基于化學組分的鐵觀音茶梗和葉茶模式識別研究

王麗麗，楊軍國，林清霞，項麗慧，陳 林

(福建省農業科學院茶葉研究所，福建 福安 355015)

毛茶是指在茶葉初加工中經烘干工序所形成的茶葉，此時仍含有茶梗、黃片、茶末等雜質，凈茶是指毛茶再加工過程中揀掉茶梗等雜質后的茶葉，這兩者統稱為葉茶，茶梗則指從成品毛茶中揀下的莖梗。鐵觀音茶梗最為常見，由于其加工原料要求葉片成熟，一般以小開面2～3葉較為理想，再加上機械化采茶的緣故，成品毛茶茶梗含量甚高。我國是茶葉生產大國，據統計，每年挑出的茶梗約占茶葉毛重的20%，僅安溪縣一帶每年的茶梗、茶末就達5萬t[1]。那么如何充分利用茶梗，提升茶葉產品附加值，是促進茶業可持續發展的途徑之一。長久以來，一些科研工作者致力于茶梗的深加工技術研究，如添加茶梗栽培白靈菇[2]、廢棄茶梗制備活性炭[3-4]和吸附廢水中銅、鉻等金屬離子[5-6]、茶梗固態生料發酵產單寧酶[7]、提取純化茶梗中非水溶性膳食纖維、茶多糖、茶皂素、咖啡堿等功能成分[8-12]，以上研究均有效提高了這部分茶葉資源的綜合利用價值，為其深度開發利用提供廣闊的應用前景。從經濟環保角度考慮，茶梗中含量較高的活性成分更值得提取與開發。為探索茶梗中區別于其葉茶(毛茶和凈茶)的化學成分，本試驗以這3類樣品為研究對象，測定其茶多酚、黃酮類、兒茶素類、生物堿、可溶性糖、氨基酸、有機酸等物質含量，并采用化學計量學手段對其進行類群區分，旨在較為全面揭示茶梗的化學組成，為茶梗有效成分的提取利用提供研究思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

收集鐵觀音樣品(SX，X為1-6)，帶梗視為毛茶樣(SX-R)，揀梗后為凈茶樣(SX-N)，留梗作為茶梗樣(SX-S)。磨碎后-20℃保存備用。見圖1。

圖1 鐵觀音毛茶、凈茶和茶梗外形特征Fig.1 Appearances of raw tea, net tea and stems from Tieguanyin tea plant注：a、b、c為毛茶、凈茶和茶梗干茶樣，磨粉后分別記作d、e、f。

FZ102微型植物粉碎機(天津泰斯特司)、1260型液相色譜儀(美國Agilent)、T6新世紀紫外可見分光光度計(北京普析通用)、ACD-0502-U超純水機(重慶艾科浦)。

1.2 測定方法

茶樣茶多酚(TPs)、游離氨基酸(FAAs)、可溶性糖(WSS)、黃酮類(Fs)測定采用分光光度法[13-14]，水浸出物(WE)測定采用稱量茶渣的差數法[15]，兒茶素類(GC、EC、EGC、ECG、EGCG)和生物堿(TB、CAF)、氨基酸組分[天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、絲氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)、茶氨酸(Thea)]、有機酸組分(草酸、DL-酒石酸、L-蘋果酸、乙酸、檸檬酸、富馬酸)測定采用HPLC法[16-18]。以上均重復測定3次。

1.3 數據統計分析

采用PAST(Version 3.20)軟件繪制二維“點集”分布視圖。采用ChemPattern 2017 Pro軟件進行數據分析，首先選擇通用化學計量學解決方案“Chemprolifer-XLS，CSV”，并針對變量UV標度化進行數據預處理，離群值識別設95%，選擇主成分分析(PCA)，取消“共有模式”，繪制得分圖。

2 結果與分析

2.1 化學組分差異

由圖2看出，TPs、Fs、WE、FAAs、WSS含量排序為凈茶>毛茶>茶梗，其中TP、Fs在凈茶和茶梗中含量差別大，凈茶中約是茶梗中的2倍，而凈茶中WE、FAAs、WSS比茶梗中高10%～30%。研究表明FAAs和WSS是具有生物活性的功能物質，從開發利用角度看，從茶梗中提取純化FAAs、WSS是一條可行途徑。生物堿與兒茶素的測定結果表明，茶梗中TB、GC和EC含量約為凈茶的50%，CAF、EGCG、ECG、EGC含量在兩者間相差3～4倍(表1)，說明CAF、EGCG、ECG、EGC在茶梗中的含量明顯低于凈茶和毛茶，提示若以茶梗為原料提取純化這些物質，則提取率低，成本較高。茶葉中采用HPLC測得的氨基酸種類達20種以上，鐵觀音樣品由于鮮葉原料成熟度較高的緣故，氨基酸含量普遍較低，因此本試驗僅顯示含量最高的5種氨基酸的測定結果，見表2。毛茶和凈茶中氨基酸總含量約為6～8 mg·g-1，茶梗樣中較低，為4～5 mg·g-1。氨基酸組分中，Thea含量最高，其次為Asp和Glu，而Ser和Ala含量最低。6種有機酸HPLC測定結果(表3)表明，毛茶、凈茶和茶梗中有機酸總量為2%左右，含量較高的組分有草酸、L-蘋果酸、乙酸，其中凈茶與毛茶有機酸含量相當，茶梗中稍低，主要是草酸和乙酸含量差異造成。

圖2 毛茶、凈茶和茶梗中主要化學組分含量Fig.2 Chemical compositions of raw tea, net tea and stems of Tieguanyin tea plant注：SX代表茶樣名，SX-R、SX-N、SX-S分別為毛茶、凈茶和茶梗；下同。

表1 毛茶、凈茶和茶梗中生物堿和兒茶素組分含量

注：TC：total catechins(兒茶素總量)，為GC、EGC、EGCG、EC、ECG含量的總和。

表2 毛茶、凈茶和茶梗中氨基酸含量

2.2 基于二維“點集”分布的化學模式識別

基于(TPs×FAAs)(TPs×WSS)(TPs×Fs)(TPs×WE)(Fs×WE)含量繪制的二維“點集”分布視圖可對鐵觀音毛茶、凈茶和茶梗進行類群區分，尤其茶梗的化學模式完全區別于凈茶(圖3a-e)。而依據(FAAs×WSS)含量繪制的二維“點集”分布視圖對3個群體的類群區分較差(圖3)，由(FAAs×Fs)(FAAs×WE)(WSS×WE)(WSS×Fs)繪制的二維“點集”分布視圖結果同此(未上圖)。由此表明，茶梗與凈茶中差異較大的組分依次為TPs、Fs、WE，其次是FAAs和WSS。

表3 毛茶、凈茶和茶梗中有機酸含量

圖3 二維“點集”分布視圖Fig.3 Distribution of data points on 2DSP注：1為毛茶，2為凈茶，3為茶梗

2.3 基于主成分分析的化學模式識別

基于兒茶素和生物堿、氨基酸組分、有機酸組分的主成分分析有效性檢驗均顯示，在α=0.05的檢驗水平上，差異具有統計學意義。

由圖4a看出，PC1方差貢獻度為90.04%，PC2方差貢獻度為5.69%，前2個主成分累計方差貢獻度達95.73%；綠色投影圈(凈茶組)與紅色投影圈(毛茶組)質心較靠近，表明二者類群區分不明顯，而藍色投影圈(茶梗組)與它們質心距離均較遠，表明有很好的類群區分。由圖4b看出，PC1和PC2累積方差貢獻度88.47%，茶梗組與毛茶組和凈茶組均基本分離，區分度較好。而基于有機酸組分的得分圖(圖4c)顯示，3個群體分離度較差，有交叉重疊部分，表明3者有機酸含量差異不顯著。

圖4基于化學組分的主成分分析
Fig.4PCA based on chemical composition of samples
注：a：兒茶素和咖啡堿；b：氨基酸組分；c：有機酸組分。

3 討論與結論

我國已是世界第一產茶大國，農業部針對茶葉生產形勢的調度分析顯示，2017年干毛茶產量約258萬噸，總產值1920億元[19]。作為茶葉的副產品——茶梗，除少部分用作枕芯外，絕大多數處理方式是丟棄、焚燒、坑埋，價值未得到很好體現。因此合理有效開發利用茶梗，讓廢棄茶梗擁有更多的利用空間和發揮更大的經濟價值，意義重大。

將茶梗作為一個整體進行開發利用目前多數停留在實驗室研究階段。活性炭能選擇性的吸附氣相、液相中各種物質，以達到脫色精制、消毒除臭和去污提純等目的[20]。以武夷山老樅水仙茶梗為原料制備的活性炭，其碘吸附值為453 mg·g-1，得率(制得活性炭質量與茶梗質量的比值)為47%，顯示出較好的吸附性能[4]。徐建榮等首次將鐵觀音茶梗作為一種過濾材料應用于卷煙濾嘴中，起到降低煙氣刺激、增補煙香、豐富煙氣等作用[21]。以茶梗為原料通過交聯、接枝共聚等手段改性，成功制得的磁性纖維素微粒對模擬廢水中銅離子的吸附能力較強[5]。由此看來，基于其物理性能及富含纖維素的特點，茶梗附加值得以提高。此外，提取、純化茶梗中某些功能性成分也是提升茶葉附加值的途徑之一。以化學法提取的烏龍茶茶梗非水溶性膳食纖維(IDF)比茶末提取的得率高，持水力好，結合脂肪能力相對筍頭有明顯優勢，持水力和溶脹性較胡蘿卜IDF高，具備應用于食品工業方面的潛力[8]。采用酶解處理和堿處理相結合的方法提取IDF，結果顯示茶梗比茶渣中含有更多的膳食纖維[22]。以鐵觀音茶梗為原料，提取天然功能物質——茶多酚作為紡織品整理劑，經堿性固著液處理后織物色牢度提高，且防護紫外線能力大幅度提升[23]。表明茶梗在功能食品、化工等領域有一定應用前景。

茶梗中含有茶多酚、茶氨酸、茶皂素等多種化學成分。用水提、柱層析等提取分離綠茶副產品(如茶末、茶梗)，得到的茶多酚復合物中EGCG含量為44.5%，ECG含量為16.3%，提取率分別為5.3%、2.0%[24]。相比綠茶，鐵觀音茶梗中多酚及兒茶素本身含量明顯較低，提取率也低。采用正交試驗優選的提取工藝提取茶梗中茶氨酸，測得其質量濃度為6 mg·g-1[25]，而本試驗鐵觀音凈茶和茶梗中茶氨酸含量為2～4 mg·g-1，其含量較低極大可能是因原料品種、嫩度與提取工藝差異所致。茶樹老嫩莖(茶梗)中茶皂素含量比老嫩葉也高[26]。許雨石等[27]研究表明以水浸提茶梗測得的茶多酚含量達71.73 mg·mL-1，單寧酶浸提的總游離氨基酸含量為27.57 mg·mL-1，纖維素酶浸提的總糖含量122.55 mg·mL-1，因采用最優工藝提取的緣故，除水浸提法與本文所用的70%甲醇水溶液提取測得的茶多酚數據基本一致外，其余檢測數據均高。采用GB8312-2002中分光光度法測得福建烏龍茶茶梗中咖啡堿含量為0.67%～2.85%[28]，本試驗用液相測得鐵觀音茶梗咖啡堿含量僅為0.4%，究其原因主要是檢測方法及原料嫩度的不同。而對于茶梗中有機酸含量等方面的報道較為鮮見。

自80年代起，化學計量學方法逐步引入中藥材的質量控制方法研究中，幾種常用的模式識別方法如主成分分析(PCA)、聚類分析、人工神經網絡技術等在中藥品種優劣、道地性、成分差異研究中得以應用[29]。化學計量學在中藥質量控制中的優勢是可根據多變量數值分析把同類異類中藥材區分開，具體來說就是充分提取待分析物的特征信息，對其進行降維處理，然后進行模式識別分析[30]。它既克服了直接對比的主觀性，又最大限度地保留了化學成分的相關信息，是區別于一般統計方法如SPSS中差異顯著性分析的優勢所在。楊艷芹等[31]萃取不同產地路路通的揮發性組分，所得數據經化學計量學主成分分析降維，根據幾個主成分所占的方差貢獻率將不同產地藥材歸類，再建立載荷圖，可明顯看出各個地區組分相對含油量的差異或有無。茶梗是從成品毛茶中揀下的莖梗，500 g鐵觀音毛茶經揀梗等工序精制后，可獲得350 g左右的凈茶，將化學計量學方法用于茶梗與其毛茶和凈茶的全面、快速鑒別歸類與成分差異研究具有明顯優勢。

本試驗測定結果表明，在鐵觀音成品茶中，茶梗中茶多酚、黃酮類、咖啡堿、兒茶素等含量明顯低于葉茶(毛茶和凈茶)，而茶多糖、游離氨基酸、茶氨酸、有機酸等組分含量差異不明顯，茶梗中含量稍低。因此茶梗與葉茶中含量基本相當甚至更高的組分尤其值得提取純化，從而有效提升茶葉產品附加值。