电子鼻技术与感官审评联用评价山东抹茶香气品质

罗影，王舒婷，曲凤凤，张新富，胡建辉

(青岛农业大学园艺学院，山东 青岛 266109)

抹茶是一种以覆盖栽培茶树鲜叶经蒸汽(或热风)杀青后干燥而制成的叶片为原料并经研磨工艺加工而成的微粉状茶产品[1]。虽然它是蒸青绿茶，但其原料与其它蒸青绿茶大不相同，为碾茶。茶园需要在采摘前遮荫覆盖一段时间，以提高其品质，这也是形成抹茶海苔香(覆盖香)的主要原因。抹茶具有独特的生物学活性和在动物体内的整体生理调节功能及“绿色”特征，符合新时代大众的消费理念和环保意识，也符合现代化生活节奏的需要[2]，在医疗保健[3，4]、食品[5]、日化[6]等方面发挥不同作用。

抹茶起源于中国，在日本得到发展，至明治维新时期逐渐形成完善的抹茶生产加工体系。从12 世纪末至今，抹茶发展成“抹茶道”，已成为日本国粹[7]。抹茶近20年大规模应用于食品工业，据统计，2016年日本的碾茶生产总量达到近4 000 t，而市场对抹茶的需求量却超过10 000 t[8]。千禧年后，抹茶重返中国市场。随着国内外抹茶需求增加，浙江、江苏、贵州、湖北、山东等地都逐渐开始生产抹茶，目前国内主要的抹茶品牌有浙江省御茶村、江苏省鑫品、贵州省贵茶等。随着抹茶产业的快速发展，我国已完成高标准抹茶生产茶园的规范建设，加工设备和生产线的成功研发、关键生产技术的全面突破，为抹茶产业的兴盛打下坚实基础[8，9]。

山东抹茶采用栽植于山东省境内北纬36°区域范围内且栽植过程中实施遮荫覆盖的适制抹茶茶树品种之鲜叶为原料，经鲜叶蒸汽杀青、干燥、研磨、杀菌等工艺加工而成的具有色鲜绿、覆盖香、清爽味特征的微粉状茶产品。山东茶区与日本静冈纬度相近，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，年降水量500～800 mm，年均气温11～14℃，具有碾茶生产不可多得的天然优势。茶树生长季节(特别是春、秋季)气温较低、光照较弱、昼夜温差大，新梢生长缓慢，营养物质积累多，夜间呼吸作用较弱而致消耗的营养物质少，所以鲜叶中氨基酸、叶绿素含量高[10]。碾茶作为抹茶生产的原料，其品质优劣直接影响到抹茶质量。山东抹茶生产起步较晚，围绕其品质评价方面的研究基本是空白。

茶叶香气是不同芳香物质以不同浓度组合，并对嗅觉神经综合作用所形成的茶叶特有的香型，一般在茶中的绝对含量很少，只占干物质量的0.02%，但却是决定茶叶品质的重要因子之一[11]。抹茶因其独特的海苔香引起茶叶研究者的广泛关注。但目前国内外对抹茶香气的研究绝大多数是采用日本抹茶[12－14]，而关于国内抹茶的相关研究鲜少。为此，本研究采用电子鼻技术对山东抹茶和碾茶进行香气判别分析，探究不同等级抹茶和碾茶之间的香气成分差异以及碾茶加工成抹茶后的香气成分差异，并联用感官审评技术对其香气品质进行评价，以期为抹茶品质的提升提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 茶样

本研究茶样于2021年由青岛鸿雨抹茶科技发展有限公司提供，编号见表1。

表1 茶样编号

1.2 仪器与设备

电子鼻检测设备:PEN3 型便携式电子鼻(德国Airsens 公司)、电子天平MS105DJ(METTLER TOLEDO)、电热恒温水槽(上海精宏DK－8D)、粉碎机等。

感官审评设备:审评碗、审评杯、天平、计时器、烧水壶、吐茶桶、茶筅、茶匙等。

扫描电子显微镜设备:扫描电子显微镜(日本电子JSM－7500F03040702)。

1.3 试验方法

1.3.1 山东抹茶的扫描电镜观察 将3 个不同等级的山东抹茶粉弹撒在双面导电胶上，用离子溅射仪进行喷镀，置于扫描电子显微镜下放大1 000倍观察并拍照。

1.3.2 山东抹茶的感官审评 碾茶和抹茶审评方法如下:

碾茶参照浙江省地方标准«抹茶审评技术规范(DB33/T 2279—2020)»进行感官审评。茶水比为1∶50，即称取茶样3.0 g，置于150 mL 审评杯中，注满沸水、加盖、计时2 min，由于本研究侧重于香气，而滋味和香气相互影响，因此主要审评香气和滋味。

抹茶审评方法根据上述标准进行调整。茶水比为1∶50，即称取茶样3.0 g，置于审评碗中，注入150 mL 沸水，充分搅拌茶汤10～15 s，至无可见颗粒，按香气、滋味顺序进行审评。

1.3.3 山东抹茶的电子鼻检测 香气采集和检测方法如下:

香气采集:分别称取茶样0.5 g 置于烧杯中，15 mL 沸水冲泡，杯口用双层膜密封待测。每个样品重复3 次。

检测方法:电子鼻连接完毕后进行参数设置。其中，传感器清洗时间为60 s，传感器归零时间为10 s；进样流量为400 mL/min；样品准备时间为5 s，进样时间为1 s，分析采样时间为120 s。电子鼻各传感器对应敏感物质见表2。

表2 电子鼻各传感器对应敏感物质

1.4 数据处理与分析

结合使用PEN3 电子鼻自带软件Winmuster与Origin 2018，对电子鼻数据进行处理和主成分分析(PCA)、传感器区别贡献率分析(Loadings)和线性判别分析(LDA)，选取116～118 s 平稳处制作雷达图。

2 结果与分析

2.1 山东抹茶的外形品质及微观形貌

由图1可知，M－GS(茶道级抹茶)外形色泽鲜绿明亮，M－G1(一级抹茶)色泽翠绿明亮，MG2(二级抹茶)绿、较亮。扫描电镜下抹茶的微观形态结果显示，M－GS 颗粒大小均匀，直径在3 μm 左右；M－G1 颗粒较均匀，直径在4 μm 左右；M－G2 颗粒较均匀，直径在6 μm 左右。总而言之，山东抹茶的粒度都较均匀，均达到国标(GB/T 34778—2017)要求(粒度≤18 μm)，有些颗粒较大可能是抹茶粉没抖散而堆积在一起所造成。

图1 不同等级山东抹茶的干茶图及扫描电镜图

2.2 山东抹茶的内在品质

不同等级山东抹茶和碾茶的感官审评结果(表3)显示，等级越高，海苔香越浓越鲜，滋味越鲜醇。抹茶中，M－GS 品质最佳，海苔香浓、清鲜，滋味鲜醇、味浓；其次是M－G1，海苔香显，滋味醇爽；M－G2 品质稍次，有海苔香，滋味尚醇、纯正。相应的碾茶中，T－GS 品质最佳，海苔香浓，滋味鲜浓；T－G1 海苔香显、清香，滋味醇厚、较收敛；T－G2带有海苔香，滋味尚爽。

表3 山东抹茶与碾茶感官审评结果

2.3 不同等级山东碾茶和抹茶香气成分的传感器响应值分析

图2 显示，碾茶不同等级间的雷达图轮廓相似，三者的香气成分都是在传感器W5S、W1S、W1W、W3S 上的响应值较高，T－G1 的响应值普遍低于T－GS 与T－G2。T－GS 在传感器W5S、W1W上的响应值最高，其次是T－G2、T－G1，因此T－GS的氮氧化合物、硫化物、萜烯类含量最高；T－G2在传感器W1C、W6S、W1S、W2S、W3S 上的响应值最高，表明其苯类、氢化物、甲基类、醇类、醛酮类及长链烷烃的含量高。

图2 碾茶与抹茶不同等级间响应值雷达图

3 个等级抹茶的香气成分在传感器W5S、W1S、W1W、W2S、W3S 上的响应值较突出，其中传感器W1C、W1S、W1W、W2S 的响应值差异明显。M－G1 在W1C、W1S、W2S 上的响应值均最高，比M－GS 分别高5.76%、14.09%、4.56%，比M－G2分别高10.98%、22.20%、13.58%；在传感器W1W 上，M－G1 的响应值最低，M－GS 最高。

2.4 同等级山东碾茶和抹茶香气成分的传感器响应值分析

图3 显示，M－GS 与T－GS 在4 个传感器上的响应值差异较大，分别是W5S、W1S、W1W 和W2S。其中M－GS 在W1S 和W2S 上的响应值高于T－GS，分别高19.76%和17.59%；T－GS 在W5S和W1W 上的响应值高于M－GS，分别高15.05%和27.59%。因此，两者相比，M－GS 含有更多的甲基类化合物和醇类、醛酮类化合物，而T－GS 含有较多的氮氧化合物、硫化物和萜烯类化合物。

图3 同等级碾茶与抹茶香气成分的传感器响应值雷达图

M－G1 与T－G1 在传感器W1C、W5S、W3C、W5C、W1S、W2S 上的响应值差异显著，且均是M－G1 高于T －G1，分别高24. 01%、19. 72%、14.65%、12.76%、49.06%和32.95%。所以M－G1中苯类芳香成分、氮氧化合物、氨类、短链烷烃芳香成分和甲基类、醇类、醛酮类化合物含量多于T－G1。二者在传感器W6S、W1W、W2W、W3S 上的轮廓略有差异，说明氢化物、硫化物、萜烯类化合物、有机硫化物芳香成分及长链烷烃含量相当。

M－G2 与T－G2 的轮廓相似，传感器W1C、W5S、W5C、W1S、W2S 上两者的响应值略有差异。T－G2 在传感器W1W、W2W、W3S 上的响应值高于M－G2，分别高15.09%、5.03%和5.27%，因此T－G2中硫化物、萜烯类化合物、有机硫化物芳香成分、长链烷烃含量高于M－G2。其原因很有可能是抹茶的加工工艺造成以上化合物含量降低。

2.5 碾茶与抹茶的主成分分析

通过主成分分析(principal components analysis， PCA)看出，电子鼻对茶样香气的判别效果是碾茶优于抹茶。图4(a)中，碾茶PC1 的贡献率是92.57%，PC2 的贡献率是6.70%，总贡献率是99.27%，PC1 对碾茶的区分起主要作用。T－GS和T－G1较离散，T－G2 距离两者较近，且三者之间的区分度也都较高(表4)，说明三者能实现较好的区分。

表4 碾茶与抹茶PCA 分析的区分度

图4(b)中，抹茶PC1 的贡献率是79.31%，PC2 的贡献率是17.01%，总贡献率是96.32%。M－GS 和M－G1 较离散，两者的区分度是0.892，能很好地区分开，而M－G2 分别与M－GS 和MG1 有重合，雷达图结果(图2)也显示三者的轮廓相似，个别传感器有差异。这说明M－G2 与另两者的某些香气成分对香气的影响相似。

图4 碾茶与抹茶PCA 分析结果

2.6 碾茶与抹茶的传感器区别贡献率分析

传感器区别贡献率分析法(Loadings)主要是对传感器进行研究，可以确认样品各传感器对样品区分的贡献率大小，从而可以考察样品区分过程中哪一类气体起了主要区分作用[15]。图5(a)显示，碾茶的W1W、W5S 在PC1 上的贡献率最高，负载值约为0.6～0.8，说明这些传感器对氮氧化合物、硫化物、萜烯类化合物敏感，即与PC1 高度相关。W1S 在PC2 上的贡献率最高，即甲基类化合物与PC2 高度相关。说明碾茶可以由这3个传感器进行区分。

抹茶的传感器区别贡献率分析结果[图5(b)]显示，W1S 和W2S 在PC1 上的贡献率最高，说明甲基类、醇类、醛酮类化合物与PC1 高度相关。W1W、W5S 在PC2 上的贡献率最高，负载值约为0.5～0.7，表明硫化物、萜烯类化合物、氮氧化合物与PC2 高度相关。

图5 碾茶(a)与抹茶(b)的Loadings 分析结果

2.7 碾茶与抹茶的线性判别分析

线性判别分析法(linear discriminant analysis，LDA)是将高维的模式样本投影到最佳鉴别矢量空间，达到抽取分类信息和降低特征空间维数的效果，可以将组间分得更开，且线性判别分析值越大区分效果就越好，当线性判别分析值大于80%时即可用[15]。由图6 可以看出，碾茶LDA 分析中，第一主成分的贡献率为94.80%，第二主成分的贡献率为3.89%，总贡献率达98.69%。每个等级茶样内部的数据点也较为集中，但3 个茶样在PC1 和PC2 上都呈现分离趋势，能实现很好的区分，说明各等级碾茶之间的香气成分差异显著。

图6 碾茶(a)与抹茶(b)的LDA 分析结果

抹茶LDA 分析中，第一主成分的贡献率为77.73%，第二主成分的贡献率为8.40%，总贡献率为86.13%。在PC1 上，M－GS 和M－G1 能实现较好的区分，说明两者的香气物质在PC1 上存在较大差异，M－G1 和M－G2 的距离较近，区分度较低；在PC2 上，三者区分度较低。

3 讨论与结论

山东抹茶具有外观色泽鲜绿、粉体柔软细腻均匀和海苔香浓、滋味鲜醇的品质特征；碾茶具有海苔香浓、滋味浓醇清爽的品质特征。扫描电子显微镜(SEM)作为现代分析测试技术中很重要的技术手段，已用于研究各种材料的微观样貌[16]。本研究扫描电镜下结果显示，供试抹茶的颗粒大小均匀，粒度均在10 μm 以内，都达到高品质抹茶的要求。山东抹茶品质之所以独特，一方面是因为山东茶区所处地理环境带来的天然优势，另一方面是源于茶园遮荫处理和后续的加工工艺。遮荫是抹茶生产的必要环节，可增加茶叶叶绿素含量，使芽叶更加鲜绿，并抑制氨基酸转化为儿茶素，提高鲜味，降低涩味，并产生抹茶独有的海苔香(覆盖香)。碾茶的杀青方式是蒸汽杀青，此法可尽可能保全叶绿素，使干茶色泽翠绿，杀青后的冷却让叶片均匀展开，避免重叠，保持碾茶色泽嫩绿[9]。在碾茶研磨过程中，茶叶粒径减小，增加茶叶表面积，其水溶性碳水化合物含量增加，从而使茶汤味浓[14]。

电子鼻技术可快速、准确地区分不同级别的山东抹茶。近年来，相关研究表明电子鼻技术可以基于香气对茶叶进行区分[17－19]。本研究通过对山东抹茶和碾茶进行电子鼻检测、PCA 分析，能把不同等级的抹茶和碾茶区分开来，其中碾茶的主成分贡献率为99.27%，抹茶的主成分贡献率是96.32%。Loadings 分析可知，在区分不同等级碾茶香气成分中，氮氧化合物、硫化物和萜烯类贡献率较高，其次是甲基类化合物；区分不同等级抹茶香气成分中，甲基类、醇类、醛酮类、萜烯类、氮氧化合物及硫化物的贡献率较高。LDA 分析表明碾茶3 个等级可较好区分，且各等级数据较为集中，抹茶的3 个等级较离散。

雷达图分析法能够对多变量数据资料进行综合分析，在二维平面上直观、形象地反映多个指标的变动规律[20]。本研究抹茶中氮氧化合物、硫化物、萜烯类化合物成分含量最高，其原料碾茶的氮氧化合物和甲基类成分最高；抹茶和碾茶的芳香成分含量都不高(由于每种香气成分的阈值都不同，含量低的未必对茶叶香气的贡献就少)；长链烷烃在中低等级碾茶中含量较高，M－G1 醇类、醛酮类和甲基类化合物较多；T－GS 氮氧化合物、硫化物和萜烯类化合物含量最高，M－GS 的硫化物和萜烯类化合物含量较高，与前人研究结果一致[14]。研究表明，抹茶香味一般是由茶香、海苔香、清香、花香、甜香、烘炒香组成的一个整体的香气风味[21]，其特征是具有海苔香[7]。二甲硫醚、二甲基二硫醚具有类似海苔气味[21，22]，且二甲硫醚对高级抹茶的香气具有贡献作用[13]，因此推测山东抹茶和碾茶中的海苔香可能来自硫化物。但王梦琪等[23]的研究发现，蒸青绿茶挥发性成分中的关键呈香成分主要为酮类、醇类以及醛类物质，因此具体是什么成分发挥作用，还得进一步结合GC－MS 进行研究。碾茶精制加工成抹茶后，MGS 芳香成分中苯类、甲基类、醇类、醛酮类化合物含量增多，可能是抹茶在贮藏过程中，与空气中的氧发生氧化反应，生成醛类与酮类物质[9]。在G1等级中，抹茶的香气成分含量普遍高于碾茶，抹茶的氮氧化合物含量较高，表明含氮化合物一般是经过热化学作用形成的具有烘炒香的成分[11]；碾茶在研磨过程中温度升高，导致其含量升高。碾茶在精制前后香气成分发生变化的原因可能是由工艺所造成，如碾茶选别中筛除茶梗、黄片等对抹茶品质不利的夹杂物，造成抹茶香气成分的变化。

由上综合看出，在感官审评基础上，采用电子鼻技术可以对不同等级山东抹茶和碾茶进行区分，表明电子鼻技术结合感官审评可以快速、准确地评价山东抹茶的香气品质特征。此外还表明，通过电子鼻技术对香气进行判定分析，能够反映不同等级间的香气差异性以及碾茶制成抹茶后的香气变化，可以为后续山东抹茶和碾茶香气成分组成、不同等级间香气成分差异、山东抹茶特征香气成分的研究提供一定的技术基础和参考。