电子鼻和GC-MS 结合化学计量学应用于高香红茶与传统工夫红茶香气特征的研究

颜廷宇，林洁鑫，朱建新，叶乃兴，金珊，黄建锋，王鹏杰,3，吴芹瑶，郑德勇，杨江帆,

（1.福建农林大学园艺学院，福建福州 350002；2.茶学福建省高校重点实验室，福建福州 350002；3.中国农业科学院农业基因组研究所，广东深圳 518120；4.福建商学院旅游与休闲管理学院，福建福州 350012；5.福建农林大学材料工程学院，福建福州 350002）

红茶属于全发酵茶，具有独特风味，已发现含有600 余种挥发性物质，使红茶呈现出丰富的香气。由于品种、加工过程和地理等的差异，红茶可呈现花香、果香、甜香和薯香等香气特征。民间有“花因香而‘活’，茶因香而‘贵’”之说，因此香气品质是评价红茶质量的关键指标。明确红茶香气成分和特征对红茶的生产和销售具有重要意义。

当前，茶叶感官审评仍是当前茶叶质量评价的主要手段，但感官审评具有较强的主观性，易引起争议。电子鼻（Electronic nose，E-nose）是茶叶客观审评领域中很有前景的工具，具有操作简单、快速的优点，但不能准确定量样品中每一种具体挥发性物质。而气相色谱-质谱联用仪（Gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）是最常用的分离和鉴定复杂样品成分的方法，具有准确定性和定量的特点，与电子鼻结合可以取长补短、发挥两种仪器的优势。敖存采用电子鼻和GC-MS 分析技术，并运用化学计量学方法研究龙井茶中的芳香物质，筛选出不同龙井茶的重要呈香物质，发现不同品种龙井茶的香气成分含量和香气特征存在显著差异。王鹏杰等采用GC-MS 和电子鼻研究了岩茶的香气特征，筛选出能区分不同岩茶品种的关键电子鼻传感器，并通过GC-MS 明确了岩茶的品种特征香气物质，为岩茶的品种鉴别和质量控制提供参考。王淑燕等运用GC-MS 和电子鼻技术，有效区分了茉莉花茶的产地。

传统工夫红茶常用福云6 号、福安大白茶、福鼎大白茶等早生、多毫的品种。近年来，越来越多茶区采用黄观音、金牡丹、金观音等高香品种制作红茶，其香气呈独特的花果香特征。为探究高香红茶与传统工夫红茶在香气特征方面的差异，收集高香品种（金观音）和传统工夫红茶品种（福云6 号）的红茶样品，在感官审评基础上，采用GC-MS 与E-nose 检测茶样的香气成分和香气特征，并通过正交偏最小二乘判别分析（Orthogonal partial least squares-discriminant analysis，OPLS-DA）、聚类分析（Heatmap cluster analysis，HCA）等化学计量学方法比较不同风味红茶在香气特征方面的差异，以期为红茶产品的分类鉴别和风味品质评价提供参考，提高红茶品质，更好打造区域公共品牌。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

红茶样品 20 份，取于尤溪县光兴茶业有限公司和尤溪县云富茶业有限公司，包括10 份传统工夫红茶和10 份高香红茶，具体产地为福建省尤溪县的台溪乡、坂面镇、新阳镇和西城镇等地，全部茶样均是单一品种制成的成品红茶（2020 年春茶，等级相似）。按照中国国家标准GB/T 35810-2018 制备。茶叶样品经研磨后过40 目筛，并储存在黑暗、干燥处备用。

Clarus SQ8T GC-MS、TurboMatrix HS 顶空自动进样器、Elite-FFAP 色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）美国Perkin Elmer；电子鼻 上海昂申智能科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 感官评估 样品由5 位有相关资质的感官审评员（3 名女性、2 名男性，均高级评茶员）按照GB/T 23776-2018 审评方法中的的红茶感官审评方法，从外观、颜色、香气、滋味和叶底等方面进行评价和描述。

1.2.2 电子鼻检测条件 参照Wang 等的电子鼻方法测定红茶的香气风味特征，每个样品做3 次重复。

3 g 样品置于60 mL 顶空瓶中，用50 ℃水浴加热50 min，流量为800 mL/min；采样时间为5 min；等待时间10 s；样品清洗时间为120 s。室内湿度控制在36%±1%，温度控制在25±1 ℃。

1.2.3 顶空进样和GC-MS 检测条件 HS-GC/MS检测条件在王蔚等的方法上进行调整。每个样品做3 次重复。

顶空条件：取研磨样0.50 g，置于30 mL 顶空瓶中，加入NaCl 饱和溶液1 mL，用配有聚四氟乙烯垫的密封盖密封，放入顶空自动进样器。顶空炉温75 ℃，取样针温度100 ℃，传输线温度120 ℃，样品平衡时间50 min，捕集阱Hi 280 ℃、Lo 40 ℃，保持5 min，干吹1 min，解析0.5 min，顶空瓶压力40 psi，色谱柱压力12 psi，解析压力15 psi，顶空出口分流。

GC 条件：50 ℃保持5 min，以3 ℃/min 升至125 ℃，保持2 min，以5 ℃/min 升至180 ℃，保持3 min，以15 ℃/min 升至230 ℃，保持5 min。载气（He），纯度>99.999%。

MS 条件：电子轰击（EI）离子源，电子能量70 eV；离子源温度230 ℃，质谱传输线温度250 ℃，质量扫描范围m/z 45～500。

1.2.4 定性分析 在GC-MS 条件下，测得红茶香气成分GC-MS 总离子流色谱图和质谱图。通过NIST 标准谱库对总离子流量图的各峰质谱图依照保留时间、相关特征离子、相对丰度等匹配检索。以匹配度大于800 为鉴定依据，并参照每种香气成分的CAS 编号，再与相关文献中的数据进行比较，最终确定化合物。挥发物含量采用峰面积归一化法计算。

1.3 数据处理

使用软件SIMCA 和Metaboanalyst（https://www.metaboanalyst.ca/）进行OPLS-DA、HCA 等多元统计分析。使用Metware Cloud（https://cloud.metware.cn/）进行箱线图分析。使用SPSS 26 进行多变量统计分析不同茶叶样品的差异。采用Excel 计算均值和标准差。

2 结果与分析

2.1 感官评估

从外形上看，传统工夫红茶身披金毫并且条索松散，而高香红茶无金毫、外观更油润。香气上，传统工夫红茶有焦糖香、甜而持久，而高香红茶则有更明显的花香。在汤色方面，这两种红茶也有明显的区别，高香红茶的汤色更亮。在滋味上，工夫红茶更甜更醇厚，而高香红茶则较为收敛。叶底则相似，均为肥厚柔软。

2.2 电子鼻对高香红茶与传统工夫红茶分析

2.2.1 电子鼻传感器响应值的差异显著性分析 电子鼻通过10 个传感器对范围广泛的挥发性物质产生响应，可获得茶叶样品较全面的香气特征信息。传统工夫红茶和高香红茶的电子鼻10 个传感器响应值的显著性分析（表1）可见，传统工夫红茶所有传感器响应值均高于高香红茶，其中S1、S2、S6、S9、S10 传感器在不同风味红茶具有显著性差异（<0.05），而S3、S4、S5、S7、S8 传感器则不具有显著性差异（>0.05）。两种红茶的E-nose 响应值总和也具有显著性差异。

表1 高香红茶与传统工夫红茶的电子鼻传感器响应值的显著性分析Table 1 Significance analysis of E-nose sensor response values of high aroma black tea and traditional congou black tea

2.2.2 电子鼻的OPLS-DA 分析 为进一步研究不同风味红茶电子鼻各传感器响应值差异，进行了OPLS-DA 多元统计分析（图1A）。由图1A 可见，高香红茶和传统工夫红茶可以更清楚地区分开来，除HA-10-1 外高香红茶主要集中在坐标轴的第一、四象限，除TK-10-3 外传统红茶主要集中在坐标轴的二、三象限。图1B 为OPLS-DA 排列检验200 次的交叉验证模型，证明了OPLS-DA 分析的合理性，其拟合参数X 为0.767，Y 为0.713，Q为0.641。Q回归直线与Y 轴的截距均小于0，表明该OPLSDA 判别模型不存在过度拟合现象，模型较为可靠（=0.0262，Q=−0.187）。图1C 所示为OPLS-DA的变量权重值（Variable important in projection，VIP），表明S5、S6、S7、S8、S10（VIP>1）对不同风味红茶区分起作用，S1、S2、S3、S4、S9（VIP<1）则相反。将电子鼻显著性分析与VIP 值分析相结合，可以得出S6 和S10 传感器在区分不同风味红茶中起到了关键作用（<0.05 且VIP>1）。

图1 高香红茶与传统工夫红茶挥发物电子鼻数据正交偏最小二乘判别分析Fig.1 OPLS-DA of volatile matter E-nose data of high aroma black tea and traditional congou black tea

2.3 GC-MS 对高香红茶与传统工夫红茶分析

2.3.1 挥发性香气物质鉴定和分析 由GC-MS 检测出两种红茶样品中含有78 种挥发性香气物质，其中有22 种醇类、20 种醛类、7 种酯类、3 种酸类、3 种酮类、3 种呋喃类、19 种碳氢化合物和1 种含氮物质（表2）。高香红茶中含有72 种挥发性香气物质，传统工夫红茶含有70 种挥发性香气物质。仅存在于高香红茶的8 种挥发性香气物质为3-庚炔-1-醇、甲酸戊酯、反式-2-壬烯醛、乙酸叶醇酯、己酸己酯、古芸烯、Δ-杜松烯和去氢白菖烯等，其中甲酸戊酯、古芸烯和乙酸叶醇酯为果味，反式-2-壬烯醛、己酸己酯和去氢白菖烯为花味，3-庚炔-1-醇为青草味，Δ-杜松烯为木香；仅存在传统工夫红茶的6 种挥发性香气物质为2-甲基戊醛、桃金娘醇、甜瓜醛、2-壬炔-1-醇、（Z）-6-壬烯醛、2-丁基辛酸等，其中2-甲基戊醛、甜瓜醛和（Z）-6-壬烯醛呈果香气味，桃金娘醇为木香气味；上述14 种挥发性香气物质分别是高香红茶和传统工夫红茶所特有的，推测这些挥发性香气物质对不同风味红茶香味差异有重要作用。

表2 GC-MS 鉴定出红茶中的挥发性物质Table 2 Volatile substances in black tea identified by GC-MS

由表3 可见，醇类、醛类、酯类和含氮物质在不同风味红茶具有显著性差异（<0.05），酸类、酮类、呋喃类和碳氢类物质在不同风味红茶没有显著性差异（>0.05）。醇类是高香红茶中最丰富的物质，占香气质量比例的41.12%；而醛类是传统红茶中最丰富的物质，占总物质的37.38%（表3）。同时，高香红茶的挥发性香气物质总量高于传统红茶（<0.05）。预测高香红茶与传统工夫红茶呈现不同香型可能与醇类、醛类含量比例差异相关。

表3 红茶挥发性香气物质的类别Table 3 Categories of volatile aroma substances of black tea

醇类挥发性香气物质多呈花果香，芳香阈值低，并常与其他成分产生倍增效应。实验检测出22 种醇类挥发性化合物，高香红茶、传统工夫红茶中醇类挥发性化合物分别占总挥发性物质41.12%与19.07%。前人研究表明芳樟醇、芳樟醇氧化物是红茶的花香的主要原因；正戊醇为气味阈值较高的饱和醇，可能对风味贡献不大；叶醇与3-庚炔-1-醇有强烈的新鲜草叶的绿色草香味，给红茶带来青香；香芹醇也有类似于留兰香气味，给高香红茶带来花香。因此，推测醇类挥发性化合物对高香红茶香气特征的形成起到了关键作用。

醛类挥发性香气物质主要由脂肪氧化产生，其气味阈值较低，多呈果香和花香，并可与其它成分间产生倍增效应，在赋予红茶香气中的作用较大。实验检测出20 种醛类挥发性化合物，高香红茶、传统工夫红茶中醛类挥发性香气物质分别占总挥发性物质21.59%与37.38%。传统工夫红茶中醛类权重最大，这与高香红茶有明显区分，因此推测醛类物质对传统工夫红茶香气特征形成起到了关键作用。许鹏丽等认为5～9 个碳原子的醛具有油脂香，分子量较高的醛具有橙皮味，支链醛具有愉快的甜味或果味特征；（E,E）-2,4-庚二烯醛由亚麻酸氧化形成，呈青香，是两种风味红茶的关键呈香成分；甜瓜醛、-环柠檬醛为茶叶提供清爽的果香；苯甲醛的呈香特性一般为典型的杏仁香；正戊醛、正己醛、庚醛、正辛醛、癸醛和反-2-辛烯醛等脂肪醛类是茶叶中呈现花果香的主要物质。

酯类挥发性香气物质主要与茶叶发酵和脂肪酸代谢相关，酯类大多呈持久强烈的果香。实验检测出7 种酯类挥发性香气物质，其中甲酸戊酯、乙酸叶醇酯、己酸己酯是高香红茶特有的香气化合物，具有花香与果香。水杨酸甲酯具有独特的花香，被认为是茶叶中的一个重要的芳香化合物。茶叶中酯类挥发性香气物质相对含量较少，但可能与其他挥发性化合物共同构成了红茶特有的花果香。

实验检测出19 种碳氢类挥发性香气物质，其中包括为烷烃、烯烃以及芳香烃类等。苏东民等认为烃类化合物具有较高的芳香阈值，对风味几乎没有贡献；而柠檬烯是形成清香型茶叶的主要挥发物之一；葡萄糖的热降解、类胡萝卜素的热降解，以及受到环境污染均可能导致茶叶含有甲苯；雪松烯、Δ-杜松烯为红茶提供木质味。实验检测出酸类挥发性香气物质共3 种，含量较低，而酸类物质可呈现出一种不愉快的气味，在加工过程中应尽量降低这类物质的含量。检测出3 种酮类物质，但其含量低，对茶叶的香气影响较小。检测出3 种呋喃类化合物，可能是美拉德反应的产物，多数呈现强烈的甜香和焦香。传统工夫红茶中2-戊基呋喃和其他呋喃类物质的含量均高于高香红茶，可能是传统工夫红茶呈现甜香特征的香气物质。只检测出1 个含氮化合物，其香气特征未知，因含量甚低，其对红茶香气影响可不予考虑。

2.3.2 不同风味红茶共有挥发性香气物质显著性分析 从78 种挥发性香味物质中选出31 种共有的挥发性香味物质（表4）。其中23 种在两类红茶中具有显著性差异（<0.05），包括8 种醇类、2 种醛类、1 种酯类、2 种酮类、1 种呋喃类、8 种碳氢化合物和1 种含氮化合物等。推测红茶呈现不同香型可能与醇类、醛类和碳氢类化合物相关。

表4 红茶中共有31 种挥发性物质显著性Table 4 Significance of 31 volatile compounds in black tea

2.3.3 不同风味红茶共有挥发性香气物质化学计量学分析 为全面了解挥发性香气物质对区分不同风味红茶的作用，以及挥发性化合物的分布差异，对不同风味红茶共有挥发性香气物质的组成进行OPLSDA 分析（图2A）。由图2A 可见，样品可被很好地识别，表明不同风味红茶的挥发性物质的组成有明显差异。图2B 是基于不同风味红茶31 种共有挥发性物质 OPLS-DA 交叉验证结果，Q为0.902 以及RY 为0.91 且两者<0.05，表明该OPLS-DA 判别模型可靠。图2C 所示为OPLS-DA 的VIP 值，挥发性香气物质VIP 值大于1 对红茶的鉴别起作用，可见，有11 种挥发性香气物质（VIP>1）对不同风味红茶区分起作用。

图2 红茶挥发物31 种共有挥发性物质GC-MS 数据正交偏最小二乘判别分析Fig.2 OPLS-DA of 31 common volatile substances of GC-MS data for volatiles of black tea|

基于红茶31 种共有挥发物香气物质的层次聚类结果（图3）显示，20 份样品聚集为两类。说明共有挥发物香气物质对区分不同风味红茶起到了重要作用。A 区化合物常表现为花香、果香和芳香，但HA-2、HA-6 和HA-10 样品在A 区中相对含量比其他高香红茶样品低。B 区化合物主要表现为青草味、果香、甜香和焦香，在传统工夫红茶中相对含量较高，TK-3、TK-5 和TK-6 样品中3-甲基-4-戊醇、3-庚炔-1-醇、2-已烯醛、庚醛等的相对含量较低；TK-5 和K-6 样品中的2,5,5-三甲基-1-己烯-3-炔、正己醛、庚醛、O-癸基羟胺、2-丁基辛醇和2-（2E）-2-戊基呋喃等的相对含量较低，这导致茶叶香气淡薄。综上分析，发现不同产区的同类风味红茶香气成分有显著的差异，可能由于茶样地理分布不同所导致的，说明除品种外，产区也是影响茶叶香气形成的因素。

图3 红茶31 种共有挥发性物质的热图及层次聚类图Fig.3 Heatmap and HCA of 31 common volatile substances of black tea

2.3.4 红茶关键挥发性香气物质筛选与分析 将挥发性香气物质显著性分析与VIP 值分析相结合后，可筛选出的10 种关键挥发性香气物质（<0.05 且VIP 值>1）的箱线图（图4），包括正戊醇、2-环丙基乙醇、氧化芳樟醇、芳樟醇、香芹醇、β-环柠檬醛、水杨酸甲酯、2-戊基呋喃、对薄荷-1,3,8-三烯和1,4-戊二烯等。由图4 可见，高香红茶有9 个化合物的相对含量高于传统工夫红茶，仅2-乙基呋喃相反；2-乙基呋喃可能是高温干燥阶段产生的，其在传统工夫红茶的含量远高于高香红茶，这可能与工夫红茶发酵程度比高香红茶更重有关，这也为传统工夫红茶提供甜香和焦香的物质基础；芳樟醇、氧化芳樟醇和水杨酸甲酯是红茶中重要的香气物质，为红茶提供花香的特征。由感官审评可知，高香红茶呈花香、传统工夫红茶呈甜香，与本研究结果一致。

图4 10 种显著挥发性物质箱线图Fig.4 Boxplot of 10 significant volatile substances

3 结论

高香红茶呈花香、传统工夫红茶呈甜香。两类红茶检测出香气物质的相对含量和比例存在差异，但均以醇类和醛类化合物为主；高香红茶醇类含量显著高于醛类，而传统工夫红茶醛类含量显著（<0.05）高于醇类，推测醇类与醛类是红茶香气特征的重要因素。本研究检测获得的香气物质特征与感官审评一致。因受样本数量、地域限制，不同风味红茶识别模型构建尚存不足。今后可通过扩大样品范围、构建红茶香气指纹图谱模型，判断不同风味红茶香气物质的差异程度，而本次研究获得的红茶香气物质有助于今后不同风味红茶识别模型的建立。