傅里叶红外光谱鉴定区分凌云白毫古茶树鲜叶

王小虎，贺愉岚，朱绮霞，周礼芹*

1.广西科学院，广西 南宁 530007；2.广西大学生命科学与技术学院，广西 南宁 530004

凌云白毫茶属有性系繁殖品种，树型比较高大，树姿直立、分枝较稀，略加修剪，形如伞状[1]。其芽叶肥壮，持嫩性好，制得凌云白毫茶以色翠、毫多、香醇、味浓、耐泡五大特色成为我国名茶中的新秀[2]，加之具有助消化、降血压、抗衰老等保健功效，深得消费者青睐，故以凌云白毫茶鲜叶原料所制茶叶在国内外获得多项殊荣[3]。此外，凌云白毫茶是广西特有的国家级优良茶树品种[4]。

如今，栽培的凌云白毫茶采用种子进行繁殖，但由于各地凌云白毫茶园逐渐混杂大叶青等外来品种，故出现了多个性状混杂的品系，导致杂交后代性状不纯，影响制成品的一致性[5]。鲜叶的质量直接决定了成品的品质，因此建立凌云白毫茶鲜叶品质的快速检测方法有助于凌云白毫茶成品品质提高，促进桂茶产业的高质量发展。有研究表明，利用傅里叶变换红外光谱，结合主成分分析法（PCA）以及聚类分析法可以对不同茶叶进行鉴定，并取得了较为满意的成果[6-11]。

本文利用傅里叶变换红外光谱对广西凌云不同地域的白毫茶进行红外光谱测定，根据相应的特征吸收峰，并通过PCA 以及聚类分析，将不同产地的凌云白毫茶鲜叶进行区分，克服了传统分析方法费时费力的弊端，同时可为茶叶的品质评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采集不同地域的凌云白毫野生古茶树和栽培型古茶园中的一芽一叶后，再分单芽和单叶（芽下等一叶）分别进行测试分析。

试验材料分别采集自白马村野生古茶树（aa）、岑王老山栽培古茶园（ba）、大楞野生古茶树（ca）、风香坪野生古茶树（da）、国营栽培古茶园（ea）、浪伏栽培古茶园（fa）、先锋岭野生古茶树（ga）、小毛坪野生古茶树（ha）、玉洪栽培古茶园（ia）。

1.2 仪器设备和测试条件

红外光谱仪为Thermo Scientific 公司Nicolet iS10 型傅立叶变换红外光谱、Millipore 超纯水仪器、SPS402 电子天平、高速粉碎机。光谱范围为400～4 000 cm-1，扫描次数为32次。

1.3 样品处理

将采集的鲜叶样品，经冷藏送往实验室。将样品烘干，分别取单芽或单叶进行磨碎，过80 目筛，取适量干燥的茶粉，随后置于傅立叶变换红外光谱仪进行光谱信息的采集。

1.4 数据处理

利用OMNIC 9.0 将采集的红外光谱信息进行自动基线校准、平滑、频率标准化，保存为SPA和CSⅤ格式。将处理后的单芽或单叶的SPA 格式光谱图整合进行原始红外光谱分析，根据能够指示茶多酚、蛋白质、咖啡碱、多糖等影响茶叶品质的化学物质，将处理后的单芽和单叶的CSⅤ格式数据选取波峰差异最大区域750～2 000 cm-1和2 750～3 850 cm-1，利用PAST 3.0软件进行PCA分析以及聚类分析。

2 结果与分析

2.1 原始红外光谱分析

2.1.1 9种凌云白毫茶单芽、单叶红外光谱图分析

从9种不同地域采集的凌云白毫茶单芽的红外光谱图（图1）可以看出，虽然野生和栽培的凌云白毫茶单芽在波形上非常相似，但仍然存在很大差距，如栽培古茶园fa和ia在3 373 cm-1附近呈现1个巨大但不尖锐的吸收峰，在1 633 cm-1附近呈现1个大而尖锐的吸收峰，而其他几种却与之不同。

图1 9种凌云白毫茶单芽光谱的比对分析

从9种不同地域采集的凌云白毫茶鲜叶单叶的红外光谱图（图2）同样可见，前4 种为栽培的凌云白毫茶，后5种为野生的凌云白毫茶，从图2可以看出，栽培的凌云白毫茶单叶，fa和ia与其他几种茶树单叶存在显著差异，其在3 380 cm-1附近有1个非常明显的吸收峰，在1 631 cm-1处有1 个尖锐的吸收峰，且在1 030 cm-1附近不形成尖锐的吸收峰，此外，ia在2 913 cm-1和2 842 cm-1处的吸收峰更明显；其他两种栽培的凌云白毫茶单叶在2 900 cm-1和2 800 cm-1处的吸收峰相比野生茶都比较小，在1 030 cm-1附近，ba 出现1 个尖锐的吸收峰，但ea在此处的吸收峰却非常平缓，其他5种野生白毫茶的吸收峰介于这两种栽培的白毫茶之间。

图2 9种凌云白毫茶单叶光谱比对分析

2.1.2 9 种凌云白毫茶单芽和单叶的特征峰及其峰位归属

根据不同地域的凌云白毫茶单芽和单叶的红外光谱部分特征峰及其峰位归属，将红外光谱范围分为5个区域并对9种凌云白毫茶鲜叶的吸收峰进行分析。

I区（2 800～3 700 cm-1）：3 200～3 400 cm-1波数处宽大的吸收峰为-OH 伸缩振动吸收峰[12]，2 900 cm-1、2 850 cm-1附近为茶多酚-CH 的反对称与对称伸缩振动峰。

Ⅱ区（1 500～1 700 cm-1）：1 730 cm-1附近为茶多酚、茶多糖、茶蛋白中C=O 伸缩振动吸收峰；1 630 cm-1附近为蛋白质中肽键（-CONH-）的酰胺I带，即C=O伸缩振动峰[13]；1 510～1 550 cm-1为蛋白质肽键酰胺Ⅱ带，即N-H的弯曲振动和C-N-H 基的C-N伸缩振动的偶合峰。

Ⅲ区（1 200～1 500 cm-1）：1 452 cm-1附近吸收峰为羧酸类或酯类物质的特征吸收峰，可能包含C-H弯曲振动吸收以及C-O伸缩振动；1 370 cm-1附近为C-H 变形振动吸收峰，1 200～1 300 cm-1附近的谱带为酚类C-O以及咖啡碱和蛋白质中C-N伸缩振动峰；1 236 cm-1附近的吸收峰归属为酰胺Ⅲ带中C-O伸缩振动吸收峰[14]。

Ⅳ区（1 000～1 200 cm-1）：为多糖的特征光谱区，1 147 cm-1附近为C-O-C 反对称伸缩振动峰，1 037 cm-1附近为C-O-C对称伸缩振动峰。

Ⅴ区（400～900 cm-1）：750～900 cm-1为多糖特征谱。

由以上分析可知，9种凌云白毫茶鲜叶均含有茶多酚、蛋白质、咖啡碱、多糖等影响茶叶品质的化学物质，但光谱图中吸收峰的大小不同，故不同地域的凌云白毫茶鲜叶品质成分有所差异。

2.2 PCA分析凌云白毫古茶树光谱数据

主成分分析是将多个变量通过线性变换以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法，能将各组样本光谱数据之间的差异降维至PC1 和PC2两个维度上[15]，用于减少数据集的维数，同时保持数据中对方差贡献最大的特征，达到简化数据的目的，并以图形的方式直观地给出数据的分布散点图，可对不同种群之间关系远近进行判断，也可以考察不同样本间的相似性[16]。本文利用PAST 3.0软件对来自9个不同地域的凌云白毫茶单芽和单叶共18 种样品进行主成分分析，根据主成分分析得到的主成分得分能较好地代表茶叶信息的主成分数。图3和图4分别代表凌云白毫茶单芽和凌云白毫茶单叶的主成分分析。

图3 9种凌云白毫茶单芽PCA分析图

图4 9种凌云白毫茶单叶PCA分析图

由图3 可知，栽培古茶园fa、ia 均处于第一象限，距离原点较远，并且两者相距很远；野生古茶树ha、ca 处于第四象限，距离原点较远，并且两者相距很远；野生古茶树ga 位于第三象限；国营茶厂栽培古茶园ea、白马村古茶树aa、岑王老山栽培古茶园ba、风香坪野生古茶树da 处于第二象限，它们的距离相对集中。其中主成分1的贡献率为61.483%，主成分2 的贡献率为35.508%，累计贡献率为96.991%，说明以主成分1 和主成分2为代表进行主成分分析是真实可靠的。

由图4可知，栽培古茶园fa处于第一象限，且距离原点较远；栽培古茶园ia处于第四象限，距离原点较远；野生古茶树da、aa、ca 处于第二象限，它们的相对位置分散，容易区分；栽培古茶园ea、ba 和野生古茶树ga、ha 处于第三象限，它们所处的位置相对比较分散，到原点的距离明显不同。其中主成分1 的贡献率为92.812%，主成分2的贡献率为5.677%，累计贡献率为98.489%，说明以两者为代表进行主成分分析是真实可靠的。

总体来说，利用傅里叶变换红外光谱技术结合PCA 分析技术，根据分析结果所处的象限以及距离原点距离的不同，可以快速地将不同地域的凌云白毫茶鲜叶进行区分，说明了这种技术能够快速应用于古茶树鲜叶检测。

2.3 系统聚类分析

系统聚类分析是一种无监督模式识别分类法，它能对研究对象的特征进行分析，从而对其进行分类。它主要是根据类和类间的距离来定义各样品之间的相近性，然后以类间距为依据从小到大进行聚类。图5、图6 分别是凌云白毫茶单芽和凌云白毫叶茶单叶的聚类分析结果。

图5 凌云白毫茶单芽聚类分析

图6 凌云白毫茶单叶聚类分析

从图5 可以看出，当距离为0.4 时，aa、ba、da、ea 便已经聚为一类；当距离为0.8 时，ha、ca已经聚为一类；当距离为1.2时，ha、ca与ga聚为一类，fa 与ia 聚为一类；当距离为2.0 时，aa、ba、da、ea、ha、ca、ga 聚为一类；当距离为2.7时，所有的单芽均聚为一类。

从图6 可知，当距离为0.4 时，aa、da、ha 聚为一类，ea、ga 也聚为一类；当距离为1.0 时，fa和ia聚为一类，其他7种鲜叶聚为一类；当距离为3.7左右时，所有的鲜叶均聚为一类。

3 小结与讨论

对9个不同地域的凌云白毫茶单芽和单叶的原始红外光谱进行分析，发现栽培型的浪伏和玉洪2个古茶园鲜叶在波形、吸收峰上与其他几个茶园存在显著差异，可能原因是栽培型凌云白毫茶鲜叶中化学物质含量有所不同。栽培型茶园中岑王老山古茶园和国营茶厂古茶园采集的样品在2 900 cm-1和2 800 cm-1两处的吸收峰相比野生茶都比较小，而且在1 030 cm-1附近；岑王老山古茶园样品出现一个尖锐的吸收峰，但国营茶厂古茶园样品的吸收峰却非常平缓，而其他5种野生白毫茶的吸收峰介于这两种栽培的白毫茶之间。

利用PCA 对凌云白毫茶单芽进行分析时，可以明显地看出浪伏、玉洪2个栽培古茶园均处于第一象限；小毛坪、大楞2个野生古茶树处于第四象限，存在明显的差异。对单叶进行分析时，风香坪、白马村、大楞3 个野生古茶树处于第二象限；国营茶厂栽培古茶园、岑王老山栽培古茶园、先锋岭野生古茶树、小毛坪野生古茶树处于第三象限，根据所处的象限也可以将其区分出来。

对凌云白毫茶单芽进行聚类分析发现，当距离为1.2 时，小毛坪、大楞、先锋岭3 个野生古茶树聚为一类，浪伏、玉洪两个栽培古茶园聚为一类。对凌云白毫茶单叶进行聚类分析发现，当距离为0.4 时，白马村、风香坪、小毛坪3 个古茶树聚为一类。

总而言之，运用傅立叶变换红外光谱、主成分分析法以及聚类分析法可以快速、无损地测定野生和栽培的凌云白毫茶鲜叶之间的差异，并能快速地将它们进行分类。由于这几种方法具有专属性强、重现性好、灵敏度高等特点，故利用这几种方法对试验数据进行分析可作为快速、准确、高效检测凌云白毫茶古茶树鲜叶的手段。