基于GC-MS和電子鼻技術(shù)的武夷巖茶香氣分析

王鵬杰，張丹丹，邱曉紅，楊國一，王文震，葉乃興*

（1.福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院/茶學(xué)系、福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350002；2.武夷山香江茶葉有限公司，武夷山354300）

基于GC-MS和電子鼻技術(shù)的武夷巖茶香氣分析

王鵬杰1，張丹丹1，邱曉紅1，楊國一1，王文震2，葉乃興1*

（1.福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院/茶學(xué)系、福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350002；2.武夷山香江茶葉有限公司，武夷山354300）

采用頂空固相微萃取結(jié)合氣-質(zhì)聯(lián)用（HS-SPME-GC-MS）技術(shù)和電子鼻技術(shù)對大紅袍、鐵羅漢、白雞冠、奇蘭等4個品種的武夷巖茶香氣成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明，從大紅袍、鐵羅漢、白雞冠、奇蘭中鑒定出香氣成分分別為59、55、62、58種，以醇類、烯類、酯類和碳?xì)浠衔餅橹鳌ｋ娮颖菣z測結(jié)果顯示，4個巖茶品種揮發(fā)性香氣組分差異較明顯，采用電子鼻技術(shù)可以進(jìn)行有效區(qū)分，這一結(jié)果和頂空固相微萃取氣質(zhì)分析香氣成分結(jié)果基本一致。本研究結(jié)果將為不同品種巖茶的鑒別以及質(zhì)量控制提供參考。

武夷巖茶；氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)；電子鼻；香氣分析

武夷巖茶產(chǎn)于閩北“秀甲東南”的名山武夷山，其茶品質(zhì)獨(dú)特，未經(jīng)窨花，茶湯卻有濃郁花香，飲時甘馨可口，回味無窮。林馥泉曾記載，武夷巖茶香氣須具有綠茶之清香與紅茶之熟氣其香氣愈強(qiáng)愈佳，且清新幽遠(yuǎn)者為上品，缺此不能稱佳品。武夷巖茶具有特殊的巖韻，巖韻指在香味方面具有特殊品種香味特征，為武夷巖茶特有[1]，對武夷巖茶而言，香氣是評定品質(zhì)的重要指標(biāo)。

武夷山產(chǎn)茶歷史悠久，茶樹種質(zhì)資源極為豐富，素有“茶樹品種資源王國”之稱，在對武夷巖茶的香氣研究中，對武夷肉桂、武夷水仙等品種香氣研究較多[2-7]，但是對其它品種的香氣還較少。本文以4個品種大紅袍、鐵羅漢、白雞冠、奇蘭制成的武夷巖茶為研究對象，采用頂空固相微萃取結(jié)合氣-質(zhì)聯(lián)用（HS-SPME-GC-MS）技術(shù)對這4個品種的香氣物質(zhì)進(jìn)行成分鑒定和分析，并利用電子鼻系統(tǒng)對整體香氣物質(zhì)進(jìn)行識別和區(qū)分，旨在探究這4個巖茶品種的理化特性，為進(jìn)一步拓展武夷巖茶香氣物質(zhì)的研究和應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試茶樣為不同品種的武夷巖茶（大紅袍、鐵羅漢、白雞冠、奇蘭，為2016年春茶），由武夷山香江茶業(yè)有限公司提供。

1.2 主要儀器

Agilent 7890A/5975C GC-MS聯(lián)用儀，美國安捷倫公司；iNose型電子鼻，上海昂申智能科技有限公司；85μm PDMS固相萃取頭，美國Supelco公司

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

GC-MS：通過粉碎機(jī)粉碎供試茶樣，稱取各個品種樣品3g于60mL頂空萃取瓶中，將其置于80℃恒溫水浴鍋中平衡，同時將裝有85μm PDMS固相萃取頭（試驗(yàn)前先將其置于270℃柱溫下老化30min）的手動進(jìn)樣器垂直插入瓶蓋正上方進(jìn)行頂空萃取60min，然后迅速對所富集香氣進(jìn)行解吸附和GC-MS分析。

電子鼻樣品前處理：稱取3g樣品于60mL頂空瓶中密封，然后置于60℃鼓風(fēng)干燥箱中平衡30min，用于電子鼻檢測，每個巖茶品種的樣品設(shè)置5個平行。

1.3.2 檢測條件

GC條件：DB-17ms（30m×250μm×0.25μm）毛細(xì)管色譜柱；進(jìn)樣口溫度250℃，GC-MS接口溫度280℃；升溫程序：起始柱溫50℃保持5min，以3℃/min的速度升至165℃，不保持，再以5℃/min的速度升至250℃，并在250℃保持1min；載氣氦氣，流速1L/min；手動進(jìn)樣，不分流，進(jìn)樣后推出萃取頭，250℃解析5min。

MS條件：EI離子源，電離能69.9ev；離子源溫度230℃，四級桿溫度150℃；掃描質(zhì)量范圍10～350amu。

iNose電子鼻10個傳感器對應(yīng)揮發(fā)性物質(zhì)及其檢測條件參考相關(guān)文獻(xiàn)并改進(jìn)[8]：檢測時間120s，氣體流量0.8L/min，等待間隔時間10s，清洗時間120s。

1.4 數(shù)據(jù)處理

GC-MS數(shù)據(jù)檢測結(jié)果通過NIST11譜庫進(jìn)行檢索并結(jié)合文獻(xiàn)[9-17]進(jìn)行定性分析。各組分相對含量按照峰面積歸一化法計(jì)算。

電子鼻測定結(jié)果利用MATLAB軟件進(jìn)行線性判別式分析（LDA）和主成分分析（PCA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于HS-SPME-GC-MS的武夷巖茶香氣分析

4個品種共檢測出香氣化合物106種，包括醇類12種，醛類13種，酮類8種，酯類23種，烯類13種，碳?xì)漕?7種，其它類物質(zhì)（酚類、酸類、雜氧化合物、含氮化合物等）20種。各香氣物質(zhì)種類在4個巖茶品種樣品中所占的相對含量如圖1所示，4個樣品中醇類化合物、烯類化合物、酯類化合物、碳?xì)浠衔锏暮慷急容^高。其中大紅袍、奇蘭2個品種香氣成分中醇類化合物含量最高，其含量分別為36.18％和30.25％；鐵羅漢、白雞冠2個品種香氣成分中烯類化合物含量最高，其含量分別為30.16％、27.78％。

圖1 4個巖茶品種香氣組分的比較分析

對4個品種制作的武夷巖茶樣品的香氣成分按各成分的百分比含量進(jìn)行匯總分析，提取相對含量較高的前25種香氣成分，如表1所示。在這排名前25的香氣成分占香氣組分的總百分比中，大紅袍為91.64％、鐵羅漢為85.75％、白雞冠為90.46％、奇蘭為88.22％，占香氣組分的極大部分。

從主要香氣成分種類上看，4個品種的主要香氣成分相似，共同擁有的香氣成分包括橙花叔醇、α-法尼烯、（Z）-己酸-3-己烯酯、（E，E）-2，4-庚二烯醛、吲哚、苯甲酸葉醇酯、苯乙腈、十六烷、十四烷等；此外，4個巖茶品種在香氣組成上各有特征，每個樣品中檢測到的香氣種類和香氣總量都有所差異。根據(jù)茶葉的揮發(fā)性物質(zhì)可知，橙花叔醇具花木香和水果香韻，香氣持久，α-法尼烯、金合歡烯、羅勒烯等以花香為主，（Z）-己酸-3-己烯酯有帶玫瑰香的薄荷油香味，（E，E）-2，4-庚二烯醛帶有清香、醛香，吲哚在低濃度時具茉莉花香，苯甲醛以苦杏香和堅(jiān)果香為主，苯甲酸葉醇酯、異戊酸苯乙酯、丁酸苯乙酯、苯甲酸己酯等以甜香和花果香為主，苯乙醇、水楊酸甲酯、苯乙腈具微甜香、花香的香氣特征，雪松醇具有溫和的杉木花香，香葉醇具有溫和、甜的玫瑰花香，β-紫羅蘭酮具紫羅蘭香氣，α-柏木烯具柏木香、檀香，甜瓜醛具強(qiáng)烈的新鮮甜瓜似的香氣，2-乙?；量┚吆娉聪悖核峒乎ゾ叨瓜愫凸?，其它烷烴類等揮發(fā)性物質(zhì)的香氣特征則不明顯。

從主要香氣成分含量上看，4個品種的香氣成分含量中最高的2個都是橙花叔醇與α-法尼烯，其中大紅袍與奇蘭的橙花叔醇（31.47％與27.97％）含量最高，α-法尼烯（19.71％與18.29％）次之；而鐵羅漢、白雞冠中α-法尼烯（24.99％與26.42％）含量最高，橙花叔醇（17.81％與25.72％）次之。

表1 4個巖茶品種香氣成分含量排名前25的百分比含量（％）

2.2 基于電子鼻的武夷巖茶香氣分析

2.2.1 對武夷巖茶的電子鼻傳感器優(yōu)化分析

對不同品種的電子鼻檢測結(jié)果分別取平均值，得到10個傳感器響應(yīng)值與4個品種之間的關(guān)系如表2所示，S1、S2這2個傳感器的響應(yīng)值高于其它的傳感器，S6、S8、S10這3個傳感器的響應(yīng)值次高，其它5個傳感器的響應(yīng)值都比較低。4個品種在S1、S2、S5、S6、S7、S8、S9、S10這8個傳感器中響應(yīng)值相差均極顯著，傳感器S4相差顯著，而傳感器S3相差不顯著，說明在分析各個品種香氣上，S3的參考性較小，應(yīng)優(yōu)先選擇其它9個傳感器。

通過傳感器作用分析，如圖2所示，可以得出10個傳感器分別對樣品PCA(主成分分析)的貢獻(xiàn)作用。其中，S1、S2傳感器投影到第一主成分（橫軸），第二主成分（縱軸）的距離值明顯大于其它傳感器，說明S1、S2傳感器對主成分一和主成分二的貢獻(xiàn)最大。另外，S4、S6、S7傳感器對第一主成分的貢獻(xiàn)和S6、S10、S7傳感器對第二主成分的貢獻(xiàn)僅次于S1、S2，貢獻(xiàn)依次遞減。S5、S8、S9、S10傳感器對香氣主成分的貢獻(xiàn)較低。

表2 不同巖茶品種的電子鼻傳感器響應(yīng)均值

圖2 電子鼻10個傳感器的作用分析

響應(yīng)均值分析和傳感器作用分析表明，10個傳感器對樣品的響應(yīng)值都不同，由響應(yīng)均值分析得出4個品種在大部分傳感器中差異極顯著，各個傳感器的主成分貢獻(xiàn)率差異明顯，據(jù)此對傳感器進(jìn)行選擇優(yōu)化，可使電子鼻得到的結(jié)果更為準(zhǔn)確。綜上所述，選擇S1、S2、S4、S6、S7、S10這6個傳感器的響應(yīng)值進(jìn)行PCA。

2.2.2 基于電子鼻的武夷巖茶4個品種PCA分析

對4個巖茶品種電子鼻響應(yīng)值進(jìn)行PCA分析，由圖3可知，主成分1貢獻(xiàn)率為90.7％，主成分2貢獻(xiàn)率為8.4％，2個總成分的總貢獻(xiàn)率達(dá)到99.1％，可反映原始變量的絕大部分信息，說明PCA分析具有可行性。PCA-DI值為-40.9％，大紅袍和奇蘭，鐵羅漢和白雞冠之間互有重疊，區(qū)分效果不明顯，但是大紅袍、奇蘭與鐵羅漢、白雞冠能明顯區(qū)分開來，說明大紅袍、奇蘭與鐵羅漢、白雞冠的揮發(fā)性物質(zhì)存在差異，這與GC-MS檢測出的大紅袍、奇蘭含量最高的香氣物質(zhì)為橙花叔醇而鐵羅漢、白雞冠為α-法尼烯相互印證。

2.2.3 基于電子鼻的武夷巖茶4個品種LDA分析

LDA（線性判別式分析）是模式識別的經(jīng)典算法，其LDA-DI值越大，區(qū)分效果越好，一般認(rèn)為大于80％則區(qū)分效果顯著。由圖4可得，4個品種的LDA-DI為81.9％，相互之間都能夠明顯區(qū)分，從圖中也可以看出，4個品種之間互不重疊，區(qū)分效果較好。其中，大紅袍、奇蘭的距離較近，鐵羅漢與白雞冠的距離較近，大紅袍、奇蘭和鐵羅漢、白雞冠的距離較遠(yuǎn)，說明，大紅袍、奇蘭和鐵羅漢、白雞冠差異較為顯著，這與PCA分析的結(jié)果相互印證。試驗(yàn)結(jié)果表明：4個品種之間存在差異，大紅袍、奇蘭與鐵羅漢、白雞冠之間也有其特有的差異，具有一定的研究價值。

圖3 4個巖茶品種的PCA分析

圖4 4個巖茶品種的LDA分析

3 討論

采用HS-SPME-GC-MS的方法檢測茶樣香氣成分，大紅袍、鐵羅漢、白雞冠、奇蘭4個品種制成的武夷巖茶分別檢測出59、55、62、58種香氣成分。4個樣品中醇類化合物、烯類化合物、酯類化合物的含量都比較高。其中大紅袍、奇蘭2個品種香氣成分中醇類化合物含量最高，其含量分別為36.18％和30.25％；鐵羅漢、白雞冠2個品種香氣成分中烯類化合物含量最高，其含量分別為30.16％、27.78％。而電子鼻檢測出大紅袍、奇蘭與鐵羅漢、白雞冠的香氣物質(zhì)具有一定差異，這與GC-MS的檢測結(jié)果相互印證。

對4個品種制作的武夷巖茶進(jìn)行香氣組分分析，結(jié)果顯示，大紅袍的主要特征香氣成分有：橙花叔醇、α-法尼烯、（E,E）-2,4-庚二烯醛、（Z）-己酸-3-己烯酯、吲哚、苯甲酸葉醇酯、異戊酸苯乙酯、苯乙醇、苯甲醛、金合歡烯等化合物；鐵羅漢的主要特征香氣成分有：α-法尼烯、橙花叔醇、（Z）-己酸-3-己烯酯、吲哚、苯甲酸葉醇酯、（E,E）-2,4-庚二烯醛、金合歡醇、己酸己酯、α-柏木烯、2-乙酰基吡咯、β-紫羅蘭酮、苯甲醛、2,4己二烯、丁酸苯乙酯、5-戊基間苯二酚、水楊酸甲酯等化合物；白雞冠的主要特征香氣成分有：α-法尼烯、橙花叔醇、（E,E）-2,4-庚二烯醛、吲哚、苯甲酸葉醇酯、（Z）-己酸-3-己烯酯、苯甲醛、3,5-辛二烯-2-酮、水楊酸甲酯、2-乙?；量┑然衔铮黄嫣m的主要特征香氣成分有：橙花叔醇、α-法尼烯、吲哚、（Z）-己酸-3-己烯酯、（E,E）-2,4-庚二烯醛、苯甲酸葉醇酯、金合歡烯、甲酸環(huán)己脂、己基癸醇、羅勒烯、苯甲醛、異戊酸苯乙酯等化合物。

通過電子鼻技術(shù)檢測分析4個品種的香氣。響應(yīng)均值差異性分析和傳感器作用分析表明，10個傳感器對樣品的響應(yīng)值都不同，由響應(yīng)均值分析得出4個品種在大部分傳感器中差異極顯著，各個傳感器的主成分貢獻(xiàn)率差異明顯，據(jù)此對傳感器進(jìn)行選擇優(yōu)化選擇S1、S2、S4、S6、S7、S10這6個傳感器的響應(yīng)值進(jìn)行PCA和LDA分析。這5個傳感器中，S1檢測氨氣、胺類；S2檢測硫化氫、硫化物；S4檢測酒精及有機(jī)溶劑，包括芳香烴、醇類、酯類、酮類等；S6檢測甲烷、沼氣、碳?xì)浠衔铮琒7與S10檢測烷烴類和烯烴類化合物。而4個品種的GC-MS香氣成分檢測出以醇類、酯類、烯類、碳?xì)浠衔餅橹?，因此電子鼻傳感器能較好地對武夷巖茶香氣進(jìn)行響應(yīng)分析。

吳亮亮等[18]將電子鼻技術(shù)運(yùn)用于不同名優(yōu)茉莉花茶的檢測區(qū)分，LDA-DI均明顯高于PCA-DI，認(rèn)為LDA法可明顯區(qū)分茉莉花茶品類。而本研究將電子鼻技術(shù)運(yùn)用于4個巖茶品種的區(qū)分，對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA和LDA分析，結(jié)果表明：LDA-DI明顯高于PCA-DI，PCA法只能對大紅袍、奇蘭與鐵羅漢、白雞冠進(jìn)行區(qū)分，LDA法能明顯對4個品種進(jìn)行區(qū)分。在對4個品種香氣成分含量排名前25的香氣物質(zhì)進(jìn)行分析時也可以看出，除了12個共有的香氣成分外，各有其獨(dú)特的香氣成分，而且主要香氣物質(zhì)的含量高低也有不同，這正是LDA能進(jìn)行區(qū)分的基礎(chǔ)。

本研究通過GC-MS分析系統(tǒng)的了解4個品種制成武夷巖茶的香氣成分組成，并且使用電子鼻技術(shù)對4個品種的香氣成分進(jìn)行有效區(qū)分，這將為不同品種巖茶的鑒別以及質(zhì)量控制提供參考。

[1]郭雅玲．武夷巖茶品質(zhì)的感官審評[J]．福建茶葉，2011，33（1）：45-47．

[2]柴斐，郭雯飛．烘干大紅袍和冰凍大紅袍香氣成分分析與比較[J]．浙江大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版，2010，37（4）：459-462．

[3]黃福平，陳榮冰，梁月榮等．烏龍茶做青過程中香氣組成的動態(tài)變化及其與品質(zhì)的關(guān)系[J]．茶葉科學(xué)，2003，23（1）：31-37．

[4]朱慧，陳樹思，周春娟等．鳳凰水仙和武夷水仙茶揮發(fā)成分的分析與比較[J]．西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2016，29（3）：545-551．

[5]周玲．烏龍茶香氣揮發(fā)性成分及其感官性質(zhì)分析[D]．重慶：西南大學(xué)，2006．

[6]姚珊珊．茶葉香氣化學(xué)研究—茶葉及香花的香氣化學(xué)[D]．杭州：浙江大學(xué)，2005．

[7]林正奎，華映芳，谷豫紅等．中國福建鐵觀音茶、色種茶、武夷水仙茶和武夷奇種茶的香氣成分研究[J]．Journal of Integrative Plant Biology，1984（5）：513-522．

[8]楊國一，張丹丹，邱曉紅等．基于電子鼻和電子舌技術(shù)對不同儲存年份臺式烏龍茶的識別分析[J]．福建茶葉，2016，38（9）：11-13．

[9]葉乃興，楊廣，鄭乃輝等．烘青茶坯香氣成分的SPME/GC-MS分析[J]．福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，35（2）：165-168．

[10]周天山，米曉玲，余有本等．蘭香型茶葉香氣組分主成分分析[J]．西北林學(xué)院學(xué)報，2016，31（1）：254-259．

[11]Lin J，Zhang P，Pan Z，et al．Discrimination of oolong tea（Camellia sinensis）varieties based on feature extraction and selection from aromatic profiles analysed by HS-SPME/GC–MS[J]．Food chemistry，2013，141（1）：259-265．

[12]Zhu J C，Chen F，Wang L Y，et al．Comparison of Aroma-Active Volatiles in Oolong Tea Infusions Using GC–Olfactometry，GC–FPD，and GC–MS[J]．Journal of agricultural and food chemistry，2015，63（34）：7499-7510．

[13]劉偉，金心怡，郝志龍等．兩種不同造型工藝對鐵觀音烏龍茶香氣的影響[J]．茶葉科學(xué)技術(shù)，2013（1）：5-9．

[14]劉春麗，郭雯飛．武夷山地區(qū)新紅茶香氣分析[J]．浙江大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版，2014，41（1）：58-62．

[15]趙阿丹，胡志全，劉友明等．米茶焙炒揮發(fā)性氣味的形成與特征研究[J]．中國糧油學(xué)報，2016，31(3)：1-6．

[16]張方舟，陳榮冰．不同濕度做青環(huán)境對烏龍茶香氣的影響[J]．福建農(nóng)業(yè)學(xué)報，1999，14（4）：34-37．

[17]鐘秋生，陳常頌，游小妹等．不同做青環(huán)境對丹桂秋季烏龍茶香氣品質(zhì)的影響[J]．福建農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010,25（4）：468-474．

[18]吳亮亮，張丹丹，葉小輝等．電子鼻在對名優(yōu)茉莉花茶香氣評價中的應(yīng)用[J]．福建茶葉，2016,38(6)：5-6．

福建省“2011協(xié)同創(chuàng)新中心”中國烏龍茶產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心專項(xiàng)（閩教科〔2015〕75號）、福建茶產(chǎn)業(yè)農(nóng)技推廣服務(wù)試點(diǎn)建設(shè)（KNJ-151001）

王鵬杰（1993-），男，碩士研究生，主要從事茶樹栽培育種與生物技術(shù)。*通信作者：ynxtea@126.com