基于主成分和聚類分析研究茯磚茶加工過程品質(zhì)變化

,,3,,,,3， ,3,4,*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教育部茶學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410128;2.國(guó)家植物功能成分利用工程技術(shù)研究中心,湖南長(zhǎng)沙 410128;3.湖南省植物功能成分利用協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南長(zhǎng)沙 410128;4.湖南省作物種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410128)

基于主成分和聚類分析研究茯磚茶加工過程品質(zhì)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(nóng)業(yè)大學(xué)教育部茶學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410128;2.國(guó)家植物功能成分利用工程技術(shù)研究中心,湖南長(zhǎng)沙 410128;3.湖南省植物功能成分利用協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南長(zhǎng)沙 410128;4.湖南省作物種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410128)

研究了茯磚茶加工過程中10個(gè)時(shí)間階段的樣品,分析測(cè)定了18個(gè)品質(zhì)成分,對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行主成分分析和聚類分析,構(gòu)建樣品與品質(zhì)成分之間的關(guān)系。結(jié)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(zhì)。提取的三個(gè)主成分貢獻(xiàn)率分別為56.45%、26.29%和8.46%。結(jié)合聚類分析可得茯磚茶加工過程可分為4個(gè)階段:第一階段為毛茶期,包括毛茶和發(fā)花第0 d;第二階段為發(fā)花前期,包括渥堆、發(fā)花第3 d和發(fā)花第6 d;第三階段為發(fā)花后期,包括發(fā)花第9 d、發(fā)花第12 d、發(fā)花第15 d;第四階段為茯磚茶干燥期,包括發(fā)花第18 d、發(fā)花第22 d。本研究為茯磚茶加工過程中品質(zhì)成分的變化建立了評(píng)價(jià)體系,確定了加工過程各時(shí)間段的分界限。

茯磚茶,發(fā)花,品質(zhì)成分,主成分分析,聚類分析

茯磚茶(Fuzhuan Tea)屬于黑茶類,主產(chǎn)于湖南省,是湖南省茶產(chǎn)業(yè)的關(guān)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(gè)部分[2];黑毛茶初制加工的基本工序?yàn)轷r葉→殺青→揉捻→渥堆→干燥,茯磚茶成品茶加工的基本工序?yàn)楹Y分→拼配→汽蒸→渥堆→壓磚→發(fā)花(或發(fā)酵)→干燥→貯藏等工序[3-5]。茶葉色、香、味等品質(zhì)特征不同源于其內(nèi)含成分的組成及比例的差異,茯磚茶加工過程中其內(nèi)含成分在微生物參與和濕熱作用下發(fā)生了復(fù)雜的變化,形成了其特有的品質(zhì)風(fēng)格[6],但其內(nèi)涵成分的變化規(guī)律還缺乏研究數(shù)據(jù)。本研究對(duì)茯磚茶成品茶加工過程樣品中品質(zhì)相關(guān)的理化成分進(jìn)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(shí)間段的分界限,以期通過對(duì)內(nèi)含成分變化規(guī)律的分析進(jìn)一步完善茯磚茶品質(zhì)形成的機(jī)理,為提高茯磚茶品質(zhì)和功能性終端產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)。

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(fā)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(guó)藥集團(tuán)。

e2695型高效液相色譜儀 美國(guó)Waters公司;紫外分光光度計(jì) 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(jī) 德國(guó)Hettich公司;101-3AB型電熱鼓風(fēng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)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(cè)試樣。

1.2.2 檢測(cè)方法 水浸出物參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8305-87(恒重法);游離氨基酸參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8314-2013進(jìn)行;茶多酚參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8313-2008進(jìn)行;有機(jī)酸參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(cè)法[9];以上各指標(biāo)均做3次生物學(xué)平行測(cè)定后取平均值。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)采用SPSS 23.0軟件進(jìn)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(jié)果與分析

2.1茯磚茶加工過程中品質(zhì)成分的變化分析

有研究表明茯磚茶經(jīng)“發(fā)花”加工后多酚類物質(zhì)、氨基酸、黃酮類物質(zhì)、可溶性糖等成分都出現(xiàn)不同程度的下降[10]。茯磚茶加工過程中各品質(zhì)成分變化趨勢(shì)如圖1所示。結(jié)果顯示:水浸出物、可溶性糖、游離氨基酸、茶多酚、酚氨比呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì),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(dòng)變化,但總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),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(jiǎn)酯兒茶素比先升后降,但整體呈上升趨勢(shì),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(jī)酸含量呈現(xiàn)小幅波動(dòng)變化,但整體變化趨勢(shì)不顯著(p>0.05)。

2.2茯磚茶加工過程中品質(zhì)成分的主成分分析

對(duì)茯磚茶加工過程中茶樣品質(zhì)成分進(jìn)行主成分分析,所得的相關(guān)矩陣的特征值如表1 所示。根據(jù)特征值大于1的原則提取了3個(gè)主成分,其特征值分別為56.45%、26.29%、8.46%累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)91.20%,基本反映了大部分變量的信息。

表1 前3個(gè)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(zhuǎn)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(zhì)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(jī)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(jiǎn)單兒茶素,ETC代表酯型兒茶素,SC/ETC代表簡(jiǎn)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(zhuǎn)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(duì)主成分的載荷矩陣旋轉(zhuǎn)之后,可使載荷系數(shù)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(zhuǎn)后結(jié)果見表2,旋轉(zhuǎn)在第5次迭代后收斂,其中對(duì)第1主成分(PC1)貢獻(xiàn)比較大的是水浸出物、游離氨基酸、簡(jiǎn)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(duì)第2主成分(PC2)貢獻(xiàn)比較大的有簡(jiǎn)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(jiǎn)單兒茶素類、咖啡堿和酚氨比。對(duì)第3主成分(PC3)貢獻(xiàn)比較大的是黃酮和有機(jī)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(jī)酸。結(jié)合描述統(tǒng)計(jì)結(jié)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(fā)花過程中的主要變化物質(zhì)。

主成分得分圖反應(yīng)樣品與品質(zhì)成分之間的關(guān)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(zhì)成分總變異的82.74%,可解釋大部分變異。故根據(jù)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(fā)花時(shí)間段的茯磚茶在PC1、PC2的分值圖上有一定程度的聚類趨勢(shì),其中S1和S3,即毛茶和發(fā)花第0 d的茯磚茶分布于第Ⅰ象限;S6、S7和S8即發(fā)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(fā)花前期分布于第Ⅳ象限。結(jié)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(jiǎn)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(fā)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(jiǎn)酯兒茶素比較高,黃酮、有機(jī)酸、可溶性糖含量較低的發(fā)花中期茯磚茶為代表;第Ⅲ象限主要以各品質(zhì)成分都相對(duì)較低的發(fā)花后期茯磚茶為代表;第Ⅳ象限主要以有機(jī)酸、可溶性糖、黃酮含量較高,沒食子酸、C、EC含量及簡(jiǎn)酯兒茶素比較低的發(fā)花前期及渥堆樣為代表。

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

圖3 茯磚茶品質(zhì)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(zhì)成分的聚類分析

根據(jù)主成分分析的結(jié)果,對(duì)3個(gè)主成分(表2)的品質(zhì)成分采用組間聯(lián)接(Between-groups Linkage)的聚類方法和平方歐式距離(Squared Euclidean Distance)區(qū)間測(cè)量法進(jìn)行聚類分析如圖4。結(jié)果顯示:聚類結(jié)果與主成分得分圖結(jié)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(fā)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(jīng)汽蒸后,細(xì)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(shí)間段幾乎沒有微生物作用和濕熱作用。

第二類即“發(fā)花”前期樣品,包括S2、S4和S5,其特征在于有機(jī)酸、可溶性糖、黃酮含量較高,沒食子酸、C、EC含量及簡(jiǎn)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(jiǎn)單兒茶素和沒食子酸,而簡(jiǎn)單兒茶素通過自動(dòng)氧化而形成以TF、TR、TB等氧化產(chǎn)物[13-14],纖維素、果膠、蛋白質(zhì)等物質(zhì)在濕熱作用下,發(fā)生一定程度的分解、轉(zhuǎn)化、氧化,形成有機(jī)酸、可溶性糖、黃酮等物質(zhì)[14-15],使得這一階段有機(jī)酸、糖類、黃酮類含量較高。

第三類即“發(fā)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(jiǎn)酯兒茶素比較高,而黃酮、有機(jī)酸、可溶性糖含量較低;在該階段,從發(fā)花第9 d多酚氧化酶帶活性達(dá)到最大,在發(fā)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(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)化,并將酯型兒茶素分解為簡(jiǎn)單兒茶素和沒食子酸,使得這一階段沒食子酸、簡(jiǎn)單兒茶素等含量升高;同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)冠突散囊菌從發(fā)花第6 d開始生長(zhǎng),并在6～12 d出現(xiàn)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期[12],冠突散囊菌在生長(zhǎng)過程中以糖類、有機(jī)酸類、黃酮類作為碳源氮源供自己生長(zhǎng),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(zhì)成分含量均較低。在該階段環(huán)境溫度升高和相對(duì)濕度降低,微生物數(shù)量減少,酶活性降低[17],使得微生物酶促反應(yīng)受到抑制,各品質(zhì)成分無顯著性變化,并且經(jīng)過前面各個(gè)階段后均有所消耗,含量相對(duì)偏低。

3 結(jié)論

本研究根據(jù)茯磚茶加工過程中樣品的品質(zhì)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(gè)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(fā)花前期,包括渥堆、發(fā)花第3 d和發(fā)花第6 d,其特征是有機(jī)酸、可溶性糖、黃酮含量較高,沒食子酸、C、EC含量及簡(jiǎn)酯兒茶素比較低;第三階段為發(fā)花后期,包括發(fā)花第9 d、發(fā)花第12 d、發(fā)花第15 d,其特征是沒食子酸、C、EC含量較高以及簡(jiǎn)酯兒茶素較高,而黃酮、有機(jī)酸、可溶性糖含量較低;第四階段為干燥期,包括發(fā)花第18 d、發(fā)花第22 d,其特征是各品質(zhì)成分含量均相對(duì)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(yuǎn),趙運(yùn)林. 基于DGGE技術(shù)的茯磚茶發(fā)花過程細(xì)菌群變化分析[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),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(fā)花微生物生物學(xué)特性研究[J]. 茶葉科學(xué),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(xué)成分的變化[J]. 食品科學(xué),2008(2):64-67.

[7]馬陶陶,張群林,李俊,等. 三氯化鋁比色法測(cè)定中藥總黃酮方法的探討[J]. 時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥,2008(1):54-56.

[8]魏曉明,符紅,萬幼平. 硫酸蒽酮比色法測(cè)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(fā)酵工藝研究[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2016(1):77-80.

[10]李適,龔雪,劉仲華,等. 冠突散囊菌對(duì)茶葉品質(zhì)成分的影響研究[J]. 菌物學(xué)報(bào),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(zhì)評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014(13):276-285.

[12]溫瓊英,劉素純. 茯磚茶發(fā)花中優(yōu)勢(shì)菌的演變規(guī)律[J]. 茶葉科學(xué),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(xué),1991(S1):69-75.

[14]張大春,王登良,郭勤. 黑茶渥堆作用研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)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(jìn)展[J]. 食品工業(yè)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(xué),1991(S1):63-68.

[17]宛曉春. 茶葉生物化學(xué)[M]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)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(xué),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(xué)方面的研究,E-mail:liqinvip@126.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31471706)；湖南省自然科學(xué)基金(13JJ4067)；湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目(13YJ13)；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(15C0670)；作物種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究項(xiàng)目(16KFXM11)。

TS201.1

:A

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

10.13386/j.issn1002-0306.2017.17.001