基于電子鼻技術的云南不同茶區曬青毛茶香氣分析

武珊珊，李 芬，熊昌云，任海濤 ，丁其歡 ，趙建銳，楊雪梅*

1. 滇西應用技術大學 普洱茶學院，云南 普洱 665099；2. 云南農業大學 熱帶作物學院，云南 普洱 665099

云南大葉種曬青毛茶是以云南地理區域范圍內大葉種茶樹鮮葉為原料，經過殺青、揉捻和日曬干燥后制成的普洱茶原料[1,2]。由于云南地理區域環境差異大，不同茶區曬青毛茶香氣不同，即香氣有地域性差異。此外，曬青毛茶在加工過程中內在化學成分在溫度及氧化酶等的作用下發生水解與聚合等變化，這些變化很大程度上影響茶葉香氣[3]。研究表明，茶葉香氣是反映茶葉品質好壞的一個重要因素[3]。迄今已分離鑒定茶葉芳香物質約有700種，但其主要成分僅為數十種，如香葉醇、順-3-已烯醇、芳樟醇及其氧化物和苯甲醇等[4]。

隨著分析技術的進步，對茶葉香氣的提取分析方法和特征性成分等的研究有了較大發展[5-7]。至今，定性分析茶葉香氣的方法有減壓蒸餾法（VDE）、超臨界CO2萃取法（SPE）、固相微萃取法（SPME）、氣相色譜質譜法（GC/MS）、同時蒸餾萃取法（SDE）和項空吸附法（HAS）等[8-10]。茶葉中芳香物質具有含量少、種類多、易揮發、香氣化學成分復雜和地域性差異等特點，在提取過程中極易發生一系列化學反應，如氧化、基團轉移及聚合等，進而影響提取的香氣成分的種類及含量，不能真實、全面、系統地反映茶葉的全部香氣組分。電子鼻技術是模仿人類嗅覺的一個檢測系統（智能感官儀器），可在短時間內分析、識別和檢測大多數揮發性成分。能通過測定干茶樣、茶湯和葉底香氣的特點判斷揮發性物質的主要香氣種類，進而綜合測定茶葉本身所固有的香氣組分，且樣品的預處理過程相對簡單，不產生如審評人員在長時間感官審評時出現嗅覺疲勞等問題[11]。電子鼻具有功能各異的化學傳感器陣列和適當的模式識別系統，不是檢測樣品中某一種或某幾種成分的定性與定量結果，而是全面、快速地給予樣品中揮發性成分的整體信息[7]。目前，電子鼻技術廣泛應用于綠茶[12-15]、紅茶[16]、烏龍茶[17-18]及花茶[19-20]等茶葉香氣成分判定分析等研究領域中。但是，目前電子鼻技術在區別不同茶區香氣研究領域的應用較少，研究成果鮮見報道。本試驗通過電子鼻技術探討云南不同茶區曬青毛茶的香氣，以克服目前對不同茶區曬青毛茶香氣研究的一些不足。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗茶樣選用2017年春季采制的28份曬青毛茶（表1），由勐海臻味號茶葉股份有限公司提供，茶樣鮮葉采制標準為一芽二葉，毛茶加工工藝基本按照統一標準加工。

表1 供試茶樣一覽表Table 1 Detail information of tea samples

續表

1.2 儀器設備

主要儀器和試劑見表2。

表2 試驗儀器與設備Table 2 Experimental instrument

1.3 試驗方法

1.3.1 香氣檢測

打開電子鼻，預熱（30 min），設定參數：清洗傳感器（120 s）至各傳感器響應值趨向于1.0000，檢測樣品（流速300 mL/min，信號采集時長60 s），記錄相應特征響應值，保存數據[19-20]。電子鼻傳感器的信號響應值自40 s開始趨于穩定，為保證檢測的穩定性和數據的準確度，研究中的電導率均取50 s處的檢測信號進行分析；主成分分析（PCA）、線性判別分析（LDA）和傳感器區分貢獻率分析（Loadings）均取 55 ～ 60 s六個時間點檢測信號進行分析。

各取 3 g 供試樣品置于 250 mL 錐形瓶，瓶口保鮮膜密封，靜置45 min，使三角瓶內氣體達到平衡后進行干茶香氣檢測；再分別取3 g供試樣品于三角瓶（250 mL）中，加入沸水（純凈水，150 mL），迅速蓋上保鮮膜密封，靜置冷卻至45℃，對茶湯香氣進行檢測；濾出茶湯后，再檢測葉底香氣[21]。為減少誤差，干茶、茶湯及葉底樣品均制備2個平行樣，重復檢測3次。

電子鼻配制傳感器對不同類型化合物響應如表3。

表3 傳感器性能Table 3 The function and property of sensor transducer

1.3.2 數據處理

記錄每個樣品對應的不同傳感器響應信號的變化曲線、每個時間點的信號值及星型雷達圖或柱狀指紋圖[22]。通過SPSS 64軟件，用Duncan’s新復極差測驗SSR法對不同地區曬青毛茶樣品的電導率響應值進行分析。提取10個傳感器的特征值，采用主成分分析法（PCA）、線性判別法（LDA）和傳感器區別貢獻率分析法（Loadings）進行數據統計分析，分析不同感應器的響應及樣品之間主要組分差異。

2 結果與討論

2.1 傳感器區分貢獻率

電子鼻Loadings分析是傳感器對樣品中揮發性物質進行區分的一種研究方法，主要考察樣品中哪類氣體物質起主要區分作用，并判別其貢獻率大小。干茶的Loadings分析結果如圖1所示，傳感器W1W（對硫化物敏感）的位點距離x = 0最遠，說明W1W對第一主成分的貢獻率最大；而傳感器W1S（對甲烷敏感）的位點距離y = 0最遠，說明其對第二主成分貢獻率最大[20]。傳感器W2W（對有機硫化物敏感）的位點居于x和y軸的中間位置，說明其對第一和第二主成分有同等貢獻。茶湯的Loadings分析結果如圖2所示，由圖可知，傳感器W1W的位點距 x = 0 和 y = 0 都較遠，說明其對第一和第二主成分的貢獻都較大；而W5S（對氮氧化物敏感）距y = 0最遠，說明其對第二主成分貢獻率最大；傳感器W2W對第一和第二主成分的貢獻與干茶相似。葉底的Loadings分析結果如圖3所示，由圖可看出，傳感器對主成分的貢獻率與干茶完全相同，即傳感器W1W對第一主成分的貢獻率最大，傳感器W1S對第二主成分貢獻率最大，傳感器W2W對第一和第二主成分有同等貢獻。

圖1 參試樣品干茶Loading分析結果Figure 1 Test dry tea leaf Loading analysis

圖2 參試樣品茶湯Loading分析結果Figure 2 Tea infusion Loading analysis

圖3 參試樣品葉底Loading分析結果Figure 3 Test infused leaf Loading analysis

綜上可見， W5S、W2S、W1S、W1W和W2W這5個傳感器對不同茶區供試樣的識別度最為敏感，起主要區分作用。這與陳婷等[22]的研究結果一致。說明供試茶樣香氣物質的變化可能主要與甲烷、硫化物、部分芳香型化合物、氮氧化物類和有機硫化物類等揮發性物質有關。

2.2 PCA 分析

供試樣干茶、茶湯、葉底的傳感器響應值PCA模式判別結果分別如圖4、圖5和圖6所示。其中6個紅色點表示代表供試樣被劃分為六個類群（A ～ F），距離最近的點（藍色點）表示香氣特征最接近的茶樣，圖形區域（S1 ～ S4）代表電子鼻傳感器不同的電導率均值，電導率值在范圍內的供試茶樣即聚為一類。說明通過電子鼻技術能夠很好地將不同地區的曬青毛茶進行區分和歸類。

在CORRELATION相關性矩陣判別模式下，干茶香氣第一主成分貢獻率是97.31%，第二主成分貢獻率是2.25%，累計貢獻率達到99.56%。通過PCA分析可直觀看到，不同地區毛茶干茶香氣有一定差異，S1和S2圖形區域內的干茶樣品香氣特征區別較大，S3和S4有一定區別，總體來看干茶香氣特征可分為四類（圖4）。

圖4 參試樣品干茶PCA分析結果Figure 4 Dry tea leaf PCA analysis

對毛茶茶湯的PCA分析結果（圖5）表明：第一主成分貢獻率是66.20%，第二主成分貢獻率是11.42%，累計貢獻率77.62%，明顯低于干茶和葉底貢獻率，基本上能代表茶湯香氣的信息；從圖示可看到各區域毛茶茶湯香氣大體上向一個區域集中，說明茶湯香氣差異不是太明顯，基本可表現為同一種類型。

圖5 參試樣品茶湯PCA分析結果Figure 5 Tea infusion PCA analysis

對毛茶葉底的PCA分析結果（圖6）表明：第一主成分貢獻率為94.01%，第二主成分貢獻率為5.03%，累計貢獻率為99.04%；通過圖示，顯示供試樣葉底的香氣特征更傾向于向S1聚集，S2、S3和S4有較明顯的區分，相比干茶香氣，葉底的差異也較大。

圖6 參試樣品葉底PCA分析結果Figure 6 Infused leaf PCA analysis

2.3 電子鼻傳感器對不同年份普洱生茶電導率G/G0值的變化

表4所示，供試樣干茶、葉底、茶湯在傳感器響應值PCA模式判別結果中不同區域（S1～ S4）6個主要傳感器的電導率均值，顯示出電子鼻對干茶香氣特征的區分效果最好，也可看到傳感器W1S和W1W在6個傳感器中表現出最好的區分特性。其中，干茶以S1和S2區域內的香氣特征更明顯，其次是S3和S4。對葉底的分析可知，S2、S3和S4香氣特征區別不大，三者與S1有較顯著區別。對茶湯的分析可知，四個區域內的香氣特征并沒有顯著區分，說明電子鼻不能對茶湯香氣特征進行很好區分，這與PCA模式判別結果一致。

表4 主要識別傳感器子集間方差分析結果Table 4 Major recognition sensors variance analysis on subclass

3 結論

本試驗利用電子鼻檢測技術結合 PCA分析與Loadings分析數據統計對云南不同茶區曬青毛茶香氣進行分析，判別出不同茶區的香氣特征并對其歸類。電子鼻技術對不同茶區曬青毛茶均有較好的響應，可有效區分不同茶區曬青毛茶。在10個傳感器中，W1W、W2W、W1S、W2S和W5S對干茶、茶湯和葉底香氣靈敏度較高，對曬青毛茶香氣測定的貢獻率較大，表明使用電子鼻研究曬青毛茶香氣時選擇使用上述5個傳感器較好。與羅美玲等[23-24]的研究結果一致。

主成分分析方法（PCA）能很好地區分不同地區曬青毛茶干茶、茶湯和葉底香氣，且根據電導率值的范圍值將供試茶樣進行類群劃分。另外，通過傳感器區分貢獻率分析可知，傳感器W1W、W1S、W2W和W2S在判斷曬青毛茶類群劃分中起到較大作用，即萜烯類和硫化物、芳香化合物、氮氧化合物、醇類和烷類對曬青毛茶香氣貢獻較大。說明云南不同茶區曬青毛茶香氣物質的變化可能主要與硫化物、甲烷、部分芳香型化合物、有機硫化物類和氮氧化物類等揮發性物質有關[24]。另外，在今后的研究中可加入電子舌感官檢測設備的應用，再結合GC-MS（氣質聯用儀）對香氣組分的研究，則更能反應出參試茶樣的整體品質，使各類型客觀數據之間相互印證，準確提煉出對茶葉品質的影響因子，建立起關于茶品質的指紋數據庫，為建立普洱茶產品品質標準體系及普洱茶的拼配技術提供理論依據。