基于多總體均值向量檢驗(yàn)法的不同季節(jié)茶葉鑒別技術(shù)研究

劉淑媚，周巧儀，凌彩金，王秋霜

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，廣東省茶樹資源創(chuàng)新利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640)

茶葉是山茶科植物山茶的葉芽，在我國有著悠久的飲茶歷史，是世界三大飲料之首。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對茶葉的營養(yǎng)保健、防病治病等方面進(jìn)行了一系列的研究[1-3]。茶葉具有抗衰老、抗疲勞、清除自由基、抗腫瘤等功能，這些生理功能與茶葉中含有多種營養(yǎng)物質(zhì)和礦質(zhì)元素有關(guān)。茶葉中富含500多種有機(jī)成分和礦質(zhì)元素，其中具有營養(yǎng)價(jià)值的有機(jī)成分主要有茶多酚、咖啡堿、茶多糖等，還有多種維生素、氨基酸和礦物質(zhì)元素[1]。構(gòu)成這些化合物或以無機(jī)鹽形式存在的基本元素50多種，其中礦質(zhì)元素是Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn等。眾所周知，礦質(zhì)元素是參與調(diào)節(jié)人體生長發(fā)育和免疫過程的重要物質(zhì)，在人體生理調(diào)節(jié)中起著重要的作用，攝入過多或缺少會(huì)引起人體生理功能障礙，因此飲用茶是獲取這些礦物質(zhì)元素的重要途徑之一[4-5]。

總體服從多元正態(tài)分布的研究普遍存在于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及自然科學(xué)等領(lǐng)域。多元統(tǒng)計(jì)分析問題所涉及到的數(shù)據(jù)形式全部是隨機(jī)向量或是隨機(jī)矩陣。該問題的處理在醫(yī)學(xué)、管理、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)試驗(yàn)研究等各領(lǐng)域的統(tǒng)計(jì)工作中都有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[6-7]。例如，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，通常需要同時(shí)對多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行研究。這些指標(biāo)可作為隨機(jī)變量，隨機(jī)變量間往往會(huì)存在一定的聯(lián)系，因此需要把這些隨機(jī)變量作為總體來進(jìn)行研究，多元統(tǒng)計(jì)分析可解決這一問題。兩正態(tài)總體均值向量檢驗(yàn)法是多元統(tǒng)計(jì)分析方法中的一種。對于單個(gè)因素而言，利用t檢驗(yàn)法可以得出滿意的結(jié)果，但對于多因素作為總體進(jìn)行分析判定時(shí)，t檢驗(yàn)法并不能全面、準(zhǔn)確地反映總體差異的問題。兩正態(tài)總體均值向量檢驗(yàn)法能夠在多個(gè)目標(biāo)對象、多個(gè)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)的情況下分析其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，判斷滿足多元正態(tài)分布的總體的均值是否等于預(yù)判的向量，或者判斷2個(gè)獨(dú)立的、滿足多元正態(tài)分布的總體的均值是否相等。兩正態(tài)總體均值向量檢驗(yàn)法多利用R軟件實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)方法中的各個(gè)步驟，然后根據(jù)計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論，從而解決實(shí)際問題[8]。

對于茶葉中礦質(zhì)元素及生化成分的研究，目前多數(shù)是利用平均值、t檢驗(yàn)法進(jìn)行分析比較[9-10]，但由此得出來的結(jié)果并不能全面準(zhǔn)確地反映茶葉中物質(zhì)的變化規(guī)律。為此，筆者通過測定春、秋兩季茶葉中的礦質(zhì)元素及生化成分含量，分別利用t檢驗(yàn)法及兩正態(tài)總體均值向量檢驗(yàn)法對不同季節(jié)茶葉中6種礦質(zhì)元素及常規(guī)生化成分的差異進(jìn)行分析，為區(qū)分不同季節(jié)茶葉的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1材料

1.1.1試材。試驗(yàn)使用的英德紅茶樣本均由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所提供。茶種為英紅九號，茶樣來源于英德茶葉試驗(yàn)基地，共44個(gè)樣品。茶葉采摘標(biāo)準(zhǔn)為一芽二葉，茶樣采摘、加工處理后密封貯存。試驗(yàn)樣品的信息見表1。

表1 試驗(yàn)樣品的信息

1.1.2試劑。Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、B、Cr、Cd、Pb標(biāo)準(zhǔn)溶液，由國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、堿式醋酸鉛、硫酸亞鐵、酒石酸鉀鈉、硫酸、鹽酸、茚三酮、氯化亞錫、蒽酮、鹽酸、硝酸、高氯酸均為分析純；試驗(yàn)用水為超純水。

1.1.3儀器。TAS-990型原子吸收分光光度計(jì)(北京普析公司)；HWS-26型電熱恒溫水浴鍋(上海一恒科技儀器有限公司)；AE 200型分析天平(上海梅特勒-托利多公司)；LNK-872型多功能快速消化器(江蘇宜興科教儀器研究所)，PHS-3C型pH計(jì)(上海雷磁儀器廠)；725N型紫外分光光度計(jì)(上海菁華科技儀器有限公司)。

1.2方法

1.2.1礦質(zhì)元素測定。干法消解[11]處理茶葉樣本：稱取經(jīng)粉碎過60目篩的茶樣1.000 0 g(精確到0.000 1 g)，置于30 mL瓷器坩堝中，在加熱板上碳化，直至樣品冒完黑煙，蓋上蓋子，放入高溫爐，于600 ℃灼燒6 h。冷卻至室溫后取出，往坩堝中加入少量水和1∶1鹽酸2 mL，將此溶液轉(zhuǎn)入20 mL比色管中定容至刻度，搖勻。將定容后的溶液過濾，得到試樣液，備用。同法處理2份空白樣品。采用原子吸收分光光度法測定茶葉樣本中Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu 6種礦質(zhì)元素的含量。

1.2.2生化成分測定。

1.2.2.1茶樣準(zhǔn)備。稱取經(jīng)粉碎過60目篩的樣品1.000 g(精確至0.001 g)，放入250 mL錐形瓶中，加入90 mL沸水，浸提45 min，每10 min振蕩1次。浸提完畢后，趁熱過濾，待茶湯冷卻至室溫后加水定容至100 mL，備用。

1.2.2.2理化指標(biāo)測定。水分含量采用快速水分測定儀進(jìn)行測定；茶多酚含量測定采用福林酚法，按GB/T 8313—2008執(zhí)行；游離氨基酸總量測定采用茚三酮比色法，按GB/T8314—2013執(zhí)行；咖啡堿含量采用紫外分光光度法，按GB/T 8312—2013執(zhí)行；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法；水浸出物含量測定采用全量法，按GB/T8305—2013執(zhí)行。

1.2.3兩正態(tài)總體均值向量的檢驗(yàn)。采用兩正態(tài)總體方差均值法的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在顯著水平α=0.01下判斷春秋季節(jié)茶葉礦質(zhì)元素或生化成分含量結(jié)果是否存在差異。記春季茶葉的礦質(zhì)元素或生化成分測定結(jié)果的總體為X，并設(shè)X～N6(μ(1)，∑)；秋季茶葉測定結(jié)果的總體為Y，并設(shè)Y～N6(μ(2)，∑)，來自2個(gè)總體的樣本容量n1=16、n2=29

檢驗(yàn)：

H0:μ(1)=μ(2)，H1:μ(1)≠μ(2)

取檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：

對給定α=0.01，利用SAS 9.4統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

1.2.4正態(tài)總體均值檢驗(yàn)。采用SAS 9.4軟件對春秋兩季茶葉中礦質(zhì)元素、生化成分進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1礦質(zhì)元素含量及差異性采用兩正態(tài)總體方差均值法的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在顯著水平α=0.01，通過SAS 9.4統(tǒng)計(jì)軟件分析，結(jié)果顯示，44個(gè)茶葉樣品均含有Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu 6種礦質(zhì)元素，以 6種礦質(zhì)元素作為總體而言，春秋兩季英德紅茶的礦質(zhì)元素含量存在顯著差異。由表2可知，春、秋兩季英德紅茶中Ca、Mg含量較高，其次是Mn、Fe、Zn、Cu，這些礦質(zhì)元素都是對人體健康有重要的營養(yǎng)保健價(jià)值。此外，英德紅茶中的礦質(zhì)元素含量存在季節(jié)性差異。Ca、Mg、Mn含量的季節(jié)性變化為秋季大于春季；Fe、Zn、Cu含量的季節(jié)性變化為春季大于秋季。春秋兩季茶葉的礦質(zhì)元素中Zn含量存在顯著差異，其他元素含量無顯著差異。

表2春、秋兩季茶葉各元素含量均值檢驗(yàn)

Table2Themeantestofthecontentofmineralelementsinteainspringandautumn

礦質(zhì)元素Mineral element季節(jié)Season平均值A(chǔ)verage value∥%標(biāo)準(zhǔn)差Standard deviationP值P-ValueCa春季3 062.64840.460.322秋季3 280.15607.33Mg春季1 831.51263.390.285秋季1 926.04288.98Fe春季86.4823.440.407秋季77.3240.00Mn春季457.27247.510.138秋季599.94328.64Zn春季36.6710.390.002**秋季27.877.05Cu春季23.459.570.240秋季20.437.26

注：**表示差異極顯著(P<0.01)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)

2.2礦質(zhì)元素相關(guān)性對春、秋兩季茶葉中6種礦質(zhì)元素進(jìn)行相關(guān)分析，其相關(guān)系數(shù)及差異性結(jié)果見表3～4。由表3～4可見，春季英德紅茶礦質(zhì)元素中，Ca含量與Mg、Zn、Cu含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，Mn含量與Zn、Cu含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但均不顯著；Cu含量與Mg、Zn含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系。秋季英德紅茶礦質(zhì)元素中，Ca含量與Mg、Fe、Zn、Cu含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，Cu含量與Mg、Mn含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但均不顯著；Cu含量與Zn含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

表3春季茶葉礦質(zhì)元素間的相關(guān)系數(shù)

Table3Correlationcoefficientsbetweenmineralelementsinspringtea

礦質(zhì)元素Mineral elementCaMgFeMnZnCuCa1.000Mg-0.1831.000Fe0.1140.0701.000Mn0.0960.1900.2481.000Zn-0.4480.4940.013-0.1961.000Cu-0.1060.523*0.205-0.1250.851**1.000

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)，*showed significant differences(P<0.05)

2.3生化含量及差異性采用國家茶葉標(biāo)準(zhǔn)方法測定春、秋季英紅九號紅茶的常規(guī)生化成分含量，并對春、秋季英紅九號紅茶的茶多酚、氨基酸、咖啡堿、可溶性糖、水浸出物含量進(jìn)行差異性分析。結(jié)果表明，水浸出物、茶多酚及氨基酸等5種常規(guī)成分含量作為總體進(jìn)行分析，春秋兩季茶葉中的生化成分含量存在極顯著差異(P<0.01)。

表4秋季茶葉6種礦質(zhì)元素間的相關(guān)系數(shù)

Table4Correlationcoefficientsbetweenmineralelementsinautumntea

礦質(zhì)元素Mineral elementCaMgFeMnZnCuCa1.000Mg-0.0691.000Fe-0.3210.2571.000Mn0.2160.0290.1781.000Zn-0.2760.2290.2050.0151.000Cu-0.188-0.0450.004-0.0800.805**1.000

注：**表示差異極顯著(P<0.01)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)

由表5可見，44個(gè)茶葉樣品均含有茶多酚、氨基酸及可溶性糖等生化組分，其中春季茶葉中的游離氨基酸、可溶性糖及咖啡堿含量高于秋季；春秋兩季的茶多酚、氨基酸及水浸出物含量存在顯著差異。茶多酚、氨基酸是重要的滋味物質(zhì)，其氨基酸含量越高，形成的茶葉則滋味鮮醇、香氣也好[9]。

表5春、秋兩季茶葉生化成分含量均值檢驗(yàn)

Table5Themeantestofthecontentofbiochemicalcomponentsinspringandautumntea

生化成分Biochemical component季節(jié)Season平均值A(chǔ)verage value∥%標(biāo)準(zhǔn)差Standard deviationP值P-Value水浸出物春季33.092.560.024*Water extract秋季35.692.87茶多酚春季12.391.640.000**Tea Polyphenols秋季15.863.25氨基酸春季3.320.640.002**Amino acids秋季2.840.40可溶性糖春季3.380.560.173Soluble sugar秋季3.360.28咖啡堿春季50.500.590.751Caffeine秋季46.674.98

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)，*showed significant differences(P<0.05)

2.4生化成分相關(guān)性由表6～7可見，春季英德紅茶生化成分中，咖啡堿含量與可溶性糖含量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；茶多酚含量與氨基酸、可溶性糖含量存在正相關(guān)關(guān)系，但不顯著。秋季英德紅茶生化成分中，氨基酸含量與茶多酚、咖啡堿含量均存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；茶多酚含量與可溶性糖、咖啡堿含量存在正相關(guān)關(guān)系，但不顯著。

表6春季茶葉生化成分間的相關(guān)系數(shù)

Table6Correlationcoefficientsbetweenbiochemicalcomponentsinspringtea

生化成分Biochemical component茶多酚Tea polyphenols氨基酸Amino acids可溶性糖Soluble sugar咖啡堿Caffeine茶多酚Tea Polyphenols1.000氨基酸Amino acids0.1271.000可溶性糖Soluble sugar0.1800.0231.000咖啡堿Caffeine-0.348-0.373-0.582**1.000

注：**表示差異極顯著(P<0.01)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)

表7秋季茶葉生化成分間的相關(guān)系數(shù)

Table7Correlationcoefficientsbetweenbiochemicalcomponentsinautumntea

生化成分Biochemical component茶多酚Tea polyphenols氨基酸Amino acids可溶性糖Soluble sugar咖啡堿Caffeine茶多酚Tea Polyphenols1.000氨基酸Amino acids-0.446*1.000可溶性糖Soluble sugar0.000-0.3911.000咖啡堿Caffeine0.089-0.590**-0.0551.000

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)，*showed significant differences(P<0.05)

3 討論

3.1礦質(zhì)元素分析礦質(zhì)元素中部分元素是生物機(jī)體生長發(fā)育過程中必需物質(zhì)，當(dāng)機(jī)體缺少某種礦質(zhì)元素，機(jī)體將不能正常完成某些生存和繁育的過程[12-14]。茶樹中必需元素為H、C、O、N、P、K、S、Ca，必需的微量元素為Mg、Mn、Cu、Fe、B、Si、Zn、Mo等，這些礦質(zhì)元素在茶樹生長發(fā)育過程中均起到重要的生理作用[5，15]。茶樹在生長過程中選擇性地從環(huán)境、土壤中富集多種礦質(zhì)元素，種植茶樹的土壤、環(huán)境氣候及加工方法等因素會(huì)對茶葉中微量元素的含量存在一定的影響，不同季節(jié)間茶葉中微量元素含量會(huì)有一定差異，部分元素間差異顯著。陳學(xué)文等[16]研究表明，嶺頭單叢茶葉在不同季節(jié)中均含有Ca、Mg、Fe、Zn等12種元素，其中Ca、Mg含量最高。不同季節(jié)的嶺頭單叢茶微量元素含量存在一定的差異，但是這些變化不管在哪個(gè)季節(jié)均呈現(xiàn)規(guī)律性變化，嶺頭單叢茶對微量元素的吸收和富集的大小規(guī)律并不會(huì)隨季節(jié)的改變而發(fā)生變化。林瓊等[17]研究也表明，不同季節(jié)苦丁茶微量元素含量存在一定差別，這與茶樹在不同季節(jié)選擇性吸收和富集微量元素有關(guān)。

該試驗(yàn)表明，英德紅茶在春秋兩季中均含有Ca、Mg、Mn、Fe、Zn、Cu 6種元素，對春秋兩季間單種礦質(zhì)元素的含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，除Zn元素外，其他元素均無顯著差異。以6種元素作為總體而言，春秋兩季英德紅茶的礦質(zhì)元素含量存在顯著差異。雖然春秋兩季茶葉中微量元素存在一定的差異，但是茶樹對礦質(zhì)元素吸收、富集的規(guī)律是一致的，從大到小依次為Ca、Mg、Mn、Fe、Zn、Cu。這說明了英德紅茶對礦質(zhì)元素的吸收與富集在春秋兩季會(huì)有一定的差異，但對礦質(zhì)元素富集比例并不會(huì)隨著季節(jié)的變化而發(fā)生改變，這可能是季節(jié)的變化過程中，光照、雨水、濕度、溫度、肥料[18]等外部環(huán)境的變化，導(dǎo)致茶樹對礦質(zhì)元素的生理需求及從種植土壤中吸收和富集礦質(zhì)元素的種類和需要量也發(fā)生變化[19]。

該試驗(yàn)測定了6種礦質(zhì)元素，春秋兩季茶葉的Zn元素存在顯著差異，其他元素均無顯著差異。為了探究這6種元素之間的相關(guān)性關(guān)系，所以運(yùn)用SAS軟件分別對春季或秋季茶樣中6種微量元素測定結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析。根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果顯示，春季英德紅茶中Ca含量與Mg、Zn、Cu含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，Mn含量與Zn、Cu含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但差異均不顯著；Cu含量與Mg、Zn含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系。秋季英德紅茶中Cu含量與Zn含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明茶葉微量元素間存在協(xié)同或者拮抗作用。冉登培[20]研究表明，不同的微量元素之間存在拮抗或協(xié)同作用，一些元素間存在正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)性。有研究表明，在茶葉葉面噴施含Zn和Se等元素的營養(yǎng)液，隨著營養(yǎng)液濃度的遞增，茶葉中Se、Zn的濃度也明顯遞增。在一定噴施濃度下，Zn與Cu、Mn等元素表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，但營養(yǎng)液濃度超過一定濃度后會(huì)表現(xiàn)為拮抗效應(yīng)[13]。

3.2生化成分分析植物體內(nèi)所含的有機(jī)成分含量會(huì)與所處地區(qū)的環(huán)境氣候條件以及土壤環(huán)境存在一定的相關(guān)性。茶樹喜溫濕環(huán)境、耐陰，因此空氣相對濕度、降水量、氣溫、光照等氣候條件的變化，對茶樹生長會(huì)產(chǎn)生較大的影響，影響茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)[21]。氣溫高、日照強(qiáng)，茶樹體內(nèi)碳代謝水平會(huì)相對較高，氮代謝水平低，從而造成多酚類物質(zhì)含量增加，氨基酸、維生素芳香物質(zhì)等含量減少。從理論上分析，通過探明引起某一生化成分含量變化的環(huán)境調(diào)控因子以及所表現(xiàn)的變化類型即可對茶樹品種進(jìn)行生態(tài)型分類[22]。

茶葉水浸出物是茶葉中可溶于水的各種物質(zhì)的總稱，主要包括多酚類(包括水溶性色素)、游離氨基酸、可溶性糖、水溶維生素、水溶果膠、咖啡堿、水溶蛋白、無機(jī)鹽等。該試驗(yàn)中，春秋兩季的水浸出物含量平均值分別為33.09%、35.69%，水浸出物含量存在顯著差異。春秋兩季的茶多酚及氨基酸的含量存在差異。以常規(guī)生化成分作為總體而言，春秋間的生化成分存在顯著差異(P<0.01)。說明不同季節(jié)間的生化成分含量存在差異，其原因可能是因?yàn)椴煌竟?jié)間的溫濕、降雨量或土壤環(huán)境等的差異會(huì)影響茶樹的生長發(fā)育情況，從而導(dǎo)致茶葉中生化成分發(fā)生差異。

4 結(jié)論

英德紅茶富含茶多酚、氨基酸、Ca、Mg、Zn、Cu等營養(yǎng)物質(zhì)，春秋兩季英德紅茶中礦質(zhì)元素、生化成分含量存在一定差異。通過以礦質(zhì)元素或生化成分含量作為整體，采用兩正態(tài)總體均值向量檢驗(yàn)法等分析方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可在一定程度上區(qū)分春、秋季節(jié)茶葉，為探究區(qū)分不同季節(jié)茶葉礦質(zhì)元素或生化成分提供參考。

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