基于电子鼻技术的茶汤香气成分分析

陈丽惠

(1.漳州职业技术学院石油化工学院，福建 漳州 363000；2.福建省现代分离分析科学与技术重点实验室暨污染监测与控制省高校重点实验室，福建 漳州 363000)

茶水是我国待客会友的首选饮品，也是全世界最普及的饮料消费产品之一。茶叶中不仅富含儿茶素、咖啡碱、茶多酚、茶多糖及茶氨酸[1]等各种营养成分[2]，而且研究表明饮茶具有抗癌[3-4]、降血脂[5]、提高免疫功能[6]的功效，降低心脏病[7]的风险等。因此，作为一种健康饮品，茶饮也越来越受到人们的欢迎。

我国茶叶品种较多，制作工艺差异较大，但是茶香是评价茶叶质量的共同标准之一。茶叶是由采摘茶树的嫩叶通过复杂的工艺制作而成。新鲜的茶嫩叶并无香味，但富含茶多酚、氨基酸、黄酮类化合物、酚酸、叶绿素、有机酸、生物碱等化学成分[8]。在加工过程中，嫩叶中的化学成分在生物酶的作用下发生了一系列的水解氧化等化学反应，产生浓厚的香气成分。因此茶的香气成分主要形成于加工过程中，通过合适加工工艺可以把茶叶中键合的香气前体经酶的催化作用或热物理化学变化转化为游离态香气物质释放出来[9]。根据发酵程度，制茶工艺可以分为绿茶、半发酵茶(乌龙)和红茶，茶叶不同的制作工艺产生的香气成分各异。茶叶中香气成分根据结构可分为四大类：酯类衍生物、萜烯类衍生物、芳香族衍生物、其他类化合物，目前已鉴定的茶香气多达300多种[10]。

茶汤香气是评价茶叶质量的重要指标，但是难以直接以嗅觉的形式准确评价。随着分析检测技术的发展，气相色谱-质谱联用技术是分析茶汤中香气成分的主要方法[11-12]，但由于其设备昂贵，维护费用高，需要专业的技术人员进行操作，限制了其使用范围。电子鼻是一种新型的气味传感器，其灵敏度高、响应速度快、体积小、操作方便、维护保养简单，广泛应用于挥发性气味分析[13]。电子鼻测得数据的统计学结果，又被称为“气味指纹”图谱，可应用于产品质量管控等[14]。茶汤中香气成分复杂，其化学成分可能含有上百种物质，色谱难以分离出所有的香气成分并对其进行统计分析，而电子鼻可以通过分析其在传感器上的感应信号，获得茶汤的“气味图谱”。本文利用电子鼻技术分析普洱茶、铁观音和肉桂三种不同茶叶的香气，以主成分分析法、聚类分析法对其茶汤香气进行分析，揭示不同种茶汤的“香气指纹图谱”，并研究加工工艺对茶汤香气的影响。

1 实验部分

1.1 原料、试剂与仪器

选取3种不同的茶叶各3份，分别为普洱茶(PE1,PE2,PE3)、铁观音(TGY1,TGY2,TGY3)和肉桂(RG1,RG2,RG3)，由市场随机购得。

分析天平，烘箱，配有10个MOS型传感器的PEN3.5 电子鼻分析仪(德国AIRSENSE公司)。

1.2 方法

1.2.1 茶汤的制备

三角瓶洗净后置于100℃的烘箱中烘干，准确称取1.0 g茶叶于三角瓶中，加入50 mL的沸水，迅速盖上保鲜膜密封，冷却至室温后再静置30 min使气体平衡，然后用电子鼻进行检测，每个样品制备3个平行样。

1.2.2 电子鼻检测

电子鼻配有10个金属氧化型气体传感器，每个传感器响应不同的挥发性气体，具体如表1所示。

表1 电子鼻的传感器类型及性能描述

检测实验条件如下所示：样品准备时间5 s，检测时间60 s，仪器清洗时间120 s，流速400 mL/min。传感器响应信号在采样50 s后基本稳定，因此选择采集信号的时间为55 s。

1.2.3 数据处理与分析

采用SPSS进行主成分分析和聚类分析，采用EXCEL软件制图。

2 结果与讨论

2.1 电子鼻对茶汤中香气成分的测定

利用电子鼻分析方法分别对普洱、肉桂和铁观音茶汤中香气成分进行分析，其电导率G/G0如图1所示，三种茶汤中的香气主要成分是在传感器W1W，表明茶汤中的主要挥发性香气成分是含硫有机化合物。茶汤中香气成分在W2W，W5S有较弱信号，表明含有少量含氯有机化合物和氮氧化合物，这与罗美玲等[15]的研究结果相符合。而其它传感器的G/G0值接近于1，表明相应的成分含量很低，甚至不含有该物质。

(a)普洱

(b)肉桂

(c)铁观音图1 不同种类茶汤香气成分在电子鼻中的G/G0值

三种茶汤的香气含量具有显著性不同，其成分含量雷达图如图2所示。根据传感器响应信号的稳定性，取55 s 处采集的信号为结果分析值。肉桂在W1W传感器中G/G0值为16.2，远高于普洱茶和铁观音。铁观音的香气成分含量低于肉桂，除了W1W传感器，在W2W，W5S传感器中也有明显的信号。然而普洱茶的香气成分含量明显较低，在W1W传感器中G/G0为1.7。从图2可以看出，三种茶汤的雷达图形状显著不同。因此，利用电子鼻测定茶叶制品成分香气成分，根据雷达图形状可初步获得其茶叶品类。

图2 茶汤中香气成分含量雷达图

2.2 茶汤香气的主成分分析

每种茶自不同的来源各取3份，制成茶汤，用电子鼻分析其香气成分，主成分分析(PCA)结果如图3所示。分析结果表明，第一、第二主成分的贡献率分别为77.5%、14.4%，总贡献率达到91.9%，能够较好地反应茶汤中的香气成分。根据主成分分析得分，相同种类的茶汤分布靠近，且三种茶汤的PCA散点分布在特定的椭圆中，无重叠。普洱茶汤、肉桂茶汤香气主成分得分值靠近，表明不同来源的茶汤的香气成分差异性小。铁观音茶汤的主成分的分值较为分散，表明其香气成分有一定的差异性，这可能源于铁观音的制备工艺。根据国家标准，铁观音可分成清香型、浓香型和陈香型，而不同类型的铁观音存在显著的群聚区分[16]。

图3 茶汤香气成分的主成分分析图

2.3 茶汤成分的聚类分析

对9份茶汤进行聚类分析，结果如图4所示，图中3种普洱茶汤轴距相等，交织在一起，归成同类。TGY1与TGY3归为一类，与TGY2出现分散，此实验结果与主成分分析相一致。在聚类分析图中，肉桂茶汤香气单独聚成一类。综上所述，通过茶汤香气成分的聚类分析，普洱茶，肉桂茶和铁观音音能够很好地分成3类，而不同类型铁观音的香气成分变化较大。

图4 茶汤香气成分的聚类分析图

3 结语

茶汤香气是评价茶叶质量的关键因素，根据加工工艺及发酵程度的不同，茶叶香气成分呈现不同的特点。本文通过电子鼻技术对普洱茶汤、肉桂茶汤和铁观音茶汤的香气成分进行主成分分析和聚类分析，实验结果表明，三种茶汤的香气成分呈现显著性的区别，不同来源的同种茶汤能够分类聚集。因此，香气成分的电子鼻分析可用于茶制品的质量管控、品类辨别等。