基于電子鼻與GC-IMS 技術(shù)云南昌寧紅茶香氣研究

劉學艷，王 娟，彭 云，呂才有

云南農(nóng)業(yè)大學 龍潤普洱茶學院，云南 昆明 650201

昌寧縣位于云南省西部，隸屬于保山市。縣內(nèi)氣候條件優(yōu)越，茶區(qū)多分布在海拔1400 ～ 2000 m 地帶，土壤多為紅壤，通透性好，有機質(zhì)豐富，非常適合茶樹生長[1]。昌寧縣茶樹種質(zhì)資源豐富，除了本地野生型、過渡型與栽培型茶樹外，還有從外地引進的優(yōu)良茶樹品種（如既適制烏龍茶又適制紅茶的梅占[2]等），可按滇紅加工工藝制成創(chuàng)新產(chǎn)品[3]。

昌寧紅茶是昌寧縣茶產(chǎn)業(yè)特色優(yōu)勢品牌，是云南省的“滇紅新秀”。2018 年，昌寧紅茶獲得云南省地理標志保護產(chǎn)品認證[4]。昌寧當?shù)厣a(chǎn)和銷售的紅茶主要有生態(tài)紅茶和古樹紅茶。生態(tài)紅茶根據(jù)加工工藝不同分為毛峰型、針型和螺型紅茶；古樹紅茶又分為以大理茶鮮葉制作的野生古樹紅茶和以普洱茶（變種）鮮葉制作的栽培型古樹紅茶[5]。研究表明，紅茶中豐富的茶黃素等活性物質(zhì)[6]賦予了紅茶增強腸胃消化功能、肝臟功能[7]，還可消除水腫、利尿[8]，定期喝紅茶也有利于預防高血壓[9]和糖尿病[10]。

目前，用于紅茶香氣分析的方法主要有氣相色譜質(zhì)譜法[11]（GC-MS）、頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[12]（HS-SPME-GCMS）、電子鼻技術(shù)[13]等。如劉洪林等[14]使用HS-SPME-GC-MS 分析了傳統(tǒng)紅碎茶和CTC 紅碎茶的香氣組分差異，發(fā)現(xiàn)CTC 紅碎茶中揮發(fā)性成分數(shù)量較低，其中醛類化合物和醇類化合物含量較低，但酯類化合物含量高于OTD 紅碎茶。喬小燕等[15]使用HS-SPME-GC-MS 測定了云南省耿馬縣不同等級的CTC 紅碎茶香氣組分，發(fā)現(xiàn)不同等級CTC 紅碎茶中以法尼基焦磷酸/牻牛兒基焦磷酸前體物形成的揮發(fā)性成分為主。

氣相離子遷移譜技術(shù)（GC-IMS）是一種將氣相色譜與離子遷移譜技術(shù)相結(jié)合的聯(lián)用檢測技術(shù)[16]。該技術(shù)高度結(jié)合了離子遷移譜技術(shù)高分離度和氣相色譜的高靈敏度優(yōu)勢，使分離后得到的化學信息更加豐富[17]。該技術(shù)具有快速、靈敏、無需前處理、簡單方便的優(yōu)點，在食品風味分析、品質(zhì)檢測以及質(zhì)量控制等多個領域得到了廣泛應用[18]。

本試驗采用電子鼻和氣相離子遷移譜技術(shù)對8 個昌寧紅茶的揮發(fā)性香氣物質(zhì)進行分析，旨在了解昌寧紅茶的香氣特征，比較不同茶樹品種及不同加工工藝的紅茶在香氣組分上的差異，進而改善加工工藝，提高昌寧紅茶的品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為云南省保山市昌寧縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局提供的8 個不同類別的昌寧紅茶樣品（表1）。

表1 茶樣信息Table 1 Information of tea samples

1.2 儀器與設備

FlavourSpec1H1-00053 型氣相色譜-離子遷移譜，配備CTCCombiPAL自動頂空進樣裝置（德國GAS 公司），儀器主要相關(guān)參數(shù)設置見表2；PEN3 型便捷式電子鼻（德國Airsense 公司），傳感器陣列由10 個金屬氧化物氣敏傳感器組成，傳感器名稱與性能見表3。

表2 GC-IMS 檢測參數(shù)Table 2 Test parametersof GC-IMS

1.3 電子鼻檢測

1.3.1 香氣采集

分別用干茶采集法、茶湯采集法、葉底采集法對茶樣香氣進行采集。干茶采集法：稱取2.0 g 茶樣放入100 mL 錐形瓶中，用保鮮膜密封靜置45 min 后進行香氣采集；葉底采集法：將茶湯完全傾倒后，用保鮮膜密封靜置30 min 后進行香氣采集。30 min 后進行香氣采集；茶湯采集法：在錐形瓶中加入100 mL 煮沸的礦泉水，用保鮮膜密封

表3 PEN3 的各傳感器名稱與性能描述Table 3 Name and performance description of each sensor of PEN3

1.3.2 數(shù)據(jù)分析

先用電子鼻自帶軟件WinMuster，由于各傳感器在T=56 ～ 58 s 時的響應值較為平穩(wěn)，因此取這3 s 的響應值，采用PCA 與LDA 進行模式識別分析。

1.4 GC-IMS 檢測

1.4.1 GC-IMS 檢測條件

使用電子天平稱取1.0 g待測樣品，置于20 mL 頂空進樣瓶中，80℃孵育15 min 后進樣，每個樣品重復測定3 次。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理

采用儀器自帶的三款插件，繪制離子遷移差異圖譜、指紋圖譜和主成分分析圖譜，從3個角度分析樣品差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻檢測結(jié)果

圖1 PCA 分析（A：干茶法；B：茶湯法；C：葉底法）Figure 1 PCA analysis（A：dry tea method；B：tea soup method；C：brewed leaf method）

2.1.1 不同茶樣香氣的PCA 分析

如 圖1 所 示，在Correlation-M 矩 陣 下，PCA 分析結(jié)果顯示，第一主要成分貢獻率和第二主要成分貢獻率如下：干茶法分別為97.571%和2.368%，茶湯法分別為99.451%和0.405%，葉底法分別為98.361%和1.600%；兩者之和分別為：干茶法99.939%、茶湯法99.856%、葉底法99.962%，可以代表茶樣的主要信息特征。茶湯法PCA 分析結(jié)果顯示，茶樣CN3、CN4與CN5 的香氣比較接近，CN1、CN2、CN6、CN7、CN8 的香氣差異較大。葉底法PCA 結(jié)果顯示，茶樣CN3 與CN4 的香氣比較接近，CN5與CN2 的香氣較接近，CN6 與CN8 的香氣較接近，CN1 與另外7 個茶樣的香氣差異較大。可見，電子鼻PCA 分析可以將不同品種、不同等級的紅茶樣區(qū)分開來。

2.1.2 不同茶樣香氣的Lodings 分析

圖2 Lodings 分析（A：干茶法；B：茶湯法；C：葉底法）Figure 2 Lodings analysis（A：dry tea method；B：tea soup method；C：brewed leaf method）

如圖2 所示，在Correlation-M 矩陣下，Lodings 分析結(jié)果顯示，第一主要成分貢獻率和第二主要成分貢獻率如下：干茶法分別為97.571%和2.368%%；茶湯法分別為99.451%和0.405%；葉底法分別為98.361%和1.600%；兩者之和分別為：干茶法99.939%、茶湯法99.856%、葉底法99.962%，基本可以代表茶樣的主要信息特征。

干茶法中，傳感器W5S 對第一主成分貢獻率最大，其次為W1W；傳感器W1W 對第二主成分貢獻率最高，W1S次之。說明氮氧化合物類、硫化物類、醇類化合物類對干茶香氣貢獻率 較高。

茶湯法中，傳感器W6S 對第一主成分貢獻率最大，其次為W5S；傳感器W1S 對第二主成分貢獻率最高，W2S 次之，說明氫化物類、氮氧化合物類、烷烴類化合物對茶湯香氣貢獻率較高。葉底法中，傳感器W1W 對第一主成分貢獻率最大，其次為W5S；傳感器W5S 對第二主成分貢獻率最高，其次為W1S，說明硫化物類、氮氧化合物類、烷烴類對葉底香氣貢獻率較高。綜上可看出，對昌寧縣8 個紅茶樣品香氣貢獻率較高的化合物種類依次為氮氧化合物類、硫化物類、氫化物類、烷烴類和醇類。

2.2 GC-IMS 檢測結(jié)果

2.2.1 揮發(fā)性有機物離子遷移圖譜比較

利用GC-IMS 儀器自帶的VOCal 軟件處理樣品后，得到樣品離子遷移譜圖，圖中一個點代表一種揮發(fā)性有機物，數(shù)字編號所代表的化合物名稱及相關(guān)信息見表4。縱坐標表示保留時間，橫坐標表示漂移時間，紅色垂直線表示反應離子峰（RIP），離子峰兩側(cè)的每個點代表一種揮發(fā)性有機物，顏色的深淺表示含量高低，部分化合物因濃度和性質(zhì)不同，會產(chǎn)生2個斑點，分別代表單體和二聚體。如圖3 為4 號茶樣的離子遷移譜圖。

另外，利用儀器FlavourSpec?系統(tǒng)自帶的LAV 軟件內(nèi)置的Gallery Plot 插件建立了8 個茶葉樣品的指紋圖譜（圖4）。圖中每一行代表一個樣品，每個樣品平行測定3 次，由該樣品所含的全部揮發(fā)性有機物信號峰組成，每一列為同一保留時間及漂移時間下的有機物的信號峰。

從圖中VOCs 的離子峰排列可明顯看出，8 個紅茶樣品，平行測定的樣品組內(nèi)含有共有VOCs，即組內(nèi)樣品具有明顯的相似性，僅區(qū)別于濃度大小；不同茶葉樣品含有對應時間內(nèi)所特有的VOCs，樣品組間則呈現(xiàn)出明顯的差異。即8 個茶葉樣品中有相似的揮發(fā)性香氣物質(zhì)，也有不同種類和含量的揮發(fā)性香氣物質(zhì)。

2.2.2 揮發(fā)性有機物差異圖譜分析

為了更加清晰地比較樣品間的差異，采用差異對比模式，直接利用儀器自帶的Reporter插件程序?qū)? 個茶葉樣品的二維圖譜繪制成差異圖譜（圖5）。差異圖譜以1 號茶樣的譜圖作為參比，剩余7 個樣品的譜圖扣減參比，圖中白色區(qū)域表示二者揮發(fā)性有機物一致，扣減后沒有差異，而紅色代表該物質(zhì)的濃度高于1 號茶樣，藍色代表該物質(zhì)的濃度低于1 號茶樣。

圖 3 昌寧紅茶樣品中揮發(fā)性化合物特征峰位置點Figure 3 Location of characteristic peaks of volatile aroma compounds in Changning black tea samples

圖 4 昌寧紅茶樣品揮發(fā)性香氣化合物的指紋圖譜Figure 4 Fingerprint of volatile aroma compounds in Changning black tea samples

圖5 昌寧紅茶樣品的GC-IMS 差異圖譜Figure 5 GC-IMS differential chromatogram of volatile aroma compounds in Changning black tea samples

從圖5 中可看出，茶葉樣品揮發(fā)性風味物質(zhì)的種類和濃度明顯不同。其中，4 號茶樣明顯比其它7 個樣品的香氣物質(zhì)濃度高。結(jié)合表4可知：1號茶樣中苯甲酸乙酯、2-庚酮、2-己酮、1-己醇、己醛、乙酸香葉酯、二甲基硫醚等物質(zhì)的含量較高，這幾種物質(zhì)是形成梅占紅茶特殊香氣的重要物質(zhì)。2 號茶樣丁內(nèi)酯、2-丁酮、丙酮、3-甲基丁酸、異丁酸、乙酸等物質(zhì)的含量較高，尤其是酸類香氣物質(zhì)含量較其它茶樣高；7號茶樣中芳樟醇、2-乙基己醇、乙酸乙酯、糠醛、甲醇等物質(zhì)的含量較高，芳樟醇類物質(zhì)是滇紅茶香氣區(qū)別于其它地區(qū)紅茶香氣的重要物質(zhì)之一。3 號樣品中苯甲酸甲酯和烯類、醛類物質(zhì)含量較高。4 號樣品中醇類、酯類、醛類香氣物質(zhì)含量較高。5號樣品中甲基丙醛、壬醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、（E,E）-2,4-庚二烯醛、E-2-庚烯醛、1-戊醇等物質(zhì)的含量較高。 6 號樣品中2-甲基丁醇、2-甲基噻吩、戊醛等物質(zhì)的含量較高；8號樣品中醛類（癸醛、E-2-壬烯醛）、雜環(huán)類（尤其是呋喃類）、乙偶姻等物質(zhì)的含量較高。此外，等級越高的紅碎茶，醇類、酯類香氣物質(zhì)更高；而等級低的紅碎茶，烯類、醛類物質(zhì)更豐富。從差異圖（圖5）中也可以看出，3 號茶樣、4號茶樣的差異物質(zhì)相當明顯。

表4 昌寧紅茶揮發(fā)性組分信息表Table 4 Information table of volatile components in Changning black tea

續(xù)表

3 結(jié)論與討論

從電子鼻的檢測結(jié)果可看出，不同茶樹品種、不同加工工藝的茶葉香氣物質(zhì)有較大的差異，電子鼻可以根據(jù)揮發(fā)性香氣物質(zhì)把茶樣區(qū)分開來，電子鼻的10 個傳感器顯示紅茶香氣主要成分為氮氧化合物類、硫化物類、氫化物類、烷烴類和醇類，這與前人研究結(jié)果一致[19]。

通過GC-IMS 共檢測出揮發(fā)性香氣物質(zhì)91種。其中，醛類31 種、醇類17 種、酯類16 種、酮類8 種、烯類6 種、雜環(huán)類6 種、酸類4 種和醚類1 種。任洪濤等[20]使用GC-MS 技術(shù)檢測到云南紅茶的香氣物質(zhì)為醇類最高，醛類次之；本次試驗檢測結(jié)果為醛類物質(zhì)種類物質(zhì)最多，是因為本次檢測到的醛類香氣物質(zhì)的單體和二聚體較多。

本次試驗中3 號、4 號、5 號、7 號和8 號茶樣均為鳳慶大葉種，3 號茶樣和4 號茶樣為不同等級的紅碎茶，5 號茶樣為紅螺，8 號茶樣為紅金針。可以看出相同茶樹品種制成紅碎茶時香氣物質(zhì)較其它工夫紅茶豐富，這與前人的研究結(jié)果一致[21]，且等級越高，香氣物質(zhì)越豐富，尤其是烯類、醛類和酯類。可能是因為紅碎茶經(jīng)過揉切工藝，細胞充分破碎，香氣前體物質(zhì)在酶類物質(zhì)充分氧化、降解、轉(zhuǎn)化作用下形成豐富的香氣物質(zhì)，這也是紅碎茶香氣高揚持久、滋味醇厚飽滿的原因，同時也說明加工工藝直接影響紅茶的香氣。由5 號、7 號和2 號茶樣可以看出，野生茶樹和生態(tài)茶樹香氣物質(zhì)也有極大的差異。2 號茶樣茶樹為純野生古茶樹，香氣物質(zhì)在種類和含量上較人工干預過的野放茶樹高。茶樹品種、加工工藝等直接影響著紅茶內(nèi)各物質(zhì)成分的種類、含量及濃度配比，因此形成不同紅茶獨特的風味品質(zhì)[22]。

試驗結(jié)果表明，電子鼻儀器可以將不同級別、不同茶樹品種的紅茶區(qū)分開來，但不能定量比較紅茶揮發(fā)性香氣物質(zhì)在組成和含量上的差異。GC-IMS 儀器可以將紅茶樣品的揮發(fā)性組分分離,不同的茶樣具有各自不同的GC-IMS 特征譜圖信息，可以明顯看出樣品之間的揮發(fā)性組分的差異。等級高的紅碎茶，香氣組分比等級低的高，野生茶樹制成的紅茶香氣較人工干預的生態(tài)茶樹香氣組分豐富。通過GC-IMS 儀器從昌寧縣的8 個紅茶樣品中檢測出91 種揮發(fā)性香氣物質(zhì)，包括醛類（31 種）、醇類（17 種）、酯類（16 種）、酮類（8 種）、烯類（6 種）、雜環(huán)類（6 種）、酸類（4 種）及醚類等。說明昌寧縣的紅茶揮發(fā)性香氣物質(zhì)種類豐富，每一種茶樣都具有各自特征性香氣物質(zhì)，茶樹品種、加工工藝、茶葉等級等都是紅茶香氣的影響因素，多種因子相互協(xié)調(diào)作用，形成了不同香氣特征的紅茶。