基于多元统计方法的临沧市普洱生茶香气成分分析

马林龙，罗正飞 ，刘艳丽，曹 丹，谢 飞，金孝芳,

（1.湖北省农业科学院果树茶叶研究所，湖北武汉 430064；2.滇西科技师范学院，云南临沧 677600；3.保山市农业环境保护监测站，云南保山 678000）

普洱茶是云南省特有的地方名茶，是以地理标志保护范围内的云南大叶种晒青毛茶为原料，经特定的加工工艺加工而成的，具有独特品质特征[1-2]。茶叶香气是评价茶叶品质优劣的重要指标[3-4]，普洱茶产区多数地处高原山区，海拔、温度、地形地貌等变化大，不同产区普洱茶在香气品质上存在较大的差异[5-6]。因此，全面系统了解普洱茶各个产区普洱茶香气品质对普洱茶的产地判定、标准建立及加工过程品质调控等方面均有着积极意义。

临沧市地处云南省西南部，是普洱茶原产地，有“天下普洱第一仓”的美誉，是普洱茶地理标志产品重要保护区域[7-8]。临沧市属怒山山脉的南延部分，系滇西纵谷区，纵向上总体呈上游山地、中游丘陵、下游平原的地形地貌。地势由东北向西南逐渐倾斜（海拔450～3429 m），通常海拔每升高100 m，年平均气温会降低0.5 ℃，昼夜温差也随着海拔升高而增加，垂直气候带谱明显。复杂的地形地貌和多样的立体气候使得临沧市境内普洱茶在香气品质上存在一定的差异，但目前关于临沧市普洱茶香气品质的研究较少且仅是选取了少数区域的样本，很难全面系统的反应临沧市普洱茶的香气品质特征[9-10]。因此，本研究通过对16 份临沧市（七县一区）普洱生茶样品的主要香气成分含量进行比较分析，并利用主成分分析（Principal component analysis，PCA）、层次聚类分析（Hierarchical cluster analysis，HCA）和正交偏最小二乘判别分析（Orthogonal projections to latent structurediscriminant analysis，OPLS-DA）等多元统计方法对主要香气成分进行综合分析，以期客观准确地了解临沧市普洱生茶的香气品质，进而为临沧市普洱生茶品质、产地判定研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

当年普洱生茶样品 16 份，均来自临沧市（七县一区），其中临翔区、凤庆县、云县、双江县、镇康县、永德县、沧源县、耿马县等县（区）各2 份。生产时间为2018 年5 月，品种均为当地群体，鲜叶规格为一芽二三叶，种按普洱生茶工艺“采摘—摊放—杀青—揉捻—晒干—蒸压—干燥”加工而成，取样后立即放入-20 ℃冰箱贮藏，于2019 年1 月进行香气成分检测；癸酸乙酯（纯度99%）美国Sigma-Aldrich公司。

手动SPME 进样器、50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取头 美国Supeclo 公司；7890A 气相色谱仪、5975C 质谱仪 美国Agilent 公司；HHS 型恒温水浴锅 上海博迅实业有限公司医疗设备厂；Milli-RO PLUS 30 纯水机 法国Millipore 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 顶空固相微萃取（HS-SPME）采用顶空固相微萃取法（head-space solid-phase micro-extraction，HS-SPME）对茶叶样品中的香气进行提取[11]。准确称取3.0 g 茶样放入萃取瓶中，加入90.0 mL 沸水，加入2.00 μL 的内标（90 mg/L 癸酸乙酯），然后将装有50/30 μm DVB/CAR/PDM 萃取头（实验前需250 ℃老化15 min）SPME 手持器通过瓶盖的橡皮垫插入到萃取瓶中，在50 ℃水浴中平衡10 min，吸附50 min 后，取出并立即插入气相色谱仪的进样口中，240 ℃解吸附3 min，同时启动仪器收集数据。

1.2.2 气相色谱/质谱联用（GC-MS）采用气相色谱-质谱联用技术（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）对茶叶香气成分进行测定[11]。GC 条件：安捷伦HB-5MS（30 m×0.32 mm，0.25 μm）弹性石英毛细管柱，进样口温度240 ℃，载气为高纯氦气，流速1.0 mL/min。柱温程序：50 ℃保持5 min，以3 ℃/min 升至180 ℃保持2 min，然后以10 ℃/min升至250 ℃保持3 min。MS 条件：电子电离能量为70 eV；质量扫描范围为50～600 amu；离子源温度为230 ℃；四极杆温度为150 ℃；质谱传输线温度为280 ℃。

1.3 数据处理

采用NIST11.L 谱库对得到的质谱图进行串联检索和人工解析，质谱匹配度>80%作为物质鉴定标准[11]。香气组分釆用峰面积归一化法定量，组分峰面积除以总峰面积得到各香气物质组分的相对含量。利用WPS 对试验数据的整理与分析，采用SIMCAP 14.1 软件进行PCA、HCA 和OPLS-DA 等多元统计分析。

2 结果与分析

2.1 临沧市普洱生茶主要香气成分含量分析

由表1 可知，釆用HS-SPME-GC-MS 对16 份普洱生茶的香气成分进行分析鉴定，共检测到48个主要香气成分，占顶空挥发物总量的90.72%～95.65%，包括醇类13 种、醛类17 种、酮类8 种、酯类4 种和其他类6 种。在香气成分上，芳樟醇、1-辛烯-3-醇、顺-氧化芳樟醇、反-氧化芳樟醇、壬醛、己醛、β-环柠檬醛、2,2,6-三甲基环己酮、β-紫罗兰酮、异佛尔酮和柠檬烯等11 个香气物质平均含量大于2%。在香气种类上，醇类物质占香气总量的比例最高，平均含量为46.55%；其次是醛类物质，平均含量为26.81%；酮类、酯类和其他类占香气总量的比例相对较小。

表1 临沧市普洱生茶香气成分（%）Table 1 Aroma contents of raw Pu-er tea in Lincang City (%)

在醇类香气中，所测样品以具有铃兰花香并伴有木香的芳樟醇含量最为丰富，平均含量高达24.68%；其次是具有蘑菇、肉味的1-辛烯-3-醇，平均含量为8.94%；具有花香并伴有木香的顺-氧化芳樟醇、反-氧化芳樟醇含量也较为丰富。在醛类香气中，所测样品主要以大部分具有青味的低级脂肪醛为主，其中壬醛含量最高，平均含量为7.69%；其次是己醛，平均含量为4.98%；庚醛、癸醛以及β-环柠檬醛含量也相对较高。酮类、酯类以及其他类香气物质虽占香气总量比例相对较小，但对普洱生茶的香气形成同样有着关键作用[12-13]。酮类化合物通常呈花果香，所测样品酮类香气以2,2,6-三甲基环己酮和β-紫罗兰酮含量最高，其次异佛尔酮含量也相对较高。另外，在云县2 份普洱生茶样品中均检测出含量相对较高的反式-3-辛烯-2-酮，含量分别为0.87%、1.15%。在酯类香气中，以水杨酸甲酯、二氢猕猴桃内酯含量最为丰富，并在沧源县2 份普洱生茶样品中检测到含量相对较高的异戊酸叶醇酯，含量分别为0.48%、0.56%。在其他类香气中，以具有柠檬味的柠檬烯含量最高，其次二甲硫、茶香螺烷含量也较为丰富，这些香气成分已在多篇文献中被证实是构成茶叶香气的重要物质[14-15]。总体来看，临沧市普洱生茶的主要香气种类、组成与前人研究的云南普洱生茶结果相一致，以清香型的醇类、醛类香气物质为主，但不同产地样品在香气物质种类以及相对含量上存在一定的差异[2,16]。

2.2 临沧市普洱生茶主要香气成分多元统计分析

2.2.1 主成分分析（PCA）基于临沧市16 份普洱生茶香气成分、种类的含量，利用SIMCA-P 14.1 软件进行PCA 分析。由图1 可知，沧源县、双江县、耿马县等临沧市南部地区与云县、凤庆县、永德县、临翔区、镇康县等临沧市北部地区的普洱生茶样品在PCA 得分图中能够明显区分开，且南、北部地区的普洱生茶分别分布在PC1 的正向、负向区间，说明临沧市南、北地区普洱生茶在主要香气成分上存在较大差异。结合主要香气成分PCA 载荷图（图2）分析发现，醇类、酯类物质总量以及芳樟醇、反-氧化芳樟醇、橙花醇、水杨酸甲酯等平均含量较高的醇类、酯类物质在PC1 上呈正向分布，而绝大多数的醛类、酮类以及其他类物质及其总量在PC1 上呈负向分布。说明临沧市南部地区普洱生茶中醇类、酯类物质含量相对较高，而北部地区普洱生茶中醛类、酮类以及其他类物质含量相对较高。普洱生茶加工工艺与绿茶较为类似，香气成分主要源于糖苷前体水解、脂肪酸和类胡萝卜素氧化或高温下氨基酸的美拉德反应[3,17]，临沧市南、北部地区普洱生茶香气成分、种类含量差异可能与加工鲜叶中香气前体物质有直接关系。

图1 临沧市普洱生茶主要香气成分PCA 得分图Fig.1 PCA score plot derived from the main aroma compents of raw Pu'er tea in Lincang City

图2 临沧市普洱生茶主要香气成分 PCA 载荷图Fig.2 PCA corresponding loading plot derived from the main aroma compents of raw Pu'er tea in Lincang City

2.2.2 层次聚类分析（HCA）为了更好地观测临沧市16 份普洱生茶香气组成的相似度，采用HCA 对整个香气成分含量进行分析。由图3 可知，当横坐标为100 时，16 份普洱生茶样品分为2 类。第一类聚集了临翔区、永德县、镇康县、凤庆县和云县等5 个县（区）的普洱生茶样品，说明这类样品在香气组成有一定的相似性，而该类样品都集中在临沧市北部地区，该类样品中绝大多数醛类、酮类以及其他类香气物质含量相对较高。第二类聚集了沧源县、耿马县和双江县等3 个临沧市南部地区的普洱生茶样品，该类样品中醇类、酯类香气物质含量相对较高。以上研究结果与PCA 分析结果一致。

图3 临沧市普洱生茶主要香气成分聚类分析Fig.3 HCA derived from the main aroma compents of raw Pu'er tea in Lincang City

2.2.3 正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）为了进一步明确临翔区、永德县、镇康县、凤庆县和云县等10 个北部地区的普洱生茶样品与沧源县、耿马县和双江县等6 个临沧市南部地区的普洱生茶样品的差异香气成分或种类，采用OPLS-DA 对整个香气成分含量进行分析。从OPLS-DA 模型下的得分图（图4）可以看出，临沧市南、北部地区的普洱生茶样品明显地分开，其中R2Y（cum）=0.915、Q2（cum）=0.828，说明该模型具有良好的稳定性和较好的预测能力。为了检验模型是否存在过度拟合，建立200 次OPLS-DA 模型置换检验（图5），置换检验验证结果为R2Y（cum）=0.759、Q2（cum）=-0.940，说明模型具有良好的稳健性，不存在过拟合现象。基于变量投影重要性（Variable important for the projection,VIP）大于1，共筛选出23 个香气成分或种类作为区分临沧市南、北部地区普洱生茶香气的重要标志物（表2）。通常VIP 值越大，变量在临沧市南、北部地区普洱生茶中的差异越显著。由表2 可知，芳樟醇、异佛尔酮、酮类、醇类、醛类、β-环柠檬醛、α-环柠檬醛、2,2,6-三甲基环己酮、橙花醇、β-紫罗兰酮等VIP 值相对较大，对临沧市南、北部地区普洱生茶分类贡献较大。从香气成分或种类含量上看，醇类物质总量及含量较高的芳樟醇、橙花醇在南部地区普洱生茶样品中的含量明显要高于北部地区，而酮类物质总量及含量较高的异佛尔酮、2,2,6-三甲基环己酮、β-紫罗兰酮的含量明显要低于北部地区；醛类物质总量及β-环柠檬醛、α-环柠檬醛在南部地区普洱生茶样品中的含量要高于北部地区，而含量较高的壬醛、己醛在临沧市南、北部地区的普洱生茶样品中差异不显著。

图4 临沧市普洱生茶主要香气成分OPLS-DA 得分图Fig.4 OPLS-DA score plots derived from the main aroma compents of raw Pu'er tea in Lincang City

图5 临沧市普洱生茶主要香气成分OPLS-DA 置换检验图Fig.5 OPLS-DA permutations plots derived from the main aroma compents of raw Pu'er tea in Lincang City

表2 基于OPLS-DA 的VIP 值大于1.0 的香气成分Table 2 Aroma components with VIP values of more than 1.0 as determined by OPLS-DA

3 讨论与结论

普洱生茶中主要香气成分及其呈香特性已基本明确。其中，不经贮藏的普洱生茶在香气品质上与晒青毛茶相似，香气组成以醇类香气为主，其次为醛类和酮类物质[18-19]。而随着贮藏时间的延长，醇类、酮类以及含氮类物质呈下降趋势，而甲氧基苯类物质则呈增加趋势，呈现独特陈香的品质特点[20-21]。本文从16 份临沧市普洱生茶中共检测到48 个主要香气成分，包括醇类13 种、醛类17 种、酮类8 种、酯类4 种和其他类6 种。醇类物质占香气总量的比例最高，平均含量为46.55%；其次是醛类物质，平均含量为26.81%；酮类、酯类以及其他类香气物质占香气总量比例相对较小。由于本试验的16 份样品为当年普洱生茶，均未经过自然贮藏发酵，香气成分中均未检测到甲氧基苯类香气成分。田小军等[22]研究发现甲氧基苯类香气成分在普洱茶自然发酵第7 年才检测到，甲氧基苯类香气的增加是导致普洱生茶香型逐渐呈现陈香的品质特征重要因素。总体来看，临沧市普洱生茶的主要香气种类、组成与前人研究的云南普洱生茶结果相一致。

利用多元统计方法对临沧市普洱生茶主要香气成分进行综合分析发现，沧源县、双江县、耿马县等临沧市南部地区与云县、凤庆县、永德县、临翔区、镇康县等临沧市北部地区的普洱生茶样品能够明显区分开。南部地区普洱生茶醇类、酯类香气物质含量相对较高，而北部地区醛类、酮类以及其他类香气物质含量相对较高。共筛选出23 个香气成分或种类作为区分临沧市南、北部地区普洱生茶香气的重要标志物，其中芳樟醇、异佛尔酮、酮类、醇类、醛类、β-环柠檬醛、α-环柠檬醛、2,2,6-三甲基环己酮、橙花醇、β-紫罗兰酮对临沧市南、北部地区普洱生茶分类贡献较大。不同产地因温度、湿度、光照以及地形地貌等环境因素的影响，鲜叶原料在香气前体物质的含量、组成比例以及内含糖苷水解酶特性等方面存在较大差异，香气品质呈现明显的产地特征[23-24]。高海拔茶园具有相对低温、高湿和多云雾的气候特征，有利于茶树含氮化合物和芳香物质的合成和积累，茶叶酮类和醛类含量所占比例升高，玫瑰香气和花果香味更加浓郁[25-26]。茶叶香气中大量存在的醇类、醛类及内酯类化合物等往往是由饱和或不饱和脂肪酸转化而来，较低的海拔条件更有利于脂肪酸和不饱和脂肪酸的生成在，醇类、醛类及内酯类香气物质相对丰富[23,27]。因此，推测海拔高度是形成临沧市南、北部地区普洱生茶香气成分含量差异一个重要原因。

本研究通过对临沧市16 份普洱生茶样品的主要香气成分含量进行比较分析，并利用多元统计方法综合分析临沧市普洱生茶主要香气成分，一定程度上了解了临沧市普洱生茶的香气品质。然而，普洱生茶的香气成分受茶树品种、采摘季节、加工工艺和储藏条件等因素的影响，今后还需扩大临沧市不同季节、不同品种、不同生产厂家及不同储藏时间的普洱生茶样本量，进而为临沧市普洱生茶品质与产地判定等研究提供理论依据。