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        基于HS-PTR-TOF-MS技術(shù)的福建水仙產(chǎn)地識別模型

        2021-11-08 09:50:36吳偉華張丹丹陳榮平
        生物化工 2021年5期
        關(guān)鍵詞:水仙產(chǎn)地福建

        吳偉華,張丹丹,陳榮平

        (1.閩江師范高等??茖W(xué)校 化學(xué)與生物工程系,福建福州 350018;2.福建商學(xué)院,福建福州 350016;3.武夷山香江茶業(yè)有限公司,福建南平 354306)

        福建水仙茶是我國傳統(tǒng)的優(yōu)良茶種,屬烏龍茶類中的當(dāng)家品種,原產(chǎn)于福建省南平市建陽區(qū),茶樹已有千年歷史[1]。福建水仙茶素有“水仙茶質(zhì)美而味厚”“果奇香為諸茶冠”的美名[2],其中閩北水仙代表——武夷水仙,閩南水仙代表——永春水仙,閩西水仙代表——漳平水仙,以及因品質(zhì)優(yōu)良接連獲中國地理標(biāo)志保護(hù)產(chǎn)品的建陽水仙、建甌水仙[3],受到眾多消費(fèi)者的喜愛。

        質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜(PTR-TOF-MS)作為一種痕量揮發(fā)性有機(jī)物在線檢測技術(shù)已被運(yùn)用到很多領(lǐng)域[4],其中在揮發(fā)性氣體研究方面越來越受到重視。PTR-TOF-MS是一種軟電離技術(shù),碎片率較低,得到的質(zhì)譜圖非常清楚,易于識別,可進(jìn)行絕對量測定,并在秒量級的時間內(nèi)獲得ng/L量級的檢測靈敏度。

        本研究采用HS-PTR-TOF-MS技術(shù)對來自不同產(chǎn)地(閩北、閩南、閩西)的福建水仙進(jìn)行分析,并結(jié)合主成分分析和正交偏最小二乘判別分析建立不同產(chǎn)地的福建水仙識別模型,為福建水仙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

        1 材料與方法

        1.1 材料與儀器

        福建水仙的采集:依照國家標(biāo)準(zhǔn)《烏龍茶 第4部分:水仙》(GB/T 30357.4—2015),采集2020年春茶,分別為閩北水仙(武夷山縣)9個、閩南水仙(永春縣)9個、閩西水仙(漳平市)9個。

        PTR-TOF-MS1000型質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時間質(zhì)譜,奧地利Ionicon Analytik公司;G1888型頂空自動進(jìn)樣器,安捷倫公司;XB124型精密電子天平,上海精密公司;5182-0837型20ml帶蓋螺紋玻璃瓶,安捷倫公司。

        1.2 試驗方法

        (1)樣品制備。稱取1.0 g待檢樣品于20 mL頂空瓶中,用硅橡膠隔墊密封壓緊,鋁蓋封口,當(dāng)孵化器溫度為80 ℃時,頂空瓶放在孵化器中預(yù)熱30 min。

        (2)測試條件。進(jìn)樣量1.0 mL,漂移管電壓640 V,漂移管溫度80 ℃,漂移管壓力225 Pa,電場強(qiáng)度160 Td,漂移管中氣體流量45 Pa·m3/s,掃描范圍15 ~ 500m/z。

        每個樣品以每秒一張全譜圖的采集速率測量60 s,測量順序隨機(jī)。每個樣品連續(xù)掃描7次,取中間3次掃描質(zhì)譜數(shù)據(jù)的平均值。取一空瓶,在相同的條件下進(jìn)行檢測,連續(xù)掃描空氣7次,取后3次掃描質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,得空白平均值。樣品平均值減去空白平均值即得到進(jìn)行統(tǒng)計分析的HS-PTR-TOF-MS質(zhì)譜數(shù)據(jù),每個樣品獨(dú)立進(jìn)行3次試驗,取平均值,以提高數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。

        1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

        PTR-TOF-MS的數(shù)據(jù)處理包括固定時間校正、內(nèi)部校準(zhǔn)、提取質(zhì)荷比。茶葉樣品提取整數(shù)質(zhì)荷比的范圍在15~500,消除干擾離子(O2+、NO+和水簇離子)及其同位素的質(zhì)譜峰。

        采用SIMCA-p 14.1軟件(Umetrics AB, Umea,瑞典)進(jìn)行主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判別分析(OPLS-DA)。將所有質(zhì)譜峰的響應(yīng)值作為變量,所有的變量均以均值為中心,以Pareto為尺度,初步進(jìn)行主成分分析(PCA)。在PCA模型能識別3個產(chǎn)地福建水仙的前提下,進(jìn)行正交偏最小二乘判別分析(OPLS-DA),最終通過方差分析(Cross-Validate Residuals)和排列檢驗(Permutation Test)來評估OPLS-DA模型的穩(wěn)定性和有效性,利用VIP(變量對投影的影響)值和P值選出關(guān)鍵變量。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 利用主成分分析(PCA)對茶葉產(chǎn)地進(jìn)行分類

        PCA作為無監(jiān)督主成分分析,雖然無法用于找出特征變量,但可以作為初步區(qū)分識別模型用以提供不同產(chǎn)地茶葉的初步分類結(jié)果,同時也是后續(xù)建立OPLS-DA模型的前提條件。

        采用PCA模型識別不同產(chǎn)地福建水仙,PCA模型如圖1所示。從圖中可以看出,閩南水仙、閩北水仙和閩西水仙明顯分為3個區(qū)域,說明不同產(chǎn)地的福建水仙可以通過PCA模型進(jìn)行初步區(qū)分識別。模型參數(shù)[R2X(cum)=0.7784,Q2(cum)=0.7106]表明,前3種主成分總值(PCs)分別可以解釋和預(yù)測總變量的77.84%和71.06%。因此,PCA模型具有良好的擬合性和較高的樣本識別精度。

        圖1 PCA模型識別不同產(chǎn)地福建水仙情況

        2.2 利用OPLS-DA判別茶葉產(chǎn)地

        利用OPLS-DA模型識別不同產(chǎn)地的福建水仙中揮發(fā)性物質(zhì)的差異,OPLS-DA模型見圖2。模型參數(shù)[R2Y(cum)=0.8658,Q2(cum)=0.8229]表明,總變量的86.58%和82.29%可以分別解釋和預(yù)測不同產(chǎn)地福建水仙。模型P值經(jīng)CV-ANOVA顯著性檢驗為1×10-6,說明模型組間有顯著性差異(PCV-ANOVA<0.05)。200次排列檢驗結(jié)果為R2=-0.152和Q2=-0.369,表明模型穩(wěn)定有效,是一種很好的鑒別和預(yù)測茶葉原產(chǎn)地的工具。

        圖2 OPLS-DA模型識別不同產(chǎn)地福建水仙情況

        利用OPLS-DA模型選出VIP>1且P<0.05的質(zhì)譜峰作為模型識別的關(guān)鍵變量,共計有11個質(zhì)譜峰:m/z47.0495(乙醇)、m/z55.0471(丁二烯)、m/z67.0547(環(huán)戊二烯)、m/z71.0487(丁烯醇)、m/z75.0386(丙酸)、m/z83.0856(環(huán)己烯)、m/z84.1162(3-戊烯-2-酮)、m/z89.0463(乙酸乙酯)、m/z105.0369(甲硫基丙醛)、m/z116.2013(庚醇)以及m/z131.1068(庚酸)。

        3 結(jié)論

        本研究建立了不同產(chǎn)地的福建水仙的PCA和OPLS-DA模型。在PCA模型能初步區(qū)分不同產(chǎn)地福建水仙的前提下,運(yùn)用CV-ANOVA檢驗和Permutation Test對OPLS-DA模型的可信度進(jìn)行評估。結(jié)合VIP值>1且P值<0.05,選取11個質(zhì)譜峰作為影響不同產(chǎn)地判別的關(guān)鍵變量。這兩個模型通過相互驗證,增強(qiáng)了分析結(jié)論的有效性和可信性,PCA和OPLS-DA模型為福建水仙的產(chǎn)地區(qū)分提供了參考,可為福建水仙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

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