正山小种挥发性香气组成及其在多次沸水浸提下的释放规律研究

何理琴,王彩楠,倪 莉,陈福城,张 晨,张 雯,刘志彬

(福州大学食品科学技术研究所,福建省食品生物技术创新工程技术研究中心,福建 福州 350116)

0 引言

正山小种盛产于福建武夷山地区,它以茶叶的嫩叶或芽尖为原料,经充分发酵后再由松木熏制而成,是一种典型的红茶类别. 它具有香气浓郁、滋味丰富、耐泡度高的特点,在多次冲泡后依然保持较为强烈的香气.

茶叶的香气特征与其挥发性成分的组成有直接关系. 目前,已有大量的研究报道红茶的挥发性香气成分,其组成主要包括醇类、醛类、酸类、酯类、酮类、内酯、萜烯等[1]. 红茶种类较多,各类红茶的挥发性香气组分有一定差异,据Yao等[2]的研究表明,愈创木酚、4-甲基愈创木酚、4-乙基愈创木酚等为正山小种的特征性香气成分. 此外,茶叶的香气特征还与挥发性成分的释放情况有关. 在传统冲泡过程中,挥发性香气成分的释放通常与浸提时间、水温以及浸提次数等因素有关. 王华夫[3]探究了冲泡次数对祁门红茶和乌龙茶香气组成与香气成分总量的影响,结果表明在连续3次,每次5 min沸水浸提下红茶的香气成分所剩无几. 但对于正山小种的挥发性香气成分在多次沸水浸提下的释放规律,目前还鲜有报道.

基于此,本研究以正山小种为原料,经过连续12次沸水浸提分别获得其茶汤,然后采用顶空固相微萃取(HS-SPME)结合气相色谱质谱联用(GC-MS)技术分析正山小种的挥发性香气组成,及其在连续12次沸水浸提下香气成分的释放规律. 为了便于进行连续性比较,研究仅选取1种典型烟正山小种为代表进行分析.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

正山小种,福建武夷山国家级自然保护区正山茶业有限公司提供.

正构烷烃C7～C40购自美国o2si smart solutions公司； 氯化钠(分析纯)购自国药集团化学试剂有限公司； 2-辛醇(纯度： 98.0%)购自德国Dr Ehrensorfer公司.

1.2 仪器与设备

DF-1集热式磁力搅拌器,金坛市鑫诺实验仪器厂； SPME固相微萃取手柄,美国Supelco公司； 7890B 气相色谱 和5977A 质谱,美国安捷伦科技有限公司； BL150 电子天平,德国赛多利斯公司； 50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头,美国Supelco公司.

1.3 试验方法

1.3.1 茶汤的制备

称取5 g正山小种茶叶,浸没于100 mL沸水(95 ℃)1 min,然后用两层纱布过滤得到茶汤,记为NO01； 取过滤后的茶叶,重新浸没于100 mL沸水(95 ℃)1 min,然后用两层纱布再次过滤,得到茶汤,记为NO02； 依次共重复12次,获得标记为NO01～NO12的12份茶汤样品.

1.3.2 茶香气的萃取[4]

量取5.9 mL茶汤于15 mL样品瓶中,加入2 g NaCl和100 μL 2-辛醇(内标体积分数： 0.062 5 mL·L-1),并将萃取头插入到样品瓶的顶空部分,立即置于50 ℃水浴中平衡10 min,之后推出纤维头进行顶空吸附,萃取时间为40 min. 萃取结束后,立即将萃取头插入GC-MS进样口,同时开始运行程序,解析时间为5 min. 萃取头在萃取前事先插入GC-MS进样口,在250 ℃下老化30 min.

1.3.3 气相色谱-质谱条件[5]

色谱条件： 色谱柱 HP-5MS毛细管柱( 30 m×0.25 μm×0.25 mm )； 升温程序为起始温度50 ℃,保持6 min,以2 ℃·min-1升温至90 ℃,再以3 ℃·min-1升温至180 ℃； 进样口温度250 ℃； 分流进样,分流比20∶1(流量比)； 溶剂延迟时间3 min； 载气He(纯度： 99.999%).

质谱条件： 离子源温度230 ℃； 四级杆温度150 ℃； 扫描模式为全扫描； 质量扫描范围m/z为30～550.

1.3.4 物质鉴定

挥发性物质的鉴定结果以NIST11谱库检索、保留指数共同鉴定. 保留指数RI[5]根据以下公式计算得到.

式中：tx为目标化合物的保留时间；n和n+1分别为目标物流出前后正构烷烃的碳原子数；tn和tn+1为相应正构烷烃的保留时间,其中,tn

1.3.5 统计学分析

将12个样品的挥发性香气成分鉴定结果及其相对体积分数整理成一个数组矩阵,导入R语言(Version 3.3.2)进行主成分分析(PCA),以判断挥发性香气成分的聚类特征.

2 结果与讨论

2.1 精密度验证

对连续12次沸水浸提获得的正山小种茶汤, 在同一萃取条件下进行GC-MS分析. 对体积分数最高的前3种挥发性成分以及2-辛醇(内标)的保留时间进行分析,验证该方法的精密度,结果如表1所示. 由表1数据得4种挥发性成分保留时间的变异系数CV值分别为0.035%、0.017%、0.007%、0.046%,说明该方法有较高的精密度.

表1 挥发性成分保留时间的重复性

注： “-”表示未检出

2.2 正山小种挥发性香气成分的鉴定

图1 多次沸水浸提下正山小种挥发性成分的PCA分析Fig.1 PCA analysis of the volatile compounds of Lapsang Souchong under multiple times of boiling water infusing

采用HS-SPME/GC-MS对连续12次沸水浸提获得的正山小种茶汤的挥发性物质进行分析,共检出100种挥发性成分,结合NIST11谱库、保留指数对各成分进行物质鉴定,其化学名称、保留时间、保留指数和体积分数详见附录. 其中,酚类物质有27种(占总挥发性香气成分的36.514% )、醇类13种(占30.319%)、醛类20种(占17.351%)、酮类16种、烃类9种、呋喃类5种、酯类和内酯3种,含氮化合物3种、其他类别4种. 在所有挥发性香气成分中,体积分数最高的是香叶醇(占总挥发性香气成分的19.380%),其次为4-甲基愈创木酚(占6.672%),之后分别为4-乙基愈创木酚(占5.984%)、反式-2-己烯醛(占4.151%)、4-甲基苯酚(占3.573%)、苯甲醛(占2.705%)、正己醛(占2.690%).

2.3 PCA分析正山小种多次沸水浸提下的挥发性香气成分特征

基于GC-MS分析结果,对连续12次沸水浸提获得的正山小种茶汤的挥发性成分进行PCA分析,结果见图1. 其中第1主成分和第2主成分的贡献率分别为53.76%和16.98%,累积贡献率达到70.74%,因此用前2个主成分可基本解释正山小种红茶多次沸水浸提过程挥发性成分的总变异度. 由PCA图可知,12份正山小种茶汤样品被清晰地分成3组,这表明随着浸提次数的增加,正山小种挥发性香气成分的组成和体积分数发生显著变化,并具有一定的分布规律. 据此,将12份样品归为3类,分别标记为Group_1(NO01～NO03)、Group_2(NO04～NO07)、Group_3(NO08～NO12). Group_1分布于载荷图(PCA图)的左侧,Group-2位于PCA图中的下方,而Group-3位于PCA图的右侧偏上.

2.4 正山小种挥发性香气成分的释放规律

图2 多次沸水浸提下正山小种挥发性成分的数量及总体积分数Fig.2 Numbers and the total volume fraction of volatile compounds of Lapsang Souchong under multiple times of boiling water infusing

正山小种在连续12次沸水浸提下挥发性香气成分的数量和总体积分数变化过程见图2. 其中前3次浸提液的挥发性香气成分的数量较多,为80～84种,总体积分数也较高,为13.153～16.039 μL·L-1； 经4～7次浸提后,茶汤的挥发性香气成分数量降为40～60种,总体积分数为2.789～7.074 μL·L-1； 而第8～12次浸提后,茶汤的挥发性香气成分数量仅为13～27种,总体积分数也降至0.452～1.474 μL·L-1. 12次连续沸水浸提茶汤获得的挥发性香气成分数量和总体积分数的变化规律与PCA结果一致.

在正山小种茶汤中有较为丰富的挥发性酚类物质,其中体积分数最高的成分为： 4-甲基愈创木酚、4-乙基愈创木酚、4-甲基苯酚. 4-甲基愈创木酚、4-乙基愈创木酚等酚类物质是烟熏类食品典型的风味成分[6],带有独特烧焦的松香味[2]. 随着浸提次数的增加,这些酚类物质迅速减少. 例如,4-甲基愈创木酚从1.187 μL·L-1(Group_1)下降至0.230 μL·L-1(Group_2),最后仅剩0.006 μL·L-1(Group_3). 这表明正山小种中的挥发性酚类成分极易溶出,释放速度较快.

挥发性醇类物质在正山小种茶汤中也较丰富,其中体积分数最高的成分为香叶醇. 香叶醇呈玫瑰花香[7],主要形成于加工过程中的热处理阶段[8]. 随着浸提次数增加,香叶醇从2.383 μL·L-1(Group_1)下降为1.171 μL·L-1(Group_2),但最后依然有0.254 μL·L-1(Group_3). 在12次浸提过程中,香叶醇始终保持较高的水平,使得正山小种具有一定的“耐泡”特性.

在醛类物质中体积分数最高的前3种成分为反式-2-己烯醛、苯甲醛、正己醛,正己醛和反式-2-己烯醛是挥发性脂肪酸的衍生物,带有特殊的青草香,苯甲醛呈麦芽香. 随着浸提次数的增加,正己醛和苯甲醛逐渐减少,而反式-2-己烯醛则先增后减. 其中,正己醛从0.219 μL·L-1(Group_1)下降为0.151 μL·L-1(Group_2),但最后依然有0.082 μL·L-1(Group_3),经12次浸提后还保留约37.4%(体积分数)； 而反式-2-己烯醛从0.393 μL·L-1(Group_1)下降为0.282 μL·L-1(Group_2),但最后依然有0.098 μL·L-1(Group_3),经12次浸提后还保留约24.9%(体积分数). 这说明一些醛类物质在多次浸提后依然持续释放,使得茶汤依然具有一定香气.

与其他挥发性香气成分不同,随着浸提次数的增加,一些烃类物质的体积分数如蒽基本保持不变,从0.063 μL·L-1(Group_1)略降为0.062 μL·L-1(Group_2),但最后依然还有0.054 μL·L-1(Group_3). 这说明烃类物质较难浸出. 但烃类物质的香味阈值比较高,对香气的贡献较小.

3 结语

茶的挥发性成分是形成茶香气的基础,也是决定茶叶品质的关键影响因子之一. 经过连续12次沸水浸提,从正山小种茶汤中共鉴定出100种挥发性成分,主要为酚类、醇类、醛类. 随着浸提次数的增加,挥发性香气成分的数量与总体积分数呈先增后减的趋势,其总体积分数和峰数量分别在第2次和第3次浸提下达到最高. 具体而言,香叶醇、4-甲基愈创木酚、正己醛、4-甲基苯酚、苯甲醛的体积分数随着浸提次数的增加而逐渐减少； 而4-乙基愈创木酚、反式-2-己烯醛的体积分数则呈先增后减的趋势. 在经12次浸提后茶汤中正己醛还保留约37.4%(体积分数),反式-2-己烯醛还保留约24.9%(体积分数),香叶醇还保留约10.7%(体积分数). 基于主成分分析可知,前3次浸提茶汤获得的挥发性香气成分较为接近； 第4～7次浸提茶汤获得的挥发性香气成分较为接近； 第8～12次浸提茶汤获得的挥发性香气成分较为接近.

研究结果能够让饮茶者更加深入了解正山小种红茶在传统冲泡过程中香气的释放规律,同时也为正山小种工艺制作以及香精的开发提供基础数据. 而关于正山小种在多次沸水浸提下释放规律的具体原因及相关的机理尚不明确,有待后续进一步研究.