吳偉華,張丹丹,陳榮平
(1.閩江師范高等專科學校 化學與生物工程系,福建福州 350018;2.福建商學院,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,以及因品質優(yōu)良接連獲中國地理標志保護產(chǎn)品的建陽水仙、建甌水仙[3],受到眾多消費者的喜愛。
質子轉移反應飛行時間質譜(PTR-TOF-MS)作為一種痕量揮發(fā)性有機物在線檢測技術已被運用到很多領域[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,碎片率較低,得到的質譜圖非常清楚,易于識別,可進行絕對量測定,并在秒量級的時間內獲得ng/L量級的檢測靈敏度。
本研究采用HS-PTR-TOF-MS技術對來自不同產(chǎn)地(閩北、閩南、閩西)的福建水仙進行分析,并結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)展提供技術支持。
福建水仙的采集:依照國家標準《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型質子轉移反應飛行時間質譜,奧地利Ionicon Analytik公司;G1888型頂空自動進樣器,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)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,當孵化器溫度為80 ℃時,頂空瓶放在孵化器中預熱30 min。
(2)測試條件。進樣量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。每個樣品連續(xù)掃描7次,取中間3次掃描質譜數(shù)據(jù)的平均值。取一空瓶,在相同的條件下進行檢測,連續(xù)掃描空氣7次,取后3次掃描質譜數(shù)據(jù)進行平均,得空白平均值。樣品平均值減去空白平均值即得到進行統(tǒng)計分析的HS-PTR-TOF-MS質譜數(shù)據(jù),每個樣品獨立進行3次試驗,取平均值,以提高數(shù)據(jù)的精準度。
PTR-TOF-MS的數(shù)據(jù)處理包括固定時間校正、內部校準、提取質荷比。茶葉樣品提取整數(shù)質荷比的范圍在15~500,消除干擾離子(O2+、NO+和水簇離子)及其同位素的質譜峰。
采用SIMCA-p 14.1軟件(Umetrics AB, Umea,瑞典)進行主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘判別分析(OPLS-DA)。將所有質譜峰的響應值作為變量,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值選出關鍵變量。
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
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的質譜峰作為模型識別的關鍵變量,共計有11個質譜峰: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)。
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,運用CV-ANOVA檢驗和Permutation Test對OPLS-DA模型的可信度進行評估。結合VIP值>1且P值<0.05,選取11個質譜峰作為影響不同產(chǎn)地判別的關鍵變量。這兩個模型通過相互驗證,增強了分析結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)展提供技術支持。