基于GC-IMS的不同年份紧压白茶挥发性物质分析

王志华，薛志慧，朱文伟，孙威江*

（1.福建农林大学 园艺学院，福建 福州 350002；2.福建农林大学 安溪茶学院，福建 泉州 362400；3.福建省茶产业技术开发基地，福建 福州 350002；4.福建熹茗茶业有限公司，福建 福州 350002）

白茶，属微发酵茶，其汤色黄绿清澈、滋味消淡回甘征[1]，且随着贮藏时间的增加，白茶的药用价值越明显。适当条件下贮藏的紧压白茶具有一定的收藏价值，有“一年茶、三年药、七年宝”之称[2]。新鲜白茶中的甜味和青草味经过长时间的自然存放后会产生特有的酯类化合物，转变为荷叶香、枣香和药香等[3-5]。研究表明，经过压饼处理后的白茶中醇类物质的平均相对含量有大幅度降低，而酯类物质则有明显增加，且较散茶陈香更明显[6-7]。现在紧压白茶市场存在大量“以新代老”“以次充好”的乱象，如何规范紧压白茶市场秩序、促进紧压白茶消费市场健康发展成为急需解决的问题。

气相-离子迁移谱 （gas chromatography-ion mobility spectroscopy，GC-IMS）是一种将气相色谱技术（GC）和离子迁移谱技术（IMS）相结合的技术，多应用于靶向和半靶向挥发性物质分析[8-9]。与传统GC-MS（gas chromatography-mass spectrometry）相比，GC-IMS具有前处理更简单、灵敏度更高、检测时间更短等优点，现在广泛应用于油类[10]、酒类[11]、中药[12]、水果[13]、肉类[14]等食品领域的生产过程监控、产地判别、真假判定和安全性检测。对于茶叶的研究多集中在绿茶[15]、茯砖茶[16]等不同茶类的风味物质分析和鉴别，以及不同产地茶叶的追踪溯源研究[17-18]。

作者采用气相离子迁移谱技术，通过化学计量法对同一公司同一仓储环境下不同年份紧压白茶的特征挥发性物质及其变化规律进行探究，对科学辨别紧压白茶仓储年限，保障消费者权益、规范紧压白茶市场提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验于2019年10月开展，材料选择福建瑞达茶业有限公司提供的采摘标准为一芽三四叶且制于春季的寿眉饼，生产时间分别为2018年、2016年、2014年、2012年、2010年、2009年、2006年 和2003年。紧压白茶工艺流程为：精制后的毛茶先进行称重，之后蒸汽软化30 s，再团紧固定之后压饼7 min，最后进行烘干储存。试验所用茶样均从当年商品茶中随机挑选，具体的茶样信息见表1。

表1 不同年份紧压白茶样品表Table 1 Compressed white tea samples for different years

1.2 方法

1.2.1 样品前处理取0.1 g白茶样品粉末置于20 mL顶空瓶中，70℃下保温15 min后自动进样。每个贮藏年份紧压白茶饼3~5个平行样品，设置3个重复，每个样品进样1次。

1.2.2仪器运行参数试验使用Flavour Spec®气相离子迁移谱联用仪，采用气相-离子迁移谱单元和自动顶空进样单元，用氮气作载气。具体分析参数见表2。

表2 仪器分析参数Table 2 Instrument analysis parameters

1.2.3 数据分析主要数据分析均使用气相-离子迁移谱检测仪器自带分析软件。物质的相对定量及定性分析使用LAV（laboratory analytical viewer）和GC-IMS Library Search内置数据库。数据分析使用Reporter、Gallery Plot以及PCA插件。后续分析使用SPSS22，PRSIM 8.0和R Studio软件。

2 结果与讨论

2.1 不同年份紧压白茶挥发性物质定性分析

分别选取了不同年份的紧压白茶样品，使用GC-IMS技术对挥发性物质进行对比和分析。图1以贮藏期1年的紧压白茶为参比，选取挥发性物质差异较大的年份作图，通过比较样品谱图颜色判断差异挥发性物质。图1显示出贮藏期2年的紧压白茶和贮藏期10年以上的紧压白茶相比挥发性物质有较大差别：贮藏期10年以上的样品在迁移时间10~14 ms、保留时间200~600 s的红色框内挥发性物质含量显著高于参比茶样，而在迁移时间9~16 ms、保留时间700~1 100 s的黑色框内挥发性物质含量显著低于参比茶样。

使用配套的软件GCxIMS Library Search通过气相保留时间以及离子迁移时间完成对挥发性物质的定性分析：不同年份紧压白茶共检测出134种挥发性物质，通过内置数据库鉴定出包括单体、二聚体和三聚体在内的56种挥发性物质。其中醇类16种，醛类19种，酯类5种，酮类7种，杂氧类化合物2种，吡嗪类及其衍生物5种，碳氢类化合物2种，主要风味物质如表3所示。

图1 不同年份紧压白茶离子迁移谱对比图Fig.1 Comparison of ion migration spectra of compressed white tea in different years

表3 不同年份紧压白茶定性挥发性物质表Table 3 Qualitative volatile compounds of compressed white tea in different years

续表3

醇类和醛类是紧压白茶最主要的香气成分，相关研究结果也表明白茶主要风味物质是醇类和醛类，芳樟醇及其氧化物和2-己烯醛是最主要的香气成分[19]。研究发现：主要挥发性物质是γ-丁内酯二聚体、正丙醇、苯甲酸乙酯、芳樟醇单体、2-乙基-6-甲基吡嗪和苯甲醛二聚体。其中，γ-丁内酯具有焦糖香，在咖啡[20]、茶叶[21]中均有报道；2-乙基-6-甲基吡嗪有烘烤香气；苯甲酸乙酯和芳樟醇单体具有花香和果香，苯甲醛二聚体则具有苦杏仁香气，正丙醇带苦味，适量的正丙醇可以衬托酯香，使香气更丰满持久。主要挥发性物质间的相互作用构成了紧压白茶独特的风味特征。

2.2 不同年份紧压白茶挥发性物质指纹图谱分析

不同年份紧压白茶挥发性物质的指纹图谱如图2和图3所示，由图可知不同年份紧压白茶的挥发性物质有较大差异，且部分物质呈现出一定的规律性。红色框内的挥发性物质：水杨酸甲酯、苯乙酸甲酯、芳樟醇及其氧化物单体及其二聚体、2-苯乙醇单体及其二聚体、庚醛单体及其二聚体、柠檬烯以 及 未 鉴 定 出 物 质 名 称 的6、7、14、16、39、45、57、58、60在2018年紧压白茶样品中的相对含量显著高于其他年份，而56、72、73、74、84、85的相对含量则显著低于其他年份；另外，2003年紧压白茶样品中2-庚醛的相对含量显著高于其他年份，未知物质“67”的相对含量则在2014—2018年紧压白茶样品中的相对含量较高。黄色框中的1-辛烯-3-醇、苯甲醛单体及其二聚体、1-戊醇单体及其二聚体、3-甲基丁醛二聚体以及未知物质20、21、22、23、34、35在各个年份中均有检出。比较不同年份紧压白茶挥发性物质信号峰强度，可以发现贮藏两年的紧压白茶挥发性物质相较于其他年份会更加丰富且浓度更高，贮藏期16年样品挥发性物质较少。贮藏年份相近的紧压白茶挥发性物质也相对较为类似，说明紧压白茶香气较为稳定，变化相对较少。

图2 不同年份紧压白茶未知挥发性物质的指纹图谱Fig.2 Fingerprint of unknown volatile compounds of compressed white tea in different years

图3 不同年份紧压白茶定性挥发性物质的指纹图谱Fig.3 Fingerprint of volatile compounds of compressed white tea in different years

表4 不同年份紧压白茶差异挥发性物质表Table 4 Volatile compounds of compressed white tea in different years

续表4

2.3 不同年份紧压白茶挥发性物质化学计量学分析

图4是对8个不同年份紧压白茶样品的挥发性物质峰强度值进行主成分分析，得出贡献度前二十名的特征挥发性物质，其中鉴定出来的物质有2-乙酰基呋喃、柠檬烯、2-苯基乙醇单体及其二聚体、庚醛二聚体、异丁酸以及E-2-辛烯醛。主成分分析得出的二维得分图，如图5所示。第一主成分分析值为57.6%，第二主成分分析值20.8%，第一主成分和第二主成分的解释量达到78.4%，表明第一主成分和第二主成分可以较好地区分不同年份的紧压白茶。由图5可知，贮藏期1~9年的紧压白茶和其他年份有较好的区分度，这表明贮藏时间较短的紧压白茶和贮藏时间较长的紧压白茶挥发性物质有着较大差异。而贮藏期10年、13和16年的紧压白茶样品则较为分散，可能是由于生产时间太过久远受到外界环境较大的影响。

图4 不同年份紧压白茶主成分贡献度分析Fig.4 Substances of PCA contribution of compressed white tea in different years

鉴于无监督的PCA分析对于区分不同年份压白茶作用有限，采用有监督的LDA分析对紧压白茶样品进行分析，结果如图6所示。分析精度1.0，ROC曲线下方的面积（AUC）1.0，表明LDA分析真实性较高，分析结果具有较高的可信度。由图可知，每个年份的紧压白茶通过LDA分析均能较好地分离。其中，贮藏期1~3年的紧压白茶挥发性物质较为类似，贮藏期10~16年的紧压白茶能够较好地聚集在一起。进一步对特征挥发性物质进行线性回归分析，建立贮藏时间（y）和主要特征挥发性物质的预测模型方程，y=-0.03x1+0.038x2-0.09x3-0.012x4+0.002x5+0.004X6+0.022x7+0.019x8-0.018x9-0.011x10+0.005x11-0.011x12+0.000x13-0.042x14-0.015x15+0.017x16+0.033x17+0.008x18+0.008x19-0.124x20（其中x1~x13为未定性特征挥发性物质，x14~x20分别为2-乙酰基呋喃、柠檬烯、2-苯基乙醇二聚体、2-苯基乙醇单体、2-庚酮、E-2-辛烯醛、异丁酸），R2=0.929，P＜0.05。因此，通过化学计量法分析得出的特征挥发性物质对于区分不同贮藏年限紧压白茶具有较好的区分度，且可信度较高。

图5 不同年份紧压白茶挥发性物质的PCA图Fig.5 PCA of volatile compounds of compressed white tea in different years

图6 不同年份紧压白茶挥发性物质的LDA分析图Fig.6 LDA analysis chart of volatile compounds of compressed white tea in different years

2.4 不同年份紧压白茶特征挥发性物质的变化趋势

以鉴定出来的区分不同年份紧压白茶贡献度前二十名的特征性挥发性物质峰强数据进行作图（以2-辛醇为内标物的相对含量），结果如图7所示。在不同年份紧压白茶中，2-乙酰基呋喃、庚醛二聚体和E-2-辛烯醛的含量整体呈现上升趋势。2-乙酰基呋喃在贮藏时间达到10年之后上升的速度减缓，而庚醛二聚体在贮藏时间3年时含量开始下降，到贮藏时间达到9年之后又出现显著上升趋势；E-2-辛烯醛含量在贮藏时7年时增速减缓，到贮藏时间达到11年后又呈线性增长。由图7能够发现紧压白茶样品随着贮藏时间的增加，异丁酸、2-苯基乙醇单体及二聚体、柠檬烯整体是下降趋势，有小范围的波动。其中，在贮藏3年的紧压白茶中这四种物质相对含量的减少速度趋缓。2-苯基乙醇单体及其二聚体在贮藏时间达到9年的时候，含量达到稳定状态。

对文献[22]提到的重要挥发性物质芳樟醇及其氧化物和水杨酸甲酯的相对含量进行了趋势分析，如图7所示，芳樟醇及其氧化物则在存放1~5年呈现显著下降趋势，之后随着储藏年限的增加氧化芳樟醇的含量又出现上升趋势，有小幅度的波动出现。水杨酸甲酯有显著减少的趋势，且在贮藏3年之后相对含量趋于稳定。

有关报道显示，2-乙酰基呋喃[23]呈杏仁香，有坚果和烟熏气息，庚醛二聚体[24]具草药味和微弱陈香，E-2-辛烯醛[25]有清香药草的味道；另外，2-苯基乙醇[26]具有花香清甜香，柠檬烯[27]呈现清爽柠檬味；随着贮藏时间的增加，紧压白茶的特征挥发性物质会相互作用，形成老白茶具有花香、清香药草味和坚果味的独特风味特征。罗舟[28]研究结果显示：白茶随着贮藏年份的累积，呈现出清花香、毫香和青气不断减弱的趋势，而陈香、枣香和甜香则会相应有所增加，与本研究内容相符。另外，异丁酸具有腐败陈味，多在酒类中被报道[29]。在本研究中，异丁酸相对含量虽然有小幅度波动但是整体呈现下降趋势，表明随着贮藏时间的增加紧压白茶中腐败性刺激味道逐渐减弱，也有可能是仓储环境不当导致紧压白茶中出现腐败性的刺激味道。傅海峰[19]研究了陈年寿眉饼茶在储存过程中品质变化，结果显示水杨酸甲酯和水杨酸的动态变化可能是陈年寿眉饼茶的重要特征，和本研究结果相符。另外有相关文献报道，陈化白茶压饼后芳樟醇及其氧化物含量有明显下降，随着贮藏时间的延长，S-芳樟醇的含量显著降低[30]，而本研究则显示芳樟醇相对含量呈现先下降又小幅度上升的波动趋势。具有甜香味的S-芳樟醇会转化为具有木本和薰衣草的气味的R-芳樟醇，可能是紧压白茶芳樟醇含量出现下降趋势的原因之一。

3 结语

图7 不同年份紧压白茶特征挥发性物质相对强度趋势图Fig.7 Trend of relative content of characteristic volatile compounds of compressed white tea in different years

选取相同仓储环境的紧压白茶采用气相离子迁移谱技术，运用指纹图谱信息库和化学计量法初步确定了不同年份紧压白茶挥发性物质的类型和含量，讨论了区分不同年份紧压白茶的特征挥发性物质及其在不同年份紧压白茶中的变化趋势，为进一步研究贮藏时间对紧压白茶品质的影响提供理论和数据支撑，起到判断紧压白茶贮藏年份和规范紧压白茶市场的作用。研究结果发现134种有利于区分不同年份白茶饼的香气物质，其中鉴定出56种香气物质。其中，2-乙酰基呋喃、柠檬烯、2-苯基乙醇单体及其二聚体、庚醛二聚体、异丁酸和E-2-辛烯醛可以作为辨别不同年份紧压白茶的特征挥发性有机物。柠檬烯、2-苯基乙醇、异丁酸的含量随着贮藏年份的增加呈现下降趋势，而2-乙酰基呋喃、庚醛和E-2-辛烯醛的含量则随着年份的增加呈现上升趋势。建立起贮藏时间（y）和主要特征挥发性物质的预测模型方程：y=-0.03x1+0.038x2-0.09x3-0.012x4+0.002x5+0.004x6+0.022x7+0.019x8-0.018x9-0.011x10+0.005x11-0.011x12+0.000x13-0.042x14-0.015x15+0.017x16+0.033x17+0.008x18+0.008x19-0.124x20（其中x1~x13为未定性特征挥发性物质，x14~x20分别为2-乙酰基呋喃、柠檬烯、2-苯基乙醇二聚体、-苯基乙醇单体、2-庚酮、E-2-辛烯醛、异丁酸），R2=0.929，P＜0.05。紧压白茶在贮藏过程中杏仁香、草药味和微弱陈香逐渐增加，而花香、清甜香和果香则逐渐减弱，共同形成紧压白茶的独特风味特征。

紧压白茶经过长时间的储存会产生种类多样的风味特征物质，软件内置的数据库信息还不能够完全支持将全部的物质定性出来，因此后期需要采用其他手段来对紧压白茶中的挥发性物质进行检测和鉴定，丰富特征挥发性物质库，还需要增大样本量，丰富紧压白茶年份，为更好地辨别不同年份紧压白茶做出补充和参考，建立起紧压白茶年份快速判别体系。