基于主成分和聚類分析研究茯磚茶加工過程品質變化

,,3,,,,3， ,3,4,*

(1.湖南農業大學教育部茶學重點實驗室,湖南長沙 410128;2.國家植物功能成分利用工程技術研究中心,湖南長沙 410128;3.湖南省植物功能成分利用協同創新中心,湖南長沙 410128;4.湖南省作物種質創新與資源利用重點實驗室,湖南長沙 410128)

基于主成分和聚類分析研究茯磚茶加工過程品質變化

李永迪1,2,劉仲華1,2,3,黃建安1,3,張貽楊1,2,林海燕1,2,3，李勤1,2,3,4,*

(1.湖南農業大學教育部茶學重點實驗室,湖南長沙 410128;2.國家植物功能成分利用工程技術研究中心,湖南長沙 410128;3.湖南省植物功能成分利用協同創新中心,湖南長沙 410128;4.湖南省作物種質創新與資源利用重點實驗室,湖南長沙 410128)

研究了茯磚茶加工過程中10個時間階段的樣品,分析測定了18個品質成分,對所得結果進行主成分分析和聚類分析,構建樣品與品質成分之間的關系。結果表明:EGCG、GCG、ECG、茶多酚、可溶性糖、沒食子酸和水浸出物是茯磚茶加工過程中的主要變化物質。提取的三個主成分貢獻率分別為56.45%、26.29%和8.46%。結合聚類分析可得茯磚茶加工過程可分為4個階段:第一階段為毛茶期,包括毛茶和發花第0 d;第二階段為發花前期,包括渥堆、發花第3 d和發花第6 d;第三階段為發花后期,包括發花第9 d、發花第12 d、發花第15 d;第四階段為茯磚茶干燥期,包括發花第18 d、發花第22 d。本研究為茯磚茶加工過程中品質成分的變化建立了評價體系,確定了加工過程各時間段的分界限。

茯磚茶,發花,品質成分,主成分分析,聚類分析

茯磚茶(Fuzhuan Tea)屬于黑茶類,主產于湖南省,是湖南省茶產業的關鍵組成部分[1]。茯磚茶加工主要分為黑毛茶初制和成品茶加工兩個部分[2];黑毛茶初制加工的基本工序為鮮葉→殺青→揉捻→渥堆→干燥,茯磚茶成品茶加工的基本工序為篩分→拼配→汽蒸→渥堆→壓磚→發花(或發酵)→干燥→貯藏等工序[3-5]。茶葉色、香、味等品質特征不同源于其內含成分的組成及比例的差異,茯磚茶加工過程中其內含成分在微生物參與和濕熱作用下發生了復雜的變化,形成了其特有的品質風格[6],但其內涵成分的變化規律還缺乏研究數據。本研究對茯磚茶成品茶加工過程樣品中品質相關的理化成分進行分析,并采用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和聚類分析(Cluster Analysis,CA)確定了該加工過程各時間段的分界限,以期通過對內含成分變化規律的分析進一步完善茯磚茶品質形成的機理,為提高茯磚茶品質和功能性終端產品開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

茯磚茶樣品 益陽茶廠(湖南省,益陽市),分別取毛茶樣(S1)、渥堆樣(S2)、發花0(S3)、3(S4)、6(S5)、9(S6)、12(S7)、15(S8)、18(S9)、22 d(S10);甲醇、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、三氯化鋁和蒽酮等 國藥集團。

e2695型高效液相色譜儀 美國Waters公司;紫外分光光度計 日本島津公司;AE240型電子天平 瑞士Mettler公司;MIKRO-35型冷凍干燥機 德國Hettich公司;101-3AB型電熱鼓風干燥箱 天津市泰斯特儀器有限備公司;DK-S28型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 樣品制備 用錘子將茯磚茶分成4份,再在每份不同處取樣,用錘子擊碎合并。取少量合并樣磨碎棄去,再磨碎剩余部分作為待測試樣。

1.2.2 檢測方法 水浸出物參照國家標準GB/T8305-87(恒重法);游離氨基酸參照國家標準GB/T8314-2013進行;茶多酚參照國家標準GB/T8313-2008進行;有機酸參照國家標準GB/12456-2008(pH電位法);黃酮采用三氯化鋁比色法[7];可溶性糖采用蒽酮比色法[8];兒茶素生物堿采用HPLC檢測法[9];以上各指標均做3次生物學平行測定后取平均值。

1.2.3 數據處理 數據采用SPSS 23.0軟件進行方差分析(ANOVA),主成分分析(PCA)和聚類分析(CA)。顯著性p<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1茯磚茶加工過程中品質成分的變化分析

有研究表明茯磚茶經“發花”加工后多酚類物質、氨基酸、黃酮類物質、可溶性糖等成分都出現不同程度的下降[10]。茯磚茶加工過程中各品質成分變化趨勢如圖1所示。結果顯示:水浸出物、可溶性糖、游離氨基酸、茶多酚、酚氨比呈現不同程度的下降趨勢,與毛茶(S1)相比分別降低了16.68%(p<0.05)、26.87%(p<0.05)、15.23%(p>0.05)、30.61%(p<0.05)、18.14%(p>0.05);咖啡堿、兒茶素組分呈波動變化,但總體呈現下降趨勢,與毛茶(S1)相比分別下降了30.69%(咖啡堿,p<0.05)、58.83%(EGC,p<0.05)、7.55%(C,p<0.05)、20.93%(EC,p>0.05)、57.59%(EGCG,p<0.05)、58.00%(GCG,p<0.05)、58.92%(ECG,p<0.05);沒食子酸和簡酯兒茶素比先升后降,但整體呈上升趨勢,與毛茶(S1)相比分別上升了58.48%(p<0.05)和54.71%(p<0.05);黃酮、有機酸含量呈現小幅波動變化,但整體變化趨勢不顯著(p>0.05)。

2.2茯磚茶加工過程中品質成分的主成分分析

對茯磚茶加工過程中茶樣品質成分進行主成分分析,所得的相關矩陣的特征值如表1 所示。根據特征值大于1的原則提取了3個主成分,其特征值分別為56.45%、26.29%、8.46%累計方差貢獻率達91.20%,基本反映了大部分變量的信息。

表1 前3個主成分方差解釋Table 1 The variance explained of first three principle components

表2 主成分分析旋轉后的成分載荷矩陣Table 2 Rotated component matrix of PCA(principal component analysis)

圖1 茯磚茶品質成分變化圖Fig.1 Variation of quality components of Fuzhuan tea注:WE代表水浸出物,SS代表可溶性糖,FC代表黃酮,OA代表有機酸,TP代表茶多酚,AA代表游離氨基酸,TP/AA代表酚氨比,SC代表簡單兒茶素,ETC代表酯型兒茶素,SC/ETC代表簡酯兒茶素比,GC代表沒食子酸,CAF代表咖啡堿。*表示與S1相比差異顯著,p≤0.05;#表示與S3相比差異顯著,p≤0.05。

注:旋轉在5次迭代后收斂;PC1-PC3分別代表第1至第3主成分。

通過對主成分的載荷矩陣旋轉之后,可使載荷系數更接近1或者更接近0,這樣得到的主成分能夠更好的解釋和命名變量[11]。旋轉后結果見表2,旋轉在第5次迭代后收斂,其中對第1主成分(PC1)貢獻比較大的是水浸出物、游離氨基酸、簡酯兒茶素比、ECG、可溶性糖、GCG、沒食子酸、茶多酚、酯型兒茶素、EGCG,其載荷量均不低于0.77。因此,第1主成分基本可以代表酯型兒茶素類、茶多酚、游離氨基酸、可溶性糖、沒食子酸和水浸出物。對第2主成分(PC2)貢獻比較大的有簡單兒茶素、EC、EGC、咖啡堿、C和酚氨比,其載荷量均不低于0.63。因此,第2主成分基本可以代表簡單兒茶素類、咖啡堿和酚氨比。對第3主成分(PC3)貢獻比較大的是黃酮和有機酸,其載荷量分別為0.84和0.64。因此,主成分3可代表樣品的黃酮和有機酸。結合描述統計結合主成分量的分析可知,酯型兒茶素類、茶多酚、可溶性糖、沒食子酸和水浸出物是茯磚茶發花過程中的主要變化物質。

主成分得分圖反應樣品與品質成分之間的關系,因第1主成分和第2主成分可解釋茯磚茶加工過程中品質成分總變異的82.74%,可解釋大部分變異。故根據PC1和PC2分別繪制載荷圖(圖2)和樣品分布圖(圖3)。如圖3所示,不同發花時間段的茯磚茶在PC1、PC2的分值圖上有一定程度的聚類趨勢,其中S1和S3,即毛茶和發花第0 d的茯磚茶分布于第Ⅰ象限;S6、S7和S8即發花后期分布于第Ⅱ象限;S9和S10即干燥期分布于第Ⅲ象限;S2、S4和S5即渥堆和發花前期分布于第Ⅳ象限。結合主成分的載荷圖(圖2)可知,第Ⅰ象限主要以酯型兒茶素類、簡單兒茶素、咖啡堿、茶多酚、水浸出物、EGC含量較高以及酚氨比較高的毛茶和發花第0 d的茯磚茶為代表;第Ⅱ象限主要以沒食子酸、C、EC含量較高以及簡酯兒茶素比較高,黃酮、有機酸、可溶性糖含量較低的發花中期茯磚茶為代表;第Ⅲ象限主要以各品質成分都相對較低的發花后期茯磚茶為代表;第Ⅳ象限主要以有機酸、可溶性糖、黃酮含量較高,沒食子酸、C、EC含量及簡酯兒茶素比較低的發花前期及渥堆樣為代表。

圖2 茯磚茶品質成分載荷矩陣圖Fig.2 Fuzhuan tea physical and chemical indicators load matrix

圖3 茯磚茶品質成分主成分得分圖Fig.3 Fuzhuan tea physical and chemical indicators principal component score plot

圖4 聚類分析譜系圖Fig.4 Cluster analysis pedigree chart

2.3茯磚茶加工過程中品質成分的聚類分析

根據主成分分析的結果,對3個主成分(表2)的品質成分采用組間聯接(Between-groups Linkage)的聚類方法和平方歐式距離(Squared Euclidean Distance)區間測量法進行聚類分析如圖4。結果顯示:聚類結果與主成分得分圖結果基本一致,從圖4中可以看出茯磚茶加工過程可聚為4大類:

第一類即毛茶和發花第0 d的茯磚茶樣,其特征在于酯型兒茶素類、咖啡堿、茶多酚、水浸出物、EGC含量較高以及酚氨比較高;有研究表明毛茶原料經汽蒸后,細菌己全部被殺死,真菌90%以上被殺死[12],壓制后的茯磚茶坯已幾乎不存在微生物,該時間段幾乎沒有微生物作用和濕熱作用。

第二類即“發花”前期樣品,包括S2、S4和S5,其特征在于有機酸、可溶性糖、黃酮含量較高,沒食子酸、C、EC含量及簡酯兒茶素比較低;在該階段,酯型兒茶素主要是在濕熱作用下水解形成簡單兒茶素和沒食子酸,而簡單兒茶素通過自動氧化而形成以TF、TR、TB等氧化產物[13-14],纖維素、果膠、蛋白質等物質在濕熱作用下,發生一定程度的分解、轉化、氧化,形成有機酸、可溶性糖、黃酮等物質[14-15],使得這一階段有機酸、糖類、黃酮類含量較高。

第三類即“發花”后期樣品,包括S6、S7和S8,其特征在于沒食子酸、C、EC含量較高以及簡酯兒茶素比較高,而黃酮、有機酸、可溶性糖含量較低;在該階段,從發花第9 d多酚氧化酶帶活性達到最大,在發花第12 d開始酶活性逐漸下降[16],在酶促作用下一些前體物質發生轉化,并將酯型兒茶素分解為簡單兒茶素和沒食子酸,使得這一階段沒食子酸、簡單兒茶素等含量升高;同時有研究發現冠突散囊菌從發花第6 d開始生長,并在6～12 d出現對數生長期[12],冠突散囊菌在生長過程中以糖類、有機酸類、黃酮類作為碳源氮源供自己生長,使得這些成分含量降低。

第四類即茯磚茶干燥期樣品,包括S9和S10,其特征在于各品質成分含量均較低。在該階段環境溫度升高和相對濕度降低,微生物數量減少,酶活性降低[17],使得微生物酶促反應受到抑制,各品質成分無顯著性變化,并且經過前面各個階段后均有所消耗,含量相對偏低。

3 結論

本研究根據茯磚茶加工過程中樣品的品質成分特征,采用主成分分析和聚類分析可將茯磚茶加工過程分為四個階段:第一階段為毛茶期,其特征是酯型兒茶素類、咖啡堿、茶多酚、水浸出物、EGC含量較高以及酚氨比較高;第二階段為發花前期,包括渥堆、發花第3 d和發花第6 d,其特征是有機酸、可溶性糖、黃酮含量較高,沒食子酸、C、EC含量及簡酯兒茶素比較低;第三階段為發花后期,包括發花第9 d、發花第12 d、發花第15 d,其特征是沒食子酸、C、EC含量較高以及簡酯兒茶素較高,而黃酮、有機酸、可溶性糖含量較低;第四階段為干燥期,包括發花第18 d、發花第22 d,其特征是各品質成分含量均相對較低。

[1]Liu Z,Lin Y,Zhang S,et al. Comparative proteomic analysis using 2DE-LC-MS/MS reveals the mechanism of Fuzhuan brick tea extract against hepatic fat accumulation in rats with nonalcoholic fatty liver disease[J]. Electrophoresis,2015,36(17):2002-2016.

[2]Xu A,Wang Y,Wen J,et al. Fungal community associated with fermentation and storage of Fuzhuan brick-tea[J]. Int J Food Microbiol,2011,146(1):14-22.

[3]劉石泉,胡治遠,趙運林. 基于DGGE技術的茯磚茶發花過程細菌群變化分析[J]. 生態學報,2014(11):3007-3015.

[4]Luo Z M,Ling T J,Li L X,et al. A new norisoprenoid and other compounds from Fuzhuan brick tea[J]. Molecules,2012,17(3):3539-3546.

[5]趙仁亮,譚吉慧,盧秦華,等. 茯磚茶發花微生物生物學特性研究[J]. 茶葉科學,2016(2):160-168.

[6]傅冬和,劉仲華,黃建安,等. 茯磚茶加工過程中主要化學成分的變化[J]. 食品科學,2008(2):64-67.

[7]馬陶陶,張群林,李俊,等. 三氯化鋁比色法測定中藥總黃酮方法的探討[J]. 時珍國醫國藥,2008(1):54-56.

[8]魏曉明,符紅,萬幼平. 硫酸蒽酮比色法測定鹿龜酒中多糖的含量[J]. 中成藥,2000(5):62-64.

[9]譚婷,周穎,高靜,等. 保靖黃金茶紅茶發酵工藝研究[J]. 湖南農業科學,2016(1):77-80.

[10]李適,龔雪,劉仲華,等. 冠突散囊菌對茶葉品質成分的影響研究[J]. 菌物學報,2014(3):713-718.

[11]公麗艷,孟憲軍,劉乃僑,等. 基于主成分與聚類分析的蘋果加工品質評價[J]. 農業工程學報,2014(13):276-285.

[12]溫瓊英,劉素純. 茯磚茶發花中優勢菌的演變規律[J]. 茶葉科學,1991(S1):56-62.

[13]王增盛,譚湖偉,張瑩,等. 茯磚茶制造中主要含氮、含碳化合物的變化[J]. 茶葉科學,1991(S1):69-75.

[14]張大春,王登良,郭勤. 黑茶渥堆作用研究進展[J]. 中國茶葉,2002(5):6-8.

[15]鄭淑娟,盛耀,歐小群,等. 渥堆黑茶香氣和主要功效研究進展[J]. 食品工業科技,2016(20):366-370.

[16]黃建安,劉仲華,施兆鵬. 茯磚茶制造中主要酶類的變化[J]. 茶葉科學,1991(S1):63-68.

[17]宛曉春. 茶葉生物化學[M]. 中國農業出版社,2007.

QualitychangesofFuzhuanTeaduringprocessingperiodbasedonprincipalcomponentandclusteranalysis

LIYong-di1,2,LIUZhong-hua1,2,3,HUANGJian-an1,3,ZHANGYi-yang1,2,LINHai-yan1,2,3,LIQin1,2,3,4,*

(1.Tea Key Lab of the Ministry of National Teaching of Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;2.National Research Center of Engineering Technology for Utilization of Botanical Functional Ingredients,Changsha 410128,China;3.Hunan Co-Innovation Center for Utilization of Botanical Functional Ingredients,Changsha 410128,China;4. Hunan Provincial Key Laboratory for Gerplasm Innovation and Utilization of Crop,Changsha,410128,China)

Ten time periods samples from processing process of Fuzhuan Tea were collected,and 18 quality component were measured. Principal component analysis and cluster analysis were used to investigate the quality component,the relationship between the sample and the quality component were constructed. The results indicated that major changed components in the processing of Fuzhuan Tea was EGCG,GCG,ECG,tea polyphenols,soluble sugars,gallic acid and water extracts. The contribution ratios of the three principal components were 56.45%,26.29% and 8.46%. It could be concluded through cluster analysis that processing process of Fuzhuan Tea was divided into four stages. The first stage was the Maocha period,including the Maocha and the zeroth day of fungus growing. The second stage was the early stage of fungus growing,including the pile-fermentation,the third and sixth day of fungus growing. The third stage was the late stage of fungus growing,including the 9th day,the 12th day and the 15th day of fungus growing. The fourth stage was the drying period of Fuzhuan tea,including the 18th day,and the 22th day of fungus growing. This study established a evaluation system to change the quality of the process during the processing of Fuzhuan tea,and determined the Fuzhuan tea processing time of the dividing line.

Fuzhuan tea;fungus growing;quality components;principal component analysis;cluster analysis

2017-01-19

李永迪(1992-),男,碩士研究生,研究方向:茶葉加工及功能成分化學,E-mail:jesse_lee12@163.com。

*通訊作者:李勤(1983-),男,博士,講師,主要從事茶葉生物化學方面的研究,E-mail:liqinvip@126.com。

國家自然科學基金面上項目(31471706)；湖南省自然科學基金(13JJ4067)；湖南農業大學引進人才項目(13YJ13)；湖南省教育廳科學研究項目(15C0670)；作物種質創新與資源利用重點實驗室開放研究項目(16KFXM11)。

TS201.1

:A

:1002-0306(2017)17-0001-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.001