶多酚（X3）。茶多酚对等级的直接影响小，而是通过间接作用即水浸出物、咖啡碱相互作用影响茶叶等级。水浸出物对等级的直接影响最大，采用逐步引用——剔除法建立回归方程。根据内含成分对等级的影响程度逐步引入建立回归方程Y= 49.00-130.71X1-95.75X2+4.20X3-246.95X4+34.36X5+50.15X6，决定系数R2=0.8992。用内含成分建立的回归方程，预测未知样等级，真值与预测值间相关性高，对未知茶叶等级样品进行预测是可行的。该方法为红茶品质分析与等级评价提供新思路。