基于HS-GC-IMS法研究干燥方式對黑毛茶揮發(fā)性風味物質的影響

趙 熙， 余鵬輝， 黃 浩， 鐘 妮， 鄭紅發(fā)

（湖南省農業(yè)科學院 茶葉研究所，湖南 長沙 410125）

黑茶是我國六大茶類之一，也是重要的特色茶類，2020年全國黑茶產量達37.3萬t，占全國茶葉總產量的12.50%。黑毛茶是指沒有經過壓制的黑茶，也是用來加工茯磚茶、黑磚茶、青磚茶等緊壓黑茶的原料，其品質的好壞直接影響到緊壓黑茶產品的質量。香氣和滋味是構成黑毛茶特征風味品質的兩個重要因素，黑毛茶的特殊香氣是適度渥堆的茶坯在干燥過程中形成的，目前生產上通常采用曬干和烘干兩種方式進行干燥，不同干燥方式生產出的黑毛茶風味品質具有一定的差異。黑毛茶的特征揮發(fā)性風味物質不僅是重要的感官指標之一，而且是影響黑毛茶品質和加工特性的重要因素。因此，明確黑毛茶風味品質并開展不同干燥方式下黑毛茶特征揮發(fā)性風味物質差異研究，不僅可為探明黑毛茶風味品質形成機理奠定基礎，而且對黑毛茶加工工藝優(yōu)化和產品品質提升具有積極意義。

HS-GC-IMS是近年來出現(xiàn)的一種新興氣相分離檢測技術，該技術采取頂空進樣方式，根據(jù)氣相離子遷移率對化合物進行表征，具有高靈敏度、高分辨率、分析速度快等優(yōu)點[1]，目前在食品特征風味、快速鑒別和產地溯源等方面得到了廣泛應用[2-10]，而將HS-GC-IMS用于黑毛茶揮發(fā)性風味物質的分析研究尚未見報道。

采用HS-GC-IMS技術對烘干和曬干處理的黑毛茶進行揮發(fā)性風味物質的組成鑒定，分析不同干燥方式對黑毛茶揮發(fā)性風味物質的影響，并運用主成分分析（principal component analysis，PCA）和相似度分析探究不同干燥方式處理的黑毛茶樣品間的相關性與差異性，以期為黑毛茶風味品質的調控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

選用湖南省安化縣云臺山八角茶廠2020年夏季櫧葉齊茶樹品種，采摘1芽3、4葉或同等嫩度對夾葉進行黑毛茶加工。

2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮（均為分析純）：北京國藥集團化學試劑有限公司產品。

1.2 主要儀器與設備

6CST-80型茶葉殺青機、6CR-50型茶葉揉捻機：浙江上洋機械有限公司產品；JY-6CHZ-7B型茶葉烘焙提香機：福建佳友機械有限公司產品；FW80-50 g萬能粉碎機：天津泰斯特儀器有限公司產品；HS-GC-IMS FlavourSpec?風味分析儀：德國Gesellschaft für analytische Sensorsy-steme mbH公司產品。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備根據(jù)加工工藝流程制成黑毛茶樣品，鮮葉（1芽3、4葉或同等嫩度對夾葉）→攤青（時間12 h）→殺青（溫度260～280℃）→揉捻（輕壓5 min，中壓5 min，松壓5 min）→渥堆（堆高1 m，時間12 h），然后分別進行烘焙提香機烘干和自然日曬處理至水分含量達10%（質量分數(shù)）以下。烘干黑毛茶樣品為Z1，曬干黑毛茶樣品為Z2。將制成的黑毛茶粉碎后過40目篩，保存于-20℃冰箱中備用。

1.3.2 干燥工藝參數(shù)烘干：溫度為90℃，烘盤托架回轉轉速5 r/min，時間90 min；曬干：在陽光棚中進行，溫度20～35℃。

1.3.3 HS-GC-IMS分析進樣方式：自動頂空進樣；孵化溫度：60℃；孵化時間：10 min；孵化轉速：500 r/min；進樣針溫度：85℃；進樣量：500 μL。

GC-IMS條件：FS-SE-54-CB-1毛細管柱（15 m×0.53 mm）；分析時間：45 min；色譜柱溫度：60℃；IMS探測器溫度：45℃；載氣和漂移氣為N2，純度≥99.999%。氣相色譜條件見表1。

表1 氣相色譜條件Table 1 Gas chromatographic conditions

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用儀器配置的VOCal軟件，將化合物的氣相保留指數(shù)和相對遷移時間與GC-IMS Library Search軟件內置的NIST數(shù)據(jù)庫和IMS數(shù)據(jù)庫進行匹配對物質進行定性分析?；衔锉Ａ糁笖?shù)計算方法：采用和樣品相同的氣相條件測試正構酮類（C4～C9）校準液，建立保留指數(shù)（已知）和保留時間的校準曲線，對于未知物質，通過其保留時間（t）計算相應的保留指數(shù)（RI）。公式為RI=RI（z）+[RI（z+1）-RI（z）]×[lg t（x）-lg t（z）]/[lg t（z+1）-lg t（z）]，其中z和z+1分別為目標化合物（x）流出前后的正構烷烴（正構酮）所含碳原子的數(shù)目。Reporter插件：通過二維俯視圖、三維譜圖直觀對比不同干燥處理黑毛茶樣品之間的譜圖差異；Gallery Plot插件：對不同干燥處理黑毛茶樣品之間的揮發(fā)性成分差異進行定量分析；Dynamic PCA插件：進行不同干燥處理黑毛茶樣品動態(tài)主成分分析和相似度分析。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方式黑毛茶中揮發(fā)性化合物譜圖分析

不同干燥方式處理的黑毛茶GC-IMS譜圖見圖1和圖2。其中，圖1為不同干燥方式黑毛茶揮發(fā)性成分三維對比圖譜，圖2為不同干燥方式黑毛茶二維對比圖譜。圖2的紅色垂直線為反應離子峰（reaction ion peak，RIP）[11-13]。結果表明，GC-IMS技術可使不同干燥方式黑毛茶樣品的揮發(fā)性成分得到較好的分離檢測，RIP右側紅色點的數(shù)量對應揮發(fā)性成分的種類，顏色深淺與揮發(fā)性物質的含量呈正相關的關系，顏色越深，表明含量越高，反之顏色越淺，表明含量越低[14-15]。從圖中可以看出，不同干燥方式處理的黑毛茶揮發(fā)性風味物質的相對遷移時間大都集中在1.0～1.8 ms區(qū)間內，保留時間基本為100～800 s。不同處理之間揮發(fā)性物質的組成差別不大，而同一化合物在不同干燥方式黑毛茶中的含量存在較大差異，具有各自的特征譜信息。

圖1 不同干燥方式黑毛茶中揮發(fā)性化合物氣相-離子遷移三維譜圖Fig.1 GC-IMS 3D topographic of volatile compounds in raw dark tea dried by different methods

圖2 不同干燥方式黑毛茶中揮發(fā)性化合物氣相-離子遷移二維譜圖Fig.2 GC-IMS 2D topographic of volatile compounds in raw dark tea dried by different methods

2.2 不同干燥方式黑毛茶中揮發(fā)性化合物定性分析

通過比較不同干燥方式黑毛茶揮發(fā)性風味成分的保留時間和遷移時間，計算揮發(fā)性物質的保留指數(shù)，在NIST 2014數(shù)據(jù)庫和IMS遷移時間數(shù)據(jù)庫進行匹配，從而對揮發(fā)性風味物質進行定性分析。2種黑毛茶樣品共檢出揮發(fā)性物質65種，包括23種醛類化合物、13種酯類化合物、11種醇類化合物、10種酮類化合物、3種雜氧化合物、2種碳氫化合物、2種吡嗪類化合物、1種酸類化合物（見表2）。其中有些化合物同時檢測出單體和二聚體，保留時間相近，但遷移時間不同[16]。

表2 黑毛茶中揮發(fā)性化合物的定性Table 2 Qualitative identification of volatile compounds in raw dark tea

續(xù)表2

兩個不同干燥方式黑毛茶中揮發(fā)性風味物質質量分數(shù)略有區(qū)別。如圖3所示，烘干黑毛茶中醛類為41.57%，醇類為21.19%，酯類為19.48%，酮類為13.10%，雜氧化合物為3.54%，碳氫化合物為0.70%，酸類為0.22%，吡嗪類為0.20%；曬干黑毛茶中醛類為40.75%，酯類為22.55%，酮類為15.63%，醇類為11.75%，雜氧化合物為7.66%，碳氫化合物為0.68%，酸類為0.34%，吡嗪類為0.64%（均為質量分數(shù)）。從鑒定出的香氣組分來看，不同干燥方式的黑毛茶化合物種類具有一定差異，烘干黑毛茶以醛類和醇類化合物為主，質量分數(shù)分別達到41.57%和21.19%；曬干黑毛茶以醛類和酯類化合物為主，質量分數(shù)分別達到40.75%和22.55%，醇類僅為11.75%。

圖3 不同干燥方式黑毛茶主要揮發(fā)性成分質量分數(shù)對比Fig.3 Comparison of the mass fraction of main volatile components in raw dark tea dried by different methods

2.3 不同干燥方式黑毛茶中揮發(fā)性成分的指紋圖譜分析

指紋圖譜的優(yōu)點在于能夠直觀比較不同樣品之間揮發(fā)性化合物的差異。圖4中每一列代表一種揮發(fā)性化合物，前3行代表烘干黑毛茶樣品中含有的揮發(fā)性化合物，后3行代表曬干黑毛茶中含有的揮發(fā)性化合物。圖譜中點的顏色深淺與揮發(fā)性化合物含量正相關，顏色越紅亮，說明揮發(fā)性化合物含量越高，反之含量越低。結果表明，烘干黑毛茶與曬干黑毛茶樣品間差異顯著，紅色框中2-丁酮、2-甲基丁醛、3-羥基-2-甲基-4-吡喃酮、戊醛等13種風味化合物含量較高，為烘干黑毛茶中特征風味物質；綠色框中壬醛、正己醛、庚二烯醛、乙酸乙酯等48種風味化合物含量較高，為曬干黑毛茶中特征風味物質；紅框和綠框之間為烘干黑毛茶和曬干黑毛茶共同含有的2-庚酮、3-羥基-2-丁酮、2-甲基丁醛等物質。

圖4 不同干燥方式黑毛茶揮發(fā)性物質指紋圖譜Fig.4 Fingerprint of volatile components in raw dark tea dried by different methods

2.4 不同干燥方式黑毛茶揮發(fā)性化合物的主成分分析和樣品相似度分析

使用Dynamic PCA插件針對不同干燥方式處理的黑毛茶樣品揮發(fā)性化合物數(shù)據(jù)進行了可視化處理，并對兩種樣品中的揮發(fā)性物質組成進行主成分分析和樣品相似度分析（見圖5、圖6）。PCA圖中距離越近的點代表樣品越相近，代表樣品間相似度的歐氏距離越小，樣品間相似度越高。結果表明，第一主成分PC1貢獻率為91%，第二主成分PC2貢獻率為4%，第一主成分和第二主成分的累計貢獻率為95%，表明PC1、PC2的總貢獻率包含了黑毛茶樣品的大部分信息，能代表黑毛茶樣品揮發(fā)性風味的主要特征，且從圖5和表3中可以看出，烘干黑毛茶和曬干黑毛茶樣品間歐氏距離較大，相似度較低，可以實現(xiàn)較好的區(qū)分，證明樣本的特征風味物質具有明顯差異。主成分分析圖中紅色圓點為烘干黑毛茶樣品，樣本間聚集度較好；黃色圓點為曬干黑毛茶樣品，樣本間聚集度較均勻?？梢?，GC-IMS技術可對不同干燥方式的黑毛茶進行區(qū)分，探索不同干燥方式樣品的特性。

表3 樣品間歐氏距離Table 3 Euclidean distance between samples

圖5 不同干燥方式黑毛茶相似度圖Fig.5 Similarity map of raw dark tea dried by different methods

圖6 不同干燥方式黑毛茶PCA分析圖Fig.6 PCA analysis diagram of raw dark tea dried by different methods

3 結語

采用HS-GC-IMS分析技術檢測了烘干黑毛茶和曬干黑毛茶的揮發(fā)性風味物質，共鑒定出65種化合物，主要包括醛類、醇類、酯類、酮類、雜氧類、碳氫化合物類、酸類、吡嗪類等成分。通過構建黑毛茶HS-GC-IMS風味指紋圖譜，明確了不同干燥方式黑毛茶的特征風味物質。進行相似度和主成分分析，烘干黑毛茶和曬干黑毛茶樣品得到了較好區(qū)分。HS-GC-IMS分析技術具有簡單、快速、無損等特點，可為黑毛茶揮發(fā)性風味物質分析及不同干燥方式的黑毛茶風味品質評價和工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術支持。