基于三維熒光光譜的茶葉品質成分浸出過程快速檢測方法

摘 要 本文利用三維熒光光譜結合熒光體積積分技術，構建茶葉浸泡過程中主要品質成分浸出過程快速檢測的新方法。采集茶葉浸泡過程中茶湯的三維熒光光譜，通過分區(qū)確認三維熒光光譜中不同區(qū)域所代表的浸出物種類，通過統(tǒng)計分析不同區(qū)域熒光體積積分的動態(tài)變化，研究主要品質成分的浸出動態(tài)過程。研究結果為茶葉成分分析和種類區(qū)分提供快速的檢測新方法，為開發(fā)茶葉主要成分浸出過程實時在線檢測裝置奠定實驗基礎，為茶葉科學的浸泡和飲用提供理論基礎。

【關鍵詞】三維熒光光譜 熒光體積積分 浸出過程 主要品質成分 茶多酚

茶葉是我國重要的經(jīng)濟作物，也是世界三大飲料作物之一。茶葉中含有多種抗氧化物質，對清除體內過量自由基具有顯著效果，故飲茶具有養(yǎng)生保健的功能，茶葉中還含有多種維生素和氨基酸，飲茶對清油解膩增強神經(jīng)興奮以及消食利尿也具有一定的作用。隨著人們對健康重視程度的增加，更多人希望通過飲食調節(jié)身體健康狀況，包括體重超標、糖尿病、肥胖癥等，飲茶因具有明顯的保健功能及降脂減肥的效果而變成最受歡迎的健康飲料之一。在泡茶和飲茶的同時，人們更希望明確茶葉主要品質成分的浸出動態(tài)過程，攝入體內茶湯的主要成分及其含量的具體指標，以科學泡茶飲茶，發(fā)揮茶葉的最大功效。茶葉中含有多種有機無機物質，其中與品質直接相關的包括茶多酚、生物堿、蛋白質、芳香物質、果膠質、糖類、色素、微量元素等。茶葉的主要品質成分在茶湯中的浸出動態(tài)過程直接影響飲用人對茶葉有效成分的攝取、茶葉的感官評審及茶葉的加工工藝?，F(xiàn)有茶葉主要品質成分的浸出過程的研究方法常使用國標中的比色法，近年來也發(fā)展了包括液相色譜法、液質聯(lián)用及氣質聯(lián)用法，元素分析等方法。但這些方法均具有樣品準備步驟繁瑣，檢測費時，檢測儀器普及程度小，檢測費用昂貴等局限性，無法廣泛應用于茶葉品質及浸泡過程的批量快速檢測。因此，尋求快速便捷的茶葉有效成分浸出過程的檢測方法成為茶葉研究的熱點。

熒光技術因其檢測時間短、靈敏度高、不破壞樣品結構、測量過程不消耗試劑等優(yōu)點已快速發(fā)展為新型的化學分析手段。與普通熒光技術相比，三維熒光光譜技術能同時提供熒光強度與激發(fā)和發(fā)射波長的關系，對于每一種熒光物質，都有其特有三維熒光指紋圖譜，具有較高的靈敏性、良好的選擇性，還能進行多組分同時檢測，已被廣泛的應用于食品藥品及其化學成分檢測，水體、土壤中可溶性有機物的組成結構及遷移轉化規(guī)律等研究。已有報道應用三維熒光光譜結合平行因子分析法對綠茶進行成分分析和種類鑒別，報道根據(jù)茶葉浸泡30分鐘采集熒光光譜進行分析得出結論，并未對茶葉浸泡過程中主要品質成分及其浸出動態(tài)過程進行相關研究。黃山毛峰和鐵觀音是兩種常見市售茶葉產品，深受消費者青睞，為此本研究選擇上述兩種茶類為研究對象，應用三維熒光光譜結合熒光體積積分技術（Fluorescence regional integration， FRI） 研究常見茶葉主要品質成分在沖泡過程中的動態(tài)變化，揭示主要品質成分的浸出規(guī)律，為科學飲茶提供參考，為茶葉主要成分分析和茶葉種類區(qū)分提供快速的分析新方法，也為開發(fā)茶葉浸泡過程的實時在線檢測裝置提供實驗基礎。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

實驗用茶葉為市售有代表性的鐵觀音和黃山毛峰，產地分別為福建省安溪縣和安徽省黃山市。VarianCary Eclipse型熒光分光光度計（美國瓦里安公司），配備1cm 光徑石英樣品池。

1.2 實驗方法及數(shù)據(jù)分析

用天平準確稱取兩種茶葉各6克放入500ml燒杯中，加入80℃和100℃的超純水300ml，分別于浸泡至設定時間后（1， 2， 3， 4， 5， 6， 8， 10， 20， 30， 60， 90， 120分鐘）取樣3ml置于離心管內，6000轉每分鐘離心5分鐘，取上清冷卻至室溫待測。熒光光譜儀的激發(fā)光源為氘燈，激發(fā)波長范圍為200-550nm；步長10nm；發(fā)射波長范圍為210～750 nm，步長2nm；電壓700 V，掃描速度9600 nm/min。通過檢測共獲得26個36×270的激發(fā)-發(fā)射矩陣，使用Matlab軟件對獲取各個樣品的EEM數(shù)據(jù)進行預處理。

2 結果與討論

2.1 兩種茶葉浸出液EEM的特性

鐵觀音與黃山毛峰在80℃水中浸泡10分鐘后的三維熒光光譜如圖1所示。兩種茶葉浸出液的三維熒光光譜（EEM）范圍較寬，主要峰的位置均集中在激發(fā)波長（Excitation， Ex）為320-530nm，發(fā)射波長（Emission， Em）為350-700nm之間。為便于分析統(tǒng)計，將兩種茶葉的EEM劃分為三個主要區(qū)域，分別為A區(qū)：激發(fā)波長/發(fā)射波長（Ex/Em）=320-410/390-520nm；B區(qū)：激發(fā)波長/發(fā)射波長（Ex/Em）=410-500/490-560 nm；C區(qū)：激發(fā)波長/發(fā)射波長（ Ex/Em）= 380-480/650-700 nm。鐵觀音EEM圖譜中最高峰的峰位為Ex/Em=345/450nm（圖1a），文獻報道顯示，黃酮醇的最大激發(fā)波長為352-382nm，異黃酮的最大激發(fā)波長為334-339nm，因此鐵觀音的三維熒光光譜圖A區(qū)的熒光峰應為黃酮醇和異黃酮類物質的混合物。黃山毛峰浸出液中A區(qū)域的最高峰的峰位Ex/Em=330/405nm（圖1b），與7，4-二羥基黃酮的最大激發(fā)和發(fā)射波長為Ex/Em=332/420nm相吻合，峰位的偏差可能是多種黃酮類物質復合作用的結果。茶多酚的最大激發(fā)/發(fā)射波長（Ex/Em=494/515 nm），因此兩種茶葉浸出液的三維熒光光譜的B區(qū)中最高峰的峰位為Ex/Em=490/520nm，與報道的茶多酚相吻合，主要為茶多酚的熒光峰。兩種茶葉三維熒光光譜中C區(qū)，激發(fā)波長/發(fā)射波長（ Ex/Em）= 380-480/650-700 nm，符合葉綠素a的熒光光譜，其最大激發(fā)/發(fā)射波長=410/674nm，因此，C區(qū)的主要成分是葉綠素a。

利用80℃水浸泡鐵觀音和黃山毛峰兩種茶葉，不同時間點取樣檢測茶葉沖泡過程中浸出液的EEM動態(tài)變化如圖2所示。根據(jù)對EEM的分區(qū)分析，鐵觀音浸出液A區(qū)域的熒光強度隨浸泡時間的延長而逐漸減弱，B區(qū)域的熒光強度隨浸泡時間的延長逐漸增強，C區(qū)域的熒光強度隨浸泡時間的延長先逐漸增強，當浸泡時間達到10分鐘后，C區(qū)域的強度接近最大值，隨后保持基本平衡（圖2a）。黃山毛峰的三維熒光光譜變化規(guī)律與鐵觀音的變化規(guī)律相似（圖2b），但A區(qū)域的峰位有顯著差異，鐵觀音A區(qū)域的最高峰的峰位為Ex/Em=340/450nm，而黃山毛峰中A區(qū)域的最高峰的峰位為 Ex/Em=330/420nm，這種差異可能是由于兩種茶葉浸出液中所含黃酮種類的差異所致（圖2）。

2.2 兩種茶葉浸出液中主要品質成分的定量分析

為定量分析茶葉浸出液中三種主要成分的動態(tài)變化過程，將三維熒光光譜的原始數(shù)據(jù)導出，預處理后按照上述方法將其分成A，B，C三個區(qū)域，分別為A區(qū)（黃酮類物質）：Ex/Em=320-410/390-520nm；B區(qū)（茶多酚）：Ex/Em=410-500/490-560 nm；C區(qū)（葉綠素a）：Ex/Em=380-480/650-700nm。分區(qū)完成之后，各個區(qū)域的數(shù)據(jù)采用熒光體積積分（Fluorescence regional integration， FRI）公式進行統(tǒng)計，所用公式為：

式中：為熒光體積積分值；為激發(fā)波長間隔取 10nm；為發(fā)射波長間隔取 2nm；為每個點的熒光強度，單位為AU˙nm2。

以各個區(qū)域的FRI值為縱坐標，時間為橫坐標，研究三種主要成分的浸出動態(tài)過程。如圖3所示，兩種茶葉浸泡過程中釋放的三種主要成分的相對含量隨時間變化趨勢相似。A區(qū)域代表的黃酮類物質隨浸泡時間延長相對含量含量急劇降低，鐵觀音浸出液中黃酮類物質相對含量在前30分鐘內降低到最大值的45.68%，而黃山毛峰浸出液中黃酮類物質含量在相同時間內降低到最大值的57.72%。黃酮類物質是茶葉中重要的抗氧化劑，具有抗炎癥，抗菌，抗腫瘤等多種功效，茶湯中黃酮類物質FRI值的降低可能是由于熱水作用使其發(fā)生物理或化學轉變，變成熒光弱或無熒光的物質。B區(qū)域的FRI隨時間延長逐漸增加，出現(xiàn)先快后慢的變化趨勢，說明該區(qū)域代表的茶多酚相對含量隨浸泡時間延長逐漸增加。相同條件下浸泡2小時后，鐵觀音浸出液中茶多酚含量比黃山毛峰高18.05%，差異顯著（圖3）。鐵觀音10分鐘浸出液中茶多酚相對含量為最大值的71.63%，而黃山毛峰則為69.59%。茶多酚是一種重要的抗氧化劑，但其具有苦澀味和收斂性，是茶湯中味感最強烈的品質成分。茶多酚含量變化的結果可以用來解釋為何久泡得到的茶湯會變苦變澀。C區(qū)域所代表的主要成分為葉綠素a類物質，隨著浸泡時間的延長，兩種茶葉中葉綠素a先逐漸釋放，浸泡10分鐘后，葉綠素a的FRI接近最大值并在隨后的時間內維持穩(wěn)定不變。相同條件下浸泡2小時，鐵觀音浸出液中葉綠素a的含量為黃山毛峰的1.61倍，差異顯著（圖3）。

相同浸泡條件下，由兩種茶葉浸出液中三類主要品質成分的含量變化可知，鐵觀音浸出液中黃酮類物質，茶多酚和葉綠素a的相對含量均顯著高于黃山毛峰，這可能是由于兩種茶葉的制作過程不同所致，鐵觀音的制作經(jīng)過半發(fā)酵過程，內含物比較容易浸出，而黃山毛峰沒有經(jīng)過發(fā)酵過程。鐵觀音和黃山毛峰的三種成分浸出規(guī)律差異顯著，提示據(jù)此可以用來區(qū)分茶葉的種類。主要品質成分浸出規(guī)律顯示，兩種茶葉均在10分鐘內飲用比較適宜，此時黃酮類物質有近70%左右的保留，葉綠素a已經(jīng)釋放接近最大值，而茶多酚只浸出總量的2/3左右，澀味尚未濃烈。

2.3 溫度對兩種茶葉茶多酚浸出速率的影響

根據(jù)EEM中B區(qū)域中FRI值的變化，定量分析不同浸泡溫度下（80℃和100℃）兩種茶葉浸出液中茶多酚的浸出規(guī)律。如圖4所示，浸泡溫度越高茶多酚的浸出速率越大。100℃浸泡2小時后，鐵觀音和黃山毛峰茶湯中茶多酚的最大浸出量分別比80℃浸泡2小時高11.01%和9.15%，差異顯著。實驗結果提示，浸泡溫度可顯著影響茶葉主要品質成分的浸出速率。

3 結論

對兩種茶葉浸出液的EEM進行分析，結果顯示兩種茶葉浸出液中均含有黃酮類物質、葉綠素a和茶多酚，但兩種茶葉浸出的黃酮類物質的種類不同，鐵觀音浸出的黃酮類物質主要為黃酮醇和異黃酮，而黃山毛峰則主要為7，4-二羥基黃酮。兩種茶葉浸出液中主要品質成分的浸出規(guī)律不同，如相同條件下浸泡2小時后，鐵觀音浸出液中茶多酚含量比黃山毛峰高18.05%。浸出物質種類和浸出規(guī)律的差異可以用來區(qū)分茶葉的種類。分析兩種茶葉主要品質成分浸出規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在相同浸泡條件下，兩種茶葉在浸泡10分鐘后，葉綠素a浸出量接近最大值，茶多酚與黃酮類物質含量適中，適宜飲用。浸泡溫度能顯著影響茶葉中茶多酚的浸出規(guī)律，浸泡溫度越高，茶多酚浸出速率越大。本研究為茶葉品質成分分析和種類區(qū)分提供快速的檢測新方法，為開發(fā)茶葉主要成分浸出動態(tài)實時在線檢測裝置奠定實驗基礎，也為茶葉科學的浸泡和飲用提供理論基礎。

參考文獻

[1]彭繼宇，宋星霖，劉飛，鮑一丹，何勇.基于波譜技術的茶樹生長與茶葉品質信息快速檢測研究進展[J].光譜學與光譜分析，2016（03）：775-82.

[2]張吉華，趙志敏，張文杰.基于熒光光譜的茶湯中擬除蟲菊酯類農藥的智能識別[J].發(fā)光學報，2016（08）：1023-30.

[3]CHACKO S M，THAMBI P T，KUTTAN R，et al.Beneficial effects of green tea： A literature review [J].Chin Med，2010，5（01）：13.

[4]MURASE T，NAGASAWA A，SUZUKI J，et al.Beneficial effects of tea catechins on diet-induced obesity：stimulation of lipid catabolism in the liver [J].Int J Obes，2002，26：1459.

[5]陳凱莉，徐悅，胡舒靜，駱耀平.潤茶對綠茶沖泡時主要品質成分溶出影響研究[J].茶葉，2015（02）：76-80.

[6]邵曉林，龔淑英，張月玲.西湖龍井茶主要呈味物質浸出濃度與速率的研究[J].茶葉，2006（02）：92-6.

[7]JEON D B，HONG Y S，LEE G H，et al. Determination of volatile organic compounds，catechins，caffeine and theanine in Jukro tea at three growth stages by chromatographic and spectrometric methods [J].Food Chem，2017，219（Supplement C）：443-52.

[8]DOU J，LEE V S Y，TZEN J T C，et al.Identification and Comparison of Phenolic Compounds in the Preparation of Oolong Tea Manufactured by Semifermentation and Drying Processes [J].J Agric Food Chem，2007，55（18）：7462-8.

[9]賈明，張麗霞，張元湖.茶多酚的三維熒光光譜特征[J].分析測試學報，2013，32（03）：302-7.

[10]劉笑菡，張運林，殷燕，時志強.三維熒光光譜及平行因子分析法在CDOM研究中的應用 [J].海洋湖沼通報，2012（03）：133-45.

[11]劉海龍，吳希軍，田廣軍.三維熒光光譜技術及平行因子分析法在綠茶分析及種類鑒別中的應用 [J].中國激光，2008，（05）：685-9.

[12]劉海龍，吳希軍.熒光光譜檢測技術在茶飲料成分分析中的應用[J].分析儀器，2007（04）：36-8.

[13]李文紅，曹津津，盧蕊，車翠霞，魏永巨.黃烷酮及其羥基衍生物的熒光性質研究[J].光譜學與光譜分析，2016；（04）：1007-12.

[14]Zhang H，Yang L，Yu Z，Huang Q.Inactivation of Microcystis aeruginosa by DC glow discharge plasma： Impacts on cell integrity， pigment contents and microcystins degradation.J Hazard Mater 2014；268（0）：33-42.

作者簡介

張琪瑞（2001-），男， 在讀高中生，安徽省金寨人。

作者單位

安徽省合肥市第一中學 安徽省合肥市 230601