金文剛，陳小華，耿敬章,姜鵬飛，裴金金

1(陜西理工大學 生物科學與工程學院，陜西 漢中，723001)2(大連工業(yè)大學 國家海洋食品工程技術研究中心，遼寧 大連，116034)

漢中市地處中國陜西南部，秦嶺-巴山之間得天獨厚的生態(tài)環(huán)境使其自古成為貢茶、名優(yōu)茶的知名產地，茶樹種植有4000多年的歷史[1-3]。漢中市有西鄉(xiāng)縣、南鄭縣、勉縣、寧強縣、鎮(zhèn)巴縣、城固縣、略陽縣、洋縣等8個產茶縣，茶園面積超過5.33萬hm2，總產量接近3萬t，產值超過20億元[1]。為了改變漢中市茶葉品牌多、亂、雜，市場知名度不高，產品競爭力不強的局面，漢中市政府將原有的“午子仙毫”、“定軍茗眉”、“寧強雀舌”等20多個品牌實行了“統(tǒng)一品名，統(tǒng)一工藝、統(tǒng)一標準”，整合為“漢中仙毫”一個綠茶品牌[2]。近年來，“漢中仙毫”先后獲得國家質檢總局認定的國家地理標志產品，中國茶葉區(qū)域公用品牌最具發(fā)展力品牌以及中國國際茶葉博覽會綠茶類金獎等榮譽，受到了國內外消費者的高度贊譽[2-3]。每年清明節(jié)前后，市場上“漢中仙毫”綠茶琳瑯滿目，銷售價格差異較大(600～4 000 元/kg)。如何對“漢中仙毫”產地質量進行客觀評估，對于維護消費者的知情權、經濟利益以及管理“漢中仙毫”品牌具有重要意義。

香氣物質是衡量茶葉品質的關鍵因子，對茶葉風味、等級評定及大眾消費導向等都具有重要作用[4-6]。人類已從茶葉揮發(fā)性成分中鑒定出的香氣物質多達700余種，主要包括醇類、醛類、酮類、酸類、酯類、酚類以及雜環(huán)類化合物等，這些成分構成了茶葉呈香的重要化學物質基礎[7-13]。目前，茶葉揮發(fā)性風味物質的分析方法已非常成熟，已報道的方法包括氣相色譜-質譜聯用(gas chromatograph-mass spectrometry,GC-MS)[8,12]、氣相色譜-嗅聞(gas chromatograph-olfactometry,GC-O)[12-13]、氣相-離子遷移譜(gas chromatograph-ion mobility spectrometer,GC-IMS)[7,9]等技術，結合固相微萃取、風味提取物稀釋、重組及感官分析可實現對茶葉揮發(fā)性氣味成分的定性、定量分析。與主流的GC-MS技術相比，GC-IMS是近年來出現的較新揮發(fā)性風味物質分離和檢測技術，該技術整合了氣相與離子遷移譜在分離和檢測方面的優(yōu)勢，具有樣品制備簡單、靈敏度高、分辨率高、操作簡便、分析高效和風味物質可視化等特點[7,9,14]，尤其適合食品中揮發(fā)性有機化合物的痕量分析與檢測，應用范圍和優(yōu)勢不斷被報道。

在茶葉揮發(fā)性風味物質方面，李俊杰等[9]采用GC-IMS結合頂空固相微萃取-氣質聯用技術，對手筑茯磚茶“發(fā)花”(發(fā)酵)和干燥過程中揮發(fā)性組分的變化進行分析，共檢測出7類共57種有機化合物，結合主成分分析可實現不同加工階段茯磚茶風味物質的區(qū)分;江津津等[15]利用GC-IMS技術對不同成熟期新會茶枝柑皮制得的4 種柑普茶揮發(fā)性風味物質進行了定性分析，發(fā)現芳樟醇、α-松油醇、香蘭素、α-蒎烯等化合物是柑普茶區(qū)別于其他普洱茶的特征風味化合物，可依據這類特征化合物的含量對新會柑普茶進行快速分類鑒別；JIN等[16]發(fā)現GC-IMS技術在福建烏龍茶風味鑒別中具有高度敏感性，可實現鐵觀音、大紅袍茶樣的產地區(qū)分。此外，有關利用GC-IMS技術對綠茶揮發(fā)性風味物質定性分析、指紋圖譜建立等研究也已被不斷報道[7,17-18]。上述相關研究為GC-IMS技術在不同品牌、種類和產地茶葉的揮發(fā)性風味物質定性分析、質量控制等方面積累了較好的研究基礎。

前期研究表明[11]，漢中炒青綠茶中共鑒定出66種香氣化合物，其中含量高的化合物有吲哚、2-乙?；?2-噻唑啉、茉莉酮、香葉醇、葫蘆巴內酯等；香氣特征分析顯示，漢中炒青的香氣特征以焦糖香氣為主，其次為花香氣、豆香氣和藥香氣，關鍵香氣化合物有芳樟醇、葫蘆巴內酯、吲哚、香草醛、α-紫羅酮和4-羥基-2,5-二甲基3(2H)呋喃酮等。此外，課題組還利用GC-MS和GC-O從漢中紅茶中分析出了73種香氣化合物，鑒定了24種關鍵香氣成分[12-13]。在不同產地茶葉風味物質方面，郭建軍等[8]采用頂空-固相微萃取和GC-MS技術分析了貴州不同產地綠茶的香氣組成，12種綠茶共鑒定出75種香氣化合物。然而漢中市不同產地的“漢中仙毫”綠茶揮發(fā)性氣味成分是否存在差異，尚未見相關報道?；诖?，本研究利用GC-IMS技術對漢中市5個主要綠茶產地(南鄭、鎮(zhèn)巴、西鄉(xiāng)、勉縣、寧強)清明節(jié)前制作的“漢中仙毫”綠茶氣味成分進行分析，旨在為今后“漢中仙毫”綠茶品質控制、產地質量區(qū)分與品牌管理提供理論和技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用“漢中仙毫”綠茶樣品，分別于2020年3月下旬至4月初采自陜西省漢中市5個縣區(qū)，由制茶師經攤放、殺青、揉捻和干燥標準工藝制作為市售一級商品綠茶，封口包裝后低溫運至實驗室于0～4 ℃下保藏，樣品信息見表1。

表1 不同產地“漢中仙毫”樣品信息Table 1 Sample information of Hanzhong Xianhao from different places

1.2 GC-IMS測試方法

1.2.1 頂空進樣條件

頂空孵化溫度90 ℃；孵化時間1 min；采用振蕩加熱方式加熱；頂空進樣針溫度95 ℃；進樣量500.0 μL，不分流模式；載氣：高純N2(純度≥99.99%)；清洗時間0.5 min。

1.2.2 GC條件

色譜柱溫度40 ℃；運行時間20 min；載氣：高純 N2(純度≥99.99%)；流速：初始 5.0 mL/min，保持 10 min 后在 5 min 內線性增至 150 mL/min。漂移管長度5 cm；管內線性電壓400 V/cm。

1.2.3 IMS條件

柱溫60 ℃；漂移氣：N2(純度≥99.99%)；流速150 mL/min；IMS 探測器溫度45 ℃；分析時間30 min。

每個產地“漢中仙毫”綠茶樣品精密稱取0.5 g，加入90 ℃熱水，放入20.0 mL頂空進樣瓶中，90 ℃孵化1 min，頂空進樣后用 FlavourSpec?風味分析儀直接測試，每個樣品做3個平行實驗，經 G.A.S 公司開發(fā)的軟件分析獲得樣品中揮發(fā)性有機物的差異譜圖；然后利用軟件自帶的NIST和IMS數據庫對氣味成分進行定性分析。

1.3 數據統(tǒng)計分析

利用風味儀LAV(laboratory analytical viewer)和 Reporter、Gallery Plot、Dynamic PCA三個插件分析數據結果，通過內置GC×IMS Library Search NIST數據庫和IMS數據庫對樣品氣味成分進行定性分析。

2 結果與分析

2.1 不同產地“漢中仙毫”茶湯GC-IMS氣味成分譜圖分析

利用FlavourSpec?風味分析儀，對來自漢中市南鎮(zhèn)區(qū)、勉縣、西鄉(xiāng)縣、鎮(zhèn)巴縣和寧強縣5個不同產地“漢中仙毫”沖泡后茶湯氣味成分進行了分析。圖1是由該儀器自帶LAV分析軟件中的Reporter插件程序獲得的不同產地“漢中仙毫”茶湯氣味成分3D譜圖。紅色垂直線表示離子峰，離子峰兩側的每個點代表1種揮發(fā)性有機物，顏色的深淺表示含量的高低。1種化合物可能會產生1、2個或多個斑點(代表單體、二聚體或三聚體)，具體取決于氣味濃度和性質[14]。從色彩觀察可知，5種不同產地“漢中仙毫”茶湯的GC-IMS三維譜圖非常相似，肉眼難以直觀進行區(qū)分(圖1)。

將圖1的三維GC-IMS譜圖投影到二維平面俯視圖見圖2，可直接進行不同產地“漢中仙毫”氣味物質成分的差異性對比分析。

圖1 不同產地“漢中仙毫”茶湯GC-IMS三維譜圖Fig.1 Three dimensional GC-IMS spectra of Hanzhong Xianhao tea infusion from different places注：圖中字母NZ、MX、ZB、XX和NQ代表茶葉樣品分別來自南鄭、勉縣、鎮(zhèn)巴、西鄉(xiāng)和寧強(下同)

a-原始譜圖；b-差異對比譜圖圖2 不同產地“漢中仙毫”茶湯GC-IMS二維譜圖Fig.2 Two dimensional GC-IMS spectra of Hanzhong Xianhao tea infusion from different places

由圖2可知，5個不同產地“漢中仙毫”綠茶樣品揮發(fā)性氣味成分可通過GC-IMS技術實現很好地分離，不同產地“漢中仙毫”綠茶沖泡后茶湯呈現出不同的GC-IMS特征譜信息，且不同產地“漢中仙毫”茶湯中部分氣味物質濃度出現升高或降低，顯示出了較明顯的差異(圖2-b中紅色框中所示)其原因可能是茶樹地理分布、海拔、生態(tài)環(huán)境、制茶工藝條件等因素造成，不同區(qū)域茶葉樣品揮發(fā)性成分含量的不同[7-8,16]。郭建軍等[8]利用GC-MS分析表明，貴州六大產茶區(qū)12種代表性綠茶揮發(fā)性風味物質也呈現出一定的差異性；林若川等[17]研究發(fā)現，通過GC-IMS技術可對綠茶樣品進行揮發(fā)性物質定性鑒別，并探討了該技術與GC-MS的優(yōu)缺點，指出GC-IMS技術具有樣品前處理簡單、快速的特點。

2.2 “漢中仙毫”GC-IMS揮發(fā)性氣味成分定性分析

通過比較特征性風味物質的保留時間和遷移時間，使用外標正酮C4-C9作為參考[14-16]，計算每種揮發(fā)性物質的保留指數，通過 GC-IMS 數據庫進行匹配,從而對揮發(fā)性氣味物質進行定性分析。圖3中顯示的數字、標記點代表定性分析出的一種揮發(fā)性氣味物質。根據軟件內置的NIST 2014氣相保留指數數據庫與G.A.S.的IMS遷移時間數據庫，可以明確定性的揮發(fā)性物質有61種單體及部分物質的二聚體，包括醛類30種、酮類12種、酯類7種、醇類6種、呋喃類4種和 酸類2種，其中鑒定的單體、二聚體的化學式和CAS號相同，僅形態(tài)不同，結果如表2所示，圖3中數字編號與表2中揮發(fā)性有機物質相互對應。

圖3 “漢中仙毫”茶湯揮發(fā)性氣味物質離子遷移譜定性分析Fig.3 IMS qualitative analysis of volatile compounds of Hanzhong Xianhao tea infusion

2.3 不同產地“漢中仙毫”茶湯氣味指紋圖譜

為了更直觀地對比不同產地“漢中仙毫”茶湯中揮發(fā)性氣味物質的差異性，選取每個產地茶湯樣品平行測試3次,獲得GC-IMS二維圖譜中所有待鑒定信號峰，生成不同產地“漢中仙毫”氣味物質指紋圖譜，如圖4所示。每1行代表一個樣品(從上至下分別為南鄭、勉縣、鎮(zhèn)巴、西鄉(xiāng)、寧強)，每1列代表不同樣品中相同的揮發(fā)性物質(紅色信號越深，表示該物質質量濃度相對越高)，指紋圖譜上有兩個相同名字的是單體和二聚體。不同產地“漢中仙毫”茶湯揮發(fā)性有機物質顯示出了較大差異(圖中紅色框區(qū)域)，其中“漢中仙毫”茶湯的揮發(fā)性氣味物質以酮類、醛類、酯類物質占主導。來源于南鄭產區(qū)的茶葉，苯甲酸甲酯、2,6-二甲基4-庚酮質量濃度相對較高；勉縣產區(qū)茶葉，2,5-二甲基呋喃、2-戊基呋喃、苯乙醛、正己醇、2-乙基呋喃、2-辛烯醛、丙酮質量濃度相對較高，而二甲基丁醛質量濃度最低；鎮(zhèn)巴產區(qū)茶葉，2,3-乙酰丙酮、2-己烯醛、2,4-二烯醛、2-戊酮質量濃度相對較高；西鄉(xiāng)產區(qū)茶葉，庚醛、正丁醛、甲基丙醛(單體、二聚體)、2-丁酮質量濃度相對較高；寧強產區(qū)茶葉，丁基丙酸、戊醛、甲基異丁基酮、乙酸乙酯、戊醇、1-辛烯-3-醇、3-辛醇、2-庚醇、(E)-2-庚烯醛質量濃度相對較高。這些關鍵揮發(fā)性風味化合物，可能對于不同產地“漢中仙毫”茶湯氣味物質具有一定影響。

表2 “漢中仙毫”茶湯中揮發(fā)性物質定性分析Table 2 Qualitative analysis of volatile compounds of Hanzhong Xianhao tea infusion

續(xù)表2

對西湖龍井綠茶的揮發(fā)性風味物質定性定量進行分析時，不同研究人員得到的實驗結果存在較大差異，不同產地茶葉或者同一類型茶葉揮發(fā)性風味物質，可能由于原料產地、加工方法等不同存在較大差異[19-20]。盡管本研究中通過GC-IMS只分析鑒定出“漢中仙毫”茶湯中61種風味化合物，還有29種化合物由于數據庫信息不完善沒有能夠定性，這也是GC-IMS技術在其他食品揮發(fā)性氣味物質分析的共同局限性[7,14,21-23]。

圖4 不同產地“漢中仙毫”茶湯氣味指紋譜圖Fig.4 Fingerprint of volatile organic compounds of Hanzhong Xianhao tea infusion from different places

2.4 不同產地“漢中仙毫”茶湯氣味物質主成分分析

有研究通過GC-IMS圖譜數據結合主成分分析，根據揮發(fā)性風味物質對不同產地水蜜桃[22]、羊肉[23]、黃酒[24]產地進行區(qū)分。目前，GC-IMS技術已經在茶葉揮發(fā)性風味物質分析中也顯示了一定的優(yōu)勢，可用于等級、產地和茶樹品種的鑒別、區(qū)分[7,16,18]。本研究根據“漢中仙毫”茶湯GC-IMS色譜數據，不同產地“漢中仙毫”揮發(fā)性氣味指紋圖譜，采用主成分分析探究其用于產地區(qū)分的可行性。由圖5可知，主成分1和主成分2累計貢獻率達到73%，同一產地“漢中仙毫”氣味物質譜圖數據大致聚集在一起，不同產地“漢中仙毫”可以較好地得到區(qū)分，且沒有明顯重疊區(qū)域，說明采用GC-IMS技術結合主成分分析，可實現不同產地“漢中仙毫”揮發(fā)性氣味成分的較好區(qū)分。

圖5 不同產地“漢中仙毫”茶湯氣味指紋主成分分析Fig.5 PCA score of fingerprint of volatile organic compounds in Hanzhong Xianhao tea infusion from different places

茶葉質量分類的不確定性，直接關系著茶農、加工銷售企業(yè)以及消費者經濟利益。不同產地、等級茶葉價格相差很大，因此亟需快速、準確、便捷的方法對茶葉的產地質量進行評估[25-26]。GC-IMS作為一種新興風味物質分析方法，具有響應迅速、操作簡單、快速、檢測結果準確等優(yōu)點。其基于氣相分離與離子遷移譜的聯用，克服了單一氣相色譜方法的不足，在離子遷移管中進行二次分離，可大大提高儀器分辨能力和靈敏度，可應用于大多數復雜體系中特征風味有機揮發(fā)組分的快速檢測、識別及指紋圖譜可視化等[14,21]。有報道發(fā)現，GC-IMS技術在福建烏龍茶風味鑒別中具有高度敏感性，可實現鐵觀音、大紅袍茶樣的產地區(qū)分[16]。本研究發(fā)現GC-IMS指紋圖譜可用于不同產地“漢中仙毫”的較好區(qū)分，與文獻報道中利用GC-IMS結合主成分分析，鑒定不同等級、產地、區(qū)域綠茶揮發(fā)性風味物質基本一致[7,16,18]。

3 結論

采用GC-IMS技術對不同產地“漢中仙毫”茶湯揮發(fā)性氣味物質進行分析，共分析鑒定了61種揮發(fā)性有機化合物，包括一些物質的二聚體?！皾h中仙毫”茶湯的揮發(fā)性氣味物質主要包括醛類30種、酮類12種、酯類7種、醇類6種、呋喃類4種和酸類2種。來源于南鄭產區(qū)的茶葉，苯甲酸甲酯、2,6-二甲基4-庚酮質量濃度相對較高；來源于勉縣的茶葉，2,5-二甲基呋喃、2-戊基呋喃、苯乙醛、正己醇、2-乙基呋喃、2-辛烯醛、丙酮質量濃度相對較高，而二甲基丁醛質量濃度最低；來源于鎮(zhèn)巴產區(qū)的茶葉，2,3-乙酰丙酮、2-己烯醛、2,4-二烯醛、2-戊酮質量濃度相對較高；來源于西鄉(xiāng)產區(qū)的茶葉，庚醛、正丁醛、甲基丙醛(單體、二聚體)、2-丁酮質量濃度相對較高；來源于寧強產區(qū)的茶葉，丁基丙酸、戊醛、甲基異丁基酮、乙酸乙酯、戊醇、1-辛烯-3-醇、3-辛醇、2-庚醇、(E)-2-庚烯醛質量濃度相對較高。這些關鍵的揮發(fā)性風味化合物，可能對于不同產地“漢中仙毫”茶湯氣味產生重要影響。不同產地“漢中仙毫”茶湯揮發(fā)性氣味成分氣相-離子遷移譜呈現出一定差異，通過主成分分析可較好地實現產地區(qū)分。本研究獲得了“漢中仙毫”揮發(fā)性氣味成分的指紋圖譜，可視化呈現出了不同產地“漢中仙毫”氣味物質的差異，對今后“漢中仙毫”品質控制、產地區(qū)分與品牌管理提供了參考。