電子鼻對(duì)不同種類(lèi)抹茶香氣成分的辨別與分析

王佳音，王鳳玲,2*，王福東，黃璦琳

1(天津商業(yè)大學(xué) 生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津,300400) 2(天津市食品與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津,300400)

抹茶起源于中國(guó)，南宋時(shí)期被榮西和尚帶回日本，在日本得到了較大發(fā)展[1]。抹茶作為一種天然超細(xì)微綠茶粉末，具有較高的營(yíng)養(yǎng)和食用保健價(jià)值[2-4]。近幾年，國(guó)內(nèi)在飲品、奶制品、烘焙制品、肉制品、糖果巧克力制品、保健食品和其他副食品行業(yè)中已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，成為我國(guó)不少茶企業(yè)新的發(fā)展方向。目前研究主要集中于抹茶的主要成分以及發(fā)展?fàn)顩r和前景分析[5-6]，但對(duì)于不同種類(lèi)抹茶香氣成分辨別的研究較少[7-11]。

我國(guó)關(guān)于抹茶的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)剛剛執(zhí)行[12]，還缺乏全面性，因此對(duì)抹茶品質(zhì)進(jìn)行科學(xué)地區(qū)分辨別具有重要的意義。電子鼻作為一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)模擬人的嗅覺(jué)對(duì)樣品整體信息進(jìn)行全面快速地檢測(cè)，具有重復(fù)性好、檢測(cè)時(shí)間短、檢測(cè)結(jié)果客觀可靠等優(yōu)勢(shì)。電子鼻多應(yīng)用于日常加工工藝的優(yōu)化和品質(zhì)的監(jiān)控，辨別食醋、牛奶、脂類(lèi)、酒、咖啡、茶葉、果實(shí)品質(zhì)等[13-20]。電子鼻作為一種通過(guò)氣味評(píng)價(jià)茶葉等級(jí)的新方法，成為目前研究茶葉香氣品質(zhì)的主要趨勢(shì)和熱點(diǎn)[21]。

香氣是茶葉重要品質(zhì)之一，目前已發(fā)現(xiàn)700多種物質(zhì)[7]。由于茶葉的種類(lèi)不一樣,所以其香味也有所不同,主要是因?yàn)槠鋬?nèi)部蘊(yùn)含的香氣物質(zhì)不同。本文通過(guò)電子鼻對(duì)不同種類(lèi)不同形態(tài)抹茶的香氣進(jìn)行辨別研究，并運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析中的主成分分析(principal component analysis，PCA)和判別因子分析(discriminant factor analysis，DFA)，進(jìn)一步優(yōu)化電子鼻在分析抹茶香氣時(shí)的影響因素，建立電子鼻抹茶香氣的分析系統(tǒng)，用傳感器的指紋雷達(dá)圖驗(yàn)證PCA和DFA分析方法的可行性，并研究不同種類(lèi)的抹茶香氣成分的組成和差異，為抹茶辨別及質(zhì)量控制提供科學(xué)支持和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

11種抹茶：具體樣品信息見(jiàn)表1，于-4 ℃保存；nC6～nC16正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)樣品，美國(guó)Restek公司。

Heracles II超快速氣味指紋分析儀，法國(guó) Alpha MOS S.A.有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的前處理

分別稱(chēng)取11種不同種類(lèi)的抹茶粉于20 mL鉗口頂空瓶中，放于HERACLES II樣品托盤(pán)的相應(yīng)位置上，每個(gè)樣品3個(gè)平行，不同樣品之間加一個(gè)空的鉗口瓶，用于消除樣品之間的影響；抹茶湯是將抹茶粉與去離子水在鉗口瓶中直接混合，在需要孵化測(cè)定時(shí)，進(jìn)行孵化振蕩混勻，使香氣成分最大程度地進(jìn)入電子鼻，減少抹茶香氣的損失，每個(gè)樣品3個(gè)平行，不同樣品之間加一個(gè)空的鉗口瓶。

1.2.2 電子鼻檢測(cè)條件

進(jìn)樣量5 000 μL，清洗時(shí)間90 s，注射器溫度比孵化溫度高10 ℃，填充速度500 μL/s，注射速度125 μL/s，進(jìn)樣口溫度200 ℃，進(jìn)樣口壓力10 kPa，出口30 mL/min，注射時(shí)間45 s，捕集溫度40 ℃，加熱振蕩器攪拌速度500 r/min，開(kāi)始攪拌5 s，停止攪拌2 s，閥溫度250 ℃，檢測(cè)器溫度260 ℃。

1.2.2.1 抹茶粉參數(shù)的優(yōu)化

抹茶粉的樣品量、孵化溫度等主要因素直接影響電子鼻響應(yīng)強(qiáng)度，需要對(duì)其進(jìn)行設(shè)定和分析。在孵化溫度一定的條件下[22]，分別稱(chēng)取0.2、0.5和0.8 g的同一抹茶樣品，利用電子鼻進(jìn)行檢測(cè)分析，根據(jù)電子鼻的響應(yīng)強(qiáng)度與抹茶粉含量關(guān)系，確定最佳的抹茶粉含量。采用上述最佳的抹茶粉含量，在電子鼻不同孵化溫度下(50、55、60、65、70 ℃)，對(duì)11種不同種類(lèi)的抹茶粉進(jìn)行區(qū)分辨別，以確定電子鼻最佳孵化溫度[23]。

1.2.2.2 抹茶湯參數(shù)的優(yōu)化

方法同1.2.2.1，確定最優(yōu)的茶水比(1∶4、1∶6、1∶8)和孵化溫度(50、55、60、65 ℃)。

1.2.3 抹茶中香氣成分的鑒定

取20 μL正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)樣品，用1.2.2中最優(yōu)檢測(cè)條件進(jìn)樣分析，分析標(biāo)準(zhǔn)品中每個(gè)烷烴的峰保留時(shí)間、峰面積和峰高，根據(jù)其保留指數(shù)數(shù)據(jù)和面積歸一化法，建立校正模型，對(duì)樣品中化合物進(jìn)行定性和半定量分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 抹茶粉實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化分析

2.1.1 抹茶粉樣品量的優(yōu)化分析

抹茶粉樣品量直接影響電子鼻的響應(yīng)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)分別對(duì)0.2、0.5和0.8 g的樣品量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖1。可知，同一種抹茶，不同樣品量，電子鼻的響應(yīng)強(qiáng)度不同，且樣品量為0.2 g時(shí)，含量較少的香氣成分的峰響應(yīng)值較低；樣品量為0.5 g時(shí)，電子鼻圖譜中所有香氣響應(yīng)強(qiáng)度適宜，各香氣成分均能很好地表示；當(dāng)樣品量為0.8 g時(shí)，電子鼻傳感器響應(yīng)值強(qiáng)度達(dá)到飽和，考慮到儀器保護(hù)以及樣品用量，本實(shí)驗(yàn)選用的抹茶樣品量為0.5 g。

圖1 不同樣品量下抹茶樣品S的電子鼻響應(yīng)強(qiáng)度Fig.1 Electronic nose response intensity diagram of matcha sample S with different sample amounts

2.1.2 電子鼻孵化溫度的優(yōu)化分析

最適孵化溫度是通過(guò)加熱使香氣成分盡可能地?fù)]發(fā)出來(lái)，不穩(wěn)定的成分又不分解時(shí)的溫度，實(shí)驗(yàn)分別對(duì)5個(gè)孵化溫度下的PCA和DFA進(jìn)行分析。

每個(gè)茶樣重復(fù)3次，所得到的不同溫度下抹茶粉的PCA和DFA分析如表2，識(shí)別指數(shù)>95，說(shuō)明電子鼻對(duì)11種不同種類(lèi)的抹茶做了很好的區(qū)分，能很好地反映抹茶樣品的香味輪廓[26]，其中60 ℃時(shí)，電子鼻的識(shí)別指數(shù)為98，辨別因子的總貢獻(xiàn)率達(dá)到91.227%，均高于其他溫度。在樣品量為0.5 g，孵化溫度60 ℃時(shí)，電子鼻能很好地區(qū)分辨別不同種類(lèi)的抹茶粉，如圖2和圖3所示。

表2 不同溫度下抹茶粉的主成分分析和辨別因子分析Table 2 PCA and DFA summary of matcha at different temperatures

可以看出，相同種類(lèi)的抹茶樣品重復(fù)性較好，不同種類(lèi)的樣品之間沒(méi)有重疊且落在不同區(qū)域，說(shuō)明在該條件下電子鼻對(duì)抹茶粉的區(qū)別程度較好。DFA是一種監(jiān)督式分類(lèi)的方法，通過(guò)縮小組內(nèi)差異，擴(kuò)大組間的差異來(lái)分析不同樣品[27-28]。此外，圖2對(duì)抹茶香氣的區(qū)分效果其中優(yōu)于圖3，其組間距離較遠(yuǎn)，組內(nèi)距離較近，區(qū)分程度較好。由圖2的主成分1軸來(lái)看(主成分1軸較主成分2軸所占比重大)[29]，其中Y1與Y2、H1與H2、J1、J2與J3、 L1與L2、L3組間距離較近，成分相似，組內(nèi)距離較遠(yuǎn)，說(shuō)明電子鼻能很好地區(qū)分不同產(chǎn)地的不同抹茶品種。

圖2 不同抹茶樣品在60 ℃下的主成分分析Fig.2 PCA diagram of different kinds of matcha samples at 60 ℃

圖3 不同抹茶樣品在60 ℃下的辨別因子分析Fig.3 DFA analysis of different kinds of matcha samples at 60 ℃

從圖4可以看出，不同抹茶粉對(duì)電子鼻傳感器的響應(yīng)強(qiáng)度有明顯的差異，其中Y1、Y2與H1、H2；J1、J2與J3； L1與L2、L3電子鼻指紋圖譜相似，主要區(qū)別在于含量的不同，這與PCA和DFA的結(jié)果一致。

圖4 60 ℃下不同種類(lèi)抹茶樣品的主要傳感器雷達(dá)圖Fig.4 Radar of main sensors of different kinds of matcha samples at 60 ℃

2.2 抹茶湯實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 樣品茶水比的優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)茶水比為1∶4、1∶6、1∶8的抹茶湯進(jìn)行測(cè)定，電子鼻的響應(yīng)強(qiáng)度見(jiàn)圖5。由圖5可知，隨著茶水比的增加，電子鼻傳感器的響應(yīng)值強(qiáng)度先增加后降低，在茶水比為1∶6時(shí)，電子鼻的響應(yīng)值最大，樣品中各種香氣物質(zhì)的峰值適宜。本實(shí)驗(yàn)選用茶水比為1∶6的抹茶樣品進(jìn)行電子鼻后續(xù)的檢測(cè)。

圖5 不同茶水比的抹茶樣品J1對(duì)電子鼻響應(yīng)強(qiáng)度圖Fig.5 Electronic nose response intensity diagram of matcha sample J1 with different tea to water ratios

2.2.2 電子鼻孵化溫度的優(yōu)化

抹茶湯香氣采用直接混合法制備，振蕩器中孵化溫度直接影響其香氣的揮發(fā)，對(duì)4個(gè)孵化溫度下的PCA和DFA的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行匯總，見(jiàn)表3。

表3 不同溫度下抹茶湯的主成分分析和辨別因子分析Table 3 PCA and DFA summary of matcha soup at different temperatures

由表3可知，在孵化溫度為55 ℃時(shí)，電子鼻對(duì)11種不同種類(lèi)的抹茶湯區(qū)分效果良好，PCA的識(shí)別指數(shù)為95，總貢獻(xiàn)率為91.608%，均高于其他孵化溫度，區(qū)分辨別效果最好。但在65 ℃下，其識(shí)別指數(shù)和總貢獻(xiàn)率最低，可能是隨著溫度升高，抹茶湯中香氣成分不穩(wěn)定，導(dǎo)致區(qū)分和辨別不明顯。所以在55 ℃，茶水比為1∶6時(shí)，電子鼻對(duì)于區(qū)分辨別不同種類(lèi)的抹茶湯效果最好，PCA和DFA結(jié)果如圖6和圖7所示。

可以看出，茶水比為1∶6、孵化溫度為55 ℃時(shí)，區(qū)域沒(méi)有重疊，說(shuō)明電子鼻對(duì)抹茶湯的區(qū)分辨別效果較好，圖6橫坐標(biāo)的范圍明顯大于圖7，說(shuō)明PCA對(duì)抹茶湯香氣的區(qū)分效果優(yōu)于DFA，圖6中，Y1與Y2、L1與L2、L3、J1與J2、J3分布在主成分的不同區(qū)域，且組內(nèi)距離較近，區(qū)分程度較好。

圖6 不同種類(lèi)的抹茶湯在55 ℃下的主成分分析Fig.6 PCA analysis of different kinds of matcha soup at 55 ℃

圖7 不同種類(lèi)的抹茶湯在55 ℃下的辨別因子分析Fig.7 DFA analysis of different kinds of matcha soup at 55 ℃

表3可知，在最優(yōu)的電子鼻檢測(cè)條件下，抹茶粉的重復(fù)性高于抹茶湯，電子鼻對(duì)抹茶粉的辨別指數(shù)達(dá)到98，而茶湯僅僅為95，是由于茶粉香氣物質(zhì)較茶湯更加穩(wěn)定，而茶湯香氣物質(zhì)受到外界的影響因素較多。所以電子鼻對(duì)抹茶粉的區(qū)分辨別程度優(yōu)于抹茶湯。

圖8 55 ℃下不同種類(lèi)抹茶的主要傳感器雷達(dá)圖Fig.8 Radar of main sensors of different kinds of matcha samples at 55 ℃

由圖8可以看出，不同種類(lèi)的抹茶湯對(duì)電子鼻傳感器的強(qiáng)度有直觀可見(jiàn)的差異[30]，其中樣品S與Y1、Y2成分相似，H1與H2；L1和L2、L3；J1與J2、J3距離較近，成分相似，這與PCA的結(jié)果一致，驗(yàn)證在最優(yōu)檢測(cè)條件下，電子鼻能很好地區(qū)分不同品種的抹茶湯。

2.3 電子鼻對(duì)抹茶香氣成分的分析

通過(guò)上述電子鼻檢測(cè)條件的優(yōu)化，在樣品量0.5 g，孵化溫度為60 ℃時(shí)，得到11種抹茶粉香氣成分及相關(guān)指數(shù)，如表4所示。

本實(shí)驗(yàn)11種抹茶共確定了259種香氣成分，醇類(lèi)化合物共檢測(cè)到44種，主要包括芳樟醇(花香和木香，相對(duì)含量4.38%～9.76%)、香葉醇(甜的玫瑰花香，相對(duì)含量2.35%～6.77%)、壬醇(玫瑰和橙的愉快香氣，相對(duì)含量2.33%～5.35%)、苯甲醇(微弱芳香氣味，相對(duì)含量0.94%～2.45%)、3-辛醇(相對(duì)含量0.75%～1.34%)；酮類(lèi)化合物共檢測(cè)到34種，主要包括大馬士酮(似玫瑰的芳香，相對(duì)含量2.32%～3.46%)、3-己酮(相對(duì)含量0.86%～1.35%)、1-辛烯-3-酮(相對(duì)含量0.79%～1.82%)、2,3-辛二酮(甜的奶油香，相對(duì)含量1.04%～2.33%)；醛類(lèi)化合物共檢測(cè)到46種，主要包括苯甲醛(苦杏仁味，相對(duì)含量1.14%～2.79%)、順式-3-己烯醛(相對(duì)含量0.95%～1.19%)、壬醛(有玫瑰、柑橘香氣，相對(duì)含量2.59%～4.38%)、(3Z,6Z)-3,6-壬二烯醛(相對(duì)含量0.84%～1.07%)；酯類(lèi)化合物43種，主要包括Delta-戊內(nèi)酯(相對(duì)含量1.21%～3.08%)、乙酸庚酯(草藥、青香及似杏香的香味，相對(duì)含量2.26%～5.79%)、2-甲基丁酸乙酯(相對(duì)含量0.79%～1.43%)、乙酸反-2-己烯酯(相對(duì)含量1.01%～3.86%)；萜烯類(lèi)化合物19種，主要有月桂烯(甜香脂氣味，相對(duì)含量1.03%～2.27%)、β-蒎烯(相對(duì)含量0.63%～1.05%)、(S)-(-)檸檬烯(相對(duì)含量1.26%～2.53%)、雙戊烯(相對(duì)含量介于0.88%～1.07%)；烷烴類(lèi)化合物14種，主要有4-甲基壬烷(相對(duì)含量1.0%～2.33%)；含氮類(lèi)化合物19種，主要包括2-乙酰基吡嗪(相對(duì)含量0.53%～0.86%)、2-乙基-6-甲基吡嗪(相對(duì)含量0.34%～0.73%)；其他類(lèi)有10種，主要成分有間二甲苯(強(qiáng)烈芳香氣味，相對(duì)含量0.24%～0.53%)、桉葉油素(相對(duì)含量0.32%～0.49%)、萘(樟腦丸之氣味，相對(duì)含量0.55%～0.97%)。其中不同產(chǎn)地抹茶粉的香氣成分不同，同一產(chǎn)地不同種類(lèi)抹茶的香氣成分差異較小。

表4 電子鼻鑒定出11種抹茶的主要香氣成分及相關(guān)指數(shù)Table 4 The main aroma compounds and correlation index in eleven kinds of matcha identified by electronic nose

續(xù)表4

序號(hào)香氣的中文名稱(chēng)相對(duì)含量范圍/%相關(guān)指數(shù)/%SY1Y2H1H2J1J2J3L1L2L3其他物質(zhì)46桉葉油素47間二甲苯48纈草酸49川芎嗪50愈創(chuàng)木酚51萘1.19～3.8887.49-43.8670.4172.50-75.4875.9583.4181.34-85.8270.0878.5679.2475.2185.4084.3487.4378.9674.6589.5590.6483.2785.0487.4181.7970.3889.3184.2375.4177.9671.7290.7991.0987.9086.7692.0590.2488.3973.7685.5586.3287.7180.0790.9473.0475.0192.6375.5270.0371.3479.1574.4876.02--85.6982.5272.79--73.98-75.6-

注：“-”：未檢出或定性相關(guān)指數(shù)小于70%。

由表4可以看出，抹茶中主要香氣成分中醇類(lèi)、酯類(lèi)、醛類(lèi)化合物組分較高，醇類(lèi)的含量最高，約占19.43%～23.79%。11種抹茶中共有的香氣成分有35種，其中醇類(lèi)化合物有8種，酮類(lèi)化合物5種，醛類(lèi)化合物5種，酯類(lèi)化合物6種，萜烯類(lèi)化合物3種，烷烴類(lèi)化合物1種，含氮類(lèi)化合物3種、其他物質(zhì)4種。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)確定了電子鼻檢測(cè)抹茶粉和抹茶湯的最優(yōu)參數(shù)，得到電子鼻在最優(yōu)檢測(cè)條件下對(duì)不同種類(lèi)抹茶粉的區(qū)分辨別能力優(yōu)于抹茶湯。對(duì)5個(gè)產(chǎn)地的11種抹茶的香氣進(jìn)行分析：薛埠鎮(zhèn)的鑫品精品抹茶(J1)、鑫品一級(jí)抹茶(J2)和鑫品玉品抹茶(J3)相比，J3香氣成分中的醇類(lèi)、醛類(lèi)、酯類(lèi)化合物種類(lèi)和數(shù)量高于J2、J1；對(duì)于石各莊鎮(zhèn)的英鵬標(biāo)準(zhǔn)型抹茶(L1)、精品型抹茶(L2)和優(yōu)良型抹茶(L3)，L2香氣成分中的醇類(lèi)、醛類(lèi)、酯類(lèi)化合物種類(lèi)和含量高于L1、L3；上海寶山區(qū)的宇治C-1(Y1)和C-2(Y2)相比，Y2香氣成分中的醇類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)化合物種類(lèi)數(shù)量高于Y1；對(duì)于杭州茗寶抹茶607(H1)和633(H2)來(lái)說(shuō)，H2香氣成分中的醇類(lèi)化合物的種類(lèi)和含量高于H1。

通過(guò)電子鼻對(duì)抹茶粉的定性和半定量分析，結(jié)果表明：5個(gè)產(chǎn)地的抹茶品種香氣成分差異明顯，相同產(chǎn)地抹茶香氣成分差異較小，但不同生產(chǎn)工藝中相應(yīng)成分明顯不同，這與電子鼻PCA及雷達(dá)圖的結(jié)果一致；電子鼻能夠準(zhǔn)確地區(qū)分來(lái)自5個(gè)產(chǎn)地的11種抹茶，同時(shí)可以快速檢測(cè)出抹茶的具體香氣成分及其異同，為抹茶香氣成分的分析和質(zhì)量鑒定提供基礎(chǔ)。研究結(jié)果說(shuō)明，利用電子鼻區(qū)分辨別不同種類(lèi)抹茶香氣是可行的。