電子鼻技術與感官審評聯用評價山東抹茶香氣品質

羅影，王舒婷，曲鳳鳳，張新富，胡建輝

(青島農業大學園藝學院，山東 青島 266109)

抹茶是一種以覆蓋栽培茶樹鮮葉經蒸汽(或熱風)殺青后干燥而制成的葉片為原料并經研磨工藝加工而成的微粉狀茶產品[1]。雖然它是蒸青綠茶，但其原料與其它蒸青綠茶大不相同，為碾茶。茶園需要在采摘前遮蔭覆蓋一段時間，以提高其品質，這也是形成抹茶海苔香(覆蓋香)的主要原因。抹茶具有獨特的生物學活性和在動物體內的整體生理調節功能及“綠色”特征，符合新時代大眾的消費理念和環保意識，也符合現代化生活節奏的需要[2]，在醫療保健[3，4]、食品[5]、日化[6]等方面發揮不同作用。

抹茶起源于中國，在日本得到發展，至明治維新時期逐漸形成完善的抹茶生產加工體系。從12 世紀末至今，抹茶發展成“抹茶道”，已成為日本國粹[7]。抹茶近20年大規模應用于食品工業，據統計，2016年日本的碾茶生產總量達到近4 000 t，而市場對抹茶的需求量卻超過10 000 t[8]。千禧年后，抹茶重返中國市場。隨著國內外抹茶需求增加，浙江、江蘇、貴州、湖北、山東等地都逐漸開始生產抹茶，目前國內主要的抹茶品牌有浙江省御茶村、江蘇省鑫品、貴州省貴茶等。隨著抹茶產業的快速發展，我國已完成高標準抹茶生產茶園的規范建設，加工設備和生產線的成功研發、關鍵生產技術的全面突破，為抹茶產業的興盛打下堅實基礎[8，9]。

山東抹茶采用栽植于山東省境內北緯36°區域范圍內且栽植過程中實施遮蔭覆蓋的適制抹茶茶樹品種之鮮葉為原料，經鮮葉蒸汽殺青、干燥、研磨、殺菌等工藝加工而成的具有色鮮綠、覆蓋香、清爽味特征的微粉狀茶產品。山東茶區與日本靜岡緯度相近，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年降水量500～800 mm，年均氣溫11～14℃，具有碾茶生產不可多得的天然優勢。茶樹生長季節(特別是春、秋季)氣溫較低、光照較弱、晝夜溫差大，新梢生長緩慢，營養物質積累多，夜間呼吸作用較弱而致消耗的營養物質少，所以鮮葉中氨基酸、葉綠素含量高[10]。碾茶作為抹茶生產的原料，其品質優劣直接影響到抹茶質量。山東抹茶生產起步較晚，圍繞其品質評價方面的研究基本是空白。

茶葉香氣是不同芳香物質以不同濃度組合，并對嗅覺神經綜合作用所形成的茶葉特有的香型，一般在茶中的絕對含量很少，只占干物質量的0.02%，但卻是決定茶葉品質的重要因子之一[11]。抹茶因其獨特的海苔香引起茶葉研究者的廣泛關注。但目前國內外對抹茶香氣的研究絕大多數是采用日本抹茶[12－14]，而關于國內抹茶的相關研究鮮少。為此，本研究采用電子鼻技術對山東抹茶和碾茶進行香氣判別分析，探究不同等級抹茶和碾茶之間的香氣成分差異以及碾茶加工成抹茶后的香氣成分差異，并聯用感官審評技術對其香氣品質進行評價，以期為抹茶品質的提升提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 茶樣

本研究茶樣于2021年由青島鴻雨抹茶科技發展有限公司提供，編號見表1。

表1 茶樣編號

1.2 儀器與設備

電子鼻檢測設備:PEN3 型便攜式電子鼻(德國Airsens 公司)、電子天平MS105DJ(METTLER TOLEDO)、電熱恒溫水槽(上海精宏DK－8D)、粉碎機等。

感官審評設備:審評碗、審評杯、天平、計時器、燒水壺、吐茶桶、茶筅、茶匙等。

掃描電子顯微鏡設備:掃描電子顯微鏡(日本電子JSM－7500F03040702)。

1.3 試驗方法

1.3.1 山東抹茶的掃描電鏡觀察 將3 個不同等級的山東抹茶粉彈撒在雙面導電膠上，用離子濺射儀進行噴鍍，置于掃描電子顯微鏡下放大1 000倍觀察并拍照。

1.3.2 山東抹茶的感官審評 碾茶和抹茶審評方法如下:

碾茶參照浙江省地方標準?抹茶審評技術規范(DB33/T 2279—2020)?進行感官審評。茶水比為1∶50，即稱取茶樣3.0 g，置于150 mL 審評杯中，注滿沸水、加蓋、計時2 min，由于本研究側重于香氣，而滋味和香氣相互影響，因此主要審評香氣和滋味。

抹茶審評方法根據上述標準進行調整。茶水比為1∶50，即稱取茶樣3.0 g，置于審評碗中，注入150 mL 沸水，充分攪拌茶湯10～15 s，至無可見顆粒，按香氣、滋味順序進行審評。

1.3.3 山東抹茶的電子鼻檢測 香氣采集和檢測方法如下:

香氣采集:分別稱取茶樣0.5 g 置于燒杯中，15 mL 沸水沖泡，杯口用雙層膜密封待測。每個樣品重復3 次。

檢測方法:電子鼻連接完畢后進行參數設置。其中，傳感器清洗時間為60 s，傳感器歸零時間為10 s；進樣流量為400 mL/min；樣品準備時間為5 s，進樣時間為1 s，分析采樣時間為120 s。電子鼻各傳感器對應敏感物質見表2。

表2 電子鼻各傳感器對應敏感物質

1.4 數據處理與分析

結合使用PEN3 電子鼻自帶軟件Winmuster與Origin 2018，對電子鼻數據進行處理和主成分分析(PCA)、傳感器區別貢獻率分析(Loadings)和線性判別分析(LDA)，選取116～118 s 平穩處制作雷達圖。

2 結果與分析

2.1 山東抹茶的外形品質及微觀形貌

由圖1可知，M－GS(茶道級抹茶)外形色澤鮮綠明亮，M－G1(一級抹茶)色澤翠綠明亮，MG2(二級抹茶)綠、較亮。掃描電鏡下抹茶的微觀形態結果顯示，M－GS 顆粒大小均勻，直徑在3 μm 左右；M－G1 顆粒較均勻，直徑在4 μm 左右；M－G2 顆粒較均勻，直徑在6 μm 左右。總而言之，山東抹茶的粒度都較均勻，均達到國標(GB/T 34778—2017)要求(粒度≤18 μm)，有些顆粒較大可能是抹茶粉沒抖散而堆積在一起所造成。

圖1 不同等級山東抹茶的干茶圖及掃描電鏡圖

2.2 山東抹茶的內在品質

不同等級山東抹茶和碾茶的感官審評結果(表3)顯示，等級越高，海苔香越濃越鮮，滋味越鮮醇。抹茶中，M－GS 品質最佳，海苔香濃、清鮮，滋味鮮醇、味濃；其次是M－G1，海苔香顯，滋味醇爽；M－G2 品質稍次，有海苔香，滋味尚醇、純正。相應的碾茶中，T－GS 品質最佳，海苔香濃，滋味鮮濃；T－G1 海苔香顯、清香，滋味醇厚、較收斂；T－G2帶有海苔香，滋味尚爽。

表3 山東抹茶與碾茶感官審評結果

2.3 不同等級山東碾茶和抹茶香氣成分的傳感器響應值分析

圖2 顯示，碾茶不同等級間的雷達圖輪廓相似，三者的香氣成分都是在傳感器W5S、W1S、W1W、W3S 上的響應值較高，T－G1 的響應值普遍低于T－GS 與T－G2。T－GS 在傳感器W5S、W1W上的響應值最高，其次是T－G2、T－G1，因此T－GS的氮氧化合物、硫化物、萜烯類含量最高；T－G2在傳感器W1C、W6S、W1S、W2S、W3S 上的響應值最高，表明其苯類、氫化物、甲基類、醇類、醛酮類及長鏈烷烴的含量高。

圖2 碾茶與抹茶不同等級間響應值雷達圖

3 個等級抹茶的香氣成分在傳感器W5S、W1S、W1W、W2S、W3S 上的響應值較突出，其中傳感器W1C、W1S、W1W、W2S 的響應值差異明顯。M－G1 在W1C、W1S、W2S 上的響應值均最高，比M－GS 分別高5.76%、14.09%、4.56%，比M－G2分別高10.98%、22.20%、13.58%；在傳感器W1W 上，M－G1 的響應值最低，M－GS 最高。

2.4 同等級山東碾茶和抹茶香氣成分的傳感器響應值分析

圖3 顯示，M－GS 與T－GS 在4 個傳感器上的響應值差異較大，分別是W5S、W1S、W1W 和W2S。其中M－GS 在W1S 和W2S 上的響應值高于T－GS，分別高19.76%和17.59%；T－GS 在W5S和W1W 上的響應值高于M－GS，分別高15.05%和27.59%。因此，兩者相比，M－GS 含有更多的甲基類化合物和醇類、醛酮類化合物，而T－GS 含有較多的氮氧化合物、硫化物和萜烯類化合物。

圖3 同等級碾茶與抹茶香氣成分的傳感器響應值雷達圖

M－G1 與T－G1 在傳感器W1C、W5S、W3C、W5C、W1S、W2S 上的響應值差異顯著，且均是M－G1 高于T －G1，分別高24. 01%、19. 72%、14.65%、12.76%、49.06%和32.95%。所以M－G1中苯類芳香成分、氮氧化合物、氨類、短鏈烷烴芳香成分和甲基類、醇類、醛酮類化合物含量多于T－G1。二者在傳感器W6S、W1W、W2W、W3S 上的輪廓略有差異，說明氫化物、硫化物、萜烯類化合物、有機硫化物芳香成分及長鏈烷烴含量相當。

M－G2 與T－G2 的輪廓相似，傳感器W1C、W5S、W5C、W1S、W2S 上兩者的響應值略有差異。T－G2 在傳感器W1W、W2W、W3S 上的響應值高于M－G2，分別高15.09%、5.03%和5.27%，因此T－G2中硫化物、萜烯類化合物、有機硫化物芳香成分、長鏈烷烴含量高于M－G2。其原因很有可能是抹茶的加工工藝造成以上化合物含量降低。

2.5 碾茶與抹茶的主成分分析

通過主成分分析(principal components analysis， PCA)看出，電子鼻對茶樣香氣的判別效果是碾茶優于抹茶。圖4(a)中，碾茶PC1 的貢獻率是92.57%，PC2 的貢獻率是6.70%，總貢獻率是99.27%，PC1 對碾茶的區分起主要作用。T－GS和T－G1較離散，T－G2 距離兩者較近，且三者之間的區分度也都較高(表4)，說明三者能實現較好的區分。

表4 碾茶與抹茶PCA 分析的區分度

圖4(b)中，抹茶PC1 的貢獻率是79.31%，PC2 的貢獻率是17.01%，總貢獻率是96.32%。M－GS 和M－G1 較離散，兩者的區分度是0.892，能很好地區分開，而M－G2 分別與M－GS 和MG1 有重合，雷達圖結果(圖2)也顯示三者的輪廓相似，個別傳感器有差異。這說明M－G2 與另兩者的某些香氣成分對香氣的影響相似。

圖4 碾茶與抹茶PCA 分析結果

2.6 碾茶與抹茶的傳感器區別貢獻率分析

傳感器區別貢獻率分析法(Loadings)主要是對傳感器進行研究，可以確認樣品各傳感器對樣品區分的貢獻率大小，從而可以考察樣品區分過程中哪一類氣體起了主要區分作用[15]。圖5(a)顯示，碾茶的W1W、W5S 在PC1 上的貢獻率最高，負載值約為0.6～0.8，說明這些傳感器對氮氧化合物、硫化物、萜烯類化合物敏感，即與PC1 高度相關。W1S 在PC2 上的貢獻率最高，即甲基類化合物與PC2 高度相關。說明碾茶可以由這3個傳感器進行區分。

抹茶的傳感器區別貢獻率分析結果[圖5(b)]顯示，W1S 和W2S 在PC1 上的貢獻率最高，說明甲基類、醇類、醛酮類化合物與PC1 高度相關。W1W、W5S 在PC2 上的貢獻率最高，負載值約為0.5～0.7，表明硫化物、萜烯類化合物、氮氧化合物與PC2 高度相關。

圖5 碾茶(a)與抹茶(b)的Loadings 分析結果

2.7 碾茶與抹茶的線性判別分析

線性判別分析法(linear discriminant analysis，LDA)是將高維的模式樣本投影到最佳鑒別矢量空間，達到抽取分類信息和降低特征空間維數的效果，可以將組間分得更開，且線性判別分析值越大區分效果就越好，當線性判別分析值大于80%時即可用[15]。由圖6 可以看出，碾茶LDA 分析中，第一主成分的貢獻率為94.80%，第二主成分的貢獻率為3.89%，總貢獻率達98.69%。每個等級茶樣內部的數據點也較為集中，但3 個茶樣在PC1 和PC2 上都呈現分離趨勢，能實現很好的區分，說明各等級碾茶之間的香氣成分差異顯著。

圖6 碾茶(a)與抹茶(b)的LDA 分析結果

抹茶LDA 分析中，第一主成分的貢獻率為77.73%，第二主成分的貢獻率為8.40%，總貢獻率為86.13%。在PC1 上，M－GS 和M－G1 能實現較好的區分，說明兩者的香氣物質在PC1 上存在較大差異，M－G1 和M－G2 的距離較近，區分度較低；在PC2 上，三者區分度較低。

3 討論與結論

山東抹茶具有外觀色澤鮮綠、粉體柔軟細膩均勻和海苔香濃、滋味鮮醇的品質特征；碾茶具有海苔香濃、滋味濃醇清爽的品質特征。掃描電子顯微鏡(SEM)作為現代分析測試技術中很重要的技術手段，已用于研究各種材料的微觀樣貌[16]。本研究掃描電鏡下結果顯示，供試抹茶的顆粒大小均勻，粒度均在10 μm 以內，都達到高品質抹茶的要求。山東抹茶品質之所以獨特，一方面是因為山東茶區所處地理環境帶來的天然優勢，另一方面是源于茶園遮蔭處理和后續的加工工藝。遮蔭是抹茶生產的必要環節，可增加茶葉葉綠素含量，使芽葉更加鮮綠，并抑制氨基酸轉化為兒茶素，提高鮮味，降低澀味，并產生抹茶獨有的海苔香(覆蓋香)。碾茶的殺青方式是蒸汽殺青，此法可盡可能保全葉綠素，使干茶色澤翠綠，殺青后的冷卻讓葉片均勻展開，避免重疊，保持碾茶色澤嫩綠[9]。在碾茶研磨過程中，茶葉粒徑減小，增加茶葉表面積，其水溶性碳水化合物含量增加，從而使茶湯味濃[14]。

電子鼻技術可快速、準確地區分不同級別的山東抹茶。近年來，相關研究表明電子鼻技術可以基于香氣對茶葉進行區分[17－19]。本研究通過對山東抹茶和碾茶進行電子鼻檢測、PCA 分析，能把不同等級的抹茶和碾茶區分開來，其中碾茶的主成分貢獻率為99.27%，抹茶的主成分貢獻率是96.32%。Loadings 分析可知，在區分不同等級碾茶香氣成分中，氮氧化合物、硫化物和萜烯類貢獻率較高，其次是甲基類化合物；區分不同等級抹茶香氣成分中，甲基類、醇類、醛酮類、萜烯類、氮氧化合物及硫化物的貢獻率較高。LDA 分析表明碾茶3 個等級可較好區分，且各等級數據較為集中，抹茶的3 個等級較離散。

雷達圖分析法能夠對多變量數據資料進行綜合分析，在二維平面上直觀、形象地反映多個指標的變動規律[20]。本研究抹茶中氮氧化合物、硫化物、萜烯類化合物成分含量最高，其原料碾茶的氮氧化合物和甲基類成分最高；抹茶和碾茶的芳香成分含量都不高(由于每種香氣成分的閾值都不同，含量低的未必對茶葉香氣的貢獻就少)；長鏈烷烴在中低等級碾茶中含量較高，M－G1 醇類、醛酮類和甲基類化合物較多；T－GS 氮氧化合物、硫化物和萜烯類化合物含量最高，M－GS 的硫化物和萜烯類化合物含量較高，與前人研究結果一致[14]。研究表明，抹茶香味一般是由茶香、海苔香、清香、花香、甜香、烘炒香組成的一個整體的香氣風味[21]，其特征是具有海苔香[7]。二甲硫醚、二甲基二硫醚具有類似海苔氣味[21，22]，且二甲硫醚對高級抹茶的香氣具有貢獻作用[13]，因此推測山東抹茶和碾茶中的海苔香可能來自硫化物。但王夢琪等[23]的研究發現，蒸青綠茶揮發性成分中的關鍵呈香成分主要為酮類、醇類以及醛類物質，因此具體是什么成分發揮作用，還得進一步結合GC－MS 進行研究。碾茶精制加工成抹茶后，MGS 芳香成分中苯類、甲基類、醇類、醛酮類化合物含量增多，可能是抹茶在貯藏過程中，與空氣中的氧發生氧化反應，生成醛類與酮類物質[9]。在G1等級中，抹茶的香氣成分含量普遍高于碾茶，抹茶的氮氧化合物含量較高，表明含氮化合物一般是經過熱化學作用形成的具有烘炒香的成分[11]；碾茶在研磨過程中溫度升高，導致其含量升高。碾茶在精制前后香氣成分發生變化的原因可能是由工藝所造成，如碾茶選別中篩除茶梗、黃片等對抹茶品質不利的夾雜物，造成抹茶香氣成分的變化。

由上綜合看出，在感官審評基礎上，采用電子鼻技術可以對不同等級山東抹茶和碾茶進行區分，表明電子鼻技術結合感官審評可以快速、準確地評價山東抹茶的香氣品質特征。此外還表明，通過電子鼻技術對香氣進行判定分析，能夠反映不同等級間的香氣差異性以及碾茶制成抹茶后的香氣變化，可以為后續山東抹茶和碾茶香氣成分組成、不同等級間香氣成分差異、山東抹茶特征香氣成分的研究提供一定的技術基礎和參考。