基于因子综合法评价重庆X区绿茶品质

郝麒麟，陈梅，贺燕，程鸿，韦铮，黄先智，丁晓雯*，张夏兰，涂锡茂，杨凤娇

1(西南大学 食品科学学院，重庆, 400716)2(重庆市巴南区农产品质量安全中心，重庆, 401320) 3(西南大学科技处，重庆, 400716)

绿茶是采摘茶树鲜叶经杀青、揉捻(做形)和干燥3个工序加工而成，因而几乎保留了鲜叶中茶多酚、茶多糖、咖啡碱、儿茶素、氨基酸、维生素和矿质元素等大量天然成分。研究表明，绿茶具有显著的降糖降脂、抗菌、抗疲劳、抗氧化等功能[1-3]。我国绿茶产区分布广泛，品种多样，在不同地域、生长环境下的绿茶产品各具特色，如西湖龙井、洞庭碧螺春、峨眉竹叶青等，重庆地区的主要绿茶品类有巴南银针、永川秀芽、秀山毛尖等[4]。近年来，地方性特色茶叶产品广受关注与研究。王海利等[5]评价龙井、碧螺春和安吉白茶理化性质和香气成分，探究出了与品质相关的代表性成分；龚自明等[6]分析了湖北省具有代表性的名优绿茶感官、生化、氨基酸和矿质元素特点；王婷婷等[7]评价四川西、南和北3个地区绿茶的感官和滋味品质，解释了不同产区绿茶品质的差异。可见，不同地区的茶叶品质存在一定程度差异，同时各具特色，形成以地区为代表的特色产品。目前，关于重庆地区绿茶的品质评价还未见报道，开展品质评价对反映重庆绿茶的特色、提高重庆绿茶的知名度和经济效益具有重要参考价值。

主成分分析法(principal component analysis，PCA)的主要思想是降维，在损失较少信息的前提下把多个指标转化为几个综合指标，目的是使降维后的综合指标信息互不相关。聚类分析法(cluster analysis，CA)是根据数据的特征相关性聚合成不同类别，同一类数据在某种意义上彼此相似[8-9]。2种分析方法广泛应用于水果品质评价与选种[10]、白酒香气成分分析与质量品评[11]等食品相关研究方面，同时在茶叶品质比较[12]、茶叶品质分级[13]、茶叶产地辨别[14]等方面也有广泛应用。本研究以重庆X区绿茶为研究对象，采用分光光度法、高效液相色谱法等测定茶多酚、茶氨酸等13个主要指标的含量，通过PCA与CA评价X区绿茶的品质，为X区绿茶产业发展提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

X区绿茶样本41份，2019年3月随机抽取于管理条件基本一致的X区茶园，编号为1～41，粉碎后备用。

香荚兰素、茶氨酸、咖啡碱、没食子酸、槲皮素，均购于生物源叶公司；乙腈、甲醇均为色谱纯级，购于美国Sigma公司；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

752型紫外可见分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司；Fibertec-TM-M6型纤维仪，福斯中国有限公司；LC20A型高效液相色谱仪，日本岛津公司。

1.3 实验方法

水分、灰分、水浸出物、粗纤维含量分别参照国标[15-18]进行测定；果胶、叶绿素：采用分光光度法测定[19-20]；花青素：采用pH示差法测定[21]；总糖：采用苯酚-硫酸法测定[22]；总黄酮：采用AlNO3-NaOH显色法测定[23]；茶多酚：采用Folin-Ciocalteu比色法测定[24]；儿茶素：采用香荚兰素比色法测定[25]。

咖啡碱：采用高效液相色谱法测定[26]。测定条件为：色谱柱：C18柱，流动相：70%超纯水-30%甲醇；流速：1.0 mL/min；柱温：40 ℃；进样量：10 μL；检测波长：280 nm。

茶氨酸：采用高效液相色谱法测定[27]。测定条件为：色谱柱：SB-Aq，Agilent，250 mm×4.6 mm，5 μm；流动相：100%超纯水-100%乙腈；流速：1.0 mL/min；柱温：35 ℃；进样量：20 μL；检测波长：210 nm；梯度洗脱条件：0～12 min，100%A；12～22 min，20%A、80%B；22～40 min，100%A。

1.4 数据处理

每项指标均重复测定3次以上，结果用X±SD表示，采用Excel 2016和SPSS 21.0软件对测定结果进行统计分析和差异显著性分析。采用PCA与CA结合评价X区绿茶品质。

2 结果与分析

2.1 X区绿茶评价指标总体状况

根据GB/T 14456.1—2017绿茶基本要求[28]测定了X区炒青绿茶的水分、灰分等13个指标，水分、灰分、水浸出物、粗纤维、茶多酚、儿茶素是GB/T 14456.1—2017炒青绿茶基本要求的基本评价指标，多糖、总黄酮是绿茶中基本的功能成分，茶氨酸与咖啡碱是绿茶中重要的香气和滋味物质[1-3]，这13个评价指标包含了滋味、口感、功能性、矿物质含量等诸多因素，基本能反映X区绿茶的总体品质。X区绿茶各评价指标的总体状况如表1所示。

由表1可知，41份X区的绿茶样本水分含量在(6.28±0.05)%～(9.03±0.12)%，根据“GB/T 14456.1—2017炒青绿茶基本要求”的规定，水分含量应<7.0%。在测定的41个茶叶样本中，只有5个样本达到该要求。41份X区的绿茶样本的灰分、水浸出物、粗纤维含量分别是(5.09±0.02)%～(7.06±0.05)%、(41.88±0.82)%～(49.06±0.16)%、(9.00±0.77)%～(15.87±0.42)%，根据GB/T 14456.1—2017炒青绿茶基本要求的规定，灰分含量<7.5%、水浸出物含量>34%、粗纤维含量<16%，得到X区41份绿茶样本的灰分、水浸出物、粗纤维均达标，达标率为100%。41份X区的绿茶样本的茶多酚含量(9.26±0.17)%～(22.20±0.34)%，儿茶素含量(5.15±0.08)%～(11.44±0.08)%，根据GB/T 14456.1—2017炒青绿茶基本要求的规定，茶多酚含量>11.0%，儿茶素含量>7.0%，可得41份X区绿茶样本的茶多酚、儿茶素达标率分别为60.98%和41.46%；果胶含量(1.38±0.02)%～(3.16±0.04)%，花青素含量(77.38±3.37)%～(222.59±5.74) mg/kg，与丁华等[29]测得湖北绿茶中花青素含量相当；叶绿素含量(0.34±0.02)%～(2.51±0.01) mg/g，变异系数高达59.17%，表明样本间叶绿素含量差异明显；总糖含量(9.39±0.04)%～(13.52±0.18)%，与孙伟等[30]测得信阳绿茶中多糖含量相当；总黄酮含量(0.80±0.04)%～(1.84±0.03)%，与赵丽平[31]用乙醇浸提法测得信阳绿茶黄酮含量相当。X区绿茶茶氨酸含量(0.69±0.07)%～(1.97±0.03)%，咖啡碱含量(3.39±0.11)%～(4.81±0.07)%，与陈小强等[32]测得以西湖龙井、祁门红茶和普洱茶为代表的三类茶中的茶氨酸与咖啡碱含量相当。

表1 X区绿茶特征性成分评价指标的描述性统计(n=41)Table 1 Descriptive statistics of characteristic component evaluation indexes of green tea in X district

2.2 PCA法分析X区绿茶各评价指标

由于X区绿茶各评价指标之间存在量纲和数量级差异，为避免彼此影响，参照KAVDIR等[33]、傅隆生等[34]的方法，对所测定41份X区的绿茶样本的原始数据进行标准化处理，使得各指标的评价值处于相同数量级，再进行后续的统计分析。对X区41个绿茶样本的13个指标进行主成分分析，结果如表2、表3所示。

表2 X区绿茶评价指标主成分特征值与方差贡献率Table 2 Principal component eigenvalue and cumulative variance rate of green tea in X district

表3 主成分分析旋转成分矩阵Table 3 Rotated component matrix of principal component analysis

参考Kaiser标准，由表2可知，依据提取因子的特征值>1提取出5个主成分，它们的方差贡献率依次为30.411%、17.917%、10.568%、8.839%和7.966%，累计方差贡献率达75.701%，把X区绿茶原来的13个评价指标降维综合为5个相对独立的评价因子，达到了降维的目的[9]。

将与主成分之间相关系数的绝对值>0.5的指标组合成综合性指标[10]，由表3可知，PC1主要综合了总黄酮、儿茶素、花青素、果胶、茶多酚和总糖6个指标，累计方差贡献率30.411%，它们与PC1的相关系数分别是0.758、0.753、0.648、0.586、0.532和0.519，各指标都与PC1都成正相关；总黄酮、儿茶素、花青素、茶多酚和总糖具有抗氧化、抗菌、抗肿瘤作用和降糖降脂生理功能[1-3]，PC1值越高，功能作用越强[35]。PC2综合了叶绿素和灰分两个指标，贡献率为17.917%，它们与PC2的相关系数分别是0.898、0.859，这2个指标都与PC2成正相关。绿茶的色泽主要与叶绿素等多种色素类物质的组成、含量、比例等因素有关[36]；绿茶中的灰分代表茶叶中无机物与矿质元素的含量，大部分为营养元素。PC2值越大，表明绿茶色泽越好，矿质元素含量越高[37]。PC3综合了水分和水浸出物2个指标，方差贡献率为10.568%，它们与PC3的相关系数分别是0.883、0.863，与PC3成正相关。水分影响茶叶在贮藏过程中色泽、滋味的变化，含量越高陈化劣变速度越快，在茶叶生产加工贮藏过程中应严格控制[38]；茶叶水浸出物主要是茶叶中能溶于热水的可溶性物质，包括糖类、蛋白质、氨基酸、咖啡碱、多酚类等。PC3值越高，茶叶水浸出物含量越高，茶汤浓度就越高，越耐泡，茶汤的口感更醇厚[34]。PC4综合茶氨酸与粗纤维2个指标，方差贡献率为8.839%，其中茶氨酸与PC4成正相关，与PC4的相关系数是0.792，粗纤维与PC4成负相关，与PC4的相关系数是-0.787。茶氨酸是茶叶特有的游离氨基酸，主要影响茶叶的香气和滋味；粗纤维含量与原料茶叶的嫩度息息相关，PC4值越高，茶氨酸含量越高，粗纤维含量越低，说明茶汤滋味越鲜爽，绿茶越嫩[39]。PC5只代表咖啡碱这一个指标，方差贡献率为7.966%，它与PC5的相关系数是0.920。咖啡碱是茶叶重要的滋味物质，具有兴奋神经中枢、刺激肠胃助消化、抵抗酒精、烟碱、吗啡等作用，PC5值越高，绿茶中咖啡碱含量越高，茶汤鲜味越滋爽，功能作用越大[29]。

X区绿茶评价指标成分得分系数矩阵如表4所示，根据各评价指标的得分矩阵，建立各成分因子得分方程如下：

Z1=0.078X1+0.057X2+0.107X3+0.095X4+0.163X5+0.273X6+0.185X7+0.165X8+0.323X9-0.008X10+0.16X11+0.341X12-0.022X13；

Z2=-0.033X1+0.402X2-0.161X3+0.001X4-0.120X5-0.005X6+0.488X7-0.100X8+0.095X9-0.159X10-0.205X11+0.147X12-0.087X13；

Z3=0.515X1-0.029X2+0.505X3+0.083X4-0.128X5+0.163X6-0.159X7-0.064X8-0.048X9-0.018X10+0.057X11+0.078X12+0.035X13；

Z4=-0.230X1-0.122X2+0.150X3-0.539X4-0.002X5+0.054X6-0.050X7-0.068X8-0.150X9+0.588X10+0.077X11-0.011X12+0.048X13；

Z5=-0.024X1+0.070X3-0.001X4-0.036X5-0.257X6-0.097X7+0.085X8+0.385X9+0.018X10-0.055X11-0.057X12+0.791X13；

以各成分的方差贡献率为权数，建立X区绿茶品质综合评价模型：

C=30.411%Z1+17.917%Z2+10.568%Z3+8.839%Z4+7.966%Z5

表4 X区绿茶成分得分系数矩阵Table 4 Component score matrix of green tea in X district

将评价指标标准化处理后的数据带入品质评价模型方程，分数越高表示样本的综合品质越好[40]。由表5可知，综合得分前10的样本编号依次是：30、31、28、32、12、11、1、24、23、13。

表5 X区绿茶样本排名前十得分情况

2.3 CA法分析X区绿茶各评价指标

采用系统聚类-组平均法、Euclidean距离基于X区绿茶评价指标综合得分进行CA分析，分类结果如图1所示。

图1 X区绿茶聚类分析图Fig.1 Cluster analysis of green tea in X district from different habitats

如图1所示，根据分类的相似度及合理性[31,41]，当距离为5时，41个样本分为4类，第一类2个样本(样本编号1和2)，第二类15个，第三类21个，第四类3个(样本编号28、31和30)。X区绿茶各分类评价指标均值如表6所示。

表6 X区绿茶4类品质评价Table 6 Quality evaluation of green tea in X district in 4 types

注：同行不同字母表示差异显著(P<0.05)

由表6可知，不同分类的X区绿茶评价指标间存在一定差异。第一类果胶、花青素、总糖和茶多酚含量显著高于其他类(P<0.05)，咖啡碱含量显著低于其他类(P<0.05)；第二类茶氨酸含量显著低于其他类(P<0.05)；第三类水分含量显著高于其他类(P<0.05)，果胶、总糖、总黄酮和儿茶素含量显著低于其他类(P<0.05)；第四类灰分和叶绿素含量显著高于其他类，总黄酮、茶氨酸和儿茶素含量显著高于第二、三类，粗纤维含量显著低于其他类(P<0.05)。X区绿茶4种不同分类各具特点，第一类可选出总糖、茶多酚和花青素含量高的绿茶资源，第二类可选出茶多酚、总糖含量较高的绿茶资源，第三类可选出水浸出物、咖啡碱含量较高的绿茶资源，第四类可选出灰分、水浸出物、总黄酮、茶氨酸、儿茶素、咖啡碱和叶绿素含量高的绿茶资源。同时，第四类的绿茶样本与PCA综合得分前三的一致。

3 结论

在不同地域、品种、生长环境等条件下，绿茶的特征性成分含量会存在着一些差异，但因独特的口感、清香、滋味等特点而各具特色[42-43]。在本研究中，X区绿茶样本的特征性成分含量存在差异，根据GB/T 14456.1—2017炒青绿茶基本要求的规定，X区绿茶样本的茶多酚、儿茶素达标率分别为60.98%和41.46%，可通过改良茶树品种、改进加工方式等措施提高X地区绿茶的茶多酚和儿茶素含量。叶绿素的变异系数最大，可能与绿茶品种、制作工艺等相关；果胶、花青素、总黄酮、茶氨酸、儿茶素的变异系数也较大，可能受品种、加工方式等因素影响。

通过PCA，将评价X区绿茶品质的13个指标降维成5个综合性指标，通过PCA说明评价X区绿茶品质主要集中在滋味、口感、功能性作用、矿物质含量和色泽方面。通过主成分得分系数矩阵建立成分因子得分方程，得到X区绿茶样本得分和排序，得分排名前三的X区绿茶样本编号依次是30、31和28号。

CA按照样本间营养性状、品质特点的相似程度进行聚合，可对绿茶的品质特点提供参考。将X区绿茶41个样本分为4类，结合PCA，X区第四类绿茶品质最好，样本编号是30、31和28号，与PCA成分因子得分方程选出样本得分排名前三的结果一致，第一类绿茶(样本1和2号)品质仅次于第四类，其他类绿茶品质中等。

综合分析结果表明，X区绿茶的总体品质较好。为了进一步提高X区绿茶总体质量，应加强对绿茶资源开发以及对绿茶加工技术的深度研发，提高X区绿茶品质，益于该区绿茶的换代升级，提高茶农与茶企的收益。