茶葉揮發(fā)性成分提取及香氣成分檢測研究

摘 要：本文綜述了茶葉揮發(fā)性成分的主要提取方法，包括水蒸氣蒸餾法、同時蒸餾萃取法、超臨界流體萃取法、旋轉(zhuǎn)錐體柱提取法和固相微萃取法，以及檢測技術(shù)如氣相色譜-質(zhì)譜法、氣相色譜-離子遷移譜法、氣相色譜-嗅聞法和電子鼻技術(shù)。結(jié)果表明，不同提取和檢測技術(shù)適用于不同類型和含量的揮發(fā)性成分，未來研究應(yīng)致力于開發(fā)更加高效、經(jīng)濟且環(huán)保的方法，以提升茶葉品質(zhì)和市場競爭力。

關(guān)鍵詞：茶葉；揮發(fā)性成分；提?。幌銡獬煞?/p>

Abstract： This article reviews the main extraction methods for volatile components in tea， including steam distillation， simultaneous distillation extraction， supercritical fluid extraction， rotary cone column extraction， and solid-phase microextraction， as well as monitoring techniques such as gas chromatography-mass spectrometry， gas chromatography-ion mobility spectrometry， gas chromatography olfaction， and electronic nose technology. The results indicate that different extraction and monitoring techniques are suitable for volatile components of different types and contents. Future research should focus on developing more efficient， economical， and environmentally friendly methods to enhance tea quality and market competitiveness.

作為中國傳統(tǒng)飲品，茶葉的品質(zhì)和風(fēng)味特征是其市場價值的核心，其中茶葉的揮發(fā)性成分和香氣成分是影響茶葉品質(zhì)和消費者體驗的關(guān)鍵因素。為此，本文旨在探討茶葉揮發(fā)性成分提取及香氣成分檢測的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，以期為推動茶葉產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 茶葉揮發(fā)性成分提取方法

1.1 水蒸氣蒸餾法

在茶葉揮發(fā)性物質(zhì)的萃取研究中，水蒸氣蒸餾技術(shù)（Steam Distillation，SD）基于揮發(fā)性組分與水蒸氣共沸的原理，通過90～100 ℃蒸汽將茶葉中的萜烯類、酯類等物質(zhì)汽化，經(jīng)冷凝后實現(xiàn)分離。某實驗表明，采用SD法在95 ℃條件下萃取3 h，烏龍茶揮發(fā)油萃取量達(dá)0.59 g·kg-1，顯著高于超聲輔助萃?。║ltrasound-Assisted Extraction，UAE）的0.36 g·kg-1（40 kHz，30 min）和同時蒸餾萃取（Simultaneous-Distextraction，SDE）的0.11 g·kg-1（乙醚萃取），且通過GC-MS鑒定出47種物質(zhì)，包含大量低沸點成分如芳樟醇（沸點198 ℃），印證了其成分保留優(yōu)勢[1]。然而SD設(shè)備能耗較高，實際生產(chǎn)中多用于高價值茶精油提取。相比之下，UAE利用超聲波空化效應(yīng)破壞細(xì)胞壁，雖在茉莉花茶萃取中30 min即可完成（萃取率0.36 g·kg-1），但高溫易導(dǎo)致α-松油醇（沸點214 ℃）等熱敏物質(zhì)損失。

1.2 同時蒸餾萃取法

在同時蒸餾萃取法（Simultaneous Distillation and Extraction，SDE）中，其核心原理是通過水蒸氣將茶葉中的揮發(fā)性組分?jǐn)y帶至萃取室，與有機溶劑（如二氯甲烷）混合后冷凝分層，再通過回流循環(huán)實現(xiàn)香氣成分的多次濃縮。例如，在龍井茶揮發(fā)物提取實驗中，SDE法采用70 ℃水蒸氣與二氯甲烷協(xié)同作用，成功提取出己醛（沸點131 ℃）等低沸點醛類物質(zhì)，但萃取量僅0.11 g·kg-1[2]，顯著低于水蒸氣蒸餾（SD）的0.59 g·kg-1，這與其高溫導(dǎo)致的β-紫羅蘭酮（熱分解溫度180 ℃）等熱敏成分損失直接相關(guān)。盡管SDE法能通過GC-MS精準(zhǔn)鑒定出52種香氣成分（較SD多5種），但二氯甲烷的毒性限制了其工業(yè)化應(yīng)用[1]。最新研究發(fā)現(xiàn)，采用乙酸乙酯替代二氯甲烷在碧螺春提取中，雖使醛類物質(zhì)含量提升15%，但萃取時間需延長至4 h，印證了溶劑選擇對技術(shù)性能的關(guān)鍵影響[2]。實際生產(chǎn)中，SDE法多用于實驗室級茶葉香氣圖譜構(gòu)建，如普洱茶特征香氣成分?jǐn)?shù)據(jù)庫的建立，而工業(yè)化場景更傾向采用能耗更低的無溶劑微波輔助萃取技術(shù)。

1.3 超臨界流體萃取法

在超臨界流體提取技術(shù)（Supercritical Fluid Extraction，SFE）中，其核心原理是利用超臨界狀態(tài)下的CO2（臨界溫度31 ℃、壓力7.3 MPa）兼具氣體的高擴散性和液體的強溶解力，通過調(diào)節(jié)溫度（35～50 ℃）與壓力（20～30 MPa）選擇性萃取目標(biāo)成分。例如，在黃山毛峰茶提取實驗中，在40 ℃、28 MPa條件下，SFE的茶多酚提取率達(dá)8.2%（干重），較傳統(tǒng)乙醇提取法提升32%[3]。超臨界CO?的低黏度（僅為液態(tài)1%）使其能滲透茶葉細(xì)胞壁，高效萃取非極性物質(zhì)如咖啡因，但需添加5%乙醇作為夾帶劑以提升兒茶素等極性成分的提取率（從4.1%增至6.8%）。該技術(shù)優(yōu)勢在于低溫操作可保留β-紫羅蘭酮（熱分解閾值180 ℃）等熱敏成分，且無溶劑殘留，其已應(yīng)用于高端綠茶精華提取。然而，SFE設(shè)備投資成本是傳統(tǒng)方法的3倍，且處理量受限（單次投料≤5 kg），目前主要用于高附加值產(chǎn)品和化妝品原料開發(fā)。

1.4 旋轉(zhuǎn)錐體柱提取法

旋轉(zhuǎn)錐體柱（Spinning Cone Column，SCC）技術(shù)是一種高度創(chuàng)新且高效的揮發(fā)性成分提取裝置，特別適用于處理熱敏性、高沸點及難分離的化合物。該技術(shù)通過在真空條件下操作，結(jié)合旋轉(zhuǎn)錐體的離心力和重力作用，使液態(tài)物料與逆向上升的蒸氣或惰性氣體進行充分的傳熱傳質(zhì)交換。在此過程中，揮發(fā)性成分被迅速從液相轉(zhuǎn)移到氣相，隨后通過柱頂?shù)睦淠到y(tǒng)被高效捕獲，生成高濃度的香氣提取液。SCC技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其高效的分離效率和對熱敏性成分的保護能力，研究表明，在茶葉揮發(fā)性成分的提取過程中，SCC技術(shù)能夠在較低的操作溫度（通常為40～60℃）和適中的真空度（0.1～0.5 bar）條件下實現(xiàn)高效提取。此外，料液流速、旋轉(zhuǎn)錐體的轉(zhuǎn)速以及錐體間距等參數(shù)也會顯著影響茶葉揮發(fā)性成分的提取效率[4]。盡管SCC技術(shù)在茶葉香氣物質(zhì)提取中展現(xiàn)出巨大潛力，但其應(yīng)用仍處于初期階段。

1.5 固相微萃取法

固相微萃取技術(shù)的關(guān)鍵在于借助熔融石英纖維表面涂層的化學(xué)特性，對樣品中的揮發(fā)性及半揮發(fā)性化合物進行選擇性吸附與解吸，進而實現(xiàn)目標(biāo)成分的高效富集與分離。依據(jù)萃取方法的不同，該技術(shù)可劃分為直接固相微萃?。―irect Solid-phase Microextraction，DI-SPME）與頂空固相微萃?。℉eadspace Solid-phase Microextraction，HS-SPME）。HS-SPME法由于能在樣品上方的氣相中迅速達(dá)到吸附平衡，特別適合于復(fù)雜基質(zhì)中揮發(fā)性成分的高效提取，因而在茶葉香氣成分的研究中被廣泛采用。在西湖龍井香氣分析中，采用65 μm PDMS/DVB涂層纖維于55 ℃萃取30 min，GC-MS鑒定出68種揮發(fā)性化合物[4]，包括關(guān)鍵香氣成分反-2-己烯醛（含量12.3 μg·kg-1），其檢測限低至0.02 μg·L-1，較同時蒸餾萃取法靈敏度提升5倍。但該實驗發(fā)現(xiàn)茉莉花茶樣品中芳樟醇與吲哚存在競爭吸附，導(dǎo)致芳樟醇回收率下降18%，揭示了涂層選擇性的局限。實際應(yīng)用中，HS-SPME已用于普洱茶陳香特征成分的快速篩查，單次檢測成本僅為溶劑萃取法的1/7，但纖維涂層在200 ℃以上易發(fā)生熱降解，連續(xù)使用20次后β-大馬酮的吸附容量下降37%，制約了其在高溫樣品分析中的適用性。雖然HS-SPME法在提取茶葉香氣成分方面表現(xiàn)優(yōu)異，但在萃取過程中可能會因競爭效應(yīng)而導(dǎo)致部分香氣成分出現(xiàn)失真現(xiàn)象。同時，固定相纖維的耐熱性與耐久性相對較差，涂層容易剝落且吸附容量有限，此外不同涂層材料對目標(biāo)組分的吸附選擇性還有待進一步優(yōu)化。

2 茶葉香氣成分檢測方法

2.1 氣相色譜-質(zhì)譜法

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)借助氣相色譜實現(xiàn)對復(fù)雜揮發(fā)性物質(zhì)的高效分離，并結(jié)合質(zhì)譜精準(zhǔn)的分子結(jié)構(gòu)鑒定及定量分析功能，可全面剖析茶葉加工過程中香氣成分的動態(tài)變化情況。在實際應(yīng)用環(huán)節(jié)，GC-MS常與頂空固相微萃取技術(shù)協(xié)同使用，以提升提取效率和檢測精準(zhǔn)度。邵淑賢等[5]運用HS-SPME/GC-MS技術(shù)對云南碧螺春茶在加工過程中的揮發(fā)性成分進行了系統(tǒng)性分析，成功鑒定出67種揮發(fā)性成分，涵蓋了芳樟醇氧化物、β-紫羅酮、苯乙醛以及醛類、酮類和含氮化合物等。在茶葉的分級與品質(zhì)評估方面，GC-MS技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。通過對不同級別茶葉香氣成分的深入分析，能夠依據(jù)揮發(fā)性成分含量的差異構(gòu)建分級標(biāo)準(zhǔn)。在一項研究中，YUN等[6]采用GC-MS聯(lián)合化學(xué)計量學(xué)分析手段，對濃香型鐵觀音茶5個不同等級（特級至四級）的香氣成分差異進行了深入探究。結(jié)果顯示，2-甲基呋喃、2-乙基呋喃、異亞丙基丙酮、2-戊基呋喃以及D-檸檬烯等成分的含量與茶葉的等級呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，而1-乙基吡咯的含量與茶葉等級則呈現(xiàn)正相關(guān)性。然而，由于檢測限的限制，一些濃度雖低但氣味活性較強的揮發(fā)性成分可能無法被準(zhǔn)確檢測到，這可能會在一定程度上對分析結(jié)果的完整性造成影響[4]。

2.2 氣相色譜-離子遷移譜法

氣相色譜-離子遷移譜（Gas Chromatography-Ion Mobility Spectrometry，GC-IMS）技術(shù)可高效分離并識別復(fù)雜的多組分體系，特別適合于分析微量級揮發(fā)性化合物。該技術(shù)常與頂空進樣技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，以提升揮發(fā)性成分的提取效率。在對茶湯揮發(fā)性成分進行系統(tǒng)分析的研究中，科研人員鑒定出了61種揮發(fā)性物質(zhì)，涵蓋了芳樟醇、香葉醇、苯乙醛等關(guān)鍵香氣成分。此外，GC-IMS技術(shù)在監(jiān)測茶葉加工過程中的動態(tài)變化方面也具有重要價值。有學(xué)者運用GC-IMS技術(shù)實時監(jiān)測手筑茯磚茶的發(fā)酵與干燥過程，共檢測到85種揮發(fā)性有機物，其中包含45種酯類、20種醛類和10種醇類成分[4]。然而，GC-IMS在面對復(fù)雜混合物時，離子遷移譜的分離效率可能會受到一定限制，部分揮發(fā)性成分的離子化效率相對較低，從而影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 氣相色譜-嗅聞法

氣相色譜-嗅覺檢測技術(shù)（Gas Chromatography-Olfactometry，GC-O）不僅能借助氣相色譜高效分離并精準(zhǔn)測定茶葉中的揮發(fā)性成分，還可利用人類嗅覺對分離后的化合物進行直接評估，有效彌合化學(xué)儀器檢測信號與人體氣味感知強度之間的差距。在實際應(yīng)用中，GC-O常與香氣提取稀釋分析法（Aroma Extract Dilution Analysis，AEDA）聯(lián)用，以增強對微量活性香氣成分的識別能力。有研究采用溶劑輔助蒸餾萃取法從陜西勉縣紅茶中提取揮發(fā)性成分，并借助GC-MS/O技術(shù)和AEDA在優(yōu)化實驗條件下，從紅茶中鑒定出58種揮發(fā)性成分[3]。在GC-O技術(shù)的操作流程中，一般會采用稀釋法、檢測頻率法或強度法。然而，由于風(fēng)味物質(zhì)通常含量微小且穩(wěn)定性差，復(fù)雜的氣味構(gòu)成可能會加大嗅聞判斷分析的難度。此外，GC-O技術(shù)在對化合物精確結(jié)構(gòu)鑒定方面的能力相對有限。

2.4 電子鼻

電子鼻（Electronic Nose，E-nose）技術(shù)是一種模擬人類嗅覺的高效檢測方法，其關(guān)鍵在于利用化學(xué)傳感器陣列搭配先進的模式識別算法。當(dāng)揮發(fā)性分子與傳感器材料發(fā)生相互作用時，會導(dǎo)致傳感器的電導(dǎo)率、電阻或電容等物理屬性產(chǎn)生變化，這些變化被轉(zhuǎn)化為電子信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，再經(jīng)由模式識別算法，如主成分分析、線性判別分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等進行處理，從而實現(xiàn)對樣品香氣的定性與定量描述[5]。雖然E-nose技術(shù)在茶葉香氣分析領(lǐng)域顯示出巨大潛力，但其局限性也不容小覷。E-nose難以對復(fù)雜樣品中的每種揮發(fā)性成分進行詳盡的定性定量分析，因此通常需與高分辨率分析技術(shù)，如氣相色譜-質(zhì)譜、氣相色譜-嗅聞等聯(lián)合使用，以獲取更全面、更精準(zhǔn)的結(jié)果。

3 結(jié)語

綜上所述，不同的提取方法適用于不同類型的揮發(fā)性成分，然而，這些技術(shù)在實際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，未來的研究應(yīng)致力于開發(fā)更加高效、經(jīng)濟且環(huán)保的提取和監(jiān)測方法，以滿足茶葉產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]周虹余，王瑗媛，李法鑫，等.基于GC-O-MS評價芽葉型黃茶的香氣類型及其關(guān)鍵香氣組分的呈香貢獻(xiàn)[J].茶葉科學(xué)，2024，44（6）：985-1004.

[2]梁彩婷，榮驊，徐璐，等.基于HS-SPME-GC-MS分析寧州群體種和混合種制成的寧紅茶揮發(fā)性成分差異[J/OL].食品工業(yè)科技，1-22[2025-01-18].https：//doi.org/10.13386/j.issn1002-0306.2024070280.

[3]楊高中，趙燕，朱蔭，等.2023年茶葉加工品質(zhì)調(diào)控研究進展[J].中國茶葉，2024，46（11）：7-22.

[4]馬瑩，劉謝緣，王碧生，等.焙火工藝對白芽奇蘭茶葉揮發(fā)性香氣成分的影響[J].食品科學(xué)，2024，45（19）：123-129.

[5]邵淑賢，徐夢婷，林燕萍，等.基于電子鼻與HS-SPME-GC-MS技術(shù)對不同產(chǎn)地黃觀音烏龍茶香氣差異分析[J].食品科學(xué)，2023，44（4）：232-239.

[6]YUN J，CUI C，ZHANG S，et al.Use of headspace GC/MS combined with chemometric analysis to identify the geographic origins of black tea[J].Food Chemistry，2021，360：130033.

作者簡介：韓蕓（1997—），女，山東泰安人，本科，助理工程師。研究方向：食品檢測。