基于主成分分析和聚类分析方法评价宝庆桂丁绿茶品质特性

雷亚兰，周志梅，李 瑾，唐 瀚，杜邵龙,,

（1.湖南师范大学化学化工学院，湖南长沙 410083；2.湖南兴盛茶业科技有限公司，湖南邵阳 422900；3.邵阳市农业科学院茶叶研究所，湖南邵阳 422502）

宝庆桂丁茶，又称桂丁茶，是湖南省新邵县特有的茶树品种，也是湖南省优良的地方茶树品种。据《湖南通志》和《宝庆府志》的记载，宝庆桂丁绿茶具有香高而味浓、隔夜不馊和外形似桂等独特的品质和外形[1]，曾经进贡明清两朝长达520多年[2]。近年来，在当地政府的高度重视下，宝庆桂丁茶产业得到一定的发展，并多次荣获“中绿杯”、“茶祖神农杯”和“潇湘杯”等茶叶评选活动金奖。

目前，茶叶品质的评价方法主要是感官评定法，但感官评定法受到感官评定员专业性、感官阈值和感官疲劳等不可控因素干扰[3]。茶叶的生化成分是形成茶叶品质的物质基础，其含量与组成对茶汤滋味和香气等内在品质的形成具有重要影响。虽然茶叶品质的理化检测技术较成熟，检测结果较准确、客观，但理化检测只能检测茶叶成分的种类、含量，结果比较单一，而茶叶品质是茶叶中各生化成分相互配合、彼此协调的综合反映，故单纯的理化检测并不能全面反映茶叶的品质状况[4]。多年来，许多茶叶科研人员采用主成分分析和聚类分析法等多元统计分析方法，建立绿茶中生化成分的含量和感官评定值之间的关联关系，以期实现更客观、准确、快捷的茶叶品质评判。赵华富[5]、张洁[6]、郝麒麟[7]、刘盼盼[8]和桂安辉[9]等分别利用主成分分析和聚类分析法分别对贵州绿茶、信阳绿茶、重庆绿茶、珠型绿茶和扁形绿茶进行茶叶品质的综合评价或分类比较。目前关于主成分分析和聚类分析法在茶叶研究的应用尚处于定性分析和样本聚类（Q型聚类）方面，关于定量化的生化成分与感官品质之间的关联关系和变量聚类（R型聚类）还未见报道。

茶叶各生化成分的含量受茶树品种、季节及自然环境等影响较大，不同季节茶叶各生化成分的含量存在明显的差异和一定的变化规律[10-12]。生化成分含量的变化，对绿茶的适制性将存在一定的差异[13]。目前，关于宝庆桂丁绿茶的生化成分分析和品质评价还未见报道，尚不明确宝庆桂丁绿茶品质生化成分的含量与组成特点以及随季节的变化情况，因而不利于对宝庆桂丁绿茶的品种选育，也不能从分子水平上阐明宝庆桂丁绿茶的品质特征。故本研究以不同季节宝庆桂丁绿茶样品为研究对象，在感官评定的基础上，测定了宝庆桂丁绿茶中主要生化成分的含量。利用主成分分析和聚类分析法进行数据降维和类群划分，并建立了宝庆桂丁绿茶品质评价模型。旨在通过了解宝庆桂丁绿茶生化成分含量特点以及类群之间的差异性，建立生化成分含量及组成与外在感官品质的关联关系，确定宝庆桂丁茶的关键生化成分含量指标，为宝庆桂丁绿茶的品种选育和资源开发利用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

不同季节的桂丁茶鲜叶 均采自湖南兴盛茶业科技有限公司，位于新邵县巨口铺镇的野生桂丁茶基地，采摘时间为2020年3～8月份，采摘标准为一芽一叶，按照潇湘茶 潇湘绿茶加工技术规程[14]经过萎凋、杀青、揉捻和烘干等工序制成的宝庆桂丁绿茶，密封后常温避光保存，样品信息见表1；乙醇、乙腈、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、冰醋酸、三氟乙酸 国产色谱纯；福林酚、蒽酮、Na2CO3、乙酸乙酯、浓硫酸均为国产分析纯；儿茶素标准品 美国Sigma公司；10% ACCQ 美国Waters公司；超纯水 采用实验室Millipore纯水仪制备。

表1 宝庆桂丁绿茶样品信息Table 1 Samples information of Baoqing guiding green tea

LC-20AT高效液相色谱仪、紫外分光光度计、ECOSIL-C18色谱柱 日本岛津公司；AE240型电子天平 瑞士Mettler公司；TagTM氨基酸分析色谱柱美国Waters公司；旋转蒸发仪 瑞士Buchi公司；101-3AB 型电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司；DK-S28型电热恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 茶叶感官品质审评方法 按照GB/T 23776-2018《茶叶感官审评方法》中的绿茶审评法[15]，由5名专业审评人员分别对茶样的外形、汤色、香气、滋味和叶底进行密码审评，评定标准和评分系数见表2。每个因子按总分100分打分，茶样评定的总得分和内质得分为各个因子的单项得分乘以评分系数之和，见式（1）和式（2）。茶样的最终感官评定得分为取5名专业审评人员得分的平均分。

表2 宝庆桂丁绿茶感官评定标准和评分系数Table 2 Sensory evaluation standards and score coefficients of Baoqing guiding green tea

1.2.2 理化检测 水浸出物：参照GB/T 8305-2013方法[16]；游离氨基酸：参照GB/T 8314-2013高效液相色谱法[17]；茶多酚和儿茶素含量的测定：参照GB/T 8313-2018[18]；咖啡碱的测定：参照GB/T 8312-2013紫外分光光度计法[19]；可溶性糖的测定：苯酚-硫酸法[20]。

1.2.3 儿茶素品质指数 儿茶素品质指数的计算如式（3）[21]。

式中：EGCG为表没食子儿茶素没食子酸酯（epigallocatechin gallate）的含量，%；ECG为表儿茶素没食子酸酯（epicatechin gallate）的含量，%；EGC为表没食子儿茶素（epigallocatechin）的含量，%。

1.2.4 数据标准化 采用公式（4）对宝庆桂丁绿茶的11个理化成分检测数据进行标准化处理，获得第i个绿茶样品的第j项指标（xij）的标准化值Zscore（Xij），其中j为全部样品第j项理化成分数据的平均值，σj为第j项理化检测数据的标准差。

1.2.5 主成分分析 采用ZScore标准化法进行原始数据无量纲化处理后，利用主成分分析提取因子，计算各绿茶样品理化数据的特征值以及方差贡献率。采用因子所对应的方差贡献率为权重，最后将因子得分和对应的权重系数进行加权求和，计算得到各绿茶样品的内质的综合得分。

1.3 数据处理

本研究采用Microsoft Excel 2019进行数据统计分析，采用IBM SPSS Statistics 26.0软件进行方差分析、主成分分析和聚类分析，并用Origin pro 2019软件绘图。

2 结果与分析

2.1 宝庆桂丁绿茶的感官评定结果

对2020年宝庆桂丁绿茶进行感官评定，结果见表3。从整体上看，宝庆桂丁绿茶具有“外形紧细、卷曲；汤色嫩绿明亮；香气花香栗香交融、清新高远；滋味浓醇、回甘明显；叶底嫩芽完整、匀整明亮”的品质特征，其香气和滋味具有典型地域特色。宝庆桂丁绿茶感官评定的各项平均得分除叶底得分（88.56分）外都在90分以上，这主要是宝庆桂丁绿茶为野生采集，因山高路远，人工采摘后需要几个小时才能送至加工，因此容易出现一些红梗现象，导致叶底得分偏低。

由表3可知，不同季节宝庆桂丁绿茶品质中的外形和内质评分存在着显著的差异。春茶（1～10号茶样）的外形评分最高，夏茶（11～20号茶样）和秋茶（21～30 号茶样）的外形评分差异不显著（P＞0.05）；春茶的香气和叶底评分最高，其次是夏茶，秋茶的评分最低，三者差异显著（P＜0.05）；春茶和夏茶的滋味评分差异不显著（P＞0.05），秋茶的滋味评分最低，且与春茶和夏茶差异显著（P＜0.05）；春茶的叶底评分最高，秋茶次之，夏茶最低，三者差异显著（P＜0.05）。因此，综合评价宝庆桂丁绿茶的总体得分和内质得分，春茶最高，夏茶次之，秋茶最低。这与大多数茶叶品种秋茶优于夏茶的研究结果[22-23]有一定的差异，这与宝庆桂丁绿茶的生化成分含量与组成有关。

表3 宝庆桂丁绿茶感官评定结果Table 3 Sensory quality of Baoqing guiding green tea

2.2 宝庆桂丁绿茶的生化成分分析

对30个宝庆桂丁绿茶样品进行了水浸出物、茶多酚、氨基酸总量、咖啡碱和儿茶素组成等主要生化成分含量进行了分析检测，结果见表3～表5。

从表4的结果可以看出，宝庆桂丁绿茶中氨基酸和可溶性糖的含量春茶最高，夏茶次之，秋茶最低；而水浸出物、茶多酚和咖啡碱的含量夏茶最高，春茶次之，秋茶最低。宝庆桂丁绿茶的水浸出物含量为44.77%至49.17%，茶多酚含量为22.49%至26.84%，咖啡碱含量为4.89%至5.93%，氨基酸含量为2.88%至5.84%，可溶性糖含量为4.16%至7.02%。常硕其等[24]认为适制优质绿茶的茶树品种具有如下要求：一是水浸出物含量在40%左右，二是氨基酸含量接近或超过4.0%，三是茶多酚含量25%左右，酚氨比为6～8。湖南茶叶学会发布的《湘西黄金茶 绿茶》团体标准[25]中特级标准为水浸出物超过38%，游离氨基酸超过4.5%。宝庆桂丁绿茶符合名优绿茶高水浸出物、高氨基酸、低酚氨比，适中茶多酚的生化特征。儿茶素组成方面，EGC含量为0.64%～2.61%，DL-C含量为0.18%至0.93%，EC含量为0.26%至0.67%，EGCG含量为 7.49%至 9.59%，GCG含量为 3.54%至 5.51%，ECG含量为 0.39%至 1.72%。宝庆桂丁绿茶中EGCG的含量最高达到9.59%，平均EGCG含量为8.59%，远远高于郑红发[26]报道的全国主栽品种EGCG平均含量（6.87%），也高于所有取样地茶叶中最高的湖南东山峰EGCG平均含量（8.22%），属于高EGCG茶叶品种。

从表5中可以看出，水浸出物和咖啡碱含量春季和秋季差异不显著（P＞0.05），但与夏季存在显著差异（P＜0.05）；茶多酚、氨基酸、酚氨比和可溶性糖春夏秋三季间都存在显著差异（P＜0.05）。这说明春夏秋三季的宝庆桂丁绿茶在品质成分含量方面具有明显差异。

表5 宝庆桂丁绿茶生化成分含量方差分析Table 5 ANOVA of content of biochemical components in Baoqing guiding green tea

从表6中可以看出，宝庆桂丁绿茶春夏秋三季儿茶素总量平均值分别为17.18%、17.49%和16.47%，春季和夏季差异不大，秋季最低。茶叶品质不仅与儿茶素总量有关，还与儿茶素组分的配比有关，配比适中，茶汤滋味更醇和。儿茶素品质指数是表达绿茶品质的经验参数，一般认为儿茶素品质指数愈大，则鲜叶嫩度和品质愈好，绿茶质量愈高[27]。宝庆桂丁绿茶春夏秋三季的儿茶素品质指数平均值分别为1134.67、520.96和365.50，儿茶素品质指数季节变化为春茶＞夏茶＞秋茶，与黄秀琼等[12]对保靖黄金茶的研究结果相似。

表6 宝庆桂丁绿茶儿茶素组成结果Table 6 Content of catechins in Baoqing guiding green tea

从宝庆桂丁绿茶的生化成分含量与组成可以看出，宝庆桂丁绿茶夏茶中茶多酚的含量明显低于相关文献[12,27]报道的夏茶平均值（30.83%），仅有24.16～26.84%，而氨基酸含量3.31%～4.41%明显高于前述文献报道的夏茶平均值（2.25%）。茶多酚在春末夏初的增加，氨基酸含量的降低，被认为是夏季绿茶苦涩味形成的主要原因[28]。秋茶中各项生化成分的含量都低于春茶和夏茶。因此，在宝庆桂丁绿茶感官评定中夏茶的滋味得分接近春茶，而高于秋茶，导致了宝庆桂丁绿茶感官评定结果与相关文献报道出现了一定的差异。

茶树为多年生植物，且呈现季节轮次性生产，不同的生产季节，其代谢特征有较大的差异。一般认为较低的温度有利于氮素代谢，促进氨基酸等氮代谢产物的合成与积累，而较高的温度有利于茶树碳代谢，有利于茶多酚含量的提高[29]。而且，在茶树生产发育过程中，不同叶位的生化成分含量易受叶片嫩度影响，EGCG、咖啡碱和氨基酸等含量都随叶位增加而呈现下降趋势，即叶片越嫩含量越高[30]。邵阳市属典型的中亚热带湿润季风气候，四季分明，光热充足，雨水充沛，且雨热同季。春季平均气温在10～20 ℃之间，气温适中，碳代谢和氮代谢都比较旺盛，因此，氨基酸含量高，茶多酚含量适中，在感官上呈现滋味鲜爽，香气馥郁浓烈；而夏季平均气温上升到30 ℃左右，碳代谢加剧而氮代谢受到抑制，因此，茶多酚含量高而氨基酸含量低，成品茶苦涩味重；秋季的气温介于春季和夏季之间，雨量减少，特别是茶树历经春、夏两季采收后，营养亏缺，因此，秋茶内含物质贫乏，茶叶滋味淡薄。

2.3 主成分分析

本研究选取30个样品，利用SPSS 26.0对宝庆桂丁绿茶中的水浸出物、茶多酚、咖啡因、氨基酸、可溶性糖和主要儿茶素含量为指标进行主成分分析。

2.3.1 宝庆桂丁绿茶生化成分间的相关性分析 茶叶色、香、味、形的形成与茶叶中品质成分的含量多少和比例密切相关，但各品质成分与茶叶品质之间的关联并不是简单的单调增减关系，而是存在复杂的相互作用[26]。本研究对宝庆桂丁绿茶生化成分含量进行相关性分析，结果见表6。

从表7的结果可以看出，各生化成分之间存在着显著的相关性。其中，水浸出物与茶多酚、咖啡碱以及 D-LC、EC、GCG 极显著相关（P＜0.01）；茶多酚与氨基酸、ECG、EGCG、GCG和EGC极显著相关（P＜0.01），与咖啡碱、可溶性糖显著相关（P＜0.05）；咖啡碱与 D-LC、EC极显著相关（P＜0.01），与 GCG显著相关（P＜0.05）；可溶性糖与氨基酸、EGC、DLC、EC、EGCG、ECG 极显著相关（P＜0.01）；氨基酸与儿茶素组成极显著相关（P＜0.01）。儿茶素组成方面，EGC与 DL-C、EC、EGCG、ECG极显著相关（P＜0.01），与 GCG 显著相关（P＜0.05）；DL-C 与 EC、EGCG、ECG 极显著相关（P＜0.01）；EC 与 EGCG 极显著相关（P＜0.01）；EGCG与 ECG极显著相关（P＜0.01），与 GCG 显著相关（P＜0.05）； GCG 与 ECG极显著相关（P＜0.01）。本研究相关性分析结果与陈义等[26]对信阳毛尖的研究结果基本吻合。根据各因子间相关性得出，各生化成分在反映感官品质信息时存在一定的重叠，即本试验适合主成分分析。

2.3.2 主成分分析结果 以30个样品的11个主要生化成分含量，利用SPSS26.0软件对其进行了主成分分析，结果见表8～表9。由表8可知，第1主成分的贡献率为54.282%，第2主成分的贡献率为31.024%，第3主成分的贡献率为4.563%，前3个主成分的累积贡献率为89.869%，超过85%，可解释宝庆桂丁绿茶内在品质的大部分信息，因此选择前3个主成分对宝庆桂丁绿茶的内在品质进行分析。

从表9的结果可以看出，对第1主成分贡献较大的是茶多酚、可溶性糖、氨基酸、EGC、DL-C、EGCG、GCG和ECG，其中可溶性糖、氨基酸、DLC、EGCG和ECG具有较大的正载荷量，茶多酚、EGC和GCG具有较大的负载荷量。绿茶茶汤苦涩味（收敛性）几乎全部由儿茶素引起，鲜味主要来自于氨基酸，甜味主要来自于可溶性糖，鲜爽回甘收敛性强是绿茶的本韵，因此将该主成分定义为“本韵因子”，其回归方程为：

表9 成分矩阵Table 9 Component matrix

对第2主成分贡献较大的是水浸出物、茶多酚、EC和GCG，都具有较大的正载荷量。水浸出物反映了茶叶中可溶于水物质的多少，影响茶汤的厚薄、滋味的浓强程度。茶多酚是茶叶中多酚类物质的总称，这些多酚类物质大多具有苦味和涩味。茶多酚对绿茶滋味品质的影响较为复杂，但由于其含量高，是决定茶汤浓度的主要物质，因此，将该主成分定义为“浓郁因子”，其回归方程为：

对第3主成分贡献较大的是咖啡碱，具有较大的正载荷量。咖啡碱一般具有苦味，且阈值低，味137 mg/kg（25 ℃），是茶汤呈现苦味的主要物质。氨基酸对咖啡碱的苦味有消减作用，而茶多酚对咖啡碱的苦味有增强作用。因此，将该主成分定义为“苦味因子”，其回归方程为：

根据不同主成分的特征值和贡献率，主成分得分F的计算式为：

F=0.543F1+0.310F2+0.046F3

为了验证该模型评价宝庆桂丁绿茶品质的可行性，我们对30个样品的模型得分和内质（汤色、香气和滋味）审评结果进行了比较，结果见表10和图1。从图1的结果可以看出，模型计算得分与内质审评结果之间有很好的一致性，呈现出良好的线性关系，决定系数R2为0.965。这说明主成分分析法在对数据进行降维处理的过程中保留了绝大部分的信息，不会出现明显的失真，能够较为全面客观地反映宝庆桂丁绿茶的品质优劣性。

图1 主成分分析模型的校验Fig.1 Verification of PCA model

表10 主成分的特征向量Table 10 Characteristic eigenvectors of each principal component

主成分分析得分图已被广泛应用于反映样品与品质指标之间的关系[26-30]。由图2～图3可以看出，根据PC1、PC2和PC3的得分情况，大致可以分三个部分：其中，春茶样品（1～10号）均在PC1的正向区间（第一象限和第四象限），说明这些样品中的氨基酸、可溶性糖和儿茶素含量较高，茶多酚和咖啡碱的含量适中，茶汤鲜爽回甘浓郁，因此春茶的品质较优，排名靠前；夏茶样品（11～20号）均位于 PC2和PC3的正向区间（第一象限和第二象限），说明这些样品的水浸出物和茶多酚含量较高，茶汤较浓郁，因此，排名也相对靠前；秋茶样品（21～30号）位于PC1和PC2的负向区间（第三象限和第四象限），说明秋茶中的品质成分都较低，茶汤寡淡，因此，排名最后。

图2 宝庆桂丁绿茶主成分分析PC1、PC2得分图Fig.2 PC1 versus PC2 score plot for Baoqing guiding green tea

图3 宝庆桂丁绿茶主成分分析PC1、PC3得分图Fig.3 PC1 versus PC3 score plot for Baoqing guiding green tea

2.4 宝庆桂丁绿茶品质的聚类分析

本研究在主成分分析的基础上，采用系统聚类分析法对宝庆桂丁绿茶的11项生化成分含量指标进行R型聚类，聚类方法采用组间联接法，聚类区间为皮尔逊相关性；对宝庆桂丁茶的30个茶样进行Q型聚类，聚类方法为瓦尔德法，聚类区间为平方欧式距离，结果见图4和图5。

图4 宝庆桂丁绿茶R型聚类分析图Fig.4 R-type cluster analysis chart of Baoqing guiding green tea

图5 宝庆桂丁绿茶Q型聚类分析图Fig.5 Q-type cluster analysis chart of Baoqing guiding green tea

如图4所示，当距离为10时，可以将宝庆桂丁绿茶生化成分含量指标分为4个大类，第1类为氨基酸、可溶性糖、EGCG、ECG和DL-C；第2类为水浸出物和咖啡碱；第3类为茶多酚、GCG和EGC；第4类为EC。结合主成分载荷分析结果，第1类指标是第1主成分的正载荷量，也就是说这些指标值越大，模型评价得分越高，宝庆桂丁绿茶的品质越好。结合相关文献报道[31-32]，最终确定氨基酸、可溶性糖、EGCG、ECG为综合评价宝庆桂丁绿茶品质优劣的关键性指标。

如图5所示，当欧氏距离为5时，30个样品聚集为2类群：第1类群为1～12号茶样，该类群绿茶的采制时间在小满节气之前，主要特征是氨基酸、可溶性糖、EGCG、ECG和儿茶素品质指数高于总体的平均值，而酚氨比低于总体的平均值，因此，在感官上呈现滋味鲜爽，收敛性好，回甘明显，综合品质高；第2类群为13～30号茶样，为夏秋茶，综合品质开始下降。而当欧氏距离为1时，第1类群可进一步分为2个亚类群：第1亚类群为1～9号茶样，采制时间为谷雨之前，主要特征是氨基酸含量大于5%，可溶性糖大于6.1%，EGCG含量大于9%；第2亚类群为10～12号茶样，采制时间为谷雨至小满之间，雨水开始增多，主要特征是ECG下降至1.3%以下，氨基酸含量下降至6.1%以下；第2亚群也可分为2个亚类群：第3亚类群为13～20号茶样，采制时间为谷雨至初伏，主要特征是氨基酸含量在4%～5%之间，可溶性糖大于5.4%～6.1%，水浸出物大于46%，因此，在感官上滋味浓郁，但鲜爽度不足；第4亚群为21～30号茶样，所有的生化成分均低于总体平均值，因此，滋味寡淡，综合品质较差。

3 结论

本研究对春夏秋三季30份宝庆桂丁绿茶进行了感官审评和理化检测，并采用主成分分析和聚类分析法建立了宝庆桂丁绿茶生化成分含量与茶叶内质感官指标之间的联系。研究发现：

a.宝庆桂丁绿茶品质优异，感官评定的各项得分均在90分左右，品种地域特色明显。宝庆桂丁绿茶的综合品质季节性变化明显，春茶品质明显优于夏秋茶，夏茶品质优于秋茶。

b.理化检测结果显示：宝庆桂丁绿茶中主要生化成分含量丰富多样，水浸出物含量在44.77%～49.17%之间，茶多酚含量在22.49%～26.84%之间，咖啡碱含量在 4.89%～5.93%之间，氨基酸含量在 2.88%～5.84%之间，可溶性糖含量在4.16%～7.02%之间。宝庆桂丁绿茶的生化成分表现为氨基酸和咖啡碱含量高，茶多酚含量适中，符合名优绿茶的生化特征。儿茶素组成方面，EGC含量为0.64%～2.61%，DLC含量为 0.18%～0.93%，EC含量为 0.26%～0.67%，EGCG含量为 7.49%～9.59%，GCG含量为 3.54%～5.51%，ECG含量为0.39%～1.72%。宝庆桂丁绿茶中EGCG的含量最高达到9.59%，远远高于全国主栽品种EGCG平均含量（6.87%），属于高EGCG茶叶品种。

c.主成分分析从11个指标中提取了3个主成分，累积贡献率为89.869%，并建立宝庆桂丁绿茶品质评价模型为：F=0.543F1+0.310F2+0.046F3，模型评价结果与感官评定结果基本吻合。聚类分析对宝庆桂丁绿茶的生化成分含量指标进行筛选，最终确定氨基酸、可溶性糖、EGCG和ECG为宝庆桂丁绿茶的关键性品质指标。依据这些品质指标可以将宝庆桂丁绿茶分为2个类群和4个亚类群。