基于多总体均值向量检验法的不同季节茶叶鉴别技术研究

刘淑媚，周巧仪，凌彩金，王秋霜

(广东省农业科学院茶叶研究所，广东省茶树资源创新利用重点实验室，广东广州 510640)

茶叶是山茶科植物山茶的叶芽，在我国有着悠久的饮茶历史，是世界三大饮料之首。近年来，国内外学者对茶叶的营养保健、防病治病等方面进行了一系列的研究[1-3]。茶叶具有抗衰老、抗疲劳、清除自由基、抗肿瘤等功能，这些生理功能与茶叶中含有多种营养物质和矿质元素有关。茶叶中富含500多种有机成分和矿质元素，其中具有营养价值的有机成分主要有茶多酚、咖啡碱、茶多糖等，还有多种维生素、氨基酸和矿物质元素[1]。构成这些化合物或以无机盐形式存在的基本元素50多种，其中矿质元素是Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn等。众所周知，矿质元素是参与调节人体生长发育和免疫过程的重要物质，在人体生理调节中起着重要的作用，摄入过多或缺少会引起人体生理功能障碍，因此饮用茶是获取这些矿物质元素的重要途径之一[4-5]。

总体服从多元正态分布的研究普遍存在于社会、经济及自然科学等领域。多元统计分析问题所涉及到的数据形式全部是随机向量或是随机矩阵。该问题的处理在医学、管理、经济、工业生产及科学试验研究等各领域的统计工作中都有广泛的应用价值[6-7]。例如，在进行统计分析时，通常需要同时对多个指标进行研究。这些指标可作为随机变量，随机变量间往往会存在一定的联系，因此需要把这些随机变量作为总体来进行研究，多元统计分析可解决这一问题。两正态总体均值向量检验法是多元统计分析方法中的一种。对于单个因素而言，利用t检验法可以得出满意的结果，但对于多因素作为总体进行分析判定时，t检验法并不能全面、准确地反映总体差异的问题。两正态总体均值向量检验法能够在多个目标对象、多个指标相互关联的情况下分析其统计规律，判断满足多元正态分布的总体的均值是否等于预判的向量，或者判断2个独立的、满足多元正态分布的总体的均值是否相等。两正态总体均值向量检验法多利用R软件实现检验方法中的各个步骤，然后根据计算得出的结果进行分析，得出结论，从而解决实际问题[8]。

对于茶叶中矿质元素及生化成分的研究，目前多数是利用平均值、t检验法进行分析比较[9-10]，但由此得出来的结果并不能全面准确地反映茶叶中物质的变化规律。为此，笔者通过测定春、秋两季茶叶中的矿质元素及生化成分含量，分别利用t检验法及两正态总体均值向量检验法对不同季节茶叶中6种矿质元素及常规生化成分的差异进行分析，为区分不同季节茶叶的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1材料

1.1.1试材。试验使用的英德红茶样本均由广东省农业科学院茶叶研究所提供。茶种为英红九号，茶样来源于英德茶叶试验基地，共44个样品。茶叶采摘标准为一芽二叶，茶样采摘、加工处理后密封贮存。试验样品的信息见表1。

表1 试验样品的信息

1.1.2试剂。Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、B、Cr、Cd、Pb标准溶液，由国家标准物质中心提供；磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、碱式醋酸铅、硫酸亚铁、酒石酸钾钠、硫酸、盐酸、茚三酮、氯化亚锡、蒽酮、盐酸、硝酸、高氯酸均为分析纯；试验用水为超纯水。

1.1.3仪器。TAS-990型原子吸收分光光度计(北京普析公司)；HWS-26型电热恒温水浴锅(上海一恒科技仪器有限公司)；AE 200型分析天平(上海梅特勒-托利多公司)；LNK-872型多功能快速消化器(江苏宜兴科教仪器研究所)，PHS-3C型pH计(上海雷磁仪器厂)；725N型紫外分光光度计(上海菁华科技仪器有限公司)。

1.2方法

1.2.1矿质元素测定。干法消解[11]处理茶叶样本：称取经粉碎过60目筛的茶样1.000 0 g(精确到0.000 1 g)，置于30 mL瓷器坩埚中，在加热板上碳化，直至样品冒完黑烟，盖上盖子，放入高温炉，于600 ℃灼烧6 h。冷却至室温后取出，往坩埚中加入少量水和1∶1盐酸2 mL，将此溶液转入20 mL比色管中定容至刻度，摇匀。将定容后的溶液过滤，得到试样液，备用。同法处理2份空白样品。采用原子吸收分光光度法测定茶叶样本中Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu 6种矿质元素的含量。

1.2.2生化成分测定。

1.2.2.1茶样准备。称取经粉碎过60目筛的样品1.000 g(精确至0.001 g)，放入250 mL锥形瓶中，加入90 mL沸水，浸提45 min，每10 min振荡1次。浸提完毕后，趁热过滤，待茶汤冷却至室温后加水定容至100 mL，备用。

1.2.2.2理化指标测定。水分含量采用快速水分测定仪进行测定；茶多酚含量测定采用福林酚法，按GB/T 8313—2008执行；游离氨基酸总量测定采用茚三酮比色法，按GB/T8314—2013执行；咖啡碱含量采用紫外分光光度法，按GB/T 8312—2013执行；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；水浸出物含量测定采用全量法，按GB/T8305—2013执行。

1.2.3两正态总体均值向量的检验。采用两正态总体方差均值法的检验模型，在显著水平α=0.01下判断春秋季节茶叶矿质元素或生化成分含量结果是否存在差异。记春季茶叶的矿质元素或生化成分测定结果的总体为X，并设X～N6(μ(1)，∑)；秋季茶叶测定结果的总体为Y，并设Y～N6(μ(2)，∑)，来自2个总体的样本容量n1=16、n2=29

检验：

H0:μ(1)=μ(2)，H1:μ(1)≠μ(2)

取检验统计量为：

对给定α=0.01，利用SAS 9.4统计软件进行分析。

1.2.4正态总体均值检验。采用SAS 9.4软件对春秋两季茶叶中矿质元素、生化成分进行差异性分析。

2 结果与分析

2.1矿质元素含量及差异性采用两正态总体方差均值法的检验模型，在显著水平α=0.01，通过SAS 9.4统计软件分析，结果显示，44个茶叶样品均含有Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu 6种矿质元素，以 6种矿质元素作为总体而言，春秋两季英德红茶的矿质元素含量存在显著差异。由表2可知，春、秋两季英德红茶中Ca、Mg含量较高，其次是Mn、Fe、Zn、Cu，这些矿质元素都是对人体健康有重要的营养保健价值。此外，英德红茶中的矿质元素含量存在季节性差异。Ca、Mg、Mn含量的季节性变化为秋季大于春季；Fe、Zn、Cu含量的季节性变化为春季大于秋季。春秋两季茶叶的矿质元素中Zn含量存在显著差异，其他元素含量无显著差异。

表2春、秋两季茶叶各元素含量均值检验

Table2Themeantestofthecontentofmineralelementsinteainspringandautumn

矿质元素Mineral element季节Season平均值Average value∥%标准差Standard deviationP值P-ValueCa春季3 062.64840.460.322秋季3 280.15607.33Mg春季1 831.51263.390.285秋季1 926.04288.98Fe春季86.4823.440.407秋季77.3240.00Mn春季457.27247.510.138秋季599.94328.64Zn春季36.6710.390.002**秋季27.877.05Cu春季23.459.570.240秋季20.437.26

注：**表示差异极显著(P<0.01)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)

2.2矿质元素相关性对春、秋两季茶叶中6种矿质元素进行相关分析，其相关系数及差异性结果见表3～4。由表3～4可见，春季英德红茶矿质元素中，Ca含量与Mg、Zn、Cu含量存在负相关关系，Mn含量与Zn、Cu含量存在负相关关系，但均不显著；Cu含量与Mg、Zn含量存在显著正相关关系。秋季英德红茶矿质元素中，Ca含量与Mg、Fe、Zn、Cu含量存在负相关关系，Cu含量与Mg、Mn含量存在负相关关系，但均不显著；Cu含量与Zn含量存在显著正相关关系。

表3春季茶叶矿质元素间的相关系数

Table3Correlationcoefficientsbetweenmineralelementsinspringtea

矿质元素Mineral elementCaMgFeMnZnCuCa1.000Mg-0.1831.000Fe0.1140.0701.000Mn0.0960.1900.2481.000Zn-0.4480.4940.013-0.1961.000Cu-0.1060.523*0.205-0.1250.851**1.000

注：**表示差异极显著(P<0.01)，*表示差异显著(P<0.05)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)，*showed significant differences(P<0.05)

2.3生化含量及差异性采用国家茶叶标准方法测定春、秋季英红九号红茶的常规生化成分含量，并对春、秋季英红九号红茶的茶多酚、氨基酸、咖啡碱、可溶性糖、水浸出物含量进行差异性分析。结果表明，水浸出物、茶多酚及氨基酸等5种常规成分含量作为总体进行分析，春秋两季茶叶中的生化成分含量存在极显著差异(P<0.01)。

表4秋季茶叶6种矿质元素间的相关系数

Table4Correlationcoefficientsbetweenmineralelementsinautumntea

矿质元素Mineral elementCaMgFeMnZnCuCa1.000Mg-0.0691.000Fe-0.3210.2571.000Mn0.2160.0290.1781.000Zn-0.2760.2290.2050.0151.000Cu-0.188-0.0450.004-0.0800.805**1.000

注：**表示差异极显著(P<0.01)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)

由表5可见，44个茶叶样品均含有茶多酚、氨基酸及可溶性糖等生化组分，其中春季茶叶中的游离氨基酸、可溶性糖及咖啡碱含量高于秋季；春秋两季的茶多酚、氨基酸及水浸出物含量存在显著差异。茶多酚、氨基酸是重要的滋味物质，其氨基酸含量越高，形成的茶叶则滋味鲜醇、香气也好[9]。

表5春、秋两季茶叶生化成分含量均值检验

Table5Themeantestofthecontentofbiochemicalcomponentsinspringandautumntea

生化成分Biochemical component季节Season平均值Average value∥%标准差Standard deviationP值P-Value水浸出物春季33.092.560.024*Water extract秋季35.692.87茶多酚春季12.391.640.000**Tea Polyphenols秋季15.863.25氨基酸春季3.320.640.002**Amino acids秋季2.840.40可溶性糖春季3.380.560.173Soluble sugar秋季3.360.28咖啡碱春季50.500.590.751Caffeine秋季46.674.98

注：**表示差异极显著(P<0.01)，*表示差异显著(P<0.05)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)，*showed significant differences(P<0.05)

2.4生化成分相关性由表6～7可见，春季英德红茶生化成分中，咖啡碱含量与可溶性糖含量存在显著的负相关关系；茶多酚含量与氨基酸、可溶性糖含量存在正相关关系，但不显著。秋季英德红茶生化成分中，氨基酸含量与茶多酚、咖啡碱含量均存在显著的负相关关系；茶多酚含量与可溶性糖、咖啡碱含量存在正相关关系，但不显著。

表6春季茶叶生化成分间的相关系数

Table6Correlationcoefficientsbetweenbiochemicalcomponentsinspringtea

生化成分Biochemical component茶多酚Tea polyphenols氨基酸Amino acids可溶性糖Soluble sugar咖啡碱Caffeine茶多酚Tea Polyphenols1.000氨基酸Amino acids0.1271.000可溶性糖Soluble sugar0.1800.0231.000咖啡碱Caffeine-0.348-0.373-0.582**1.000

注：**表示差异极显著(P<0.01)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)

表7秋季茶叶生化成分间的相关系数

Table7Correlationcoefficientsbetweenbiochemicalcomponentsinautumntea

生化成分Biochemical component茶多酚Tea polyphenols氨基酸Amino acids可溶性糖Soluble sugar咖啡碱Caffeine茶多酚Tea Polyphenols1.000氨基酸Amino acids-0.446*1.000可溶性糖Soluble sugar0.000-0.3911.000咖啡碱Caffeine0.089-0.590**-0.0551.000

注：**表示差异极显著(P<0.01)，*表示差异显著(P<0.05)

Note:** showed extremely significant differences(P<0.01)，*showed significant differences(P<0.05)

3 讨论

3.1矿质元素分析矿质元素中部分元素是生物机体生长发育过程中必需物质，当机体缺少某种矿质元素，机体将不能正常完成某些生存和繁育的过程[12-14]。茶树中必需元素为H、C、O、N、P、K、S、Ca，必需的微量元素为Mg、Mn、Cu、Fe、B、Si、Zn、Mo等，这些矿质元素在茶树生长发育过程中均起到重要的生理作用[5，15]。茶树在生长过程中选择性地从环境、土壤中富集多种矿质元素，种植茶树的土壤、环境气候及加工方法等因素会对茶叶中微量元素的含量存在一定的影响，不同季节间茶叶中微量元素含量会有一定差异，部分元素间差异显著。陈学文等[16]研究表明，岭头单丛茶叶在不同季节中均含有Ca、Mg、Fe、Zn等12种元素，其中Ca、Mg含量最高。不同季节的岭头单丛茶微量元素含量存在一定的差异，但是这些变化不管在哪个季节均呈现规律性变化，岭头单丛茶对微量元素的吸收和富集的大小规律并不会随季节的改变而发生变化。林琼等[17]研究也表明，不同季节苦丁茶微量元素含量存在一定差别，这与茶树在不同季节选择性吸收和富集微量元素有关。

该试验表明，英德红茶在春秋两季中均含有Ca、Mg、Mn、Fe、Zn、Cu 6种元素，对春秋两季间单种矿质元素的含量进行统计分析，除Zn元素外，其他元素均无显著差异。以6种元素作为总体而言，春秋两季英德红茶的矿质元素含量存在显著差异。虽然春秋两季茶叶中微量元素存在一定的差异，但是茶树对矿质元素吸收、富集的规律是一致的，从大到小依次为Ca、Mg、Mn、Fe、Zn、Cu。这说明了英德红茶对矿质元素的吸收与富集在春秋两季会有一定的差异，但对矿质元素富集比例并不会随着季节的变化而发生改变，这可能是季节的变化过程中，光照、雨水、湿度、温度、肥料[18]等外部环境的变化，导致茶树对矿质元素的生理需求及从种植土壤中吸收和富集矿质元素的种类和需要量也发生变化[19]。

该试验测定了6种矿质元素，春秋两季茶叶的Zn元素存在显著差异，其他元素均无显著差异。为了探究这6种元素之间的相关性关系，所以运用SAS软件分别对春季或秋季茶样中6种微量元素测定结果进行相关性分析。根据相关性分析结果显示，春季英德红茶中Ca含量与Mg、Zn、Cu含量存在负相关关系，Mn含量与Zn、Cu含量存在负相关关系，但差异均不显著；Cu含量与Mg、Zn含量存在显著正相关关系。秋季英德红茶中Cu含量与Zn含量存在显著正相关关系，结果表明茶叶微量元素间存在协同或者拮抗作用。冉登培[20]研究表明，不同的微量元素之间存在拮抗或协同作用，一些元素间存在正相关或者负相关性。有研究表明，在茶叶叶面喷施含Zn和Se等元素的营养液，随着营养液浓度的递增，茶叶中Se、Zn的浓度也明显递增。在一定喷施浓度下，Zn与Cu、Mn等元素表现出协同效应，但营养液浓度超过一定浓度后会表现为拮抗效应[13]。

3.2生化成分分析植物体内所含的有机成分含量会与所处地区的环境气候条件以及土壤环境存在一定的相关性。茶树喜温湿环境、耐阴，因此空气相对湿度、降水量、气温、光照等气候条件的变化，对茶树生长会产生较大的影响，影响茶叶的产量和品质[21]。气温高、日照强，茶树体内碳代谢水平会相对较高，氮代谢水平低，从而造成多酚类物质含量增加，氨基酸、维生素芳香物质等含量减少。从理论上分析，通过探明引起某一生化成分含量变化的环境调控因子以及所表现的变化类型即可对茶树品种进行生态型分类[22]。

茶叶水浸出物是茶叶中可溶于水的各种物质的总称，主要包括多酚类(包括水溶性色素)、游离氨基酸、可溶性糖、水溶维生素、水溶果胶、咖啡碱、水溶蛋白、无机盐等。该试验中，春秋两季的水浸出物含量平均值分别为33.09%、35.69%，水浸出物含量存在显著差异。春秋两季的茶多酚及氨基酸的含量存在差异。以常规生化成分作为总体而言，春秋间的生化成分存在显著差异(P<0.01)。说明不同季节间的生化成分含量存在差异，其原因可能是因为不同季节间的温湿、降雨量或土壤环境等的差异会影响茶树的生长发育情况，从而导致茶叶中生化成分发生差异。

4 结论

英德红茶富含茶多酚、氨基酸、Ca、Mg、Zn、Cu等营养物质，春秋两季英德红茶中矿质元素、生化成分含量存在一定差异。通过以矿质元素或生化成分含量作为整体，采用两正态总体均值向量检验法等分析方法进行统计分析可在一定程度上区分春、秋季节茶叶，为探究区分不同季节茶叶矿质元素或生化成分提供参考。

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