基于HS-GC-IMS法研究干燥方式对黑毛茶挥发性风味物质的影响

赵 熙， 余鹏辉， 黄 浩， 钟 妮， 郑红发

（湖南省农业科学院 茶叶研究所，湖南 长沙 410125）

黑茶是我国六大茶类之一，也是重要的特色茶类，2020年全国黑茶产量达37.3万t，占全国茶叶总产量的12.50%。黑毛茶是指没有经过压制的黑茶，也是用来加工茯砖茶、黑砖茶、青砖茶等紧压黑茶的原料，其品质的好坏直接影响到紧压黑茶产品的质量。香气和滋味是构成黑毛茶特征风味品质的两个重要因素，黑毛茶的特殊香气是适度渥堆的茶坯在干燥过程中形成的，目前生产上通常采用晒干和烘干两种方式进行干燥，不同干燥方式生产出的黑毛茶风味品质具有一定的差异。黑毛茶的特征挥发性风味物质不仅是重要的感官指标之一，而且是影响黑毛茶品质和加工特性的重要因素。因此，明确黑毛茶风味品质并开展不同干燥方式下黑毛茶特征挥发性风味物质差异研究，不仅可为探明黑毛茶风味品质形成机理奠定基础，而且对黑毛茶加工工艺优化和产品品质提升具有积极意义。

HS-GC-IMS是近年来出现的一种新兴气相分离检测技术，该技术采取顶空进样方式，根据气相离子迁移率对化合物进行表征，具有高灵敏度、高分辨率、分析速度快等优点[1]，目前在食品特征风味、快速鉴别和产地溯源等方面得到了广泛应用[2-10]，而将HS-GC-IMS用于黑毛茶挥发性风味物质的分析研究尚未见报道。

采用HS-GC-IMS技术对烘干和晒干处理的黑毛茶进行挥发性风味物质的组成鉴定，分析不同干燥方式对黑毛茶挥发性风味物质的影响，并运用主成分分析（principal component analysis，PCA）和相似度分析探究不同干燥方式处理的黑毛茶样品间的相关性与差异性，以期为黑毛茶风味品质的调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

选用湖南省安化县云台山八角茶厂2020年夏季槠叶齐茶树品种，采摘1芽3、4叶或同等嫩度对夹叶进行黑毛茶加工。

2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮（均为分析纯）：北京国药集团化学试剂有限公司产品。

1.2 主要仪器与设备

6CST-80型茶叶杀青机、6CR-50型茶叶揉捻机：浙江上洋机械有限公司产品；JY-6CHZ-7B型茶叶烘焙提香机：福建佳友机械有限公司产品；FW80-50 g万能粉碎机：天津泰斯特仪器有限公司产品；HS-GC-IMS FlavourSpec®风味分析仪：德国Gesellschaft für analytische Sensorsy-steme mbH公司产品。

1.3 方法

1.3.1 样品制备根据加工工艺流程制成黑毛茶样品，鲜叶（1芽3、4叶或同等嫩度对夹叶）→摊青（时间12 h）→杀青（温度260～280℃）→揉捻（轻压5 min，中压5 min，松压5 min）→渥堆（堆高1 m，时间12 h），然后分别进行烘焙提香机烘干和自然日晒处理至水分含量达10%（质量分数）以下。烘干黑毛茶样品为Z1，晒干黑毛茶样品为Z2。将制成的黑毛茶粉碎后过40目筛，保存于-20℃冰箱中备用。

1.3.2 干燥工艺参数烘干：温度为90℃，烘盘托架回转转速5 r/min，时间90 min；晒干：在阳光棚中进行，温度20～35℃。

1.3.3 HS-GC-IMS分析进样方式：自动顶空进样；孵化温度：60℃；孵化时间：10 min；孵化转速：500 r/min；进样针温度：85℃；进样量：500 μL。

GC-IMS条件：FS-SE-54-CB-1毛细管柱（15 m×0.53 mm）；分析时间：45 min；色谱柱温度：60℃；IMS探测器温度：45℃；载气和漂移气为N2，纯度≥99.999%。气相色谱条件见表1。

表1 气相色谱条件Table 1 Gas chromatographic conditions

1.4 数据处理

采用仪器配置的VOCal软件，将化合物的气相保留指数和相对迁移时间与GC-IMS Library Search软件内置的NIST数据库和IMS数据库进行匹配对物质进行定性分析。化合物保留指数计算方法：采用和样品相同的气相条件测试正构酮类（C4～C9）校准液，建立保留指数（已知）和保留时间的校准曲线，对于未知物质，通过其保留时间（t）计算相应的保留指数（RI）。公式为RI=RI（z）+[RI（z+1）-RI（z）]×[lg t（x）-lg t（z）]/[lg t（z+1）-lg t（z）]，其中z和z+1分别为目标化合物（x）流出前后的正构烷烃（正构酮）所含碳原子的数目。Reporter插件：通过二维俯视图、三维谱图直观对比不同干燥处理黑毛茶样品之间的谱图差异；Gallery Plot插件：对不同干燥处理黑毛茶样品之间的挥发性成分差异进行定量分析；Dynamic PCA插件：进行不同干燥处理黑毛茶样品动态主成分分析和相似度分析。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式黑毛茶中挥发性化合物谱图分析

不同干燥方式处理的黑毛茶GC-IMS谱图见图1和图2。其中，图1为不同干燥方式黑毛茶挥发性成分三维对比图谱，图2为不同干燥方式黑毛茶二维对比图谱。图2的红色垂直线为反应离子峰（reaction ion peak，RIP）[11-13]。结果表明，GC-IMS技术可使不同干燥方式黑毛茶样品的挥发性成分得到较好的分离检测，RIP右侧红色点的数量对应挥发性成分的种类，颜色深浅与挥发性物质的含量呈正相关的关系，颜色越深，表明含量越高，反之颜色越浅，表明含量越低[14-15]。从图中可以看出，不同干燥方式处理的黑毛茶挥发性风味物质的相对迁移时间大都集中在1.0～1.8 ms区间内，保留时间基本为100～800 s。不同处理之间挥发性物质的组成差别不大，而同一化合物在不同干燥方式黑毛茶中的含量存在较大差异，具有各自的特征谱信息。

图1 不同干燥方式黑毛茶中挥发性化合物气相-离子迁移三维谱图Fig.1 GC-IMS 3D topographic of volatile compounds in raw dark tea dried by different methods

图2 不同干燥方式黑毛茶中挥发性化合物气相-离子迁移二维谱图Fig.2 GC-IMS 2D topographic of volatile compounds in raw dark tea dried by different methods

2.2 不同干燥方式黑毛茶中挥发性化合物定性分析

通过比较不同干燥方式黑毛茶挥发性风味成分的保留时间和迁移时间，计算挥发性物质的保留指数，在NIST 2014数据库和IMS迁移时间数据库进行匹配，从而对挥发性风味物质进行定性分析。2种黑毛茶样品共检出挥发性物质65种，包括23种醛类化合物、13种酯类化合物、11种醇类化合物、10种酮类化合物、3种杂氧化合物、2种碳氢化合物、2种吡嗪类化合物、1种酸类化合物（见表2）。其中有些化合物同时检测出单体和二聚体，保留时间相近，但迁移时间不同[16]。

表2 黑毛茶中挥发性化合物的定性Table 2 Qualitative identification of volatile compounds in raw dark tea

续表2

两个不同干燥方式黑毛茶中挥发性风味物质质量分数略有区别。如图3所示，烘干黑毛茶中醛类为41.57%，醇类为21.19%，酯类为19.48%，酮类为13.10%，杂氧化合物为3.54%，碳氢化合物为0.70%，酸类为0.22%，吡嗪类为0.20%；晒干黑毛茶中醛类为40.75%，酯类为22.55%，酮类为15.63%，醇类为11.75%，杂氧化合物为7.66%，碳氢化合物为0.68%，酸类为0.34%，吡嗪类为0.64%（均为质量分数）。从鉴定出的香气组分来看，不同干燥方式的黑毛茶化合物种类具有一定差异，烘干黑毛茶以醛类和醇类化合物为主，质量分数分别达到41.57%和21.19%；晒干黑毛茶以醛类和酯类化合物为主，质量分数分别达到40.75%和22.55%，醇类仅为11.75%。

图3 不同干燥方式黑毛茶主要挥发性成分质量分数对比Fig.3 Comparison of the mass fraction of main volatile components in raw dark tea dried by different methods

2.3 不同干燥方式黑毛茶中挥发性成分的指纹图谱分析

指纹图谱的优点在于能够直观比较不同样品之间挥发性化合物的差异。图4中每一列代表一种挥发性化合物，前3行代表烘干黑毛茶样品中含有的挥发性化合物，后3行代表晒干黑毛茶中含有的挥发性化合物。图谱中点的颜色深浅与挥发性化合物含量正相关，颜色越红亮，说明挥发性化合物含量越高，反之含量越低。结果表明，烘干黑毛茶与晒干黑毛茶样品间差异显著，红色框中2-丁酮、2-甲基丁醛、3-羟基-2-甲基-4-吡喃酮、戊醛等13种风味化合物含量较高，为烘干黑毛茶中特征风味物质；绿色框中壬醛、正己醛、庚二烯醛、乙酸乙酯等48种风味化合物含量较高，为晒干黑毛茶中特征风味物质；红框和绿框之间为烘干黑毛茶和晒干黑毛茶共同含有的2-庚酮、3-羟基-2-丁酮、2-甲基丁醛等物质。

图4 不同干燥方式黑毛茶挥发性物质指纹图谱Fig.4 Fingerprint of volatile components in raw dark tea dried by different methods

2.4 不同干燥方式黑毛茶挥发性化合物的主成分分析和样品相似度分析

使用Dynamic PCA插件针对不同干燥方式处理的黑毛茶样品挥发性化合物数据进行了可视化处理，并对两种样品中的挥发性物质组成进行主成分分析和样品相似度分析（见图5、图6）。PCA图中距离越近的点代表样品越相近，代表样品间相似度的欧氏距离越小，样品间相似度越高。结果表明，第一主成分PC1贡献率为91%，第二主成分PC2贡献率为4%，第一主成分和第二主成分的累计贡献率为95%，表明PC1、PC2的总贡献率包含了黑毛茶样品的大部分信息，能代表黑毛茶样品挥发性风味的主要特征，且从图5和表3中可以看出，烘干黑毛茶和晒干黑毛茶样品间欧氏距离较大，相似度较低，可以实现较好的区分，证明样本的特征风味物质具有明显差异。主成分分析图中红色圆点为烘干黑毛茶样品，样本间聚集度较好；黄色圆点为晒干黑毛茶样品，样本间聚集度较均匀。可见，GC-IMS技术可对不同干燥方式的黑毛茶进行区分，探索不同干燥方式样品的特性。

表3 样品间欧氏距离Table 3 Euclidean distance between samples

图5 不同干燥方式黑毛茶相似度图Fig.5 Similarity map of raw dark tea dried by different methods

图6 不同干燥方式黑毛茶PCA分析图Fig.6 PCA analysis diagram of raw dark tea dried by different methods

3 结语

采用HS-GC-IMS分析技术检测了烘干黑毛茶和晒干黑毛茶的挥发性风味物质，共鉴定出65种化合物，主要包括醛类、醇类、酯类、酮类、杂氧类、碳氢化合物类、酸类、吡嗪类等成分。通过构建黑毛茶HS-GC-IMS风味指纹图谱，明确了不同干燥方式黑毛茶的特征风味物质。进行相似度和主成分分析，烘干黑毛茶和晒干黑毛茶样品得到了较好区分。HS-GC-IMS分析技术具有简单、快速、无损等特点，可为黑毛茶挥发性风味物质分析及不同干燥方式的黑毛茶风味品质评价和工艺优化提供理论依据和技术支持。