GC-IMS技術與HS-SPME/GC-MS技術分析3種茶葉風味成分

敬思群，吳飛虎，程金生，張俊艷，唐輝，李海霞

（1.韶關學院英東食品學院，廣東 韶關 512005；2.新疆大學生命科學與技術學院，新疆 烏魯木齊 830046；3.珠海雅富興源食品工業有限公司，廣東 珠海 519000）

非洲盛產茶葉，南非的如意寶花草茶和蜜樹茶以及白茶、綠茶、紅茶、烏龍茶乃至發酵茶等都是非洲的特色茶葉[1-2]。盧旺達位于非洲赤道附近，其中72%的茶樹生長在高地，肥沃的火山土壤和溫帶的氣候為茶葉的完美生長提供了條件，使得盧旺達茶具有美味、新鮮、營養和成分復雜的特點。Nkubana[3]將盧旺達紅茶與中國綠茶和烏龍茶進行抗氧化活性比較發現，盧旺達紅茶清除自由基的能力強于中國綠茶和烏龍茶。Nshimiyimana[4]研究發現，相對于盧旺達紅茶及其提取物，盧旺達綠茶及其提取物中的兒茶素含量非常豐富，這是由于盧旺達紅茶在加工過程中，將表沒食子兒茶素沒食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）氧化成了茶紅素和茶黃素，咖啡因在盧旺達綠茶中含量較高，在盧旺達紅茶中含量較低。盧旺達紅茶和盧旺達綠茶都屬于高地茶，但因其茶樹品種和加工方式不同，導致其揮發性化合物在成分和含量上都具有較大差異，但目前還未見有關盧旺達紅茶與盧旺達綠茶風味成分分析的對比研究。

氣相離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectroscopy，GC-IMS）是一種將氣相色譜技術和離子遷移譜技術相結合的新技術[5]。該技術根據氣相離子在電場中遷移速率的不同而進行識別，使得氣相色譜分離后得到的化學信息更加豐富[6-8]，其樣品無需復雜的預處理，具有簡單、高效和廉價的特點[9-12]，已在食品風味分析[13-15]、食用油摻假鑒別[16-18]、環境毒害氣體檢測[19-20]等方面被應用。頂空固相微萃取/氣質聯用（headspace solid-phase microextraction/gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME/GC-MS）是一種成熟的常規分析技術，該技術聯合了氣相色譜的分離能力和質譜檢測器的結構優點，在工業、農業、食品等方面有廣泛應用[21-23]，但未見GC-IMS與HS-SPME/GCMS技術聯用分析盧旺達茶葉風味這方面的研究。

本文以盧旺達紅茶和盧旺達綠茶為研究對象，采用GC-IMS技術聯用HS-SPME/GC-MS技術分析茶葉風味。選取了同一類型不同等級的兩種紅茶進行研究，再將兩種等級的紅茶與綠茶進行對比，測定3種茶樣的風味成分并分析其差異性。旨在揭示等級與品種對盧旺達茶風味成分的影響，為盧旺達紅茶與綠茶的開發利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

盧旺達紅茶FBOP、盧旺達紅茶FOBP1（紅茶FBOP中最優等級）、盧旺達綠茶：珠海雅富興源食品工業有限公司。

1.2 儀器與設備

FlavourSpec氣相離子遷移譜聯用儀：德國G.A.S公司；GC-MS-QP 2010 Plus氣相色譜-質譜聯用儀：日本島津公司；手動SPME進樣器、50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取頭：美國Supeclo公司；HH-8型水浴鍋：國華電器有限公司；Rtx-5MS石英毛細管柱（30.0 m×0.32 mm，0.25 μm）：美國 Agilent公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 GC-IMS技術分析風味成分

樣品處理：取1 g樣品置于20 mL頂空瓶中，80℃孵育15 min后進樣。

GC-IMS測定條件：頂空孵化溫度80℃；孵化時間15 min；孵化轉速：500 r/min；頂空進樣針溫度 85℃；進樣量500 μL，不分流模式；清洗時間0.50 min；載氣為高純氮氣（≥99.999%）；色譜柱溫度60℃；IMS溫度45℃；色譜運行時間20 min，設置程序流速2.00 mL/min并保持1min，在10min內線性增至20.00mL/min，在5min內線性增至100.00 mL/min，以100.00 mL/min保持5 min。

數據分析與處理：采用設備自帶的Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析軟件，采用 GC-IMS Library Search軟件內置的2014NIST數據庫和IMS數據庫對風味成分進行定性分析、LAV中Reporter和Gallery插件程序構建揮發性有機物的差異圖譜和指紋圖譜；dynamic PCA plug-ins插件程序進行PCA處理，采用LAV軟件中插件Matching matrix進行相似度分析。使用Excel 2010作圖。

1.3.2 GC-MS技術分析風味成分

1.3.2.1 樣品采集預處理

頂空固相微萃取：將萃取頭在氣相色譜儀的進樣口經250℃老化30 min備用；稱取樣品10 g，放入100 mL的三角瓶內，用錫箔紙封口。首先將其置于80℃的恒溫水浴鍋內10 min，使茶葉風味充分揮發和平衡；然后將固相微萃取裝置的針頭穿透錫箔紙插入三角瓶內茶葉上方，固定好固相微萃取的手柄，小心推出纖維頭并開始計時；吸附60 min后取出，隨即插入GC-MS儀器的進樣口，在230℃下熱脫附1 min。

1.3.2.2 GC-MS測定條件

GC條件：Rtx-5MS石英毛細管柱（30.0m×0.32mm，0.25 μm），載氣 He（99.999%），柱前壓 4.07×104Pa，分流比5∶1，進樣口溫度230℃，柱溫為起始溫度30℃保持3 min、以2℃/min升至160℃、再以10℃/min升至230℃、保持3 min。

MS 條件：電子轟擊離子源（electron impact，EI）、溫度200℃、電子能量70 eV、質量掃描范圍35 u～450 u、掃描速度909 u/s、光電倍增管電壓800 V。

1.3.2.3 數據分析與處理

根據得到的總離子流圖中各色譜峰的質譜信息，經NIST05標準質譜庫對照及與已發表的茶葉風味質譜資料比較，確定各色譜峰對應的物質結構。各色譜峰的峰面積與總峰面積之比為各風味組分的相對含量。

2 結果與分析

2.1 HS-SPME/GC-MS結果分析

圖1～圖3分別為3種茶葉氣相色譜-質譜總離子流圖譜（total ion chromatogram，TIC）。盧旺達茶葉主要風味成分見表1。

表1 盧旺達茶葉主要風味成分（HS-SPME/GC-MS分析）Table 1 Main flavor components of Rwandan tea（HS-SPME/GC-MS analysis）

續表1 盧旺達茶葉主要風味成分（HS-SPME/GC-MS分析）Continue table 1 Main flavor components of Rwandan tea（HS-SPME/GC-MS analysis）

圖1 FBOP1盧旺達紅茶總離子流圖譜Fig.1 TIC pattern of FBOP1 Rwandan black tea

圖2 FBOP盧旺達紅茶總離子流圖譜Fig.2 TIC pattern of FBOP Rwandan black tea

圖3 盧旺達綠茶總離子流圖譜Fig.3 TIC pattern of Rwandan green tea

從圖1～圖3可以直觀看出，3種茶葉具有較多共同風味成分，利用HS-SPME/GC-MS共檢測出71種主要風味成分（表1），其中共有風味成分16種，分別為芳樟醇、水楊酸、咖啡因、十二烷、β-紫羅蘭酮、十六烷、酞酸二乙酯、二氫獼猴桃內酯、香葉基丙酮、十二甲基環六硅氧烷、苯甲醛、十八甲基環壬硅氧烷、大馬士酮、葉綠醇、甲位紫羅蘭酮、3-甲基-十三烷。盧旺達紅茶FBOP1含有2，6，10-三甲基十三烷、六甲基環三硅氧烷、己醛等13種獨有的風味成分，盧旺達紅茶FBOP含有苯乙醇、卡達林、右旋萜二烯等17種獨有的風味成分，盧旺達綠茶含有反式-橙花叔醇、二十七烷酸、茉莉酮等8種獨有的風味成分。

2.2 GC-IMS三維圖譜分析

通過LAV軟件得到樣品揮發性有機物的遷移譜圖，見圖4。圖5為盧旺達紅茶FBOP1、盧旺達紅茶FBOP和盧旺達綠茶的GC-IMS遷移譜圖俯視圖。

圖5 3種茶葉GC-IMS譜圖（俯視圖）Fig.5 GC-IMS spectra of three kinds of tea（top view）

圖4可以直觀看出不同茶葉中的揮發性有機物差異，但是由于分析不便，因此取俯視圖圖5進行差異對比。以紅色豎線為反應離子峰（RIP峰），RIP峰右側的每個點代表1種揮發性有機物，白色表示濃度較少，紅色表示濃度較大，顏色越深表示濃度越大。根據圖5中信號峰的數量及峰強度可以直觀看出，盧旺達紅茶FBOP1與盧旺達紅茶FBOP兩個茶葉的風味成分較為相似，與盧旺達綠茶差異較大。

利用GC-IMS技術對3種茶葉風味成分的定量分析見表2。

表2 3種茶葉主要風味成分（GC-IMS分析）Table 2 Main flavor components of three kinds of tea（GC-IMS analysis）

由表2可知，3種茶葉含有異戊酸己酯、水楊酸、芳樟醇、壬醛、檸檬烯等45種共同風味成分，其中水楊酸、芳樟醇等物質與GC-MS分析的結果相似。

2.3 3種茶葉風味成分GC-IMS指紋圖譜分析

為了更加深入分析3種茶葉風味成分的差異性，利用GalleryPlot插件制出其風味成分指紋圖譜，見圖6。

圖6 茶葉指紋圖譜Fig.6 Fingerprint of tea

由圖6可知，盧旺達紅茶FBOP1與盧旺達紅茶FBOP兩個茶葉的風味成分較為相似，與盧旺達綠茶差異較大；綠框區域的物質在盧旺達紅茶FBOP中含量較高，其中包含糠醛、氧化芳樟醇、E-2-辛烯醛、（E，E）-2，4-庚二烯醛、E-2-己烯醛、乙偶姻、2-乙基呋喃、2，5-二甲基呋喃、苯乙醛、水楊酸等；紅框區域的物質在盧旺達綠茶中含量較高，其中包含3-戊酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、苯甲醛、E-2-庚烯醛、2-甲基丁酸乙酯、β-羅勒烯、檸檬烯、月桂烯、β-蒎烯、α-蒎烯、丁酸己酯、丁酸丁酯、丙酸丁酯、丁酸丙酯、乙酸-2-甲基丁酯、乙酸丁酯、壬醛、戊醛、1-戊醇、3-甲基丁醇、2-己酮、2-丁酮、丙酮、丙酸等。

2.4 3種茶葉風味成分GC-IMS指紋圖譜主成分分析（PCA）

根據圖6構建的3種茶葉風味成分指紋圖譜，采用Dynamic PCA插件進行PCA處理，比較3種茶葉風味成分之間的差異性，結果見圖7。

圖7 樣品的PCA圖Fig.7 PCA diagram of the sample

從圖7可以看出，主成分1和主成分2的貢獻率之和達到了97%，3種茶葉的風味具有一定的差異，盧旺達紅茶FBOP1與盧旺達紅茶FBOP兩個茶葉的風味成分較為相似，與盧旺達綠茶差異較大。

2.5 3種茶葉風味成分GC-IMS指紋圖譜相似度分析

通過最近鄰算法，評估樣品的相似度并進行分類，結果見圖8。

圖8 指紋譜圖相似度分析Fig.8 Similarity analysis of fingerprint spectral

樣品間距離越遠，相似度越小。從圖8可以看出，盧旺達紅茶FBOP1與盧旺達紅茶FBOP兩個茶葉的風味成分較為相似，與盧旺達綠茶差異較大。

3 結論

GC-IMS和HS-SPME/GC-MS兩種技術的分析結果表現出一定的差異性，HS-SPME/GC-MS技術檢測出的多為10個碳原子以上且含量較高的大分子成分，而GC-IMS檢測出的大部分為10個碳原子以下且含量較低的小分子成分，兩種技術的聯用分析能夠彌補各自的局限，更加全面地反映茶葉的風味成分；主成分分析、最近鄰算法相似性分析結果都表明盧旺達紅茶FBOP1與盧旺達紅茶FBOP的風味成分較為相似，而兩者與盧旺達綠茶的差異較大。