羅 艷，阮俊翔，蘇志恒，林 翠，覃 楊（廣西醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，廣西南寧530021）

FTIR結(jié)合主成分分析鑒別不同年份六堡茶

羅 艷，阮俊翔，蘇志恒*，林 翠，覃 楊
（廣西醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，廣西南寧530021）

采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）法結(jié)合主成分分析鑒別不同儲(chǔ)存年份的六堡茶，并找出其化學(xué)組分差異，為鑒別不同儲(chǔ)存年份六堡茶提供快速無(wú)損的方法。通過(guò)采集5個(gè)不同年份六堡茶的紅外光譜，利用一階導(dǎo)數(shù)重構(gòu)紅外圖譜，建立主成分分析鑒別模型，并提取出模型的載荷因子。結(jié)果表明：樣本在主成分空間中區(qū)分為不同的類別，基本實(shí)現(xiàn)不同年份六堡茶的鑒別。載荷因子分析顯示，5個(gè)年份六堡茶化學(xué)組成的差異主要體現(xiàn)在茶多酚、咖啡堿及氨基酸3類物質(zhì)成分含量的不同。本法可以快速、無(wú)損地鑒別不同年份的六堡茶，并且能反映不同年份六堡茶主要成分組成的差異。

六堡茶，紅外光譜，主成分分析，載荷因子分析

六堡茶是中國(guó)的歷史名茶，因其原產(chǎn)于廣西梧州市蒼梧縣六堡鄉(xiāng)而得名，在清代康熙十三年六堡茶列為全國(guó)名茶，現(xiàn)為廣西特產(chǎn)之一，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷港澳臺(tái)和東南亞等地[1]。六堡茶是后發(fā)酵茶，屬于類似普洱茶的黑茶。近年來(lái)，隨著人們對(duì)黑茶的重新認(rèn)識(shí)，六堡茶迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，陳年優(yōu)質(zhì)的六堡茶價(jià)格不斷攀升[2]。另外，六堡茶有生茶、熟茶之分。生茶是新鮮的茶葉采摘后以自然的方式陳放，未經(jīng)過(guò)渥堆發(fā)酵處理的茶，其茶性較烈、刺激，新制或陳放不久的生茶具有強(qiáng)烈的苦味，且富含茶多酚，具有較好的抗氧化、防輻射作用。熟茶是經(jīng)過(guò)人工渥堆發(fā)酵處理的茶，其茶性溫和，并在酶的作用下產(chǎn)生了不少新的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此在普通茶的基礎(chǔ)上，具備了更多的功效，如：降脂、降血壓、抗動(dòng)脈硬化等[3]。然而，目前市面上六堡茶的銷售相對(duì)較為混亂，不同年份的生茶和熟茶通過(guò)肉眼難以鑒別，以次充好現(xiàn)象較為普遍，不同檔次的六堡茶缺乏有效的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。

傅里葉變換紅外光譜（FTIR）法具有用樣少、耗費(fèi)少、快速和無(wú)需提取與分離等優(yōu)點(diǎn)，可科學(xué)、準(zhǔn)確、快速地鑒別樣品，已被廣泛應(yīng)用于中藥質(zhì)量控制研究[4-5]。此外，利用FTIR技術(shù)對(duì)同種不同檔次茶葉及不同儲(chǔ)存年份進(jìn)行了鑒別，取得較為滿意的結(jié)果[6-9]。本文通過(guò)利用傅里葉變換紅外光譜儀檢測(cè)不同年份六堡茶的紅外光譜，并通過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，建立主成分分析化學(xué)計(jì)量模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同年份六堡茶的有效鑒別，以期對(duì)不同的茶葉品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)區(qū)分。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

六堡茶 取5個(gè)不同年份六堡茶生茶、熟茶（2008年、2009年、2010年、2011年、2012年）共10批樣品，原產(chǎn)地為廣西梧州市六堡鎮(zhèn)；溴化鉀 分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

Spectrum100型傅里葉變換紅外光譜儀（分辨率為4cm-1，掃描范圍為4000～400cm-1） 美國(guó)PerkinElmer公司；YP-2型壓片機(jī) 上海山岳科學(xué)儀器有限公司；AL204型電子天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備 分別取5個(gè)不同年份六堡茶的茶葉樣品，放置在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)40℃下干燥12h至恒重。將干燥后的待測(cè)茶葉放入磨碎機(jī)內(nèi)粉碎后取出過(guò)120目篩，制成細(xì)粉儲(chǔ)存于干燥器中備用。1.2.2 紅外光譜測(cè)定及數(shù)據(jù)處理 準(zhǔn)確稱量2mg樣品，按1∶100的比例加入溴化鉀，紅外燈下研磨至均勻，壓片，制成均勻透明的樣品片，以溴化鉀為背景進(jìn)行掃描，掃描次數(shù)為16次，每個(gè)批次制備10個(gè)樣品片。

1.3 數(shù)據(jù)處理

原始光譜經(jīng)一階導(dǎo)數(shù)、九點(diǎn)平滑處理，將預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件Simca-p中，繪制主成分分析結(jié)果圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年份六堡茶的紅外光譜

從圖1a和圖1b可以看出，生茶和熟茶的紅外光譜圖存在著明顯的差異，六堡茶中主要含有茶多酚、氨基酸、咖啡堿、茶多糖、黃酮化合物等成分，生茶中茶多酚和咖啡堿的含量很高，而熟茶因經(jīng)過(guò)發(fā)酵，茶多酚等在發(fā)酵過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)化，含量銳減。然而，不同年份的生茶之間的紅外光譜圖（見(jiàn)圖1a）比較相似，肉眼無(wú)法對(duì)它們進(jìn)行有效識(shí)別，不同年份的熟茶之間也存在相同的情況（見(jiàn)圖1b），需要通過(guò)化學(xué)計(jì)量方法建立模型，深入發(fā)掘內(nèi)在的差異，達(dá)到有效鑒別的目的。

2.2 主成分分析模型鑒別不同年份六堡茶

為了從復(fù)雜的光譜信息中深入發(fā)掘分析對(duì)象的內(nèi)在差異，必須對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，主成分分析（PCA）[10-12]是常用的有效降維方法，它可使原始變量線性組合成一組新的變量，即一組主成分，僅用部分主成分就可表達(dá)原有變量的主要信息。本文選取波段3500～2800cm-1和1800～600cm-1作為指紋特征光譜分析區(qū)域，建立主成分分析模型進(jìn)行分析，R2X和Q2是PCA模型的重要參數(shù)，用來(lái)評(píng)價(jià)模型質(zhì)量，R2X反映模型得到的主成分對(duì)x變量的解釋程度，Q2值則代表模型的預(yù)測(cè)能力，其中R2X越接近1表示模型越穩(wěn)定，Q2＞0.5表示預(yù)測(cè)率高。

圖1 不同年份六堡茶生茶和熟茶的紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of crude and ripened liubao tea in different years

圖2 PCA分析不同年份六堡茶生茶和熟茶樣品的分布散點(diǎn)圖Fig.2 PCA of crude and ripened liubao tea sample distribution scatter plot in different years

2.2.1 同一類型不同年份六堡茶的鑒別 圖2（a）、圖2（b）分別是5個(gè)年份六堡茶生茶、熟茶的紅外光譜經(jīng)過(guò)主成分分析后，主成分PC1、PC2、PC3得分的二維散點(diǎn)圖。生茶樣品中主成分PC1、PC2、PC3累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到87.5%，熟茶樣品中前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為75.7%，能反映樣本絕大部分原始光譜信息。5個(gè)年份的六堡茶樣本在主成分空間中呈帶狀分布，各年份樣本處于相對(duì)獨(dú)立的空間，不同年份來(lái)源的樣本基本得到有效區(qū)分（對(duì)于5個(gè)年份六堡茶區(qū)分所建立的PCA模型中，R2X為0.999，Q2為0.997，表明該模型對(duì)變量具有很好的解釋能力）。

2.2.2 同一年份不同類型六堡茶的鑒別 各個(gè)年份的生茶與熟茶比較中前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率均達(dá)到80%以上，能反映樣本絕大部分原始光譜信息。以2008年生茶及熟茶樣品為例，由圖3可以看出，同一年份不同類型（生茶、熟茶）的六堡茶樣本在主成分空間中呈帶狀分布，處于相對(duì)獨(dú)立的空間，同一年份六堡茶的生茶、熟茶樣本基本得到有效區(qū)分（對(duì)于同一年份不同類型六堡茶區(qū)分所建立的PCA模型中，R2X為0.999，Q2為0.997，表明該模型對(duì)變量具有很好的解釋能力）。

圖3 PCA分析2008年六堡茶生茶和熟茶樣品的分布散點(diǎn)圖Fig.3 PCA of crude and ripened liubao tea sample distribution scatter plot in 2008

2.3 PCA鑒別模型載荷因子分析

載荷因子是主成分分析中重要變量貢獻(xiàn)的集合，載荷因子圖譜可以具體顯示某個(gè)變量對(duì)主成分的貢獻(xiàn)。為了從主成分分析模型中獲取更多樣品化學(xué)組成差異的信息，提取PCA模型的載荷因子，繪制載荷因子圖譜（見(jiàn)圖4）。在PCA模型中，PC1是最主要成分，貢獻(xiàn)率最大，因此，探討PC1的載荷即可說(shuō)明不同六堡茶樣本化學(xué)成分的差異。

從圖4（a）中對(duì)生茶的載荷因子提取中可以看到，對(duì)組間差異影響較大的峰有1684、1652、1642、1424、1351、797、677cm-1，1684、1652、1642cm-1為酰胺I帶吸收峰，1424、1351cm-1為酰胺III帶吸收峰，900～600cm-1主要為多糖的吸收區(qū)。

由圖4（b）中對(duì)熟茶的載荷因子提取可以看到，對(duì)組間差異影響較大的峰有3431、1766、1674、1595、1468、1360、1165cm-1，3431cm-1為-NH的伸縮振動(dòng)峰，1766、1674cm-1為酰胺I帶吸收，1595、1468cm-1為苯環(huán)骨架振動(dòng)，1360cm-1為酰胺III帶吸收，1165cm-1為叔醇C-O的吸收。

從圖4（c）對(duì)2008年生茶熟茶比較的載荷因子提取中可知，對(duì)組間差異影響較大的峰有3375、2864、1655、1519、1421、1240、1152、1039、898cm-1，3375cm-1為-NH的伸縮振動(dòng)峰，2864cm-1是苯環(huán)上=C-H伸縮振動(dòng)，1655cm-1為酰胺I帶吸收峰，1519、1421cm-1為酰胺III帶吸收峰，1240cm-1是酚類，1152cm-1為叔醇C-O的吸收，1039cm-1為伯醇C-O的吸收[13]。

圖4 不同年份生茶、熟茶PCA鑒別模型的載荷因子Fig.4 The loading factors of PCA identification model of crude and ripened liubao tea sample in different years

以上這些結(jié)構(gòu)特征與六堡茶中主要成分茶多酚、咖啡堿及氨基酸有關(guān)，隨著發(fā)酵程度的增加茶多酚和咖啡堿的含量明顯降低，與文獻(xiàn)報(bào)道相一致[14]。

茶葉的紅外光譜特征是其化學(xué)成分中含何種官能團(tuán)的疊加，不同樣品在組成上的差異程度可通過(guò)紅外光譜特征體現(xiàn)出來(lái)。因此，對(duì)茶葉化學(xué)成分有影響的外界因素，如：加工方法、儲(chǔ)存年份等可以從各自的紅外光譜上反映出其差異性。將紅外光譜與現(xiàn)代化學(xué)計(jì)量學(xué)，如主成分分析、聚類分析、偏最小二乘法等方法相結(jié)合，可以深入挖掘茶葉原始光譜中潛在的化學(xué)成分差異信息，起到對(duì)茶葉品質(zhì)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)和鑒別的作用。

3 結(jié)論

紅外光譜結(jié)合主成分分析法可以快速、無(wú)損地鑒別不同年份的六堡茶，并且能反映不同年份六堡茶主要成分組成的差異。本文通過(guò)建立PCA模型，對(duì)5種不同年份的六堡茶的傅里葉變換紅外光譜進(jìn)行了主成分分析，樣本在主成分空間中可區(qū)分聚集為5個(gè)不同的類別，基本實(shí)現(xiàn)不同年份六堡茶的初步區(qū)別。載荷因子分析顯示，5個(gè)年份六堡茶樣本化學(xué)組成的差異主要體現(xiàn)在茶多酚、咖啡堿及氨基酸3類物質(zhì)成分含量的不同這一方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為茶葉的品質(zhì)評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

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Discrimination of liubao tea by FTIR and principal component analysis

LUO Yan，RUAN Jun-xiang，SU Zhi-heng*，LIN Cui，QIN Yang
（College of Pharmacology，Guangxi Medical University，Nanning 530021，China）

To discriminate liubao tea from different storage years，explore the difference of chemical components and establish a rapid and non-destructive method for the discrimination of liubao tea from different storage years，fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）combined with principal component analysis was utilized in this study.Liubao tea samples from five different storage years were collected for FTIR analysis，the raw infrared spectra of the samples were processed by the first derivative，the data was used to establish a discriminated model by means of principal component analysis，and the loading factors were extracted from the established model.As a result，discrimination of liubao tea from different storage years was observed in score plots.In the loading plot，it demonstrated that chemical discrimination of liubao tea from five different storage years was correlated to the contents of polyphenols，caffeine and amino acid.This study indicated that discrimination of liubao tea from five different years was achieved rapidly and non-destructively，and difference of chemical composition in different years could be characterized by the strategy of FTIR analysis combined with principal component analysis.

liubaotea；fourier trans for minfrareds pectroscopy；principal componen tanalysis；loading facto ranalysis

TS201.1

A

1002-0306（2014）12-0055-04

10.13386/j.issn1002-0306.2014.12.002

2013－09－02 *通訊聯(lián)系人

羅艷（1977-），女，碩士研究生，講師，主要從事儀器分析工作方面的研究。

2012年廣西壯族自治區(qū)教育廳大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題（02610212031）。