GC-IMS技术与HS-SPME/GC-MS技术分析3种茶叶风味成分

敬思群，吴飞虎，程金生，张俊艳，唐辉，李海霞

（1.韶关学院英东食品学院，广东 韶关 512005；2.新疆大学生命科学与技术学院，新疆 乌鲁木齐 830046；3.珠海雅富兴源食品工业有限公司，广东 珠海 519000）

非洲盛产茶叶，南非的如意宝花草茶和蜜树茶以及白茶、绿茶、红茶、乌龙茶乃至发酵茶等都是非洲的特色茶叶[1-2]。卢旺达位于非洲赤道附近，其中72%的茶树生长在高地，肥沃的火山土壤和温带的气候为茶叶的完美生长提供了条件，使得卢旺达茶具有美味、新鲜、营养和成分复杂的特点。Nkubana[3]将卢旺达红茶与中国绿茶和乌龙茶进行抗氧化活性比较发现，卢旺达红茶清除自由基的能力强于中国绿茶和乌龙茶。Nshimiyimana[4]研究发现，相对于卢旺达红茶及其提取物，卢旺达绿茶及其提取物中的儿茶素含量非常丰富，这是由于卢旺达红茶在加工过程中，将表没食子儿茶素没食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）氧化成了茶红素和茶黄素，咖啡因在卢旺达绿茶中含量较高，在卢旺达红茶中含量较低。卢旺达红茶和卢旺达绿茶都属于高地茶，但因其茶树品种和加工方式不同，导致其挥发性化合物在成分和含量上都具有较大差异，但目前还未见有关卢旺达红茶与卢旺达绿茶风味成分分析的对比研究。

气相离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectroscopy，GC-IMS）是一种将气相色谱技术和离子迁移谱技术相结合的新技术[5]。该技术根据气相离子在电场中迁移速率的不同而进行识别，使得气相色谱分离后得到的化学信息更加丰富[6-8]，其样品无需复杂的预处理，具有简单、高效和廉价的特点[9-12]，已在食品风味分析[13-15]、食用油掺假鉴别[16-18]、环境毒害气体检测[19-20]等方面被应用。顶空固相微萃取/气质联用（headspace solid-phase microextraction/gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME/GC-MS）是一种成熟的常规分析技术，该技术联合了气相色谱的分离能力和质谱检测器的结构优点，在工业、农业、食品等方面有广泛应用[21-23]，但未见GC-IMS与HS-SPME/GCMS技术联用分析卢旺达茶叶风味这方面的研究。

本文以卢旺达红茶和卢旺达绿茶为研究对象，采用GC-IMS技术联用HS-SPME/GC-MS技术分析茶叶风味。选取了同一类型不同等级的两种红茶进行研究，再将两种等级的红茶与绿茶进行对比，测定3种茶样的风味成分并分析其差异性。旨在揭示等级与品种对卢旺达茶风味成分的影响，为卢旺达红茶与绿茶的开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

卢旺达红茶FBOP、卢旺达红茶FOBP1（红茶FBOP中最优等级）、卢旺达绿茶：珠海雅富兴源食品工业有限公司。

1.2 仪器与设备

FlavourSpec气相离子迁移谱联用仪：德国G.A.S公司；GC-MS-QP 2010 Plus气相色谱-质谱联用仪：日本岛津公司；手动SPME进样器、50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取头：美国Supeclo公司；HH-8型水浴锅：国华电器有限公司；Rtx-5MS石英毛细管柱（30.0 m×0.32 mm，0.25 μm）：美国 Agilent公司。

1.3 试验方法

1.3.1 GC-IMS技术分析风味成分

样品处理：取1 g样品置于20 mL顶空瓶中，80℃孵育15 min后进样。

GC-IMS测定条件：顶空孵化温度80℃；孵化时间15 min；孵化转速：500 r/min；顶空进样针温度 85℃；进样量500 μL，不分流模式；清洗时间0.50 min；载气为高纯氮气（≥99.999%）；色谱柱温度60℃；IMS温度45℃；色谱运行时间20 min，设置程序流速2.00 mL/min并保持1min，在10min内线性增至20.00mL/min，在5min内线性增至100.00 mL/min，以100.00 mL/min保持5 min。

数据分析与处理：采用设备自带的Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析软件，采用 GC-IMS Library Search软件内置的2014NIST数据库和IMS数据库对风味成分进行定性分析、LAV中Reporter和Gallery插件程序构建挥发性有机物的差异图谱和指纹图谱；dynamic PCA plug-ins插件程序进行PCA处理，采用LAV软件中插件Matching matrix进行相似度分析。使用Excel 2010作图。

1.3.2 GC-MS技术分析风味成分

1.3.2.1 样品采集预处理

顶空固相微萃取：将萃取头在气相色谱仪的进样口经250℃老化30 min备用；称取样品10 g，放入100 mL的三角瓶内，用锡箔纸封口。首先将其置于80℃的恒温水浴锅内10 min，使茶叶风味充分挥发和平衡；然后将固相微萃取装置的针头穿透锡箔纸插入三角瓶内茶叶上方，固定好固相微萃取的手柄，小心推出纤维头并开始计时；吸附60 min后取出，随即插入GC-MS仪器的进样口，在230℃下热脱附1 min。

1.3.2.2 GC-MS测定条件

GC条件：Rtx-5MS石英毛细管柱（30.0m×0.32mm，0.25 μm），载气 He（99.999%），柱前压 4.07×104Pa，分流比5∶1，进样口温度230℃，柱温为起始温度30℃保持3 min、以2℃/min升至160℃、再以10℃/min升至230℃、保持3 min。

MS 条件：电子轰击离子源（electron impact，EI）、温度200℃、电子能量70 eV、质量扫描范围35 u～450 u、扫描速度909 u/s、光电倍增管电压800 V。

1.3.2.3 数据分析与处理

根据得到的总离子流图中各色谱峰的质谱信息，经NIST05标准质谱库对照及与已发表的茶叶风味质谱资料比较，确定各色谱峰对应的物质结构。各色谱峰的峰面积与总峰面积之比为各风味组分的相对含量。

2 结果与分析

2.1 HS-SPME/GC-MS结果分析

图1～图3分别为3种茶叶气相色谱-质谱总离子流图谱（total ion chromatogram，TIC）。卢旺达茶叶主要风味成分见表1。

表1 卢旺达茶叶主要风味成分（HS-SPME/GC-MS分析）Table 1 Main flavor components of Rwandan tea（HS-SPME/GC-MS analysis）

续表1 卢旺达茶叶主要风味成分（HS-SPME/GC-MS分析）Continue table 1 Main flavor components of Rwandan tea（HS-SPME/GC-MS analysis）

图1 FBOP1卢旺达红茶总离子流图谱Fig.1 TIC pattern of FBOP1 Rwandan black tea

图2 FBOP卢旺达红茶总离子流图谱Fig.2 TIC pattern of FBOP Rwandan black tea

图3 卢旺达绿茶总离子流图谱Fig.3 TIC pattern of Rwandan green tea

从图1～图3可以直观看出，3种茶叶具有较多共同风味成分，利用HS-SPME/GC-MS共检测出71种主要风味成分（表1），其中共有风味成分16种，分别为芳樟醇、水杨酸、咖啡因、十二烷、β-紫罗兰酮、十六烷、酞酸二乙酯、二氢猕猴桃内酯、香叶基丙酮、十二甲基环六硅氧烷、苯甲醛、十八甲基环壬硅氧烷、大马士酮、叶绿醇、甲位紫罗兰酮、3-甲基-十三烷。卢旺达红茶FBOP1含有2，6，10-三甲基十三烷、六甲基环三硅氧烷、己醛等13种独有的风味成分，卢旺达红茶FBOP含有苯乙醇、卡达林、右旋萜二烯等17种独有的风味成分，卢旺达绿茶含有反式-橙花叔醇、二十七烷酸、茉莉酮等8种独有的风味成分。

2.2 GC-IMS三维图谱分析

通过LAV软件得到样品挥发性有机物的迁移谱图，见图4。图5为卢旺达红茶FBOP1、卢旺达红茶FBOP和卢旺达绿茶的GC-IMS迁移谱图俯视图。

图5 3种茶叶GC-IMS谱图（俯视图）Fig.5 GC-IMS spectra of three kinds of tea（top view）

图4可以直观看出不同茶叶中的挥发性有机物差异，但是由于分析不便，因此取俯视图图5进行差异对比。以红色竖线为反应离子峰（RIP峰），RIP峰右侧的每个点代表1种挥发性有机物，白色表示浓度较少，红色表示浓度较大，颜色越深表示浓度越大。根据图5中信号峰的数量及峰强度可以直观看出，卢旺达红茶FBOP1与卢旺达红茶FBOP两个茶叶的风味成分较为相似，与卢旺达绿茶差异较大。

利用GC-IMS技术对3种茶叶风味成分的定量分析见表2。

表2 3种茶叶主要风味成分（GC-IMS分析）Table 2 Main flavor components of three kinds of tea（GC-IMS analysis）

由表2可知，3种茶叶含有异戊酸己酯、水杨酸、芳樟醇、壬醛、柠檬烯等45种共同风味成分，其中水杨酸、芳樟醇等物质与GC-MS分析的结果相似。

2.3 3种茶叶风味成分GC-IMS指纹图谱分析

为了更加深入分析3种茶叶风味成分的差异性，利用GalleryPlot插件制出其风味成分指纹图谱，见图6。

图6 茶叶指纹图谱Fig.6 Fingerprint of tea

由图6可知，卢旺达红茶FBOP1与卢旺达红茶FBOP两个茶叶的风味成分较为相似，与卢旺达绿茶差异较大；绿框区域的物质在卢旺达红茶FBOP中含量较高，其中包含糠醛、氧化芳樟醇、E-2-辛烯醛、（E，E）-2，4-庚二烯醛、E-2-己烯醛、乙偶姻、2-乙基呋喃、2，5-二甲基呋喃、苯乙醛、水杨酸等；红框区域的物质在卢旺达绿茶中含量较高，其中包含3-戊酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、苯甲醛、E-2-庚烯醛、2-甲基丁酸乙酯、β-罗勒烯、柠檬烯、月桂烯、β-蒎烯、α-蒎烯、丁酸己酯、丁酸丁酯、丙酸丁酯、丁酸丙酯、乙酸-2-甲基丁酯、乙酸丁酯、壬醛、戊醛、1-戊醇、3-甲基丁醇、2-己酮、2-丁酮、丙酮、丙酸等。

2.4 3种茶叶风味成分GC-IMS指纹图谱主成分分析（PCA）

根据图6构建的3种茶叶风味成分指纹图谱，采用Dynamic PCA插件进行PCA处理，比较3种茶叶风味成分之间的差异性，结果见图7。

图7 样品的PCA图Fig.7 PCA diagram of the sample

从图7可以看出，主成分1和主成分2的贡献率之和达到了97%，3种茶叶的风味具有一定的差异，卢旺达红茶FBOP1与卢旺达红茶FBOP两个茶叶的风味成分较为相似，与卢旺达绿茶差异较大。

2.5 3种茶叶风味成分GC-IMS指纹图谱相似度分析

通过最近邻算法，评估样品的相似度并进行分类，结果见图8。

图8 指纹谱图相似度分析Fig.8 Similarity analysis of fingerprint spectral

样品间距离越远，相似度越小。从图8可以看出，卢旺达红茶FBOP1与卢旺达红茶FBOP两个茶叶的风味成分较为相似，与卢旺达绿茶差异较大。

3 结论

GC-IMS和HS-SPME/GC-MS两种技术的分析结果表现出一定的差异性，HS-SPME/GC-MS技术检测出的多为10个碳原子以上且含量较高的大分子成分，而GC-IMS检测出的大部分为10个碳原子以下且含量较低的小分子成分，两种技术的联用分析能够弥补各自的局限，更加全面地反映茶叶的风味成分；主成分分析、最近邻算法相似性分析结果都表明卢旺达红茶FBOP1与卢旺达红茶FBOP的风味成分较为相似，而两者与卢旺达绿茶的差异较大。