基于化學(xué)組分的鐵觀音茶梗和葉茶模式識(shí)別研究

王麗麗，楊軍國(guó)，林清霞，項(xiàng)麗慧，陳 林

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，福建 福安 355015)

毛茶是指在茶葉初加工中經(jīng)烘干工序所形成的茶葉，此時(shí)仍含有茶梗、黃片、茶末等雜質(zhì)，凈茶是指毛茶再加工過程中揀掉茶梗等雜質(zhì)后的茶葉，這兩者統(tǒng)稱為葉茶，茶梗則指從成品毛茶中揀下的莖梗。鐵觀音茶梗最為常見，由于其加工原料要求葉片成熟，一般以小開面2～3葉較為理想，再加上機(jī)械化采茶的緣故，成品毛茶茶梗含量甚高。我國(guó)是茶葉生產(chǎn)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年挑出的茶梗約占茶葉毛重的20%，僅安溪縣一帶每年的茶梗、茶末就達(dá)5萬(wàn)t[1]。那么如何充分利用茶梗，提升茶葉產(chǎn)品附加值，是促進(jìn)茶業(yè)可持續(xù)發(fā)展的途徑之一。長(zhǎng)久以來，一些科研工作者致力于茶梗的深加工技術(shù)研究，如添加茶梗栽培白靈菇[2]、廢棄茶梗制備活性炭[3-4]和吸附廢水中銅、鉻等金屬離子[5-6]、茶梗固態(tài)生料發(fā)酵產(chǎn)單寧酶[7]、提取純化茶梗中非水溶性膳食纖維、茶多糖、茶皂素、咖啡堿等功能成分[8-12]，以上研究均有效提高了這部分茶葉資源的綜合利用價(jià)值，為其深度開發(fā)利用提供廣闊的應(yīng)用前景。從經(jīng)濟(jì)環(huán)保角度考慮，茶梗中含量較高的活性成分更值得提取與開發(fā)。為探索茶梗中區(qū)別于其葉茶(毛茶和凈茶)的化學(xué)成分，本試驗(yàn)以這3類樣品為研究對(duì)象，測(cè)定其茶多酚、黃酮類、兒茶素類、生物堿、可溶性糖、氨基酸、有機(jī)酸等物質(zhì)含量，并采用化學(xué)計(jì)量學(xué)手段對(duì)其進(jìn)行類群區(qū)分，旨在較為全面揭示茶梗的化學(xué)組成，為茶梗有效成分的提取利用提供研究思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

收集鐵觀音樣品(SX，X為1-6)，帶梗視為毛茶樣(SX-R)，揀梗后為凈茶樣(SX-N)，留梗作為茶梗樣(SX-S)。磨碎后-20℃保存?zhèn)溆谩Ｒ妶D1。

圖1 鐵觀音毛茶、凈茶和茶梗外形特征Fig.1 Appearances of raw tea, net tea and stems from Tieguanyin tea plant注：a、b、c為毛茶、凈茶和茶梗干茶樣，磨粉后分別記作d、e、f。

FZ102微型植物粉碎機(jī)(天津泰斯特司)、1260型液相色譜儀(美國(guó)Agilent)、T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì)(北京普析通用)、ACD-0502-U超純水機(jī)(重慶艾科浦)。

1.2 測(cè)定方法

茶樣茶多酚(TPs)、游離氨基酸(FAAs)、可溶性糖(WSS)、黃酮類(Fs)測(cè)定采用分光光度法[13-14]，水浸出物(WE)測(cè)定采用稱量茶渣的差數(shù)法[15]，兒茶素類(GC、EC、EGC、ECG、EGCG)和生物堿(TB、CAF)、氨基酸組分[天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、絲氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)、茶氨酸(Thea)]、有機(jī)酸組分(草酸、DL-酒石酸、L-蘋果酸、乙酸、檸檬酸、富馬酸)測(cè)定采用HPLC法[16-18]。以上均重復(fù)測(cè)定3次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用PAST(Version 3.20)軟件繪制二維“點(diǎn)集”分布視圖。采用ChemPattern 2017 Pro軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，首先選擇通用化學(xué)計(jì)量學(xué)解決方案“Chemprolifer-XLS，CSV”，并針對(duì)變量UV標(biāo)度化進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，離群值識(shí)別設(shè)95%，選擇主成分分析(PCA)，取消“共有模式”，繪制得分圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)組分差異

由圖2看出，TPs、Fs、WE、FAAs、WSS含量排序?yàn)閮舨?毛茶>茶梗，其中TP、Fs在凈茶和茶梗中含量差別大，凈茶中約是茶梗中的2倍，而凈茶中WE、FAAs、WSS比茶梗中高10%～30%。研究表明FAAs和WSS是具有生物活性的功能物質(zhì)，從開發(fā)利用角度看，從茶梗中提取純化FAAs、WSS是一條可行途徑。生物堿與兒茶素的測(cè)定結(jié)果表明，茶梗中TB、GC和EC含量約為凈茶的50%，CAF、EGCG、ECG、EGC含量在兩者間相差3～4倍(表1)，說明CAF、EGCG、ECG、EGC在茶梗中的含量明顯低于凈茶和毛茶，提示若以茶梗為原料提取純化這些物質(zhì)，則提取率低，成本較高。茶葉中采用HPLC測(cè)得的氨基酸種類達(dá)20種以上，鐵觀音樣品由于鮮葉原料成熟度較高的緣故，氨基酸含量普遍較低，因此本試驗(yàn)僅顯示含量最高的5種氨基酸的測(cè)定結(jié)果，見表2。毛茶和凈茶中氨基酸總含量約為6～8 mg·g-1，茶梗樣中較低，為4～5 mg·g-1。氨基酸組分中，Thea含量最高，其次為Asp和Glu，而Ser和Ala含量最低。6種有機(jī)酸HPLC測(cè)定結(jié)果(表3)表明，毛茶、凈茶和茶梗中有機(jī)酸總量為2%左右，含量較高的組分有草酸、L-蘋果酸、乙酸，其中凈茶與毛茶有機(jī)酸含量相當(dāng)，茶梗中稍低，主要是草酸和乙酸含量差異造成。

圖2 毛茶、凈茶和茶梗中主要化學(xué)組分含量Fig.2 Chemical compositions of raw tea, net tea and stems of Tieguanyin tea plant注：SX代表茶樣名，SX-R、SX-N、SX-S分別為毛茶、凈茶和茶梗；下同。

表1 毛茶、凈茶和茶梗中生物堿和兒茶素組分含量

注：TC：total catechins(兒茶素總量)，為GC、EGC、EGCG、EC、ECG含量的總和。

表2 毛茶、凈茶和茶梗中氨基酸含量

2.2 基于二維“點(diǎn)集”分布的化學(xué)模式識(shí)別

基于(TPs×FAAs)(TPs×WSS)(TPs×Fs)(TPs×WE)(Fs×WE)含量繪制的二維“點(diǎn)集”分布視圖可對(duì)鐵觀音毛茶、凈茶和茶梗進(jìn)行類群區(qū)分，尤其茶梗的化學(xué)模式完全區(qū)別于凈茶(圖3a-e)。而依據(jù)(FAAs×WSS)含量繪制的二維“點(diǎn)集”分布視圖對(duì)3個(gè)群體的類群區(qū)分較差(圖3)，由(FAAs×Fs)(FAAs×WE)(WSS×WE)(WSS×Fs)繪制的二維“點(diǎn)集”分布視圖結(jié)果同此(未上圖)。由此表明，茶梗與凈茶中差異較大的組分依次為TPs、Fs、WE，其次是FAAs和WSS。

表3 毛茶、凈茶和茶梗中有機(jī)酸含量

圖3 二維“點(diǎn)集”分布視圖Fig.3 Distribution of data points on 2DSP注：1為毛茶，2為凈茶，3為茶梗

2.3 基于主成分分析的化學(xué)模式識(shí)別

基于兒茶素和生物堿、氨基酸組分、有機(jī)酸組分的主成分分析有效性檢驗(yàn)均顯示，在α=0.05的檢驗(yàn)水平上，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

由圖4a看出，PC1方差貢獻(xiàn)度為90.04%，PC2方差貢獻(xiàn)度為5.69%，前2個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)度達(dá)95.73%；綠色投影圈(凈茶組)與紅色投影圈(毛茶組)質(zhì)心較靠近，表明二者類群區(qū)分不明顯，而藍(lán)色投影圈(茶梗組)與它們質(zhì)心距離均較遠(yuǎn)，表明有很好的類群區(qū)分。由圖4b看出，PC1和PC2累積方差貢獻(xiàn)度88.47%，茶梗組與毛茶組和凈茶組均基本分離，區(qū)分度較好。而基于有機(jī)酸組分的得分圖(圖4c)顯示，3個(gè)群體分離度較差，有交叉重疊部分，表明3者有機(jī)酸含量差異不顯著。

圖4基于化學(xué)組分的主成分分析
Fig.4PCA based on chemical composition of samples
注：a：兒茶素和咖啡堿；b：氨基酸組分；c：有機(jī)酸組分。

3 討論與結(jié)論

我國(guó)已是世界第一產(chǎn)茶大國(guó)，農(nóng)業(yè)部針對(duì)茶葉生產(chǎn)形勢(shì)的調(diào)度分析顯示，2017年干毛茶產(chǎn)量約258萬(wàn)噸，總產(chǎn)值1920億元[19]。作為茶葉的副產(chǎn)品——茶梗，除少部分用作枕芯外，絕大多數(shù)處理方式是丟棄、焚燒、坑埋，價(jià)值未得到很好體現(xiàn)。因此合理有效開發(fā)利用茶梗，讓廢棄茶梗擁有更多的利用空間和發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，意義重大。

將茶梗作為一個(gè)整體進(jìn)行開發(fā)利用目前多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。活性炭能選擇性的吸附氣相、液相中各種物質(zhì)，以達(dá)到脫色精制、消毒除臭和去污提純等目的[20]。以武夷山老樅水仙茶梗為原料制備的活性炭，其碘吸附值為453 mg·g-1，得率(制得活性炭質(zhì)量與茶梗質(zhì)量的比值)為47%，顯示出較好的吸附性能[4]。徐建榮等首次將鐵觀音茶梗作為一種過濾材料應(yīng)用于卷煙濾嘴中，起到降低煙氣刺激、增補(bǔ)煙香、豐富煙氣等作用[21]。以茶梗為原料通過交聯(lián)、接枝共聚等手段改性，成功制得的磁性纖維素微粒對(duì)模擬廢水中銅離子的吸附能力較強(qiáng)[5]。由此看來，基于其物理性能及富含纖維素的特點(diǎn)，茶梗附加值得以提高。此外，提取、純化茶梗中某些功能性成分也是提升茶葉附加值的途徑之一。以化學(xué)法提取的烏龍茶茶梗非水溶性膳食纖維(IDF)比茶末提取的得率高，持水力好，結(jié)合脂肪能力相對(duì)筍頭有明顯優(yōu)勢(shì)，持水力和溶脹性較胡蘿卜IDF高，具備應(yīng)用于食品工業(yè)方面的潛力[8]。采用酶解處理和堿處理相結(jié)合的方法提取IDF，結(jié)果顯示茶梗比茶渣中含有更多的膳食纖維[22]。以鐵觀音茶梗為原料，提取天然功能物質(zhì)——茶多酚作為紡織品整理劑，經(jīng)堿性固著液處理后織物色牢度提高，且防護(hù)紫外線能力大幅度提升[23]。表明茶梗在功能食品、化工等領(lǐng)域有一定應(yīng)用前景。

茶梗中含有茶多酚、茶氨酸、茶皂素等多種化學(xué)成分。用水提、柱層析等提取分離綠茶副產(chǎn)品(如茶末、茶梗)，得到的茶多酚復(fù)合物中EGCG含量為44.5%，ECG含量為16.3%，提取率分別為5.3%、2.0%[24]。相比綠茶，鐵觀音茶梗中多酚及兒茶素本身含量明顯較低，提取率也低。采用正交試驗(yàn)優(yōu)選的提取工藝提取茶梗中茶氨酸，測(cè)得其質(zhì)量濃度為6 mg·g-1[25]，而本試驗(yàn)鐵觀音凈茶和茶梗中茶氨酸含量為2～4 mg·g-1，其含量較低極大可能是因原料品種、嫩度與提取工藝差異所致。茶樹老嫩莖(茶梗)中茶皂素含量比老嫩葉也高[26]。許雨石等[27]研究表明以水浸提茶梗測(cè)得的茶多酚含量達(dá)71.73 mg·mL-1，單寧酶浸提的總游離氨基酸含量為27.57 mg·mL-1，纖維素酶浸提的總糖含量122.55 mg·mL-1，因采用最優(yōu)工藝提取的緣故，除水浸提法與本文所用的70%甲醇水溶液提取測(cè)得的茶多酚數(shù)據(jù)基本一致外，其余檢測(cè)數(shù)據(jù)均高。采用GB8312-2002中分光光度法測(cè)得福建烏龍茶茶梗中咖啡堿含量為0.67%～2.85%[28]，本試驗(yàn)用液相測(cè)得鐵觀音茶?？Х葔A含量?jī)H為0.4%，究其原因主要是檢測(cè)方法及原料嫩度的不同。而對(duì)于茶梗中有機(jī)酸含量等方面的報(bào)道較為鮮見。

自80年代起，化學(xué)計(jì)量學(xué)方法逐步引入中藥材的質(zhì)量控制方法研究中，幾種常用的模式識(shí)別方法如主成分分析(PCA)、聚類分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等在中藥品種優(yōu)劣、道地性、成分差異研究中得以應(yīng)用[29]。化學(xué)計(jì)量學(xué)在中藥質(zhì)量控制中的優(yōu)勢(shì)是可根據(jù)多變量數(shù)值分析把同類異類中藥材區(qū)分開，具體來說就是充分提取待分析物的特征信息，對(duì)其進(jìn)行降維處理，然后進(jìn)行模式識(shí)別分析[30]。它既克服了直接對(duì)比的主觀性，又最大限度地保留了化學(xué)成分的相關(guān)信息，是區(qū)別于一般統(tǒng)計(jì)方法如SPSS中差異顯著性分析的優(yōu)勢(shì)所在。楊艷芹等[31]萃取不同產(chǎn)地路路通的揮發(fā)性組分，所得數(shù)據(jù)經(jīng)化學(xué)計(jì)量學(xué)主成分分析降維，根據(jù)幾個(gè)主成分所占的方差貢獻(xiàn)率將不同產(chǎn)地藥材歸類，再建立載荷圖，可明顯看出各個(gè)地區(qū)組分相對(duì)含油量的差異或有無。茶梗是從成品毛茶中揀下的莖梗，500 g鐵觀音毛茶經(jīng)揀梗等工序精制后，可獲得350 g左右的凈茶，將化學(xué)計(jì)量學(xué)方法用于茶梗與其毛茶和凈茶的全面、快速鑒別歸類與成分差異研究具有明顯優(yōu)勢(shì)。

本試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，在鐵觀音成品茶中，茶梗中茶多酚、黃酮類、咖啡堿、兒茶素等含量明顯低于葉茶(毛茶和凈茶)，而茶多糖、游離氨基酸、茶氨酸、有機(jī)酸等組分含量差異不明顯，茶梗中含量稍低。因此茶梗與葉茶中含量基本相當(dāng)甚至更高的組分尤其值得提取純化，從而有效提升茶葉產(chǎn)品附加值。