不同干燥方式的桂热2号红茶香气成分分析及判别

阳景阳,李子平,陆金梅,何 文,冯红钰,刘汉焱,徐冬英,梁光志,罗莲凤

(广西南亚热带农业科学研究所,广西崇左 532415)

桂热2号茶树品种为广西南亚热带农业科学研究所从凌云白毫群体种中采用单株选择-无性繁殖方法选育的优良品种,品种登记号为(桂)登(茶)2006010[1]。该品种属于乔木大叶种,芽叶肥壮内含物丰富,具备制作优质红茶的基础。以桂热2号为原料研制的红茶品质优异,以其独特持久的甜毫香,深受消费者喜爱。

香气是决定红茶品质的重要因子。红茶在干燥过程中挥发低沸点青味物质,激化保留高沸点芳香物质[2-3],随着芳香物质的转化、生成与损失,氨基酸与糖类经过美拉德(Maillard-Reaction)反应,产生大量的吡咯类、呋喃类、吡嗪类化合物等芳香物质,从而形成红茶的香气特征[4]。传统红茶干燥通常以常压热风干燥、日晒干燥为主,随着科技的发展真空冷冻干燥、微波干燥等多种干燥方式也逐渐兴起[5]。热风干燥和微波干燥通过高温钝化酶活性,终止发酵过程,而冷冻干燥与日晒干燥温度相对较低,未失活的酶可以继续参与后发酵过程[6]。研究人员对不同干燥方法对本地区红茶香气的影响开展了研究,任洪涛等[4]研究了云南大叶种红茶进行热风干燥后的香气物质变化。高明珠[7]运用真空冷冻干燥与常压热风干燥结合的真空脉动干燥技术制作工夫红茶,此方法相较于一般冷冻干燥,更有利于茶叶香气的形成。叶飞等[2]以福鼎大白鲜叶为原料,比较热风干燥和滚炒干燥处理对宜红茶品质影响,热风干燥处理宜红茶的甜香型香气成分相对较多。仇方方等[8]对宜红茶运用热风、远红外、微波、光波、微波+光波五种提香方式,所有提香后茶叶中芳樟醇、苯甲醇等部分物质含量下降,苯甲醛、(E)-β-紫罗酮、反式-橙花叔醇等物质含量升高,同时还出现吡嗪、嘧啶等具有烘烤香的杂环化合物,芳香物质的变化利于茶叶甜香风味的形成。

吕世懂等[9]分析云南3种晒青红茶和3种烘青红茶的香气成分,并利用主成分分析(principal component analysis,PCA)和聚类分析(clustering analysis,CA)找出这2种不同干燥方式红茶的异同点,但不能判定高温干燥的烘青红茶比晒青红茶香气更丰富。Fang等[10]结合GC-MS数据和PCA、逐步线性判别分析(stepwise linear discriminant analysis,SLDA)成功判定鉴别了祁门红茶的地理源头。此外,还有研究人员通过统计学方法探索了不同干燥方式的绿茶[11-17]、普洱茶[18-19]等茶类的香气优缺点。同时,PCA、正交偏最小二乘判别分析(orthogonal partial least squares discrimination analysis,OPLS-DA)和聚类分析(Hierarchical Cluster Analysis,HCA)等统计学方法还被广泛运用于食品[20-21]、药材[22-25]、饮料[26-27]、工业材料[28-29]等的图谱分析中。目前,通过PCA、OPLS-DA、HCA等方法研究香气品质的技术已得到一定应用,可为茶叶香气的研究提供理论参考。

目前对桂热2号红茶的工艺已有研究[30-31],为了进一步明确不同干燥方式对桂热2号红茶香气的影响,本文运用SPME-GC-MS技术对热风干燥、真空冷冻干燥、日晒干燥、冻干+热风干燥四种干燥方式桂热2号红茶香气成分进行检测,利用PCA、OPLS-DA、HCA方法进行建模分析,探明不同干燥方式桂热2号红茶的香气特征,确定差异香气成分,实现干燥方式判别,为进一步开发研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

桂热2号鲜叶 广西南亚热带农业科学研究所名优茶叶种植基地(制茶试验于2018年4～10月在广西南亚热带农业科学研究所名优茶厂进行);癸酸乙酯 美国Sigma-Aldrich;NaCl 国药集团化学试剂有限公司。

6CWD-6型茶叶萎凋槽 南宁市创宇茶叶机械有限公司;6CR-35型揉捻机、YX-6CFJ-10B型全自动红茶发酵机 福建安溪永兴茶叶机械厂;DW-86L388J超低温冰箱 青岛海尔特种电器有限公司;ZDG-10型真空冷冻干燥机 广东永利机械设备有限公司;6CTH型烘干机 浙江上洋机械有限公司;茶叶水分测定仪、固相微萃取手动SPME进样手柄、50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取头 美国Supelco公司;7890A-5975C型气相-质谱联用仪 美国Agilent公司。

1.2 实验方法

1.2.1 制茶方法 将新鲜采摘的桂热2号鲜叶放入萎凋槽内萎凋处理20 h(摊叶厚度1 cm,设置温度25 ℃,湿度70%);将萎凋叶放入揉捻机空压10 min、轻压20 min、重压10 min、松压5 min制成揉捻叶;揉捻叶放入智能红茶发酵机发酵3 h,摊叶厚度10 cm,发酵叶温度35 ℃,发酵湿度90%[31];将发酵叶进行理条15 min后采用四种干燥方法(热风/冻干/日晒/冻干+热风)进行干燥;干燥叶经过除杂、捡剔等精制过程制成桂热2号红茶样品。

1.2.2 干燥方法

1.2.2.1 热风干燥(H组) 将发酵叶平摊至烘干架上,摊叶厚度0.2～0.8 cm,放入烘干机内,温度65～75 ℃,烘干时间2～3 h,温度95～100 ℃,烘干时间15～45 min,至茶叶含水率7%以下[31]。

1.2.2.2 真空冷冻干燥(D组) 将发酵叶装入封口袋中,放入超低温冰箱冷冻6 h,待冻实后取出放入冷冻干燥机;主冻干真空度0.8 mbar,温度-22 ℃,时间6～8 h;后冻干真空度0.05 mbar,温度-38 ℃,时间2～3 h;至茶叶含水率7%以下[32]。

1.2.2.3 日晒干燥(S组) 将发酵叶平摊在摊青布上,放在阳光直射的地方晒干(2～3 d),地表温度40～50 ℃,至含水率7%以下[9]。

1.2.2.4 冻干-热风干燥(DH组) 将发酵叶装入封口袋中,放入超低温冰箱设-50 ℃冷冻6 h,待冻实后取出放入冷冻干燥机;冻干真空度0.8 mbar,温度-22 ℃,时间6～8 h,含水率10%～15%取出;将茶样平摊至烘干架上,摊叶厚度0.2～0.8 cm,放入烘干机中,温度95～100 ℃,烘干时间15～45 min,至茶叶含水率7%以下。

1.2.3 感官审评方法 感官审评参照茶叶感官审评方法GB/T 23776-2018[33],邀请5名具备专业资格的评茶员对茶样进行密码审评。采用柱形杯审评法,取3.0 g茶样,茶水比1∶50 g/mL,置于相应评茶杯中,注满沸水、加盖计时5 min,依次等速滤出茶汤,叶底留于杯中,按外形、汤色、香气、滋味、叶底顺序逐项审评打分,将单项因子得分与该因子评分系数相乘,并将各个乘积值相加,即为该茶样审评总分。

1.2.4 SPME提取 采用固相微萃取(Solid-phase micro-extraction,SPME)方法提取茶叶香气物质,根据GB/T 8303-2013《茶磨碎试样的制备及其干物质含量测定》[29]中的紧压茶试样制备法,取出粉末茶样,混匀、磨碎,然后称取1 g茶样放入萃取瓶中,萃取温度120 ℃,保温20 min,吸附时间3 min。SPME进样针:50/30 μm DVB/CAR/PDMS(Dibinylbenzene/Carboxen/polydimethylsiloxane)

1.2.5 GC-MS条件 色谱条件:色谱柱Agilent(60 m×250 μm×0.25 μm);进样口温度270 ℃;升温程序:40 ℃(保持5 min),以15 ℃/min升温至280 ℃(保持5 min),以15 ℃/min升温至305 ℃(保持5 min);分流比10∶1,流速2.0 ml/min。质谱条件:SCAN扫描范围:29～550 m/z。

1.3 数据处理

由GC-MS分析得到的质谱数据经计算机在NIST标准谱库的检索,依据相关资料对各峰加以确认,鉴定样品中的挥发性香气成分,用峰面积归一法[34]分析各组成分相对含量。对数据于SIMCA14.1中进行主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)、正交信号校正偏最小二乘判别分析(Orthogonal Partial Least Squares Discrimination Analysis,OPLS-DA)和聚类分析(Hierarchical Cluster Analysis,HCA)。

2 结果与分析

2.1 感官审评

红茶审评中香气因子占权重的25%,以嫩香、嫩甜香、花果香为最佳[33],四个茶样香气因子得分H≈DH>S>D,见表1。H(93.0分)表现为香气甜毫香明显,DH(93.0分)表现为甜毫香浓郁持久,香气表现较好;而D(87.2分)和S(90.4分)香气中都带有些青气,表现较差。外形DH为最优,紧结,显金毫;汤色D、DH都表现为金黄明亮,较优;滋味以H表现最好,有明显回甘,S表现最差;叶底D表现最好,肥嫩,红明亮。综合得分H≈DH>D>S,H与DH为最好(92.0分),S最差(89.1分)。

表1 感官审评结果(分)Table 1 Results of sensory quality evaluation(scores)

2.2 GC-MS结果分析

GC-MS结果经NIST标准谱库检索,对各峰加以确认后用峰面积归一法分析各组成分相对含量,剔除匹配度SI<80的香气物质,结果见表2。12个茶样共鉴定出36种香气物质,可鉴定组分的峰占到了总峰面积的87.13%(D)、86.76%(DH)、86.10%(H)、83.85%(S),其中醇类14种占总峰面积的33.27%(D)、38.21%(DH)、38.77%(H)、39.60%(S),含量较高有的芳樟醇(兰花香)[35-36]、苯乙醇(玫瑰花香)、苯甲醇(芳香味)、橙花醇(新鲜柑橘香)、橙花叔醇(甘甜带木香),对桂热2号花果甜香的贡献较大。DH组芳樟醇含量显著(P<0.05)高于D组,说明冻干后面的高温烘干处理有助于芳樟醇的形成。橙花醇是香叶醇的异构体,D组的橙花醇显著(P<0.05)低于S和H组,而D组橙花叔醇显著(P<0.05)高于其他组。醛类鉴定出8种,占总峰面积的7.09%(D)、8.61%(DH)、9.03%(H)、5.60%(S),含量最高是苯乙醛(果甜香),DH组显著(P<0.05)高于S组,其他组差异不显著。酮类3种,占总峰面积0.96%(D)、0.96%(DH)、1.33%(H)、0.62%(S),D组的β-紫罗兰酮(木质香气)显著(P<0.05)高于其他组。酸类1种,乙酸(醋酸味)相对含量为0.50%(D)、0.57%(DH)、1.19%(H)、1.19%(S)。酯类1种,水杨酸甲酯(薄荷香味)相对含量为3.33%(D)、4.52%(DH)、3.49%(H)、4.33%(S),方差分析含量差异不显著。其他类包含氮类、碳氢类、内酯类、杂环类等,占含量的41.97%(D)、33.88%(DH)、32.29%(H)、32.51%(S),其中含氮化合物咖啡因含量D组(32.20%)显著(P<0.05)高于其他组,DH(30.32%)组显著(P<0.05)高于H组(27.87%)。

表2 四种不同干燥方式的桂热2号红茶香气成分及相对含量(%)Table 2 Aroma compounds and relative content of four kinds of Guire 2 black tea treated with different drying methods(%)

四组茶样共有的香气成分有33种,占总峰面积1%以上的有咖啡因、芳樟醇、苯乙醇、水杨酸甲酯、苯甲醇、2-甲基丁醛、苯乙醛、橙花叔醇、橙花醇、二甲基硫、异戊醛、1-乙基-1H-吡咯-2-甲醛,这些香气成分之和占到了总峰面积的76.12%(D)、76.76%(DH)、74.57%(H)、75.06%(S),说明上述物质构成了桂热2号红茶的甜香的香气基调。

2.3 PCA分析

主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)是一种通过降维方式提取有效信息的多变量统计方法,能在最大程度保留数据原始信息的基础上,在低维度内,找出变量间的关系,对样品加以区分[37-38]。将12个红茶样品(编号:D1～D3、DH1～DH3、H1～H3、S1～S3)的GC-MS数据构成12×36的矩阵,对数据采取帕累托标度化(Pareto scaling,Par)后进行主成分分析拟合主成分得图如图1。

表3 香气成分的主成分载荷矩阵Table 3 Loading matrix of principal components of aroma

模拟生成3个主成分,在95%的置信区间内,第1、第2主成分能累积反映69.5%的数据信息,累积Q2=0.48;第1、2、3主成分能累积反映82.2%的数据信息,累积Q2=0.49,表示模型解释度高,预测能力较好。得分图能反映各独立样本间的差别,图1中H组与DH组主要分布于第一四象限,S组分布于第四象限,D组分布于第二三象限,除DH组与H组间较为相近外,其他试验组间都能实现较好的区分。

图1 PCA分析散点图 Fig.1 PCA of samples distribution scatter plots 注:a:二维分布图;b:三维分布图。

载荷因子是PCA分析中重要变量贡献的集合,反映了各香气物质对主成分负荷的相对大小和作用方向,可以显示具体变量对主成分的贡献情况[20],正系数大代表该香气物质对主成分正向的贡献大,反系数大代表该香气物质对主成分反向的贡献大。在第一主成分中,咖啡因(0.661)具有较大的正系数值,橙花醇(-0.383)具有较大的负系数值;第二主成分中苯乙醇(0.369)、芳樟醇(0.340)、2,6,11-三甲基十二烷(0.318)、3,4-二甲基-2,5-二氢-1H-吡咯-2-酮(0.307)具有较大的正系数值,苯甲醇(-0.37)具有较大的负系数值;第三主成分中芳樟醇(0.467)、水杨酸甲酯(0.341)具有较大的正系数值,橙花醇(-0.43)、二甲基硫(-0.354)具有较大的负系数值。

2.4 OPLS-DA分析

图2 组间S-plot Fig.2 S-plot between groups注:a:D组与DH组;b:D组与H组;c:D组与S组;d:DH组与H组;e:DH组与S组;f:H组与S组。

图3 组间VIP预测值分布散点图Fig.3 VIP predictive scatter diagram between groups

2.5 HCA分析

将12个红茶样品的GC-MS数据进行聚类分析(Hierarchical Cluster Analysis,HCA),如图4所示,在距离为6.23处可将茶样分为4类,第一类包括D1、D2、D3,第二类包括S1、S2、S3,第三类包括H2、H3第四类包括DH1、DH2、DH3及H1,除H组与DH组有部分难以区分外,其他组别间都实现了较好的区分度,分聚在不同类别。结果表明,聚类分析能有效通过香气成分对不同干燥方式的桂热2号红茶进行分类,但对都经过95 ℃以上加温的热风干燥组与冻干+热风组分类精度不高。

图4 不同干燥方式红茶HCA聚类分析图Fig.4 HCA analytical diagram of black tea with different drying methods

3 结论

四种干燥方式的桂热2号红茶共鉴定出36种香气物质,其中咖啡因、芳樟醇、苯乙醇、水杨酸甲酯、苯甲醇、2-甲基丁醛、苯乙醛、橙花叔醇、橙花醇、二甲基硫、异戊醛、1-乙基-1H-吡咯-2-甲醛等是主要呈香物质,构成了桂热2号花果甜香的基础。

GC-MS结合PCA、OPLS-DA、HCA分析能实现对多种干燥方式红茶的区分和聚类,差异成分的香气特质与感官审评香气评价相吻合,干燥过程中温度>95 ℃,香气成分中咖啡因等含量降低,芳樟醇、橙花醇等呈现花果香的物质含量升高,花果甜香显现,青气逐渐消失。本研究对红茶的干燥技术改进具有一定的参考价值,但是针对多种方式相结合的干燥方法的应用与精确判别还需深入研究。