基于電子鼻技術的茶湯香氣成分分析

陳麗惠

(1.漳州職業技術學院石油化工學院，福建 漳州 363000；2.福建省現代分離分析科學與技術重點實驗室暨污染監測與控制省高校重點實驗室，福建 漳州 363000)

茶水是我國待客會友的首選飲品，也是全世界最普及的飲料消費產品之一。茶葉中不僅富含兒茶素、咖啡堿、茶多酚、茶多糖及茶氨酸[1]等各種營養成分[2]，而且研究表明飲茶具有抗癌[3-4]、降血脂[5]、提高免疫功能[6]的功效，降低心臟病[7]的風險等。因此，作為一種健康飲品，茶飲也越來越受到人們的歡迎。

我國茶葉品種較多，制作工藝差異較大，但是茶香是評價茶葉質量的共同標準之一。茶葉是由采摘茶樹的嫩葉通過復雜的工藝制作而成。新鮮的茶嫩葉并無香味，但富含茶多酚、氨基酸、黃酮類化合物、酚酸、葉綠素、有機酸、生物堿等化學成分[8]。在加工過程中，嫩葉中的化學成分在生物酶的作用下發生了一系列的水解氧化等化學反應，產生濃厚的香氣成分。因此茶的香氣成分主要形成于加工過程中，通過合適加工工藝可以把茶葉中鍵合的香氣前體經酶的催化作用或熱物理化學變化轉化為游離態香氣物質釋放出來[9]。根據發酵程度，制茶工藝可以分為綠茶、半發酵茶(烏龍)和紅茶，茶葉不同的制作工藝產生的香氣成分各異。茶葉中香氣成分根據結構可分為四大類：酯類衍生物、萜烯類衍生物、芳香族衍生物、其他類化合物，目前已鑒定的茶香氣多達300多種[10]。

茶湯香氣是評價茶葉質量的重要指標，但是難以直接以嗅覺的形式準確評價。隨著分析檢測技術的發展，氣相色譜-質譜聯用技術是分析茶湯中香氣成分的主要方法[11-12]，但由于其設備昂貴，維護費用高，需要專業的技術人員進行操作，限制了其使用范圍。電子鼻是一種新型的氣味傳感器，其靈敏度高、響應速度快、體積小、操作方便、維護保養簡單，廣泛應用于揮發性氣味分析[13]。電子鼻測得數據的統計學結果，又被稱為“氣味指紋”圖譜，可應用于產品質量管控等[14]。茶湯中香氣成分復雜，其化學成分可能含有上百種物質，色譜難以分離出所有的香氣成分并對其進行統計分析，而電子鼻可以通過分析其在傳感器上的感應信號，獲得茶湯的“氣味圖譜”。本文利用電子鼻技術分析普洱茶、鐵觀音和肉桂三種不同茶葉的香氣，以主成分分析法、聚類分析法對其茶湯香氣進行分析，揭示不同種茶湯的“香氣指紋圖譜”，并研究加工工藝對茶湯香氣的影響。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑與儀器

選取3種不同的茶葉各3份，分別為普洱茶(PE1,PE2,PE3)、鐵觀音(TGY1,TGY2,TGY3)和肉桂(RG1,RG2,RG3)，由市場隨機購得。

分析天平，烘箱，配有10個MOS型傳感器的PEN3.5 電子鼻分析儀(德國AIRSENSE公司)。

1.2 方法

1.2.1 茶湯的制備

三角瓶洗凈后置于100℃的烘箱中烘干，準確稱取1.0 g茶葉于三角瓶中，加入50 mL的沸水，迅速蓋上保鮮膜密封，冷卻至室溫后再靜置30 min使氣體平衡，然后用電子鼻進行檢測，每個樣品制備3個平行樣。

1.2.2 電子鼻檢測

電子鼻配有10個金屬氧化型氣體傳感器，每個傳感器響應不同的揮發性氣體，具體如表1所示。

表1 電子鼻的傳感器類型及性能描述

檢測實驗條件如下所示：樣品準備時間5 s，檢測時間60 s，儀器清洗時間120 s，流速400 mL/min。傳感器響應信號在采樣50 s后基本穩定，因此選擇采集信號的時間為55 s。

1.2.3 數據處理與分析

采用SPSS進行主成分分析和聚類分析，采用EXCEL軟件制圖。

2 結果與討論

2.1 電子鼻對茶湯中香氣成分的測定

利用電子鼻分析方法分別對普洱、肉桂和鐵觀音茶湯中香氣成分進行分析，其電導率G/G0如圖1所示，三種茶湯中的香氣主要成分是在傳感器W1W，表明茶湯中的主要揮發性香氣成分是含硫有機化合物。茶湯中香氣成分在W2W，W5S有較弱信號，表明含有少量含氯有機化合物和氮氧化合物，這與羅美玲等[15]的研究結果相符合。而其它傳感器的G/G0值接近于1，表明相應的成分含量很低，甚至不含有該物質。

(a)普洱

(b)肉桂

(c)鐵觀音圖1 不同種類茶湯香氣成分在電子鼻中的G/G0值

三種茶湯的香氣含量具有顯著性不同，其成分含量雷達圖如圖2所示。根據傳感器響應信號的穩定性，取55 s 處采集的信號為結果分析值。肉桂在W1W傳感器中G/G0值為16.2，遠高于普洱茶和鐵觀音。鐵觀音的香氣成分含量低于肉桂，除了W1W傳感器，在W2W，W5S傳感器中也有明顯的信號。然而普洱茶的香氣成分含量明顯較低，在W1W傳感器中G/G0為1.7。從圖2可以看出，三種茶湯的雷達圖形狀顯著不同。因此，利用電子鼻測定茶葉制品成分香氣成分，根據雷達圖形狀可初步獲得其茶葉品類。

圖2 茶湯中香氣成分含量雷達圖

2.2 茶湯香氣的主成分分析

每種茶自不同的來源各取3份，制成茶湯，用電子鼻分析其香氣成分，主成分分析(PCA)結果如圖3所示。分析結果表明，第一、第二主成分的貢獻率分別為77.5%、14.4%，總貢獻率達到91.9%，能夠較好地反應茶湯中的香氣成分。根據主成分分析得分，相同種類的茶湯分布靠近，且三種茶湯的PCA散點分布在特定的橢圓中，無重疊。普洱茶湯、肉桂茶湯香氣主成分得分值靠近，表明不同來源的茶湯的香氣成分差異性小。鐵觀音茶湯的主成分的分值較為分散，表明其香氣成分有一定的差異性，這可能源于鐵觀音的制備工藝。根據國家標準，鐵觀音可分成清香型、濃香型和陳香型，而不同類型的鐵觀音存在顯著的群聚區分[16]。

圖3 茶湯香氣成分的主成分分析圖

2.3 茶湯成分的聚類分析

對9份茶湯進行聚類分析，結果如圖4所示，圖中3種普洱茶湯軸距相等，交織在一起，歸成同類。TGY1與TGY3歸為一類，與TGY2出現分散，此實驗結果與主成分分析相一致。在聚類分析圖中，肉桂茶湯香氣單獨聚成一類。綜上所述，通過茶湯香氣成分的聚類分析，普洱茶，肉桂茶和鐵觀音音能夠很好地分成3類，而不同類型鐵觀音的香氣成分變化較大。

圖4 茶湯香氣成分的聚類分析圖

3 結語

茶湯香氣是評價茶葉質量的關鍵因素，根據加工工藝及發酵程度的不同，茶葉香氣成分呈現不同的特點。本文通過電子鼻技術對普洱茶湯、肉桂茶湯和鐵觀音茶湯的香氣成分進行主成分分析和聚類分析，實驗結果表明，三種茶湯的香氣成分呈現顯著性的區別，不同來源的同種茶湯能夠分類聚集。因此，香氣成分的電子鼻分析可用于茶制品的質量管控、品類辨別等。