基于主成分分析法構(gòu)建云南古樹普洱生茶香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

曾 敏,龔正禮

(1.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)與環(huán)境工程技術(shù)系,廣西南寧 530226; 2.西南大學(xué),重慶北碚 400715)

基于主成分分析法構(gòu)建云南古樹普洱生茶香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

曾 敏1,2,龔正禮2

(1.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)與環(huán)境工程技術(shù)系,廣西南寧 530226; 2.西南大學(xué),重慶北碚 400715)

為了提高古樹茶香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的客觀性和科學(xué)性,利用頂空固相微萃取(Solid Phase Micro-Extraction,SPME)結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜法(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS),從云南的13個(gè)古樹普洱生茶樣品中分離鑒定出94種揮發(fā)性香氣組分,通過主成分分析鑒定出主要的特征香氣成分,分別是:芳樟醇及其氧化物、橙花叔醇、香葉醇、β-紫羅酮、香葉基丙酮、(Z)-2-癸烯醛、β-環(huán)檸檬醛、壬醛、己酸-反-2-己烯酯和水楊酸甲酯。另外,利用主成分分析法,基于綜合評(píng)價(jià)函數(shù)F=β1F1+β2F2+…+βkFk構(gòu)建了古樹普洱生茶香氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)模型,以不同特征值的方差貢獻(xiàn)率βi(i= 1,2,…,k)為加權(quán)系數(shù),用所建立的模型計(jì)算各樣本得分并排序來評(píng)價(jià)各個(gè)茶樣的香氣質(zhì)量。通過感官評(píng)價(jià)法進(jìn)一步對(duì)模型評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果顯示兩種方法具有很好的一致性,表明所建立的質(zhì)量評(píng)價(jià)模型是可行的。

古樹,普洱生茶,香氣,質(zhì)量評(píng)價(jià)模型,主成分分析

中國(guó)的古茶樹資源主要集中在云南省,《云南省古茶樹保護(hù)條例》中指出“古茶樹是指分布于天然林中的野生古茶樹及其群落、半馴化的人工栽培的野生茶樹和人工栽培的百年以上的古茶園(林)”,其特點(diǎn)為樹型高大、分布零星散亂、生態(tài)環(huán)境優(yōu)越、病蟲害少[1-2]。古樹普洱生茶是指以古茶樹為原料來源,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3](GB/T 22111-2008 地理標(biāo)志產(chǎn)品 普洱茶)在特定范圍內(nèi)以特定工藝制成的茶葉?，F(xiàn)有少量的研究和市場(chǎng)報(bào)告表明,與臺(tái)地茶園相比,古茶園茶鮮葉中茶多酚、氨基酸、水浸出物等滋味組分含量顯著較高,整體物質(zhì)基礎(chǔ)較優(yōu);與臺(tái)地茶相比,古茶園鮮葉所制成的茶品質(zhì)滋味協(xié)調(diào)、香高持久,感官品質(zhì)評(píng)分較高,市場(chǎng)價(jià)格較高[4-7]。而目前對(duì)古樹普洱生茶的評(píng)價(jià)主要停留在感官審評(píng)方面,受人為等主觀因素影響,具有一定片面性。

主成分分析法是一種數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化分析技術(shù),它通過分析和描述變量之間的關(guān)系,對(duì)原始指標(biāo)進(jìn)行降維、整合,通過對(duì)其相互關(guān)系的研究,在保留原始指標(biāo)信息的前提下,以互不相關(guān)的少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)(主成分)來反映原始指標(biāo)所提供的信息,這種方法能將那些含量較少,但對(duì)整體影響較大的變量考慮進(jìn)去,在分析揮發(fā)性物質(zhì)含量與香氣描述語等數(shù)據(jù)處理中可以得到較好的結(jié)果[8-9]。鑒于此,本研究結(jié)合頂空固相微萃取(SPME)和氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用儀對(duì)13個(gè)古樹普洱生茶樣品的揮發(fā)性香氣化合物進(jìn)行分離鑒定,利用主成分分析法構(gòu)建香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型,通過對(duì)茶樣香氣組分進(jìn)行客觀的統(tǒng)計(jì)分析,以期找到一種比傳統(tǒng)感官審評(píng)更為客觀的評(píng)價(jià)方法,為古樹茶的質(zhì)量評(píng)價(jià)與市場(chǎng)的健康發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

古樹普洱生茶 13個(gè)樣品均由云南春明茶葉有限公司提供,其中7個(gè)產(chǎn)自臨滄地區(qū),6個(gè)產(chǎn)自西雙版納地區(qū),均為2014年春季生產(chǎn),鮮葉嫩度與加工工藝等參數(shù)均相同,編號(hào)為G1、G2……G13。

氯化鈉(分析純) 成都市科龍化工試劑廠。

GCMS-QP2010S氣相質(zhì)譜聯(lián)用儀 日本Shimadzu公司;50/30 DVB/Car/PDMS萃取頭 美國(guó)Supelco公司;手動(dòng)固相微萃取(SPME)進(jìn)樣器 美國(guó)Supelco公司;FA2004A電子天平 上海精天電子儀器有限公司;超純水發(fā)生器 美國(guó)密理博MiLLi-Qbiocel;HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市富華儀器有限公司;15 mL萃取瓶 重慶滴水實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 香氣成分萃取方法 稱取磨碎茶樣1.00 g,加入0.50 g NaCl(加入NaCl能顯著降低溶劑對(duì)分析的干擾,同時(shí)提高了對(duì)低極性組分的分析靈敏度)[10],充分混合后加入煮沸的去離子水5 mL,迅速加蓋密封置于70 ℃水浴鍋中平衡10 min,將萃取頭插入萃取瓶中頂空萃取,時(shí)間為50 min,到時(shí)間后取出萃取頭,插入氣相色譜進(jìn)樣口250 ℃下解析5 min,進(jìn)行GC-MS分析。

1.2.2 GC-MS檢測(cè)條件 GC條件:DB-5MS彈性石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);升溫程序:40 ℃保持2 min,以5 ℃/min升至85 ℃保持2 min,以2 ℃/min升至110 ℃,以4 ℃/min升至160 ℃保持1 min,以10 ℃/min升至230 ℃保持5 min;載氣(He)流速1.0 mL/min;壓力50.5 kPa;進(jìn)樣方式:不分流進(jìn)樣。MS條件:電子電離源;電子能量70 eV;離子源溫度230 ℃;接口溫度230 ℃;質(zhì)量掃描范圍:m/z 40～400。

1.2.3 揮發(fā)性香氣組分定性和定量方法 各組分質(zhì)譜經(jīng)計(jì)算機(jī)譜庫(NIST 05、NIST 05s)檢索、參考文獻(xiàn)[11-13]輔助定性。運(yùn)用峰面積歸一法求得相對(duì)含量,各含量為三次測(cè)定的平均值。

1.2.4 感官審評(píng)方法 結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中茶葉感官審評(píng)方法[14]和文獻(xiàn)方法[15]對(duì)13個(gè)普洱生茶樣品進(jìn)行密碼審評(píng)。主要操作方法:稱取已在樣品盤中混勻的茶樣3.0 g,置于150 mL的標(biāo)準(zhǔn)審評(píng)杯中,采取2次沖泡法。首先注入沸水至杯滿,加蓋浸泡2 min,將茶樣瀝入審評(píng)碗中,評(píng)價(jià)其香氣。隨后將沖泡后的茶渣進(jìn)行第二次沖泡,浸泡2 min,瀝出茶湯后審評(píng)。比較兩次沖泡的差異,并以第二次沖泡的香氣標(biāo)準(zhǔn)為各茶樣的香氣品質(zhì)評(píng)分,以總分10分計(jì)。實(shí)驗(yàn)由5名具有評(píng)茶資格的審評(píng)員(3男2女)進(jìn)行密碼審評(píng),其評(píng)分均值為各樣品的感官評(píng)價(jià)得分。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

以不同茶樣香氣組分的相對(duì)含量為變量構(gòu)建主成分分析的相關(guān)矩陣,利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行主成分分析。再根據(jù)不同主分量的線性組合與貢獻(xiàn)率之積的和來排序,進(jìn)行香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)。具體步驟如下:

(1)以不同古樹茶樣品(G1～G13)香氣物質(zhì)的相對(duì)含量構(gòu)成主成分分析的相關(guān)矩陣,編輯好數(shù)據(jù)后將待分析的所有數(shù)據(jù)定義成數(shù)據(jù)矩陣塊。

(2)定義樣本量為n,每樣本p個(gè)指標(biāo)。當(dāng)前面k(k

F1=a11x1+a21x2+…+ap1xp

F2=a12x1+a22x2+…+ap2xp

…

Fk=a1kx1+a2kx2+…+apkxp

在該模型中,aij為特征向量(因子載荷),即第i個(gè)變量在第j個(gè)主因子上的負(fù)荷,或者稱為第i個(gè)變量在第j個(gè)主因子上的權(quán)重系數(shù),它反映出第i個(gè)變量在第j個(gè)主因子上的相對(duì)重要性。

(3)以不同主分量特征值的方差貢獻(xiàn)率β(i=1,2,…,k)為加權(quán)系數(shù),利用綜合評(píng)價(jià)函數(shù)F=β1F1+β2F2+…+βkFk建立各樣本得分,然后根據(jù)得分對(duì)各個(gè)茶樣的香氣質(zhì)量進(jìn)行排序評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 香氣組分分析

表1 13個(gè)茶樣中香氣組分及其相對(duì)含量范圍Table 1 The aroma components and the range of content of 13 tea samples

13個(gè)古樹茶樣品共鑒定出94種揮發(fā)性香氣化合物,其化合物名稱及在茶樣中相對(duì)含量范圍見表1。94種香氣化合物中,醇類物質(zhì)20種,含量為44.62%～61.54%,以芳樟醇及其氧化物、1-辛烯-3-醇、α-萜品醇和香葉醇為代表;醛類24種,含量為11.20%～22.50%,以壬醛、正己醛、辛醛、(E)-2-癸烯醛和庚醛為代表;酮類15種,含量為4.37%～16.33%,以六氫假紫羅酮、β-紫羅酮、香葉基丙酮和順茉莉酮為代表;酯類15種,含量為2.68%～5.45%,以水楊酸甲酯和二氫獼猴桃內(nèi)酯為代表;碳?xì)漕?4種,含量為2.45%～8.77%,以檸檬烯、異松油烯和茶螺烷為代表;其他類6種,含量為0.55%～4.34%,以二甲硫、2-戊基呋喃和萘為代表。

13個(gè)茶樣中,共有的香氣化合物主要有:芳樟醇及其氧化物、1-辛烯-3-醇、壬醛、α-萜品醇、水楊酸甲酯、六氫假紫羅酮、正己醛、辛醛、β-紫羅酮、β-環(huán)檸檬醛等。

2.2 主成分分析

13個(gè)樣品中分離鑒定出的94種香氣組分構(gòu)成了13×94的矩陣,表明13個(gè)樣本,94個(gè)變量。利用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)其進(jìn)行主成分分析,按照剔除最小特征值的主成分中對(duì)應(yīng)的最大特征向量的變量的原則[16-17],一次剔除一個(gè)變量,然后對(duì)剩余變量進(jìn)行主成分分析。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于普洱生茶香氣成分的研究報(bào)道[13,15,18-23],對(duì)變量經(jīng)過有限次剔除,保留了53個(gè)變量,得到一個(gè)新的13×53的矩陣,對(duì)變量重新編號(hào)為x1,x2,x3……x53。

表3 六個(gè)主成分的特征向量Table 3 Eigenvectors of six principal components

對(duì)篩選出的53種揮發(fā)性香氣組分進(jìn)行主成分分析,提取出6個(gè)主成分,累積貢獻(xiàn)率達(dá)到90.43%,說明這6個(gè)主成分基本包含了全部變量具有的信息,解釋了古樹普洱生茶揮發(fā)性香氣變異的90.43%。各主成分的特征值和解釋總變異的百分比見表2,53個(gè)香氣物質(zhì)在6個(gè)主成分中的特征向量見表3。

表2 特征值與方差貢獻(xiàn)率Table 2 Eigenvalues and explained variance of 6 principal components

由表3可知,對(duì)主成分1影響較大的物質(zhì)有β-紫羅酮、六氫假紫羅酮、香茅醛、β-5,6-環(huán)氧紫羅酮、2-十一酮、香葉基丙酮、α-異佛爾酮、芳樟醇等。其中β-紫羅酮表現(xiàn)為暖和持久的木香[23],芳樟醇和香茅醛表現(xiàn)為花木香[12,24]。即主成分1主要反映了茶樣的花木香。

對(duì)主成分2影響較大的物質(zhì)有甜瓜醛、3,4-二甲基環(huán)己醇、(Z)-2-甲基丙酸-3-己烯酯、己酸-反-2-己烯酯、2,5-己二酮、環(huán)丁醇、3,5-辛二烯-2-酮、β-環(huán)檸檬醛、苯甲酸葉醇酯、(Z)-2-癸烯醛。其中甜瓜醛、β-環(huán)檸檬醛和(Z)-2-癸烯醛表現(xiàn)為清爽的果香;己酸-反-2-己烯酯、環(huán)丁醇和苯甲酸葉醇酯表現(xiàn)為清香[11,25]。即主成分2主要反映了清香和清爽的果香,以清香為主。

續(xù)表

對(duì)主成分3影響較大的物質(zhì)有反-2-壬烯醛、二氫香芹醇、3-甲基十三烷、氧化芳樟醇、芳樟醇。其中二氫香芹醇具有花香,芳樟醇及其氧化物具有花木香,反-2-壬烯醛具有果香[25-26]。即主成分3主要反映了茶樣的花果香。

對(duì)主成分4影響較大的物質(zhì)有橙花叔醇、水楊酸甲酯、香葉醇、α-芳樟醇,其中橙花叔醇、香葉醇具有甜花香,水楊酸甲酯具有薄荷油精油氣味[27]。即主成分4主要反映了茶樣的甜花香。

根據(jù)主成分分析可初步得出古樹茶樣的特征揮發(fā)性香氣物質(zhì)為:芳樟醇及其氧化物、橙花叔醇、香葉醇、β-紫羅酮、香葉基丙酮、(Z)-2-癸烯醛、β-環(huán)檸檬醛、壬醛、己酸-反-2-己烯酯和水楊酸甲酯。

2.3 以主成分分析構(gòu)建古樹普洱生茶香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

根據(jù)表8中各主成分的特征向量可以建立主成分方程:

F1=-0.112x1-0.052x2-0.142x3+0.151x4……+0.020x52+0.045x53

式(1)

F2=0.230x1-0.023x2+0.142x3+0.033x4……-0.103x52-0.034x53

式(2)

F3=0.116x1-0.255x2+0.093x3-0.203x4……+0.249x52-0.154x53

式(3)

F4=-0.101x1-0.182x2-0.146x3-0.038x4……-0.029x52-0.006x53

式(4)

F5=0.028x1+0.061x2-0.011x3+0.043x4……-0.086x52+0.354x53

式(5)

F6=0.059x1+0.035x2-0.144x3+0.179x4……+0.246x52+0.144x53

式(6)

6個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)90.43%,可知利用這6個(gè)主成分進(jìn)行古樹普洱茶的香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)是具有代表性并且可行的。以不同特征值的方差貢獻(xiàn)率β(i=1,2,…,k)為加權(quán)系數(shù),利用綜合評(píng)價(jià)函數(shù)F=β1F1+β2F2+…+βkFk建立綜合評(píng)價(jià)模型:

F=0.2613F1+0.2216F2+0.1532F3+0.1021F4+0.0835F5+0.0826F6

式(7)

將式(1)～式(7)合并,可得到一個(gè)關(guān)于香氣成分含量的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)模型:

F=0.0364x1-0.0682x2-0.0190x3+0.0302x4……+0.0317x52+0.0216x53

式(8)

根據(jù)綜合香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型(式(8))算出13個(gè)古樹茶樣在6個(gè)主成分的分值并按綜合分值排序,如表4所示。

表4 13個(gè)古樹普洱茶香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)表Table 4 Comprehensive aroma evaluation results of 13 Pu-erh tea samples from ancient trees

由表4可知,比較模型評(píng)價(jià)和感官審評(píng)的評(píng)分,結(jié)果表明所建立的評(píng)價(jià)模型與感官審評(píng)具有較好的一致性?？梢?本研究基于主成分分析構(gòu)建的古樹普洱茶香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)模型有適用性。

3 結(jié)論與討論

利用SPME/GC-MS共鑒定出94種揮發(fā)性香氣化合物,其主成分分析結(jié)果表明,古樹普洱生茶的特征揮發(fā)性香氣物質(zhì)為:芳樟醇及其氧化物、橙花叔醇、香葉醇、β-紫羅酮、香葉基丙酮、(Z)-2-癸烯醛、β-環(huán)檸檬醛、壬醛、己酸-反-2-己烯酯和水楊酸甲酯。

基于主成分分析構(gòu)建了古樹普洱生茶的關(guān)于香氣成分含量的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)模型:F=0.0364x1-0.0682x2-0.0190x3+0.0302x4……+0.0317x52+0.0216x53,并用該模型對(duì)13個(gè)古樹茶樣品進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果與傳統(tǒng)感官審評(píng)結(jié)果具有較好的一致性?？梢娫撃Ｐ蛯?duì)古樹茶香氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)具適用性和可行性,且比傳統(tǒng)感官審評(píng)更客觀。

主成分分析法可以將復(fù)雜的信息簡(jiǎn)單化,通過分析建立相關(guān)的評(píng)價(jià)模型,為古樹茶香氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)探索了一種新的較為客觀的途徑。但是,由于古樹茶的品質(zhì)與產(chǎn)地、氣候、土壤、加工工藝等因素有很大關(guān)系,諸多因素制約著本研究香氣評(píng)價(jià)模型的普適性,未來需深入研究,進(jìn)一步補(bǔ)充擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)樣品輻射產(chǎn)區(qū)、增加樣品數(shù)量,以此來增強(qiáng)該評(píng)價(jià)模型的實(shí)用性和精確性。

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Modeling for aroma quality evaluation of Yunnan Pu-erh raw tea made from ancient trees based on principal component analysis

ZENG Min1,2,GONG Zheng-li2

(1.Department of Agriculture and Environmental Engineering, Guangxi Vocational & Technical College,Nanning 530226,China; 2. Southwest University,Beibei 400715,China)

This study aimed to enhance the objectivity and scientificity of the aroma quality evaluation of Pu-erh raw tea made from ancient trees of Yunnan. A total of 94 volatile compounds were separated and identified from 13 tea samples by SPME and GC-MS. In addition,major characteristic aromatic components were identified by principal component analysis(PCA),which were Linalool and its oxides,Nerolidol,Geraniol,β-Ionone,Geranyl Acetone,(Z)-2-Decenal,beta-Cyclocitral,Nonanal,(E)-2-hexenyl ester Hexanoic acid,and Menthyl Salicylate. In addition,a PCA model for the aroma quality evaluation of Pu-erh raw tea made from ancient trees was constructed based on the comprehensive evaluation function:F=β1F1+β2F2+…+βkFk,which used the variance contribution rates of various eigenvaluesβi(i=1,2,……,k)as weight coefficients. The model was used to calculate and rank aroma quality score of each tea sample for aroma quality evaluation. The evaluation results were in good agreement with those obtained from sensory evaluation,which indicated that it was feasible to use this model to evaluate the aroma quality of pu-erh raw tea made from ancient trees.

ancient trees;Pu-erh raw tea;aroma;model of quality evaluation;principal component analysis(PCA)

2016-12-29

曾敏(1990-)，女，碩士，主要從事茶葉化學(xué)與綜合利用、茶文化方向的研究與教學(xué)工作，E-mail:zengkeke0507@sina.cn。

TS275.2

A

1002-0306(2017)15-0264-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.049