冉清連,伍 慶
貴州師范大學(xué) 山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室,貴州 貴陽 550001
抹茶(matcha)起源于魏晉時期,以采用覆蓋栽培的茶樹鮮葉經(jīng)蒸汽(或熱風(fēng))殺青后、干燥制成的葉片為原料,經(jīng)碾磨工藝加工而成的微粉狀茶CamelliasinensisL.產(chǎn)品[1]。作為藥用材料,在《神農(nóng)本草經(jīng)》中曾指出:“神農(nóng)嘗百草,日遇七十二毒,得茶而解之”。在《中國藥典》2015 年版第一部中藥相關(guān)中記載茶提取物可入藥,具有清利頭目、醒神健腦、化濁降脂作用,可用于胸悶氣短、倦怠乏力、精神不振、動脈粥樣硬化、腫瘤放療、化療所致的白細(xì)胞減少等病癥。現(xiàn)有病理學(xué)研究和臨床試驗表明,茶多酚是抹茶的主要生物活性成分,對各種癌癥具有保護作用[2-4]。抹茶中生物活性成分和多酚的含量是傳統(tǒng)綠茶的10 倍[5]被認(rèn)為是質(zhì)量最高的茶葉類型[6-7]。其中兒茶素類的含量越高,抗氧化活性就越高[8-9],并且抗炎和抗氧化以及化學(xué)預(yù)防活性是兒茶素類最重要的作用[10-14]。抹茶的化學(xué)成分包括十多類化合物。其主要成分為酚酸、多酚類化合物(包括兒茶素),以及氨基酸、蛋白質(zhì)和脂肪酸[15-20]。這些主要成分對改善血液循環(huán)、心血管疾病[21]、緩解壓力[22-24]、抗炎抗菌、降膽固醇[25]、調(diào)血脂、降血糖[26-27]等起到了很大的作用。課題組前期對抹茶的主要分布地區(qū)進(jìn)行了分析與調(diào)研,發(fā)現(xiàn)貴州的抹茶很受歡迎且有辨識度[29-36],因此收集了貴州5 個不同產(chǎn)地不同生長期的27 批抹茶樣品信息。本研究采用HPLC 法建立不同產(chǎn)地不同生長期抹茶的指紋圖譜,并測定其中11 個主要共有成分的含量,并結(jié)合化學(xué)模式識別法對抹茶的質(zhì)量進(jìn)行綜合評價,為其質(zhì)量控制及進(jìn)一步研究開發(fā)提供理論依據(jù),同時為貴州抹茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供決策依據(jù)。
沒食子酸(批號wkq9010307)、表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin-3-gallate,EGCG,批號wkq19041202)、咖啡堿(批號wkq19040910)、沒食子兒茶素沒食子酸酯(gallocatechin gallate,GCG,批號wkq9042610)、山柰酚(批號wkq9011609)、槲皮素(批號wkq19011509)對照品購于四川維克奇生物科技有限公司,兒茶素(批號110877-202005)、表兒茶素(批號110878-21703)對照品購于中國食品藥品鑒定研究院,表兒茶素沒食子酸酯(epicatechin gallate,ECG,批號K07J12R136470)、表沒食子兒茶素(epigallocatechin,EGC,批號K22N9R75650)購于上海源葉生物科技有限公司,蘆丁(批號IV1531841)購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。無水乙醇(分析純,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司),甲醇、乙腈(色譜純,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司),超純水(自制),其余試劑均為分析純。樣品由貴茶集團有限公司提供,經(jīng)貴州中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院魏升華教授鑒定為茶C.sinensisL.的加工品抹茶。具體來源見表1。
Agilent 1100、Agilent 1260 系列高效液相色譜儀(包括在線脫氣機、四元泵、自動進(jìn)樣器、DAD檢測器,美國),Agilent 色譜工作站(美國安捷倫科技有限公司),AL-204 型電子天平(瑞士梅特勒-托利多),移液管(0.1、0.5 mL),CH-250 型超聲波清洗機(北京創(chuàng)新德超聲電子研究所);Discovery DV215CD 型分析天平(上海奧豪斯儀器有限公司)。
2.1.1 對照品溶液的配制 取沒食子酸、EGC、兒茶素、咖啡堿、表兒茶素、EGCG、GCG、蘆丁、ECG、槲皮素、山柰酚適量,精密稱定,加甲醇溶解得質(zhì)量濃度為0.14、1.92、0.83、2.01、1.04、2.14、1.15、1.062、2.18、1.102、1.096 mg/mL 的對照品儲備液,精密取上述對照品儲備液適量用甲醇稀釋,分別得到0.003 0、0.774 0、0.058 3、0.850 7、0.105 6、2.201 9、0.019 1、0.051 1、6.911 0、0.000 9、0.000 5 mg/mL 的混合對照品溶液。
2.1.2 供試品溶液的制備 取各抹茶樣品粉末約0.5 g,精密稱定與100 mL 錐形瓶中,加入25 mL 70%甲醇溶液,超聲0.5 h,補足減失質(zhì)量,離心,取上層清液,過0.45 μm 有機相微孔濾膜,取續(xù)濾液作為供試品待上機。
Agilent Eclipse Plus C18色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),流動相為乙腈(A)-0.1%磷酸水溶液(B),梯度洗脫(0~13 min,6%~12% B;13~23 min,12%~17.5% B;23~31 min,17.5% B;31~36 min,17.5%~21.5% B;36~44 min,21.5%~25.5% B;44~55 min,25.5%~64% B;55~60 min,64%~70% B);體積流量1 mL/min;檢測波長278 nm;柱溫35 ℃;進(jìn)樣量10 μL。
為了更加全面、準(zhǔn)確地評價指紋圖譜方法在不同產(chǎn)地抹茶提取物中的應(yīng)用,不僅計算樣品中23 個共有峰的相對保留時間、相對峰面積的RSD 進(jìn)行評價,還通過中藥色譜指紋圖譜[37]相似度評價系統(tǒng)2004A 版軟件,進(jìn)行相似度計算,評價指紋圖譜方法學(xué)中精密度、穩(wěn)定性和重復(fù)性試驗。
2.3.1 精密度試驗 取S25 號的樣品按照“2.1.2”項下制備不同產(chǎn)地抹茶提取物的供試品溶液,并按照“2.2”項下的色譜條件,連續(xù)進(jìn)樣6 次,記錄抹茶提取物供試品中23 個共有峰各色譜峰的保留時間和峰面積。并對6 次的峰面積和保留時間進(jìn)行RSD 計算,23 個共有峰(F1~F23)的峰面積和保留時間及相對峰面積,RSD 均小于5%。
2.3.2 穩(wěn)定性試驗 取S25 號的樣品按照“2.1.2”項下制備不同產(chǎn)地抹茶提取物的供試品溶液,按照“2.2”項下的色譜條件,分別在0、2、4、8、12、24 h 進(jìn)行進(jìn)樣,記錄抹茶提取供試品中23 個共有峰各色譜峰的保留時間和峰面積,共有峰的相對保留時間、相對峰面積的RSD 均小于5%。
2.3.3 重復(fù)性試驗 取S25 號樣品按照“2.1.2”項下制備不同產(chǎn)地抹茶提取物供試品溶液平行制備6 份,按照“2.2”項下的色譜條件,進(jìn)樣測定,記錄抹茶提取物供試品中23 個共有峰各色譜峰的保留時間和峰面積。計算23 個共有峰的相對保留時間、相對峰面積,共有峰的相對保留時間、相對峰面積的RSD 均小于5%。結(jié)果表明,該方法重復(fù)性良好。
2.4.1 指紋圖譜的建立及共有峰的指認(rèn) 27 批不同產(chǎn)地抹茶樣品按“2.1.2”項下方法制備成供試品溶液,按照“2.2”項下色譜條件進(jìn)行分析,記錄色譜圖。將得到的27 批不同產(chǎn)地抹茶指紋圖譜以AIA 格式導(dǎo)入中藥色譜指紋圖譜相似度評價系統(tǒng)軟件(2004 版A),以S25 樣品為參照指紋圖譜,時間窗寬度設(shè)置為0.1 min,采用多點校正法自動匹配分析法建立指紋圖譜,平均數(shù)生成對照指紋圖譜,通過與對照品溶液圖譜比對,對共有峰進(jìn)行指認(rèn)。結(jié)果顯示,27 批抹茶的色譜圖中共匹配出23 個共有峰。通過混合對照品溶液圖譜比對,指認(rèn)出其中11 個共有峰,依次為沒食子酸(4 號峰)、EGC(6 號峰)、兒茶素(8 號峰)、咖啡堿(9 號峰)、表兒茶素(12 號峰)、EGCG(13 號峰)、GCG(14 號峰)、蘆丁(16 號峰)、ECG(17 號峰)、槲皮素(21 號峰)、山柰酚(22 號峰)。27 批不同產(chǎn)地的抹茶HPLC 疊加指紋圖譜和對照指紋圖譜(R)見圖1,混合對照品溶液、空白、樣品的HPLC 圖見圖2,共有模式指紋圖見圖3。
圖2 混合對照品 (A)、樣品 (B) 和溶劑空白 (C) 圖Fig.2 Diagram of mixed reference substance (A), sample(B) and solvent blank (C)
圖3 抹茶水提取物共有模式指紋圖譜Fig.3 Common pattern fingerprint of Matcha water extract
2.4.2 相似度分析 以生成的對照指紋圖譜為標(biāo)準(zhǔn),計算27 批不同產(chǎn)地抹茶提取物的相似度[38],分析結(jié)果見表2,樣品相似度為0.983~1.000,表明不同產(chǎn)地的抹茶之間成分組成差異小,指紋圖譜相對穩(wěn)定,可以用于綜合評價抹茶的整體質(zhì)量。
表2 抹茶提取物HPLC 指紋圖譜相似度分析結(jié)果Table 2 Similarity analysis results of HPLC fingerprint of Matcha extract
2.5.1 聚類分析 以27 批樣品中23 個共有峰峰面積為變量,導(dǎo)入SPSS 軟件,采用組間連接、平方歐氏距離法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析[39-40],結(jié)果如圖4 所示,當(dāng)歐氏距離為20 時,抹茶樣品可聚為4 類,S1~S3、S5、S7、S8、S10、S11、S13~S15、S17~S20、S22~S27 聚為第一類,樣品來自于江口和甕安,兩地經(jīng)緯度差不多,并且氣候都屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,表明2 地抹茶在質(zhì)量上較為相似;S9、S12、S16 聚為第2 類,抹茶樣品都來自貴陽市久安鄉(xiāng),海拔在1 100~1 146 m,表明同一地區(qū)抹茶在質(zhì)量上較為相似;S21 單獨聚為1 類,為思南抹茶樣品,表明S21 批抹茶樣品與其余批次抹茶樣品之間質(zhì)量上存在一定的差異;S4、S6 聚為第4 類,這兩批樣品均來自于鳳崗,并且采摘時間為同一年,表明同一時間同一地點抹茶樣品質(zhì)量上較為相似。
圖4 27 批抹茶樣品聚類分析圖Fig.4 Cluster analysis diagram of 27 batches of Matcha samples
2.5.2 主成分分析 主成分分析是最常用的多指標(biāo)線性降維和多變量分析方法[41-42]。該法可將原有眾多具有一定相關(guān)性的變量重新組會轉(zhuǎn)換成一組新的、相互無關(guān)的變量來代替原變量,轉(zhuǎn)換后的本組變量叫主成分,該分析方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于茶葉的品質(zhì)綜合評價與分類。以27 批抹茶指紋圖譜中23個共有峰的峰面積為變量,運用SPSS 軟件進(jìn)行主成分分析,以主成分特征值>1 為提取標(biāo)準(zhǔn)并生成因子得分系數(shù)矩陣。結(jié)果Bartlett 球形檢定顯著性P<0.000 1,說明拒絕變量相互獨立的假設(shè),即主成分分析成立,共提取得到7 個主成分,其累積方差貢獻(xiàn)率為83.767%,說明這7 個主成分可解釋原有變量83.767%的信息,即可用7 個主成分代替指紋圖譜23 個共有峰評價抹茶樣品。特征值及貢獻(xiàn)率見表3。
表3 特征值及方差貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvalue and variance contribution rate
因子載荷矩陣反映了各主成分與23 個共有峰即原始變量之間的相關(guān)系數(shù),結(jié)果見表4,第1 主成分主要反映了色譜峰1~4、6~10、12、16、19的信息,第2 主成分主要反映了色譜峰13 的信息,第3 主成分主要反映了色譜峰11、14、15、17、18的信息,第4 主成分主要反映了色譜峰5 的信息,第5 主成分主要反映了色譜峰20 的信息,第6 主成分主要反映了色譜峰21 的信息,第7 主成分主要反映了色譜峰22、23 的信息。
表4 因子載荷矩陣Table 4 Factor load matrix
運用SPSS 軟件計算27 批抹茶樣品的主成分得分,以各主成分對應(yīng)的貢獻(xiàn)率為權(quán)重系數(shù)計算綜合得分,并進(jìn)行排序,結(jié)果見表5。由表5 可知,S4、S6、S21、S14、S5、S1、S17、S11、S18、S20、S7、S2 和S25,其綜合得分均大于1,說明這13 個批次抹茶樣品質(zhì)量較好。
表5 27 批抹茶的主成分因子得分和排序Table 5 Principal component factor score and ranking of 27 batches of Matcha
以27 批抹茶HPLC 指紋圖譜的23 個共有峰峰面積為變量,導(dǎo)入SIMCA-P 14.1 分析軟件,經(jīng)分析生成得分矩陣圖見圖5。由得分矩陣圖可知,所有數(shù)據(jù)點均在95%置信區(qū)間內(nèi),江口、鳳崗、久安的抹茶均勻分布在橫軸的負(fù)半軸,甕安的抹茶均勻分布在橫軸的正半軸。說明同產(chǎn)地的抹茶重復(fù)性良好,不同產(chǎn)地抹茶澀味物質(zhì)存在一定區(qū)別。
圖5 27 批抹茶的主成分得分矩陣圖Fig.5 Principal component score matrix of 27 batches of Matcha
2.5.3 PLS-DA 分析 為了更好地體現(xiàn)組間差異,進(jìn)一步做了有監(jiān)督模式的PLS-DA 識別,并篩選出對組間差異貢獻(xiàn)率較大的成分。將27 批不同產(chǎn)地抹茶HPLC 指紋圖譜中23 個共有峰面積為變量導(dǎo)入SIMCA-P 14.1 軟件,進(jìn)行PLS-DA 建模分析[43],通過自動擬合建立模型。變量重要性投影(variable importance in projection,VIP)值是篩選差異化合物的重要指標(biāo),VIP 值越高,對組間差異的影響越大[44]。通過對VIP 值進(jìn)行分析,得到差異性標(biāo)記物的VIP 得分圖,見圖6,得分見表6,以VIP 值>1 為閾值,篩選出了8 個變量,按VIP值的大小依次排序為咖啡堿、EGCG、兒茶素、山柰酚、GCG、峰7、峰2、沒食子酸,這8 個成分在不同產(chǎn)地的抹茶中起到了重要作用,是其成分差異的主要標(biāo)志物。
圖6 抹茶23 個色譜峰的VIP 得分圖Fig.6 VIP score chart of 23 chromatographic peaks of Matcha
表6 抹茶23 個色譜峰的VIP 得分Table 6 VIP scores of 23 chromatographic peaks of Matcha
2.6.1 線性關(guān)系考察 精密吸取“2.1.1”項下沒食子酸、EGC、兒茶素、咖啡堿、表兒茶素、EGCG、GCG、蘆丁、ECG、槲皮素、山柰酚混合對照品1、3、5、10、15、20 μL,按“2.2”項下色譜條件分析,記錄峰面積。以對照品峰面積為縱坐標(biāo)(Y),進(jìn)樣量為橫坐標(biāo)(X)進(jìn)行線性回歸,得到的各物質(zhì)回歸方程分別為Y沒食子酸=2.716X+11.91(r=0.997),YECG=41.799X+434.01(r=0.994),Y兒茶素=127.34X-388.13(r=0.998),Y咖啡堿=2 502.9X-4 622.6(r=0.998),Y表兒茶素=1 414.1X-4 216.4(r=0.997),YEGCG=1 700.1X+4 538.2(r=0.999),YGCG=22.936X+58.742(r=0.997),Y蘆?。? 980.8X+10 286(r=0.998),YECG=1 667.6X-5 590.2(r=0.997),Y槲皮素=2.673 7X-2.661 6(r=0.999),Y山柰酚=4.243 8X-6.944 4(r=0.998)。
2.6.2 精密度試驗 精密吸取“2.1.1”項下混合對照品溶液10 μL,按“2.2”項下色譜條件連續(xù)進(jìn)樣6 次,按峰面積計算RSD 值。沒食子酸、EGC、兒茶素、咖啡堿、表兒茶素、EGCG、GCG、蘆丁、ECG、槲皮素、山柰酚的峰面積RSD 分別為3.06%、1.66%、2.41%、0.06%、0.60%、1.01%、1.61%、3.46%、0.28%、2.53%、1.38%。
2.6.3 重復(fù)性試驗 取同一批樣品(批號S26),按“2.1.1”項下方法分別平行制備6 份供試品溶液,按“2.2”項下色譜條件進(jìn)行分析。沒食子酸、EGC、兒茶素、咖啡堿、表兒茶素、EGCG、GCG、蘆丁、ECG、槲皮素、山柰酚含量的RSD 值分別為1.62%、1.70%、2.35%、1.12%、3.63%、3.92%、2.16%、3.21%、2.50%、1.54%、3.15%。
2.6.4 穩(wěn)定性試驗 取“2.1.1”項下制備的供試品溶液(S26),按“2.2”項下的色譜條件分別在0、2、4、8、12、24 h 進(jìn)樣測定,記錄色譜峰峰面積,沒食子酸、EGC、兒茶素、咖啡堿、表兒茶素、EGCG、GCG、蘆丁、ECG、槲皮素、山柰酚峰面積的RSD分別為1.50%、1.12%、1.66%、0.06%、0.99%、0.85%、0.26%、3.87%、1.55%、3.19%、3.20%。
2.6.5 加樣回收率試驗 取已測定的樣品(批號S26)適量,研細(xì),取0.25 g,精密稱定,置具塞錐形瓶中,分別精密加入一定量的沒食子酸、EGC、兒茶素、咖啡堿、表兒茶素、EGCG、GCG、蘆丁、ECG、槲皮素、山柰酚混合對照品儲備液,照“2.1.2”項下方法制得加樣供試品溶液,在“2.2”項下色譜條件進(jìn)行測定,測定各成分的含量,計算各成分的加樣回收率和RSD 值,結(jié)果沒食子酸、EGC、兒茶素、蘆丁、EGCG、ECG、GCG、表兒茶素、咖啡堿、槲皮素、山柰酚的平均回收率分別為99.43%、97.49%、96.91%、99.82%、96.69%、98.16%、97.62%、96.82%、97.85%、95.81%、97.75%,RSD值均小于5%。
2.6.6 樣品含量測定 27 批抹茶樣品粉末按照“2.1.2”項下方法制備供試品溶液,在“2.2”項下色譜條件進(jìn)行進(jìn)樣分析,測定11 個成分的峰面積,帶入直線回歸方程,計算各成分在樣品中質(zhì)量分?jǐn)?shù),結(jié)果見表7。
表7 27 批抹茶樣品中11 種成分含量檢測結(jié)果Table 7 Detection results of 11 components in 27 batches of Matcha samples
在供試品前處理方法考察時,本實驗考察了不同提取劑(50%甲醇、70%甲醇、99.5%甲醇、50%無水乙醇、70%無水乙醇、99.7%無水乙醇溶液),提取方法(超聲提取和加熱浸提),提取時間(15、30、60、90 min),提取次數(shù)(1、2、3、4 次),提取劑的體積(15、25、30、50 mL)對抹茶指紋圖譜提取效果的影響,以指紋圖譜色譜峰數(shù)量、峰型和分離度為指標(biāo),最終確定采用70%甲醇作為提取劑,25 mL 溶劑,超聲30 min,提取1 次,作為供試品溶液處理方法。在波長選擇時,因為本實驗采用二極管陣列檢測器,為了使色譜圖基線平穩(wěn),色譜峰信息豐富,及目標(biāo)化合物響應(yīng)值增高,選擇5 個波長記錄色譜圖,分別是220、270、278、330、360 nm;結(jié)果表明在278 nm 下的最大程度上全面展現(xiàn)目標(biāo)化合物的色譜峰信息,可滿足指紋圖譜建立要求,故本實驗選用278 nm 作為檢測波長。此外,該樣品化合物種類復(fù)雜,進(jìn)行了乙腈-水、甲醇-水,2個體系下的對色譜峰峰形以及分離度的考察,乙腈-水體系表現(xiàn)出的結(jié)果優(yōu)于甲醇-水體系,但峰形欠佳,所以考慮在水相中加入不同濃度的磷酸、甲酸、乙酸溶液,結(jié)果表明加入磷酸效果較好,各峰形有所改善,分離度也得到提高。所以本實驗采用乙腈-0.1%磷酸水溶液作為流動相。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)抹茶中化學(xué)成分復(fù)雜,單個成分含量差異較大,查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)與本實驗得出的結(jié)論大致相同。
本實驗對27 批不同產(chǎn)地抹茶指紋圖譜進(jìn)行研究,結(jié)合化學(xué)模式識別法分析,可以更加全面客觀地評價抹茶的質(zhì)量。在指紋圖譜相似度分析中,27批次樣品相似度均高于0.983,表明不同產(chǎn)地抹茶化學(xué)成分組成較為相似,但各批次樣品之間化學(xué)成分含量存在一定差異。聚類分析將抹茶樣品聚為4 類,大部分江口和甕安的樣品聚為一類;而思南的抹茶樣品單獨聚為一類,其原因可能是江口、甕安有著相同的亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,降雨量充沛,日照充足[45-46]等適合抹茶的生長條件,而思南地區(qū)相較于其氣溫較低,風(fēng)力較大,對抹茶生長條件和環(huán)境較為嚴(yán)苛,所以導(dǎo)致S21 抹茶與其余批次抹茶之間質(zhì)量上存在一定的差異,單獨聚為一類;S4、S6 聚為一類,在樣品研磨前處理過程中筆者發(fā)現(xiàn)這兩批樣品均出現(xiàn)研磨粒度較大的現(xiàn)象,推測這一現(xiàn)象可能與聚類分析結(jié)果有聯(lián)系。主成分分析確定產(chǎn)地為江口、甕安的抹茶質(zhì)量較好,且該生長與地區(qū)氣候、海拔、環(huán)境[47-48]等有關(guān)系,根據(jù)主成分分析排名可得出其與海拔關(guān)系較大。該實驗結(jié)果可以為后期研究提供參考價值。經(jīng)過PLS-DA 分析篩選出9、13、8、22、14、7、2、4 號峰為差異標(biāo)志物,經(jīng)比對,其中9 號峰為咖啡堿、13 號峰為EGCG、8 號峰為兒茶素、22 號峰為山柰酚、14 號峰為GCG、4 號峰為沒食子酸,其余差異標(biāo)志物還有待后續(xù)進(jìn)一步研究指認(rèn)。
本研究建立了貴州5 個不同產(chǎn)地抹茶的HPLC 指紋圖譜,確定了23 個共有峰,結(jié)合化學(xué)模式識別法確定貴州江口、甕安產(chǎn)地抹茶質(zhì)量較好,篩選出8 個差異標(biāo)志物,并測定了抹茶中11 個指標(biāo)成分的含量,有效補充了關(guān)于不同產(chǎn)地抹茶有效成分分析方向的空缺。所建方法準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好,可用于抹茶的質(zhì)量控制。最后本實驗對造成不同產(chǎn)地抹茶11 個指標(biāo)成分含量差異的因素進(jìn)行了討論分析,希望對今后抹茶產(chǎn)業(yè)的選育、開發(fā)利用提供參考價值。
利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突