湖南紅茶品質特征分析及其等級判別模型的構建

盧丹敏，歐陽建，熊一帆，歐行暢，劉春方，唐俊偉，黃建安，劉仲華,

（1.湖南農業大學茶學教育部重點實驗室，湖南長沙 410128；2.國家植物功能成分工程技術研究中心，湖南長沙 410128）

湖南是工夫紅茶主產省之一，紅茶產地基本覆蓋湖南全境，在湘中、湘南、湘西等地區均有生產[1]。傳統的湖南紅茶干茶條索緊細、色澤烏潤、湯色紅亮、帶有花香、蜜香和果香、滋味甘鮮醇和，是一類以“花蜜香、甘鮮味”為品質特色引領的工夫紅茶[2]。

黃浩[3]、銀霞[4]等對不同產地、嫩度、滋味類型的湖南工夫紅茶樣進行感官品質和生化成分比較研究，總結出湖南工夫紅茶的基本特點及分類鑒別的品質評價方法。但目前對湖南紅茶的品質分析研究相對較少，且未有關于湖南地區紅茶等級判別的研究。究其原因一是加工工藝粗放、技術落后、缺乏相應的科技支撐；二是生產企業缺乏標準化，各地紅茶產品質量不穩定。鑒于此，本研究選取了湖南省26個具有代表性的紅茶茶樣，采用感官審評和茶湯化學成分測定國標法對其進行評定及化學成分檢測，并進行方差分析和主成分分析，同時通過典型判別分析構建湖南紅茶滋味類型判別模型，以期了解湖南紅茶品質情況，為湖南地區紅茶等級判別提供準確、快捷的參考方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

26個湖南紅茶樣品 分別由湘西自治州、張家界、安化縣、石門和桃源等地區的茶葉企業提供，特級茶7個（A1～A7）、一級11個（B1～B11）、二級8個（C1～C8），均為春茶；福林酚、甲醇、茚三酮、N,N-二甲基甲酰胺、冰乙酸、乙腈等 國藥集團化學試劑有限公司；AccQ、氨基酸衍生試劑 美國Waters公司；氨基酸標樣（純度≥95%） 英國BDH公司；沒食子酸、谷氨酸、可可堿、咖啡堿、茶黃素、兒茶素 美國Sigma。

TagTM氨基酸分析色譜柱（3.9 mm×150 mm）、2695型高效液相色譜儀 美國Waters公司；ECOSIL-C18色譜柱（4.6 mm×150 mm） 日本；UV-2550型紫外分光光度、LC-2010A HT型高效液相色譜儀 日本島津公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 感官審評 7位專業審評人員參考國標GB/T 23776-2018對湖南工夫紅茶樣品質進行密碼審評。稱取3.0 g湖南工夫紅茶樣品，置于150 mL評審杯中，注滿沸水，5 min后瀝出茶湯。重點對湯色、香氣、滋味進行感官評價。

1.2.2 內含成分檢測 按國標GB/T 8314-2013[5]方法進行游離氨基酸總量檢測；按國標GB/T 8313-2018[6]進行茶多酚含量檢測。茶氨酸含量按國標GB/T 23193-2017檢測[7]；茶黃素含量按國標GB/T 30483-2013[8]檢測。

采用液相色譜的方法進行兒茶素組分、咖啡堿、可可堿、沒食子酸檢測[4]。流動相A相為水、B相為N,N-二甲基甲酰胺、甲醇和乙酸的混合溶液，三者比例為39.5:2:1.5。洗脫梯度：初始A相為91%，B相9%。10 min內B相上升至14%，17 min內B相上升至36%，并保持3 min。隨后B相降至9%，至35 min時結束。

1.3 數據處理

1.3.1 單因素方差統計分析和主成分分析 每組試驗重復3次。本研究使用IBM SPSS Statistics 23.0進行數據處理、方差分析（Duncan 法）和主成分分析[9-11]，并由Origin 2018軟件繪圖完成。

1.3.2 典型判別分析 根據方差分析和降維思想，將各項指標所構成的維度空間投影到另一個維度空間中，從而構造一個或者多個線性判別函數使得組間差異和組內差異的比值最大化。應用該線性函數計算樣本點得分，再根據親疏程度分清樣品類別[12]。驗證采用自身驗證法和交叉驗證法。自身驗證法即用樣品數據直接進行預測驗證。交叉驗證即每次取出某個樣本數據做驗證，用剩余樣本數據構造函數，進行多次驗證[13]。本研究使用IBM SPSS Statistics 23.0對結果進行典型判別分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 感官審評

湖南紅茶樣感官審評結果（表1）：特級湖南紅茶湯色紅亮或較亮，甜香高長帶有花香，醇濃鮮爽。一級湖南紅茶湯色紅亮或較亮，甜香較高，滋味較醇厚或尚醇厚。二級湖南紅茶湯色以黃為主，多為橙黃、黃棕、棕黃，香氣有出現缺陷性香氣的情況，包含高火、青氣、酸氣、悶味，滋味會出現帶酸、帶澀、焦味等缺陷性滋味的情況。采摘原料、產地環境、加工工藝等均為紅茶品質的影響因素，一款好茶的產生離不開優質的原料、優越的產地及精湛的加工工藝[1,14-15]。本試驗茶樣等級劃分主要以感官審評結果為主，企業提供的信息作為參考。特級湖南紅茶在原料、產地、加工等方面綜合較好，表現出“花蜜香、甘鮮味”的品質特征；一級湖南紅茶由于采摘的原料比特級的粗老，或是好的材料在萎凋和發酵等生產過程中溫濕度控制稍微不當，導致其與特級湖南紅茶相比，花蜜香和鮮爽度不足，但也能表現出紅茶的基本品質特征；二級湖南紅茶是在生產的各個環節中條件控制不當所致的中下檔茶，沒有表現出紅茶的基本品質特征。

表1 湖南紅茶感官審評結果Table 1 Analysis of taste quality for Hunan black teas

2.2 單因素方差分析

茶葉滋味成分組成、比例的同使茶葉各具獨特滋味。特級湖南紅茶茶多酚的平均含量顯著（P＜0.05）高于一級和二級，一級和二級之間無顯著差異（圖1）。茶多酚具有抗癌、降脂降壓、防治神經疾病和糖尿病等多種保健作用[16-17]，是構成茶湯滋味濃度、強度和澀度的重要物質[18-19]。在質量較好的工夫紅茶發酵過程中，保留下適量的多酚類物質是茶湯濃度、強度、爽口的主要成分。在感官審評中，湖南特級紅茶滋味濃度明顯比一、二級紅茶高，茶多酚含量的差異可能是重要原因。

圖1 不同等級湖南紅茶主要生化成分的平均含量Fig.1 Average contents of biochemical components in Hunan black teas for different grades

特級湖南紅茶的游離氨基酸平均含量最高，一級湖南紅茶次之。二級湖南紅茶的茶氨酸平均含量最高，但三個等級之間游離氨基酸和茶氨酸含量無顯著差異（圖1）。茶葉中氨基酸含量與茶葉品質呈顯著（P＜0.05）正相關，其決定了茶湯滋味的鮮爽度。它通過參與一些復雜的反應，幫助茶葉風味的形成[20]。游離氨基酸的結果和特級紅茶滋味鮮爽的感官結果一致。茶氨酸，作為茶葉中的獨特氨基酸，具有特殊的健康作用，對放松心情，保持良好的情緒狀態，提高睡眠質量，防治癌癥、心血管疾病、肥胖癥和普通感冒均有積極作用[21-22]。茶氨酸具有類似味精的鮮爽味，能緩解紅茶的苦澀味，是品質評價的重要因子。茶鮮葉中的茶氨酸含量占1%～2%。名優品種可超過2%。本研究中二級的茶氨酸含量最高，其中有一個樣品茶氨酸含量達2%，游離氨基酸含量達5%，遠遠拉高了均值。該樣品具有優質原料，但由于加工工藝不當，湯色以黃為主，滋味帶酸帶青，葉底欠紅，故判為二級紅茶。

湖南工夫紅茶的級別越高，咖啡堿和可可堿的平均含量越高，但在特級、一級之間其含量無顯著差異（圖1）。咖啡堿和可可堿是茶葉生物堿的重要成分。其中，呈苦味的咖啡堿含量最多[23]，它能與茶葉中其他物質發生反應，生成具有鮮爽味的復合物[24]。可可堿略有苦味，是咖啡堿重要的合成前體[18]。茶葉越細嫩，茶葉中的咖啡堿含量越高。特級紅茶樣品的原料總體較嫩，因而咖啡堿、可可堿含量較高。

由圖2可知，各等級湖南紅茶的 EGC 平均含量在2.139%～2.274%，無顯著差異。其他5個成分平均含量由均為特級＞一級＞二級。其中，一、二級紅茶DL-C、GCG和ECG平均含量無顯著差異，特級紅茶與其他兩個等級有顯著性差異；各等級湖南紅茶的EC、EGCG平均含量差異顯著（P＜0.05）。茶葉中兒茶素物質含量較高，是茶多酚的主體成分。它包括了酯型兒茶素（ECG、GCG、EGCG）和非酯型兒茶素（DL-C、EC、EGC），這二者的比值是評價茶湯滋味苦澀程度及回甘性的重要指標[25-26]，比值越低，滋味越醇和。特級紅茶的酯型/非酯型兒茶素比值為0.534，一級為0.351，二級為0.341。在質量較好的工夫紅茶發酵過程中，適量未被氧化的多酚類物質（以酯型兒茶素為主[18]）是茶湯濃度、強度、爽口的主要成分。茶葉的滋味品質受其內含成分的種類及比例的影響。這一比值并不能成為茶葉滋味品質評判的唯一標準。

圖2 不同等級湖南紅茶兒茶素組分的平均含量Fig.2 Average contents of catechins in Hunan black teas for different grades

由圖3可知，各等級湖南紅茶的茶黃素（TF）、茶黃素-3-沒食子酸酯（TF-3G）、茶黃素-3’-沒食子酸酯（TF-3'G）、茶黃素雙沒食子酸酯（TFDG）平均含量由高到低均為特級＞一級＞二級。TF含量在各等級中無顯著差異，特級、一級TFDG含量無顯著差異，與二級紅茶的含量差異顯著（P＜0.05），各等級TF-3G、TF-3'G含量差異顯著（P＜0.05）。茶多酚氧化生成的茶黃素是紅茶重要的品質成分，對紅茶的滋味鮮度和濃度及湯色的亮度起著重要作用[27-29]。湖南紅茶等級越高，湯色越亮，滋味越鮮爽，茶黃素含量的檢測結果和滋味審評的結果一致。

圖3 不同等級湖南紅茶茶黃素類的平均含量Fig.3 Average contents of theaflavins in Hunan black teas for different grades

2.3 主成分分析

對樣品中最主要的16種品質成分進行主成分分析，其中，5個主成分如表2所示。從表2可以看出，這5個主成分的累計方差貢獻率達到86.384%，基本能較全面的解釋全部變量的化學信息。由表3可知，第1主成分（PC1）主要綜合了樣品中沒食子酸、EC、EGCG、TF-3G和TF-3'G等物質的變異信息；第2主成分（PC2）主要綜合了樣品中氨基酸類物質的變異信息；第3主成分（PC3）主要綜合了樣品中GCG、ECG、茶黃素等物質的變異信息；第4主成分（PC4）主要綜合了茶葉中生物堿（可可堿、咖啡堿）的變異信息；第5主成分（PC5）主要綜合了簡單兒茶素EGC的變異信息。

表2 主成分分析特征值和方差貢獻率Table 2 Eigenvalues and explained variance of 6 principal components

第一主成分和第二主成分的方差貢獻率分別為44.21%和13.80%，根據這2個綜合指標，形成二維得分散點圖（圖4）。在該散點圖上，同類型的湖南紅茶分布較集中，不同類型的樣品之間又有一定程度的聚類趨勢。特級湖南紅茶主要分布在1、4象限，一級紅茶主要分布在原點附近，與其他兩種類型的樣品均有一定的交叉，而二級湖南紅茶茶樣主要分布在2、3象限。

2.4 判別分析

通過典型判別分析，得到關于26個湖南紅茶等級評價因子的典型判別函數系數表（表4），建立了2個典型判別式函數：

在這2個典型判別式函數中，F1和F2的特征值分別為36.353和3.076（均大于1），其方差貢獻率分別為92.2%和7.8%。根據以上兩個判別函數，計算不同等級湖南紅茶樣品的得分，分別以這兩個判別函數為橫縱坐標，得到不同等級湖南紅茶的得分散點圖（圖5），可以看出，樣品根據其等級的不同，基本上能得到較好的聚類結果。

表3 五個主成分的特征向量Table 3 Eigenvectors of five principal components

圖4 主成分分析 PC1、PC2得分圖Fig.4 PCA scores for 26 Hunan black tea on PC1 and PC2

表4 典型判別分析函數系數Table 4 Function coefficients of typical discriminant

圖5 不同等級湖南紅茶的典型判別得分圖Fig.5 Scatter plot of typical discriminant scores of Hunan black tea in different grades

本研究采用自身驗證法和交互驗證法對該典型函數判別模型的準確性進行檢驗。自身驗證法所有樣品均被正確回判，準確率100%。而在交叉驗證中，特級一級茶樣中分別有兩個樣品被錯判，二級茶樣判對率100%，總體準確率達84.62%（表4）。表明應用該判別模型將特級、一級、二級的湖南紅茶分開來是可行的。

表5 不同等級湖南紅茶典型判別驗證結果Table 5 Results obtained for Hunan black tea classification in different grades by typical discrimination analysis

3 結論

本研究對湖南省26個不同等級的工夫紅茶樣品（包含7個特級茶樣，11個一級茶樣，8個二級茶樣）進行感官審評、品質成分分析與等級典型判別函數模型的構建。感官審評結果表明：特級湖南紅茶表現出“花蜜香、甘鮮味”的品質特征；一級湖南紅茶表現出紅茶“紅湯紅葉”的基本品質特征；二級湖南紅茶沒有表現出紅茶的基本品質特征。單因素方差結果表明：特級湖南紅茶的茶多酚、咖啡堿、游離氨基酸、可可堿、5種兒茶素組分（DL-C、EC、EGCG、GCG、ECG）、4種茶黃素（TF、TF-3G、TFDG、TF-3'G）含量最高，二級湖南紅茶的含量最少。二級茶中的茶氨酸和EGC含量最高，特級茶次之，一級茶最少。3個等級湖南紅茶的游離氨基酸、茶氨酸、EGC含量無顯著性差異，而兩兩等級間的EC、EGCG、TF-3G、TF-3'G含量具有顯著性差異（P＜0.05）。典型判別分析對不同等級湖南紅茶的分類具有較好的準確性。自身驗證法所有樣品均被正確回判，準確率達100%。交互驗證法有4個樣品被錯判，但準確率達標，為84.62%。可見，應用該模型對湖南紅茶等級進行預測是可行的。本研究通過26個典型湖南紅茶樣品的主要滋味成分建立了湖南紅茶的等級評判模型，且表現出較高的準確率，但樣品數量有限，僅初步為湖南紅茶的等級劃分提供了合理的量化方法。因此，后續還需進一步增加具有典型性的樣品數量來進一步提高該模型的準確度。