基于气相离子迁移谱技术的不同产地乌龙茶挥发性物质分析
时间：2023-01-17 13:50:13 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
甘 爽， 陈志丹， 商 虎，3， 林 琳，3， 孙威江*，3
（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．福建省茶产业工程技术研究中心，福建 福州 350002）
乌龙茶是我国六大茶类之一，属半发酵茶，是我国的特色茶之一，因其特有的花香及醇厚鲜爽等风味品质而驰名中外。乌龙茶起源于我国福建，主产于我国的福建、广东和台湾地区，由于产地、茶树品种和气候条件等因素的不同，形成了各产地乌龙茶风格特异的风味特征[1]。现阶段，茶叶感官审评是评价茶叶品质最普遍、最直观的方式[2]，是依靠人的感官对茶叶品质的综合判定，而茶叶香气占茶叶品质感官评分的30%[3]，由此可见，茶叶香气是茶叶感官品质评价的一个重要指标[4]，而挥发性化合物不仅是茶叶香气的重要组分，也是影响茶叶感官品质的重要因素。传统的香气评分方式，很大程度上依赖于专业评茶师的个人喜好和自身经验，且容易受环境、情绪等诸多因素的影响，审评结果较为主观，很难被广大消费者所接受。而茶叶挥发性物质相关的理化指标检测，一般采用常规的物理化学分析法和仪器分析法[5-9]，虽然这些方法较为客观，但步骤复杂、耗时长，无法对茶叶的挥发性化合物指标进行快速检测，因此迫切需要寻找一种客观且快速、无损的技术对茶叶挥发性物质进行分析。
离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）是基于气相中不同的气相离子在电场中迁移速度的差异来对化合物进行定性分析的一项技术，是一种快捷的检测分析手段[10]，与传统GC-MS分析方法相比，GC-IMS技术不需要对样品进行前处理，具有检测限低、简单易用、耗时短、成本低等特点，离子迁移谱已经得到广泛应用，如油类的真假鉴别[11-13]、咖啡豆鉴别及储藏时间鉴定[14]、食品风味分析[15-23]。林若川等通过GC-IMS技术对云雾茶、翠尖茶和龙井茶进行产地判别，但该技术在我国广东、福建、台湾地区所产乌龙茶香气区分方面的研究尚未见报道[24]。因此，采用GC-IMS技术对我国广东、闽南地区、闽北地区、台湾地区不同产地乌龙茶中的挥发性物质进行快速检测，并通过PCA、PLS-DA法对乌龙茶产地进行区分，为乌龙茶挥发性物质的快速检测提供新的解决方式。
1.1 材料与仪器
乌龙茶选自国际标准乌龙茶工作组（ISO/TC34/SC8/WG7）采集的乌龙茶样品，均为2018年的春茶。如表1所示，选取我国最具代表性的4个产地（分别为广东、闽南地区、闽北地区、台湾地区）的乌龙茶样品，其中广东乌龙茶8个、闽南地区7个、闽北地区8个、台湾地区6个，共对29个乌龙茶样品进行挥发性物质分析。
表1 我国不同产地乌龙茶样品信息Table 1 Information of oolong tea samples from different origins in China
Flavour Spec®风味分析仪：济南海能仪器股份有限公司产品；
FW高速粉碎机：上海鼎广机械设备有限公司产品；
FA1004电子天平：德国Sartorius公司产品。
1.2 实验方法
1.2.1 审评方法由3名具备5年以上专业描述性审评经验的专家，4名具备3年以上审评经验的高级评茶员，合计7名审评人员，按照GB/T 23776—2018进行感官审评，并对香气进行评分。
1.2.2 香气检测方法被分析的茶叶样品于室温下密封储存，检测前将茶样用高速粉碎机磨碎并过80目筛，置于-20℃保存。检测前用电子天平将每个样品称取0.2000 g，分别置于20 mL顶空进样瓶中并密封，样品瓶按顺序排列待检，每个样品重复3次。设置好仪器参数后，仪器按程序自动工作，分析前10 min仪器将样品瓶移至孵化区加热并振荡，进样针抽取500 μL顶空瓶内的气体，注入色谱柱进行分析。
色谱柱：FS-SE-54-CB-1；
漂移气：高纯氮气，纯度≥99.999%；
漂移气流量：150 mL/min；
色谱柱温度：60℃；
进样口温度：80℃；
IMS探测器温度：45℃；
漂移管温度：40℃；
顶空进样针温度：90℃；
进样量：500 μL；
孵化转速：500 r/min；
顶空孵化温度：70℃；
孵化时间：10 min；
分析时间：30 min；
高纯氮气（纯度≥99.999%）清洗顶空针时间：5 min；
载气流量程序：起始流量2 mL/min，保持2 min后10 min内线性增加至10 mL/min，保持10 min后30 min内线性增加至130 mL/min。
1.3 数据处理
利用仪器自带的Laboratory Analytical Viewer分析软件中的两款插件（Reporter插件、Gallery Plot插件）以及GC×IMS Library Search对样品进行定性、定量分析。采用Excel对数据进行统计。采用SIMCA 14.1进行PCA、PLS-DA分析。使用Python进行LDA分析。
2.1 不同产地乌龙茶挥发性化合物气相离子迁移谱图分析
IMS谱图中的每个特征峰代表一种挥发性有机成分，不同挥发性物质在相应位置有对应的信号峰，我国不同产地的乌龙茶挥发性物质的出峰位置、数量大致相同，但各自含量有所差异。根据差谱原则，选择挥发性成分较少的台湾地区乌龙茶样品作为参照进行差谱分析，结果见图1。4个产地乌龙茶样品的谱图中，同一组分含量相同的部分颜色抵消为白色，红色则表示该挥发性物质的含量比参比样品高，蓝色则表示该挥发性物质的含量比参比样品低。在台湾地区乌龙茶的样品中，红框部分挥发性物质明显低于其他3个产地乌龙茶，说明各挥发性物质的含量受产地影响。
图1 不同产地乌龙茶样品的GC-IMS差异图谱Fig.1 GC-IMS differential atlas of oolong tea samples from different origins
2.2 不同产地乌龙茶挥发性化合物定性分析
从GC-IMS Library Search中利用离子迁移时间以及保留指数对挥发性化合物进行了定性，这些物质保留时间相近，但迁移时间有所不同。样品的挥发性化合物定性分析结果见图2。
图2 乌龙茶中挥发性化合物信号峰位置点Fig.2 Signal peaks of volatile compounds in oolong tea
表2中列出了检测样品中所有已鉴定的物质，检出的43种物质可归为9类，包含1种酚类、1种碳氢化合物、2种杂氧化合物、2种吡咯类、2种酯类、5种酸类、6种酮类、11种醇类和13种醛类。
表2 不同产地乌龙茶中挥发性物质的定性Table 2 Volatile compounds identified by GC-IMS of oolong tea from different origins
续表2
2.3 不同产地乌龙茶挥发性成分的指纹图谱分析
使用Gallery Plot插件生成不同产地乌龙茶的指纹图谱（见图3），横轴方向为标记的特征离子峰，从左往右依次排列，其中每一行代表一个挥发性化合物，每一列表示不同样品之间同一种挥发性化合物的对比。特征离子峰颜色的深浅程度代表挥发性化合物含量的高低，颜色越亮，含量越高，反之，则越低。根据图谱能对不同乌龙茶之间挥发性化合物差异进行直观比较。如图3所示，我国不同产地乌龙茶样品差异显著，如广东乌龙茶中2-乙基吡嗪、柠檬烯、2，6-二甲基吡嗪含量较高；
闽南地区乌龙茶中苯甲醛、辛醛、庚醛、己醛、正丁酸、反-2-庚烯醛、3-辛酮含量较高；
闽北地区乌龙茶中对乙基苯酚、癸醛、2-庚酮、反-2，4-庚二烯醛、γ-丁内酯、5-甲基糠醛、反-2-辛烯醛、苯乙醇、2-甲基丁醇、甲基苯甲醇、顺-3-壬烯醇含量较高；
台湾地区乌龙茶中2-庚酮、糠醛、γ-丁内酯、2-乙酰基呋喃、戊醇、乙酸、正己醛、2-己酮、戊醛、丙酸含量较高。
图3 我国乌龙茶中挥发性化合物的指纹图谱Fig.3 Fingerprints of volatile compounds in oolong tea in China
2.4 不同产地乌龙茶挥发性成分的主成分分析
不同挥发性物质的特征峰对应不同的响应强度，这些特征峰强度能反映茶叶样品之间的差异。根据指纹图谱，可直接观察特征峰的颜色亮度对不同产地乌龙茶进行区分，但为了避免直接观察过于主观，利用Laboratory Analytical Viewer分析软件中的插件读取各个挥发性化合物的峰值强度，将所得数据进行量化，进行PCA分析，从而对不同乌龙茶样品进行产地区分，结果见图4。其中PC1的贡献率为54.2%，PC2的贡献率为19.4%，累计贡献率为73.6%。4个产地的乌龙茶样品基本能够区分开，说明该技术能有效区分不同产地的乌龙茶。同时，因为不同产地间乌龙茶制作工艺的相似性，使得组别间有较为接近的部分，这一点在图4也有体现；
此外，组内的样品，虽属同一个产地，但由于品种差异等因素，使得其自身品质也有所差异，致使数据点也相对离散。
图4 乌龙茶样品GC-IMS特征变量的主成分分析Fig.4 PCA of GC-IMS characteristic variables of oolong tea samples
表3 我国不同产地乌龙茶的特征挥发性物质Table 3 Characteristic volatile matter of oolong tea from different producing areas in China
2.5 不同产地乌龙茶挥发性成分的偏最小二乘法判别分析
PLS-DA是一种聚类分析方法，通过扩大组间差异、减少组内差异，可以弥补PCA的缺点。其中PC1的贡献率为54.2%，PC2的贡献率为19.3%，累计贡献率为73.5%。图5（a）证明该研究能将不同地区乌龙茶样品很好地区分开，图5（b）说明该模型没有出现过拟合现象，稳定性较好，具有较好的预测能力。
因子载荷图反映了每个变量对得分图的贡献，图5（c）中每个点代表一种挥发性化合物，可通过它们与原点之间的距离来评估这些物质对产地判别的贡献度。变量投影重要性（variable important for the projection，VIP）是通过PLS-DA载荷图判别所得，通过VIP＞1共筛选出16种标志挥发性化合物，见图5（d）。筛选出的标志挥发性化合物在图5（c）中以红色标注，这16种挥发性化合物分别是：反-2，4-庚二烯醛（8）、6-甲基-5-庚烯-2-酮（18）、糠醛（6）、丙醇（64）、反-2-己烯-1-醇（17）、2-甲基丙酸（13）、戊醇（23）、丙醇（63）、2-庚酮（3）、2-乙酰基呋喃（15）、γ-丁内酯（10）、正己醛（40）、5-甲基糠醛（20）、丙酸（53）、苯甲醛（22）、氧化芳樟醇（56），这些物质对4个产地乌龙茶的区分有突出贡献。
图5 乌龙茶样品GC-IMS特征变量的PLS-DA分析Fig.5 PLS-DA analysis of GC-IMS characteristic variables of oolong tea samples
2.6 不同产地乌龙茶挥发性成分的线性判别分析
LDA是对费舍尔的线性鉴别方法的归纳，这种方法使用统计学、模式识别和机器学习方法，试图找到事件特征的一个线性组合，以能够特征化或区分它们[10]。采用LDA算法进一步研究乌龙茶产地识别的可能性，以我国4个不同产地的29个乌龙茶样本建立对应的产地判别模型。分别选取不同产地乌龙茶样品数量的75%样品作为训练集，剩余25%样品量作为预测集，统计结果见表4，判别结果见图6，准确率均为100%，表明该模型稳健、可靠。由此可知，采用LDA算法可以较好地用于对乌龙茶产地的判别。
图6 我国不同产地乌龙茶样品的LDA判别结果Fig.6 LDA discrimination of oolong tea samples from different areas in China
表4 LDA模型鉴别我国乌龙茶产地的统计结果Table 4 Statistical results of Chinese oolong tea identified by LDA model
采用GC-IMS技术分析我国不同产地乌龙茶挥发性化合物的差异，对29个来自不同产地的乌龙茶样品进行挥发性物质检测，鉴定出43种挥发性物质，可分为9类，包含1种酚类、1种碳氢化合物、2种杂氧化合物、2种吡咯类、2种酯类、5种酸类、6种酮类、11种醇类和13种醛类。
由IMS图谱可知，我国不同产地乌龙茶的挥发性物质差异主要体现在含量上。由前人研究可知，轻火烘焙的乌龙茶一般带有清香或淡花香；
中火烘焙则带有花香或花果香；
足火烘焙后的乌龙茶具有明显果香或果糖香；
而高火烘焙则具有明显焦糖香或火功香[25]。实验选择的闽南地区乌龙茶以清香为主，焙火程度最轻，其次是广东乌龙茶、台湾地区乌龙茶，焙火温度最高的则是闽北地区乌龙茶，产生这些香气特征主要是由焙火温度引起的，因此造成了4个产地乌龙茶风格各异的香气特征。这与该研究中检测到的呈香挥发性物质特征规律大体是一致的。检测到呈柑橘香的柠檬烯在广东乌龙茶中含量较高，与前人研究一致[26]。闽南地区乌龙茶是4个产地里焙火温度最低的，具有青草香特征的庚醛、己醛、3-辛酮含量明显高于其他产地的乌龙茶；
台湾地区乌龙茶中具有果香气特征的2-己酮、丙酸、γ-丁内酯、正己醛等含量较为突出。周雪芳研究表明，武夷岩茶随着焙火温度增加，茶叶中具有焙烤香的挥发性化合物增加[27]，如闽北地区乌龙茶具有烘烤香呈香特性的反-2，4-庚二烯醛、对乙基苯酚、5-甲基糠醛的信号峰较强也验证了这一点。
根据特征峰的峰值强度数据结合PCA、PLSDA、LDA多元统计分析方法，不同产地乌龙茶能根据其挥发性化合物的含量进行区分，说明该技术对区分产地有效，即检出的各个物质及其含量能有效代表乌龙茶产地信息，验证了检测结果的准确性和有效性。因此，GC-IMS技术能有效且快捷地运用于不同产地乌龙茶的区分。GC-IMS技术用于茶叶方面的研究较少，由于茶叶挥发性物质的数据库尚未完善，使得鉴别出的挥发性物质不及GC-MS的多。查询到的43种物质仅是乌龙茶挥发性物质的一部分，虽不能概括乌龙茶的整个挥发性物质体系，但根据判别结果可知，具有代表性，且与GC-MS相比，该技术不用对样品进行前处理，检测方法较简单，表明GC-IMS技术在乌龙茶产地区分上仍有其特有的优势。
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