基于GC-IMS的不同年份緊壓白茶揮發(fā)性物質分析

王志華，薛志慧，朱文偉，孫威江*

（1.福建農林大學 園藝學院，福建 福州 350002；2.福建農林大學 安溪茶學院，福建 泉州 362400；3.福建省茶產業(yè)技術開發(fā)基地，福建 福州 350002；4.福建熹茗茶業(yè)有限公司，福建 福州 350002）

白茶，屬微發(fā)酵茶，其湯色黃綠清澈、滋味消淡回甘征[1]，且隨著貯藏時間的增加，白茶的藥用價值越明顯。適當條件下貯藏的緊壓白茶具有一定的收藏價值，有“一年茶、三年藥、七年寶”之稱[2]。新鮮白茶中的甜味和青草味經過長時間的自然存放后會產生特有的酯類化合物，轉變?yōu)楹扇~香、棗香和藥香等[3-5]。研究表明，經過壓餅處理后的白茶中醇類物質的平均相對含量有大幅度降低，而酯類物質則有明顯增加，且較散茶陳香更明顯[6-7]。現(xiàn)在緊壓白茶市場存在大量“以新代老”“以次充好”的亂象，如何規(guī)范緊壓白茶市場秩序、促進緊壓白茶消費市場健康發(fā)展成為急需解決的問題。

氣相-離子遷移譜 （gas chromatography-ion mobility spectroscopy，GC-IMS）是一種將氣相色譜技術（GC）和離子遷移譜技術（IMS）相結合的技術，多應用于靶向和半靶向揮發(fā)性物質分析[8-9]。與傳統(tǒng)GC-MS（gas chromatography-mass spectrometry）相比，GC-IMS具有前處理更簡單、靈敏度更高、檢測時間更短等優(yōu)點，現(xiàn)在廣泛應用于油類[10]、酒類[11]、中藥[12]、水果[13]、肉類[14]等食品領域的生產過程監(jiān)控、產地判別、真假判定和安全性檢測。對于茶葉的研究多集中在綠茶[15]、茯磚茶[16]等不同茶類的風味物質分析和鑒別，以及不同產地茶葉的追蹤溯源研究[17-18]。

作者采用氣相離子遷移譜技術，通過化學計量法對同一公司同一倉儲環(huán)境下不同年份緊壓白茶的特征揮發(fā)性物質及其變化規(guī)律進行探究，對科學辨別緊壓白茶倉儲年限，保障消費者權益、規(guī)范緊壓白茶市場提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗于2019年10月開展，材料選擇福建瑞達茶業(yè)有限公司提供的采摘標準為一芽三四葉且制于春季的壽眉餅，生產時間分別為2018年、2016年、2014年、2012年、2010年、2009年、2006年 和2003年。緊壓白茶工藝流程為：精制后的毛茶先進行稱重，之后蒸汽軟化30 s，再團緊固定之后壓餅7 min，最后進行烘干儲存。試驗所用茶樣均從當年商品茶中隨機挑選，具體的茶樣信息見表1。

表1 不同年份緊壓白茶樣品表Table 1 Compressed white tea samples for different years

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理取0.1 g白茶樣品粉末置于20 mL頂空瓶中，70℃下保溫15 min后自動進樣。每個貯藏年份緊壓白茶餅3~5個平行樣品，設置3個重復，每個樣品進樣1次。

1.2.2儀器運行參數(shù)試驗使用Flavour Spec?氣相離子遷移譜聯(lián)用儀，采用氣相-離子遷移譜單元和自動頂空進樣單元，用氮氣作載氣。具體分析參數(shù)見表2。

表2 儀器分析參數(shù)Table 2 Instrument analysis parameters

1.2.3 數(shù)據(jù)分析主要數(shù)據(jù)分析均使用氣相-離子遷移譜檢測儀器自帶分析軟件。物質的相對定量及定性分析使用LAV（laboratory analytical viewer）和GC-IMS Library Search內置數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)分析使用Reporter、Gallery Plot以及PCA插件。后續(xù)分析使用SPSS22，PRSIM 8.0和R Studio軟件。

2 結果與討論

2.1 不同年份緊壓白茶揮發(fā)性物質定性分析

分別選取了不同年份的緊壓白茶樣品，使用GC-IMS技術對揮發(fā)性物質進行對比和分析。圖1以貯藏期1年的緊壓白茶為參比，選取揮發(fā)性物質差異較大的年份作圖，通過比較樣品譜圖顏色判斷差異揮發(fā)性物質。圖1顯示出貯藏期2年的緊壓白茶和貯藏期10年以上的緊壓白茶相比揮發(fā)性物質有較大差別：貯藏期10年以上的樣品在遷移時間10~14 ms、保留時間200~600 s的紅色框內揮發(fā)性物質含量顯著高于參比茶樣，而在遷移時間9~16 ms、保留時間700~1 100 s的黑色框內揮發(fā)性物質含量顯著低于參比茶樣。

使用配套的軟件GCxIMS Library Search通過氣相保留時間以及離子遷移時間完成對揮發(fā)性物質的定性分析：不同年份緊壓白茶共檢測出134種揮發(fā)性物質，通過內置數(shù)據(jù)庫鑒定出包括單體、二聚體和三聚體在內的56種揮發(fā)性物質。其中醇類16種，醛類19種，酯類5種，酮類7種，雜氧類化合物2種，吡嗪類及其衍生物5種，碳氫類化合物2種，主要風味物質如表3所示。

圖1 不同年份緊壓白茶離子遷移譜對比圖Fig.1 Comparison of ion migration spectra of compressed white tea in different years

表3 不同年份緊壓白茶定性揮發(fā)性物質表Table 3 Qualitative volatile compounds of compressed white tea in different years

續(xù)表3

醇類和醛類是緊壓白茶最主要的香氣成分，相關研究結果也表明白茶主要風味物質是醇類和醛類，芳樟醇及其氧化物和2-己烯醛是最主要的香氣成分[19]。研究發(fā)現(xiàn)：主要揮發(fā)性物質是γ-丁內酯二聚體、正丙醇、苯甲酸乙酯、芳樟醇單體、2-乙基-6-甲基吡嗪和苯甲醛二聚體。其中，γ-丁內酯具有焦糖香，在咖啡[20]、茶葉[21]中均有報道；2-乙基-6-甲基吡嗪有烘烤香氣；苯甲酸乙酯和芳樟醇單體具有花香和果香，苯甲醛二聚體則具有苦杏仁香氣，正丙醇帶苦味，適量的正丙醇可以襯托酯香，使香氣更豐滿持久。主要揮發(fā)性物質間的相互作用構成了緊壓白茶獨特的風味特征。

2.2 不同年份緊壓白茶揮發(fā)性物質指紋圖譜分析

不同年份緊壓白茶揮發(fā)性物質的指紋圖譜如圖2和圖3所示，由圖可知不同年份緊壓白茶的揮發(fā)性物質有較大差異，且部分物質呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。紅色框內的揮發(fā)性物質：水楊酸甲酯、苯乙酸甲酯、芳樟醇及其氧化物單體及其二聚體、2-苯乙醇單體及其二聚體、庚醛單體及其二聚體、檸檬烯以 及 未 鑒 定 出 物 質 名 稱 的6、7、14、16、39、45、57、58、60在2018年緊壓白茶樣品中的相對含量顯著高于其他年份，而56、72、73、74、84、85的相對含量則顯著低于其他年份；另外，2003年緊壓白茶樣品中2-庚醛的相對含量顯著高于其他年份，未知物質“67”的相對含量則在2014—2018年緊壓白茶樣品中的相對含量較高。黃色框中的1-辛烯-3-醇、苯甲醛單體及其二聚體、1-戊醇單體及其二聚體、3-甲基丁醛二聚體以及未知物質20、21、22、23、34、35在各個年份中均有檢出。比較不同年份緊壓白茶揮發(fā)性物質信號峰強度，可以發(fā)現(xiàn)貯藏兩年的緊壓白茶揮發(fā)性物質相較于其他年份會更加豐富且濃度更高，貯藏期16年樣品揮發(fā)性物質較少。貯藏年份相近的緊壓白茶揮發(fā)性物質也相對較為類似，說明緊壓白茶香氣較為穩(wěn)定，變化相對較少。

圖2 不同年份緊壓白茶未知揮發(fā)性物質的指紋圖譜Fig.2 Fingerprint of unknown volatile compounds of compressed white tea in different years

圖3 不同年份緊壓白茶定性揮發(fā)性物質的指紋圖譜Fig.3 Fingerprint of volatile compounds of compressed white tea in different years

表4 不同年份緊壓白茶差異揮發(fā)性物質表Table 4 Volatile compounds of compressed white tea in different years

續(xù)表4

2.3 不同年份緊壓白茶揮發(fā)性物質化學計量學分析

圖4是對8個不同年份緊壓白茶樣品的揮發(fā)性物質峰強度值進行主成分分析，得出貢獻度前二十名的特征揮發(fā)性物質，其中鑒定出來的物質有2-乙?；秽?、檸檬烯、2-苯基乙醇單體及其二聚體、庚醛二聚體、異丁酸以及E-2-辛烯醛。主成分分析得出的二維得分圖，如圖5所示。第一主成分分析值為57.6%，第二主成分分析值20.8%，第一主成分和第二主成分的解釋量達到78.4%，表明第一主成分和第二主成分可以較好地區(qū)分不同年份的緊壓白茶。由圖5可知，貯藏期1~9年的緊壓白茶和其他年份有較好的區(qū)分度，這表明貯藏時間較短的緊壓白茶和貯藏時間較長的緊壓白茶揮發(fā)性物質有著較大差異。而貯藏期10年、13和16年的緊壓白茶樣品則較為分散，可能是由于生產時間太過久遠受到外界環(huán)境較大的影響。

圖4 不同年份緊壓白茶主成分貢獻度分析Fig.4 Substances of PCA contribution of compressed white tea in different years

鑒于無監(jiān)督的PCA分析對于區(qū)分不同年份壓白茶作用有限，采用有監(jiān)督的LDA分析對緊壓白茶樣品進行分析，結果如圖6所示。分析精度1.0，ROC曲線下方的面積（AUC）1.0，表明LDA分析真實性較高，分析結果具有較高的可信度。由圖可知，每個年份的緊壓白茶通過LDA分析均能較好地分離。其中，貯藏期1~3年的緊壓白茶揮發(fā)性物質較為類似，貯藏期10~16年的緊壓白茶能夠較好地聚集在一起。進一步對特征揮發(fā)性物質進行線性回歸分析，建立貯藏時間（y）和主要特征揮發(fā)性物質的預測模型方程，y=-0.03x1+0.038x2-0.09x3-0.012x4+0.002x5+0.004X6+0.022x7+0.019x8-0.018x9-0.011x10+0.005x11-0.011x12+0.000x13-0.042x14-0.015x15+0.017x16+0.033x17+0.008x18+0.008x19-0.124x20（其中x1~x13為未定性特征揮發(fā)性物質，x14~x20分別為2-乙?；秽?、檸檬烯、2-苯基乙醇二聚體、2-苯基乙醇單體、2-庚酮、E-2-辛烯醛、異丁酸），R2=0.929，P＜0.05。因此，通過化學計量法分析得出的特征揮發(fā)性物質對于區(qū)分不同貯藏年限緊壓白茶具有較好的區(qū)分度，且可信度較高。

圖5 不同年份緊壓白茶揮發(fā)性物質的PCA圖Fig.5 PCA of volatile compounds of compressed white tea in different years

圖6 不同年份緊壓白茶揮發(fā)性物質的LDA分析圖Fig.6 LDA analysis chart of volatile compounds of compressed white tea in different years

2.4 不同年份緊壓白茶特征揮發(fā)性物質的變化趨勢

以鑒定出來的區(qū)分不同年份緊壓白茶貢獻度前二十名的特征性揮發(fā)性物質峰強數(shù)據(jù)進行作圖（以2-辛醇為內標物的相對含量），結果如圖7所示。在不同年份緊壓白茶中，2-乙?；秽?、庚醛二聚體和E-2-辛烯醛的含量整體呈現(xiàn)上升趨勢。2-乙?；秽谫A藏時間達到10年之后上升的速度減緩，而庚醛二聚體在貯藏時間3年時含量開始下降，到貯藏時間達到9年之后又出現(xiàn)顯著上升趨勢；E-2-辛烯醛含量在貯藏時7年時增速減緩，到貯藏時間達到11年后又呈線性增長。由圖7能夠發(fā)現(xiàn)緊壓白茶樣品隨著貯藏時間的增加，異丁酸、2-苯基乙醇單體及二聚體、檸檬烯整體是下降趨勢，有小范圍的波動。其中，在貯藏3年的緊壓白茶中這四種物質相對含量的減少速度趨緩。2-苯基乙醇單體及其二聚體在貯藏時間達到9年的時候，含量達到穩(wěn)定狀態(tài)。

對文獻[22]提到的重要揮發(fā)性物質芳樟醇及其氧化物和水楊酸甲酯的相對含量進行了趨勢分析，如圖7所示，芳樟醇及其氧化物則在存放1~5年呈現(xiàn)顯著下降趨勢，之后隨著儲藏年限的增加氧化芳樟醇的含量又出現(xiàn)上升趨勢，有小幅度的波動出現(xiàn)。水楊酸甲酯有顯著減少的趨勢，且在貯藏3年之后相對含量趨于穩(wěn)定。

有關報道顯示，2-乙酰基呋喃[23]呈杏仁香，有堅果和煙熏氣息，庚醛二聚體[24]具草藥味和微弱陳香，E-2-辛烯醛[25]有清香藥草的味道；另外，2-苯基乙醇[26]具有花香清甜香，檸檬烯[27]呈現(xiàn)清爽檸檬味；隨著貯藏時間的增加，緊壓白茶的特征揮發(fā)性物質會相互作用，形成老白茶具有花香、清香藥草味和堅果味的獨特風味特征。羅舟[28]研究結果顯示：白茶隨著貯藏年份的累積，呈現(xiàn)出清花香、毫香和青氣不斷減弱的趨勢，而陳香、棗香和甜香則會相應有所增加，與本研究內容相符。另外，異丁酸具有腐敗陳味，多在酒類中被報道[29]。在本研究中，異丁酸相對含量雖然有小幅度波動但是整體呈現(xiàn)下降趨勢，表明隨著貯藏時間的增加緊壓白茶中腐敗性刺激味道逐漸減弱，也有可能是倉儲環(huán)境不當導致緊壓白茶中出現(xiàn)腐敗性的刺激味道。傅海峰[19]研究了陳年壽眉餅茶在儲存過程中品質變化，結果顯示水楊酸甲酯和水楊酸的動態(tài)變化可能是陳年壽眉餅茶的重要特征，和本研究結果相符。另外有相關文獻報道，陳化白茶壓餅后芳樟醇及其氧化物含量有明顯下降，隨著貯藏時間的延長，S-芳樟醇的含量顯著降低[30]，而本研究則顯示芳樟醇相對含量呈現(xiàn)先下降又小幅度上升的波動趨勢。具有甜香味的S-芳樟醇會轉化為具有木本和薰衣草的氣味的R-芳樟醇，可能是緊壓白茶芳樟醇含量出現(xiàn)下降趨勢的原因之一。

3 結語

圖7 不同年份緊壓白茶特征揮發(fā)性物質相對強度趨勢圖Fig.7 Trend of relative content of characteristic volatile compounds of compressed white tea in different years

選取相同倉儲環(huán)境的緊壓白茶采用氣相離子遷移譜技術，運用指紋圖譜信息庫和化學計量法初步確定了不同年份緊壓白茶揮發(fā)性物質的類型和含量，討論了區(qū)分不同年份緊壓白茶的特征揮發(fā)性物質及其在不同年份緊壓白茶中的變化趨勢，為進一步研究貯藏時間對緊壓白茶品質的影響提供理論和數(shù)據(jù)支撐，起到判斷緊壓白茶貯藏年份和規(guī)范緊壓白茶市場的作用。研究結果發(fā)現(xiàn)134種有利于區(qū)分不同年份白茶餅的香氣物質，其中鑒定出56種香氣物質。其中，2-乙酰基呋喃、檸檬烯、2-苯基乙醇單體及其二聚體、庚醛二聚體、異丁酸和E-2-辛烯醛可以作為辨別不同年份緊壓白茶的特征揮發(fā)性有機物。檸檬烯、2-苯基乙醇、異丁酸的含量隨著貯藏年份的增加呈現(xiàn)下降趨勢，而2-乙?；秽?、庚醛和E-2-辛烯醛的含量則隨著年份的增加呈現(xiàn)上升趨勢。建立起貯藏時間（y）和主要特征揮發(fā)性物質的預測模型方程：y=-0.03x1+0.038x2-0.09x3-0.012x4+0.002x5+0.004x6+0.022x7+0.019x8-0.018x9-0.011x10+0.005x11-0.011x12+0.000x13-0.042x14-0.015x15+0.017x16+0.033x17+0.008x18+0.008x19-0.124x20（其中x1~x13為未定性特征揮發(fā)性物質，x14~x20分別為2-乙酰基呋喃、檸檬烯、2-苯基乙醇二聚體、-苯基乙醇單體、2-庚酮、E-2-辛烯醛、異丁酸），R2=0.929，P＜0.05。緊壓白茶在貯藏過程中杏仁香、草藥味和微弱陳香逐漸增加，而花香、清甜香和果香則逐漸減弱，共同形成緊壓白茶的獨特風味特征。

緊壓白茶經過長時間的儲存會產生種類多樣的風味特征物質，軟件內置的數(shù)據(jù)庫信息還不能夠完全支持將全部的物質定性出來，因此后期需要采用其他手段來對緊壓白茶中的揮發(fā)性物質進行檢測和鑒定，豐富特征揮發(fā)性物質庫，還需要增大樣本量，豐富緊壓白茶年份，為更好地辨別不同年份緊壓白茶做出補充和參考，建立起緊壓白茶年份快速判別體系。