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基于电子鼻和ATD

花匠小妙招
2024-12-06 14:31

茉莉花茶属于再加工茶类，具有降血糖[1]、抗抑郁[2]、抗氧化[3]等保健功效。2018年全国茉莉花茶产量11.08万吨，产值达到109.1亿元[4-5]。福州为茉莉花茶的发源地，福州茉莉花茶为历史名茶，并被列为地理标志产品[6]，横县茉莉花茶在全国茉莉花茶中占主导地位[7]，两地的茉莉花茶总产量和总产值在全国茉莉花茶中分别占到80.2%和81.7%[4-5]。

香气是茉莉花茶品质评价的重要指标，而茉莉花茶的香气主要来源于对茉莉鲜花香气的吸附[8-9]。前人在茉莉花茶的窨制过程[10-11]、窨制方式[12]、生产厂家[13]、品类[14]、等级[15]、品质及真伪[16]等方面进行了香气研究。然而，关于不同产地茉莉花茶的香气研究仍较为欠缺。Lin等[17]提出了茉莉花茶香气（jasmine tea flavor，JTF）指数，即邻氨基苯甲酸甲酯、顺-3-己烯醇苯甲酸酯、α-法呢烯和吲哚的峰面积之和与芳樟醇的峰面积比值，JTF指数越大，表明茉莉花茶的品质越好，等级越高。刘晓港[18]和陈梅春等[19]通过气相色谱质谱联用仪（GC-MS）和茉莉花茶香气指数对不同窨制原料的茉莉花茶进行研究，但并未实现茉莉花茶香气的产地区分。电子鼻在食品方面的应用非常广，涉及食品分类、风味研究、新鲜度评价、保质期评价等主要领域[20]。自动热脱附仪具有快速简单、灵敏度高等特点，它作为一种气相色谱的无溶剂萃取技术已经得到了广泛的应用[15]。多元统计分析方法可以最大限度地分离不同组间的样品，获得良好的可视化效果，已广泛应用于不同类别[21]、不同等级[22]和不同品种[23]等茶叶分析。

本研究采用电子鼻和自动热脱附-气相色谱-质谱联用仪（ATD-GC-MS）测定福州和横县两地茉莉花茶的香气，并结合多元统计分析方法进行数据挖掘，为探究不同产地茉莉花茶的香气品质奠定基础，并为消费者选择特定风味的茉莉花茶提供理论参考。

1. 材料与方法

1.1 材料与仪器

福建福州茉莉花茶（FZ01-FZ08）、广西横县茉莉花茶（HX01-HX14）的市售茶样　罗源生春源茶业有限责任公司和福建闽瑞茶业有限公司。

iNose型电子鼻　上海昂申智能科技有限公司；QC-1S大气采样仪　北京市科安劳保新技术有限公司；自动热脱附-解吸仪配有吸附管　成都科林分析技术有限公司；GCMS-TQ8040　日本岛津公司。

1.2 实验方法 1.2.1 电子鼻测定方法

参照Wang等[15]的方法，采用电子鼻对茉莉花茶样品进行香气测定。

1.2.1.1 样品的前处理

将3.0 g（精确至0.001 g）茉莉花茶样品称入60 mL的顶空瓶中，在55 ℃的水浴锅中平衡40 min后开始检测。

1.2.1.2 电子鼻检测参数

气体流量为800 mL/min；采样时间为5 min；等待时间为15 s；样品清洗时间为150 s。

1.2.1.3 电子鼻响应值的计算

样品清洗时得到参比电阻R0，检测样品后得出样品电阻R，由R/R0即可得出样品的响应值。

1.2.2 ATD-GC-MS测定

参照Wang等[15]的方法，采用ATD-GC-MS对茉莉花茶样品进行香气测定。

1.2.2.1 香气成分的提取

称取3.0 g样品（精确至0.001 g）至顶空瓶中，将顶空瓶密封，并在55 °C的水浴锅中平衡20 min后，采用聚四氟乙烯管连接大气采样仪和顶空瓶，按吸附管上标注的气流方向以200 mL/min的流速采样30 min。挥发性气体提取完成后，立即取下吸附管，用聚四氟乙烯盖密封其两端，送至实验室待测。

1.2.2.2 自动热脱附-解吸仪条件

阀温度200 ℃；传输温度200 ℃；一级解吸温度250 ℃；一级解吸时间5 min；冷阱吸附温度25 ℃；冷阱加热时间3 min；二级解吸温度300 ℃；进样时间60 s；循环时间50 min。

1.2.2.3 色谱条件

GC条件：色谱柱：Rtx-5MS毛细柱（30 m×0.25 mm，0.25 µm）；柱箱温度40 ℃，进样口温度240 ℃，柱流量1 mL/min；升温程序：初始温度40 ℃保持3 min，以5 ℃/min升至120 ℃，保持5 min，再以30 ℃/min升至240 ℃，保持8 min；载气（He）流速3 mL/min，压力49.5 kPa；分流比5:1。

MS条件：电子轰击离子源；接口温度280 ℃；检测器电压0.8 kV；离子源温度230 ℃；质量扫描范围m/z 28~500。

1.2.2.4 定性和定量方法

将质谱图与质谱库（NIST 11.L和Wiley 7）相匹配，以匹配度大于80%为定性鉴定依据[15]。以峰面积进行定量，再除以样品的质量，最终单位为AU/g[24-25]。

1.2.3 茉莉花茶香气评价指数（JTF）计算

JTF=（邻氨基苯甲酸甲酯+顺-3-己烯醇苯甲酸酯+吲哚+α-法呢烯）与芳樟醇的峰面积比值[16]。

1.3 数据处理

使用SPSS 21.0软件（美国IBM公司）进行单因素分析（ANOVA），通过SIMCA 14.1软件（瑞典Umetrics AB公司）对样品进行正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）和层次聚类分析（HCA）。

2. 结果与分析

2.1 不同产地茉莉花茶的电子鼻数据分析 2.1.1 不同产地茉莉花茶的电子鼻响应值分析

福州茉莉花茶和横县茉莉花茶的电子鼻响应值如表1所示。10个传感器中，S1、S4和S8这3个传感器响应值的组间差异小于或等于组内差异，在两地茉莉花茶之间差异不明显（P>0.05）。其余7个传感器（S2、S3、S5、S6、S7、S9和S10）对横县茉莉花茶的响应值显著大于福州茉莉花茶（P<0.05）。

表 1 不同产地茉莉花茶的电子鼻响应值

Table 1. Electronic nose response values of jasmine tea from different habitats

传感器编号对应敏感的挥发性气体电子鼻响应值P横县茉莉花茶福州茉莉花茶 S1胺类、氨气1.98±0.051.95±0.030.076S2硫化物、硫化氢1.63±0.121.45±0.070.001S3氢气1.82±0.021.77±0.040.003S4有机溶剂、酒精1.66±0.021.64±0.050.262S5食物烹调过程中的挥发性气体1.71±0.021.66±0.050.004S6沼气、碳氢化合物、甲烷1.55±0.031.45±0.050.000S7可燃性气体1.58±0.021.48±0.070.000S8VOC （多用于环境气体污染检测）1.92±0.021.93±0.020.627S9汽油、煤油、氢氧化合物1.76±0.011.69±0.050.000S10可燃性气体、烷烃1.54±0.031.42±0.060.000总和　17.15±0.2616.45±0.380.000

前人研究表明，电子鼻可以快速区分不同香气强度的茉莉花茶，茉莉花茶的香气强度越高，电子鼻的传感器响应值越高[14－15]。由表1可得，横县茉莉花茶的响应值之和显著大于福州茉莉花茶（P<0.05），说明横县茉莉花茶的香气强度相对较高。

茉莉花茶的主要香气组分包括醇类、酮类、醛类、酯类、碳氢化合物及含氮化合物[10]。其中，醛类、酯类、醇类、酮类及含氮化合物包含在有机溶剂中。因此，S4（对有机溶剂和酒精敏感）和S6（对碳氢化合物、沼气和甲烷敏感）为茉莉花茶的特征性传感器。实验结果表明，S4对两地茉莉花茶样品的响应值没有显著性差异（P>0.05），而S6则对横县茉莉花茶的响应值显著高于福州茉莉花茶（P<0.05）。由此可推测，S6传感器在两地茉莉花茶的区分中起到重要作用。

2.1.2 不同产地茉莉花茶的HCA分析

图1为茉莉花茶样品电子鼻传感器响应值的层次聚类分析结果。由图1可知，福州茉莉花茶（FZ01-FZ08）和横县茉莉花茶（HX01-HX14）分别聚为一类，聚类效果总体良好。

图 1 茉莉花茶样品的层次聚类分析

Figure 1. Results of hierarchical cluster analysis analysis of jasmine tea samples

2.1.3 不同产地茉莉花茶的OPLS-DA分析

如图2（A）所示，两组样品在得分散点图的横轴上实现了产地区分，与HCA分析结果一致。其中，横县茉莉花茶样品均分布在横轴正半轴（即，第一象限和第四象限），而福州茉莉花茶样品则分布在横轴负半轴（即，第二象限和第三象限）。图2（B）是本判别模型经200次交叉验证计算的结果，如图所示，所有方形点（Q2）都低于右侧原始点，且Q2回归线与纵轴的相交点小于零，说明模型验证有效。

图 2 茉莉花茶样品的正交偏最小二乘判别分析

注：A.得分散点图（R2X=0.905; R2Y=0.876; Q2=0.824）; B. 模型交叉验证结果。

Figure 2. Results of orthogonal partial least squares discriminant analysis of jasmine tea samples

10个传感器在判别模型中的变量权重值（VIP）如表2所示，其中5个传感器（S10, S7, S9, S6, S2）的VIP值大于1.0，说明它们在该产地判别模型中的贡献较大。

表 2 10个传感器的变量权重值

Table 2. Variable importance for projection of ten sensors

化合物名称VIP化合物名称VIP S101.16S50.99S71.14S30.99S91.13S10.84S61.12S40.76S21.02S80.72

综上所述，通过OPLS-DA模型对样品的电子鼻数据进行分析，能够较好地实现两地茉莉花茶的区分，且S2、S6、S7、S9和S10这5个传感器对茉莉花茶产地区分的贡献较大（P<0.05且VIP>1）。

2.2 不同产地茉莉花茶的GC-MS数据分析

福州和横县两地茉莉花茶的香气成分种类及含量如表3所示。经ATD-GC-MS分析后，共鉴定出48种挥发性有机化合物，包括5种醛类、16种酯类、10种醇类、11种碳氢化合物、4种酮类、1种含氮化合物和1种酚类。

表 3 不同产地茉莉花茶香气成分的ATD-GC-MS分析结果

Table 3. Analysis results of aroma components of jasmine tea from different origins by ATD-GC-MS

化合物登录号CAS相对含量（×106 AU/g）P福州茉莉花茶横县茉莉花茶戊醛（Pentanal）110-62-31.27±0.110.48±0.040.000正己醛（Hexanal）66-25-10.63±0.050.51±0.090.534苯甲醛（Benzaldehyde）100-52-74.30±0.552.00±0.150.007癸醛（Decanal）112-31-20.29±0.010.19±0.010.003β-环柠檬醛（β-Cyclocitral）432-25-70.27±0.040.36±0.040.319醛类（5种）6.75±0.663.54±0.240.003乙酸叶醇酯（3-Hexen-1-ol, acetate,（E）-）3681-7-1822.07±2.5345.68±5.950.047苯甲酸甲酯（Benzoic acid, methyl ester）93-58-3124.90±11.87112.90±15.670.712戊二酸二甲酯（Pentanedioic acid, dimethyl ester）1119-40-01.93±0.170.61±0.070.000醋酸-2-乙基己酯（Acetic acid, 2-ethylhexyl ester）103-09-30.43±0.020.17±0.010.000乙酸苄酯（Acetic acid, phenylmethyl ester）140-11-4550.87±43.73413.74±52.230.225（E）-2-己烯基苯甲酸酯（E-2-Hexenyl benzoate）76841-70-86.71±1.202.81±0.470.040顺-3-己烯基丁酯（Butanoic acid, 3-hexenyl ester,（Z）-）16491-36-44.51±0.504.90±1.010.841水杨酸甲酯（Methyl salicylate）119-36-8127.09±12.79108.08±14.140.538顺-3-己烯醇 2-甲基丁酸酯（cis-3-Hexenyl-α-methylbutyrate）53398-85-90.78±0.090.95±0.120.499乙酸苯乙酯（β-Phenethyl acetate）103-45-72.12±0.192.41±0.280.616惕各酸叶醇酯（（Z）-（Z）-Hex-3-en-1-yl 2-methylbut-2-enoate）84060-80-01.13±0.111.33±0.180.590邻氨基苯甲酸甲酯（Methyl anthranilate）134-20-3587.34±45.27224.46±35.530.000丁酸苯甲酯（Butanoic acid, phenylmethyl ester）103-37-71.90±0.151.37±0.240.277乙酸薰衣草酯（4-Hexen-1-ol, 5-methyl-2-（1-methylethenyl）-, acetate）25905-14-07.45±0.654.42±0.640.045Z-3-己烯酸-3-己烯酯（cis-3-Hexenyl cis-3-hexenoate）61444-38-07.91±1.182.57±0.630.011顺-3-己烯醇苯甲酸酯（cis-3-Hexenyl benzoate）25152-85-6274.17±10.41141.86±12.670.000酯类（16种）1721.31±122.371068.27±134.640.035叶醇（3-Hexen-1-ol,（E）-）928-96-124.01±2.5429.06±3.060.4392-乙基己醇（1-Hexanol, 2-ethyl-）104-76-717.29±0.766.06±0.240.000苯甲醇（Benzyl alcohol）100-51-6232.75±17.1969.83±6.450.000顺式氧化芳樟醇（cis-Linalool oxide）5989-33-31.58±0.241.26±0.110.399反式氧化芳樟醇（呋喃型）（trans-Linalool oxide（furanoid））34995-77-26.58±0.585.18±0.580.285芳樟醇（Linalool）78-70-6266.16±18.84226.93±22.150.4102.6-二甲基环己醇（Cyclohexanol, 2,6-dimethyl-）5337-72-41.23±0.171.18±0.150.880苯乙醇（Phenylethyl Alcohol）60-12-82.20±0.221.60±0.210.216香叶醇（Geraniol）106-24-17.51±0.803.61±0.510.011橙花叔醇（Nerolidol）7212-44-47.89±0.483.20±0.360.000醇类（10 种）567.19±39.96347.90±31.530.010蒎烯（1R-α-Pinene）7785-70-80.49±0.030.32±0.010.001罗勒烯（β-Ocimene）13877-91-31.20±0.141.69±0.250.323β-荜澄茄油烯（β-Cubebene）13744-15-54.53±0.552.55±0.380.058β-倍半水芹烯（β-Sesquiphellandrene）20307-83-92.43±0.331.20±0.180.035α-石竹烯（α-Caryophyllene）6753-98-610.69±1.384.26±0.660.008γ-衣兰油烯（γ-Muurolene）30021-74 -010.63±1.205.12±0.760.015α-法呢烯（α-Farnesene）502-61-4187.79±10.70102.46±9.910.001γ-杜松烯（γ-Cadinene）39029-41-936.53±3.2614.68±1.900.001β-杜松烯（β-Cadinene）483-76-143.12±3.9516.84±2.220.001α-衣兰油烯（α-Muurolene）10208-80-77.22±0.782.60±0.330.001α-广藿香烯（α-Patchoulene）560-32-72.37±0.220.87±0.120.001碳氢化合物（11 种）306.99±22.14152.57±16.340.001甲基庚烯酮（5-Hepten-2-one, 6-methyl-）110-93-010.61±2.027.76±0.820.359苯乙酮（Acetophenone）98-86-27.13±0.312.14±0.110.000异佛尔酮（Isophorone）78-59-132.65±1.3811.38±0.530.000香叶基苯酮（trans-Geranylacetone）3796-70-11.84±0.140.95±0.100.003酮类（4 种）52.23±3.5522.23±1.150.000吲哚（Indole）120-72-9961.15±91.20261.67±46.050.000含氮化合物（1 种）961.15±91.20261.67±46.050.000丁香酚（Eugenol）97-53-011.20±1.203.16±0.520.000酚类（1 种）　11.20±1.203.16±0.520.000

刘晓港[18]和陈梅春等[19]采用SPME-GC-MS对不同窨制原料（福州茉莉花和横县茉莉花）的茉莉花茶进行测定，使用峰面积归一化法定量分析后发现，福州茉莉花茶的香气成分总量略高于横县茉莉花茶，但两地的JTF指数、香气种类和相对含量都没有显著性差异。本研究采用ATD-GC-MS测定样品并直接以峰面积进行定量分析（表3）。结果表明，福州茉莉花茶的香气成分总量和JTF指数（福州茉莉花茶为7.57；横县茉莉花茶为2.89）皆明显高于横县茉莉花茶样品；两地茉莉花茶的29种香气成分含量差异达到显著水平（P<0.05），其中包括在两地茉莉花茶中含量较高（>100×106 AU/g）的邻氨基苯甲酸甲酯、苯甲醇、顺-3-己烯醇苯甲酸酯、α-法呢烯和吲哚。

茉莉花茶中的邻氨基苯甲酸甲酯主要来源于窨制过程中的茉莉鲜花[9]，具有橙花香[26]、桃子香[12]和甜葡萄般的气味[27]。其在福州茉莉花茶中的含量是横县茉莉花茶中含量的两倍多，可能与两地茉莉鲜花的品质相关。苯甲醇同时存在于茉莉花和茶坯，可以提高茉莉花茶的甜香和烘焙香[28-29]。曾在乌龙茶和红茶中被检测到的顺-3-己烯醇苯甲酸酯具有草本香、木香和青气[23,30]，其含量在茉莉花开放释香的过程中逐渐增加，对茉莉花茶的品质有重要影响[31]。据报道，具有花香和果香的α-法呢烯是乌龙茶的特征性香气成分之一，在乌龙茶加工过程中显著增加[23, 32]；同时，α-法呢烯也是茶坯和茉莉鲜花中原有的挥发性组分，在茉莉花茶的窨制过程大幅增加[17, 33]。吲哚具有坚果香、花香和焦香，与茉莉花茶的等级呈正相关[15]。这5种香气成分不仅在茉莉花茶的香气品质方面起到重要作用，且在两地茉莉花茶的差异香气成分中起到主导作用。

此外，作为对茉莉花茶鲜灵度有一定影响的香气成分[34]，叶醇和水杨酸甲酯在两地茉莉花茶间差异不明显（P>0.05），而乙酸叶醇酯、顺-3-己烯醇苯甲酸酯、α-法呢烯和吲哚在福州茉莉花茶中的含量显著高于横县茉莉花茶（P<0.05）。由此推测，在本试验样品中，福州茉莉花茶的香气鲜灵度相对较高。

3. 结论

福州茉莉花茶和横县茉莉花茶的香气成分在种类上相似，而香气成分含量差异明显。福州茉莉花茶的香气鲜灵度相对较高，而横县茉莉花茶的香气强度相对较高。ATD-GC-MS表明，福州茉莉花茶的香气成分总量和JTF指数（福州茉莉花茶为7.57；横县茉莉花茶为2.89）均明显高于横县茉莉花茶样品；两地茉莉花茶的29种香气成分含量差异达到显著水平（P<0.05），其中包括在两地茉莉花茶中含量较高（>100×106 AU/g）的邻氨基苯甲酸甲酯、苯甲醇、顺-3-己烯醇苯甲酸酯、α-法呢烯和吲哚。茉莉花茶香气不仅在产地间呈现差异，还会随茶坯及鲜花质量、加工工艺和贮存环境等因素的变化而异。因此，将电子鼻与ATD-GC-MS联用，在技术上优势互补，将为后续深入探究茉莉花茶的香气品质提供技术支撑。