電子鼻技術(shù)與感官審評聯(lián)用評價(jià)山東抹茶香氣品質(zhì)

羅影，王舒婷，曲鳳鳳，張新富，胡建輝

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山東 青島 266109)

抹茶是一種以覆蓋栽培茶樹鮮葉經(jīng)蒸汽(或熱風(fēng))殺青后干燥而制成的葉片為原料并經(jīng)研磨工藝加工而成的微粉狀茶產(chǎn)品[1]。雖然它是蒸青綠茶，但其原料與其它蒸青綠茶大不相同，為碾茶。茶園需要在采摘前遮蔭覆蓋一段時(shí)間，以提高其品質(zhì)，這也是形成抹茶海苔香(覆蓋香)的主要原因。抹茶具有獨(dú)特的生物學(xué)活性和在動(dòng)物體內(nèi)的整體生理調(diào)節(jié)功能及“綠色”特征，符合新時(shí)代大眾的消費(fèi)理念和環(huán)保意識(shí)，也符合現(xiàn)代化生活節(jié)奏的需要[2]，在醫(yī)療保健[3，4]、食品[5]、日化[6]等方面發(fā)揮不同作用。

抹茶起源于中國，在日本得到發(fā)展，至明治維新時(shí)期逐漸形成完善的抹茶生產(chǎn)加工體系。從12 世紀(jì)末至今，抹茶發(fā)展成“抹茶道”，已成為日本國粹[7]。抹茶近20年大規(guī)模應(yīng)用于食品工業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年日本的碾茶生產(chǎn)總量達(dá)到近4 000 t，而市場對抹茶的需求量卻超過10 000 t[8]。千禧年后，抹茶重返中國市場。隨著國內(nèi)外抹茶需求增加，浙江、江蘇、貴州、湖北、山東等地都逐漸開始生產(chǎn)抹茶，目前國內(nèi)主要的抹茶品牌有浙江省御茶村、江蘇省鑫品、貴州省貴茶等。隨著抹茶產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國已完成高標(biāo)準(zhǔn)抹茶生產(chǎn)茶園的規(guī)范建設(shè)，加工設(shè)備和生產(chǎn)線的成功研發(fā)、關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)的全面突破，為抹茶產(chǎn)業(yè)的興盛打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[8，9]。

山東抹茶采用栽植于山東省境內(nèi)北緯36°區(qū)域范圍內(nèi)且栽植過程中實(shí)施遮蔭覆蓋的適制抹茶茶樹品種之鮮葉為原料，經(jīng)鮮葉蒸汽殺青、干燥、研磨、殺菌等工藝加工而成的具有色鮮綠、覆蓋香、清爽味特征的微粉狀茶產(chǎn)品。山東茶區(qū)與日本靜岡緯度相近，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年降水量500～800 mm，年均氣溫11～14℃，具有碾茶生產(chǎn)不可多得的天然優(yōu)勢。茶樹生長季節(jié)(特別是春、秋季)氣溫較低、光照較弱、晝夜溫差大，新梢生長緩慢，營養(yǎng)物質(zhì)積累多，夜間呼吸作用較弱而致消耗的營養(yǎng)物質(zhì)少，所以鮮葉中氨基酸、葉綠素含量高[10]。碾茶作為抹茶生產(chǎn)的原料，其品質(zhì)優(yōu)劣直接影響到抹茶質(zhì)量。山東抹茶生產(chǎn)起步較晚，圍繞其品質(zhì)評價(jià)方面的研究基本是空白。

茶葉香氣是不同芳香物質(zhì)以不同濃度組合，并對嗅覺神經(jīng)綜合作用所形成的茶葉特有的香型，一般在茶中的絕對含量很少，只占干物質(zhì)量的0.02%，但卻是決定茶葉品質(zhì)的重要因子之一[11]。抹茶因其獨(dú)特的海苔香引起茶葉研究者的廣泛關(guān)注。但目前國內(nèi)外對抹茶香氣的研究絕大多數(shù)是采用日本抹茶[12－14]，而關(guān)于國內(nèi)抹茶的相關(guān)研究鮮少。為此，本研究采用電子鼻技術(shù)對山東抹茶和碾茶進(jìn)行香氣判別分析，探究不同等級(jí)抹茶和碾茶之間的香氣成分差異以及碾茶加工成抹茶后的香氣成分差異，并聯(lián)用感官審評技術(shù)對其香氣品質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，以期為抹茶品質(zhì)的提升提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 茶樣

本研究茶樣于2021年由青島鴻雨抹茶科技發(fā)展有限公司提供，編號(hào)見表1。

表1 茶樣編號(hào)

1.2 儀器與設(shè)備

電子鼻檢測設(shè)備:PEN3 型便攜式電子鼻(德國Airsens 公司)、電子天平MS105DJ(METTLER TOLEDO)、電熱恒溫水槽(上海精宏DK－8D)、粉碎機(jī)等。

感官審評設(shè)備:審評碗、審評杯、天平、計(jì)時(shí)器、燒水壺、吐茶桶、茶筅、茶匙等。

掃描電子顯微鏡設(shè)備:掃描電子顯微鏡(日本電子JSM－7500F03040702)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 山東抹茶的掃描電鏡觀察 將3 個(gè)不同等級(jí)的山東抹茶粉彈撒在雙面導(dǎo)電膠上，用離子濺射儀進(jìn)行噴鍍，置于掃描電子顯微鏡下放大1 000倍觀察并拍照。

1.3.2 山東抹茶的感官審評 碾茶和抹茶審評方法如下:

碾茶參照浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)?抹茶審評技術(shù)規(guī)范(DB33/T 2279—2020)?進(jìn)行感官審評。茶水比為1∶50，即稱取茶樣3.0 g，置于150 mL 審評杯中，注滿沸水、加蓋、計(jì)時(shí)2 min，由于本研究側(cè)重于香氣，而滋味和香氣相互影響，因此主要審評香氣和滋味。

抹茶審評方法根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。茶水比為1∶50，即稱取茶樣3.0 g，置于審評碗中，注入150 mL 沸水，充分?jǐn)嚢璨铚?0～15 s，至無可見顆粒，按香氣、滋味順序進(jìn)行審評。

1.3.3 山東抹茶的電子鼻檢測 香氣采集和檢測方法如下:

香氣采集:分別稱取茶樣0.5 g 置于燒杯中，15 mL 沸水沖泡，杯口用雙層膜密封待測。每個(gè)樣品重復(fù)3 次。

檢測方法:電子鼻連接完畢后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。其中，傳感器清洗時(shí)間為60 s，傳感器歸零時(shí)間為10 s；進(jìn)樣流量為400 mL/min；樣品準(zhǔn)備時(shí)間為5 s，進(jìn)樣時(shí)間為1 s，分析采樣時(shí)間為120 s。電子鼻各傳感器對應(yīng)敏感物質(zhì)見表2。

表2 電子鼻各傳感器對應(yīng)敏感物質(zhì)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

結(jié)合使用PEN3 電子鼻自帶軟件Winmuster與Origin 2018，對電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和主成分分析(PCA)、傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析(Loadings)和線性判別分析(LDA)，選取116～118 s 平穩(wěn)處制作雷達(dá)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 山東抹茶的外形品質(zhì)及微觀形貌

由圖1可知，M－GS(茶道級(jí)抹茶)外形色澤鮮綠明亮，M－G1(一級(jí)抹茶)色澤翠綠明亮，MG2(二級(jí)抹茶)綠、較亮。掃描電鏡下抹茶的微觀形態(tài)結(jié)果顯示，M－GS 顆粒大小均勻，直徑在3 μm 左右；M－G1 顆粒較均勻，直徑在4 μm 左右；M－G2 顆粒較均勻，直徑在6 μm 左右?？偠灾綎|抹茶的粒度都較均勻，均達(dá)到國標(biāo)(GB/T 34778—2017)要求(粒度≤18 μm)，有些顆粒較大可能是抹茶粉沒抖散而堆積在一起所造成。

圖1 不同等級(jí)山東抹茶的干茶圖及掃描電鏡圖

2.2 山東抹茶的內(nèi)在品質(zhì)

不同等級(jí)山東抹茶和碾茶的感官審評結(jié)果(表3)顯示，等級(jí)越高，海苔香越濃越鮮，滋味越鮮醇。抹茶中，M－GS 品質(zhì)最佳，海苔香濃、清鮮，滋味鮮醇、味濃；其次是M－G1，海苔香顯，滋味醇爽；M－G2 品質(zhì)稍次，有海苔香，滋味尚醇、純正。相應(yīng)的碾茶中，T－GS 品質(zhì)最佳，海苔香濃，滋味鮮濃；T－G1 海苔香顯、清香，滋味醇厚、較收斂；T－G2帶有海苔香，滋味尚爽。

表3 山東抹茶與碾茶感官審評結(jié)果

2.3 不同等級(jí)山東碾茶和抹茶香氣成分的傳感器響應(yīng)值分析

圖2 顯示，碾茶不同等級(jí)間的雷達(dá)圖輪廓相似，三者的香氣成分都是在傳感器W5S、W1S、W1W、W3S 上的響應(yīng)值較高，T－G1 的響應(yīng)值普遍低于T－GS 與T－G2。T－GS 在傳感器W5S、W1W上的響應(yīng)值最高，其次是T－G2、T－G1，因此T－GS的氮氧化合物、硫化物、萜烯類含量最高；T－G2在傳感器W1C、W6S、W1S、W2S、W3S 上的響應(yīng)值最高，表明其苯類、氫化物、甲基類、醇類、醛酮類及長鏈烷烴的含量高。

圖2 碾茶與抹茶不同等級(jí)間響應(yīng)值雷達(dá)圖

3 個(gè)等級(jí)抹茶的香氣成分在傳感器W5S、W1S、W1W、W2S、W3S 上的響應(yīng)值較突出，其中傳感器W1C、W1S、W1W、W2S 的響應(yīng)值差異明顯。M－G1 在W1C、W1S、W2S 上的響應(yīng)值均最高，比M－GS 分別高5.76%、14.09%、4.56%，比M－G2分別高10.98%、22.20%、13.58%；在傳感器W1W 上，M－G1 的響應(yīng)值最低，M－GS 最高。

2.4 同等級(jí)山東碾茶和抹茶香氣成分的傳感器響應(yīng)值分析

圖3 顯示，M－GS 與T－GS 在4 個(gè)傳感器上的響應(yīng)值差異較大，分別是W5S、W1S、W1W 和W2S。其中M－GS 在W1S 和W2S 上的響應(yīng)值高于T－GS，分別高19.76%和17.59%；T－GS 在W5S和W1W 上的響應(yīng)值高于M－GS，分別高15.05%和27.59%。因此，兩者相比，M－GS 含有更多的甲基類化合物和醇類、醛酮類化合物，而T－GS 含有較多的氮氧化合物、硫化物和萜烯類化合物。

圖3 同等級(jí)碾茶與抹茶香氣成分的傳感器響應(yīng)值雷達(dá)圖

M－G1 與T－G1 在傳感器W1C、W5S、W3C、W5C、W1S、W2S 上的響應(yīng)值差異顯著，且均是M－G1 高于T －G1，分別高24. 01%、19. 72%、14.65%、12.76%、49.06%和32.95%。所以M－G1中苯類芳香成分、氮氧化合物、氨類、短鏈烷烴芳香成分和甲基類、醇類、醛酮類化合物含量多于T－G1。二者在傳感器W6S、W1W、W2W、W3S 上的輪廓略有差異，說明氫化物、硫化物、萜烯類化合物、有機(jī)硫化物芳香成分及長鏈烷烴含量相當(dāng)。

M－G2 與T－G2 的輪廓相似，傳感器W1C、W5S、W5C、W1S、W2S 上兩者的響應(yīng)值略有差異。T－G2 在傳感器W1W、W2W、W3S 上的響應(yīng)值高于M－G2，分別高15.09%、5.03%和5.27%，因此T－G2中硫化物、萜烯類化合物、有機(jī)硫化物芳香成分、長鏈烷烴含量高于M－G2。其原因很有可能是抹茶的加工工藝造成以上化合物含量降低。

2.5 碾茶與抹茶的主成分分析

通過主成分分析(principal components analysis， PCA)看出，電子鼻對茶樣香氣的判別效果是碾茶優(yōu)于抹茶。圖4(a)中，碾茶PC1 的貢獻(xiàn)率是92.57%，PC2 的貢獻(xiàn)率是6.70%，總貢獻(xiàn)率是99.27%，PC1 對碾茶的區(qū)分起主要作用。T－GS和T－G1較離散，T－G2 距離兩者較近，且三者之間的區(qū)分度也都較高(表4)，說明三者能實(shí)現(xiàn)較好的區(qū)分。

表4 碾茶與抹茶PCA 分析的區(qū)分度

圖4(b)中，抹茶PC1 的貢獻(xiàn)率是79.31%，PC2 的貢獻(xiàn)率是17.01%，總貢獻(xiàn)率是96.32%。M－GS 和M－G1 較離散，兩者的區(qū)分度是0.892，能很好地區(qū)分開，而M－G2 分別與M－GS 和MG1 有重合，雷達(dá)圖結(jié)果(圖2)也顯示三者的輪廓相似，個(gè)別傳感器有差異。這說明M－G2 與另兩者的某些香氣成分對香氣的影響相似。

圖4 碾茶與抹茶PCA 分析結(jié)果

2.6 碾茶與抹茶的傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析

傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析法(Loadings)主要是對傳感器進(jìn)行研究，可以確認(rèn)樣品各傳感器對樣品區(qū)分的貢獻(xiàn)率大小，從而可以考察樣品區(qū)分過程中哪一類氣體起了主要區(qū)分作用[15]。圖5(a)顯示，碾茶的W1W、W5S 在PC1 上的貢獻(xiàn)率最高，負(fù)載值約為0.6～0.8，說明這些傳感器對氮氧化合物、硫化物、萜烯類化合物敏感，即與PC1 高度相關(guān)。W1S 在PC2 上的貢獻(xiàn)率最高，即甲基類化合物與PC2 高度相關(guān)。說明碾茶可以由這3個(gè)傳感器進(jìn)行區(qū)分。

抹茶的傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析結(jié)果[圖5(b)]顯示，W1S 和W2S 在PC1 上的貢獻(xiàn)率最高，說明甲基類、醇類、醛酮類化合物與PC1 高度相關(guān)。W1W、W5S 在PC2 上的貢獻(xiàn)率最高，負(fù)載值約為0.5～0.7，表明硫化物、萜烯類化合物、氮氧化合物與PC2 高度相關(guān)。

圖5 碾茶(a)與抹茶(b)的Loadings 分析結(jié)果

2.7 碾茶與抹茶的線性判別分析

線性判別分析法(linear discriminant analysis，LDA)是將高維的模式樣本投影到最佳鑒別矢量空間，達(dá)到抽取分類信息和降低特征空間維數(shù)的效果，可以將組間分得更開，且線性判別分析值越大區(qū)分效果就越好，當(dāng)線性判別分析值大于80%時(shí)即可用[15]。由圖6 可以看出，碾茶LDA 分析中，第一主成分的貢獻(xiàn)率為94.80%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為3.89%，總貢獻(xiàn)率達(dá)98.69%。每個(gè)等級(jí)茶樣內(nèi)部的數(shù)據(jù)點(diǎn)也較為集中，但3 個(gè)茶樣在PC1 和PC2 上都呈現(xiàn)分離趨勢，能實(shí)現(xiàn)很好的區(qū)分，說明各等級(jí)碾茶之間的香氣成分差異顯著。

圖6 碾茶(a)與抹茶(b)的LDA 分析結(jié)果

抹茶LDA 分析中，第一主成分的貢獻(xiàn)率為77.73%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為8.40%，總貢獻(xiàn)率為86.13%。在PC1 上，M－GS 和M－G1 能實(shí)現(xiàn)較好的區(qū)分，說明兩者的香氣物質(zhì)在PC1 上存在較大差異，M－G1 和M－G2 的距離較近，區(qū)分度較低；在PC2 上，三者區(qū)分度較低。

3 討論與結(jié)論

山東抹茶具有外觀色澤鮮綠、粉體柔軟細(xì)膩均勻和海苔香濃、滋味鮮醇的品質(zhì)特征；碾茶具有海苔香濃、滋味濃醇清爽的品質(zhì)特征。掃描電子顯微鏡(SEM)作為現(xiàn)代分析測試技術(shù)中很重要的技術(shù)手段，已用于研究各種材料的微觀樣貌[16]。本研究掃描電鏡下結(jié)果顯示，供試抹茶的顆粒大小均勻，粒度均在10 μm 以內(nèi)，都達(dá)到高品質(zhì)抹茶的要求。山東抹茶品質(zhì)之所以獨(dú)特，一方面是因?yàn)樯綎|茶區(qū)所處地理環(huán)境帶來的天然優(yōu)勢，另一方面是源于茶園遮蔭處理和后續(xù)的加工工藝。遮蔭是抹茶生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)，可增加茶葉葉綠素含量，使芽葉更加鮮綠，并抑制氨基酸轉(zhuǎn)化為兒茶素，提高鮮味，降低澀味，并產(chǎn)生抹茶獨(dú)有的海苔香(覆蓋香)。碾茶的殺青方式是蒸汽殺青，此法可盡可能保全葉綠素，使干茶色澤翠綠，殺青后的冷卻讓葉片均勻展開，避免重疊，保持碾茶色澤嫩綠[9]。在碾茶研磨過程中，茶葉粒徑減小，增加茶葉表面積，其水溶性碳水化合物含量增加，從而使茶湯味濃[14]。

電子鼻技術(shù)可快速、準(zhǔn)確地區(qū)分不同級(jí)別的山東抹茶。近年來，相關(guān)研究表明電子鼻技術(shù)可以基于香氣對茶葉進(jìn)行區(qū)分[17－19]。本研究通過對山東抹茶和碾茶進(jìn)行電子鼻檢測、PCA 分析，能把不同等級(jí)的抹茶和碾茶區(qū)分開來，其中碾茶的主成分貢獻(xiàn)率為99.27%，抹茶的主成分貢獻(xiàn)率是96.32%。Loadings 分析可知，在區(qū)分不同等級(jí)碾茶香氣成分中，氮氧化合物、硫化物和萜烯類貢獻(xiàn)率較高，其次是甲基類化合物；區(qū)分不同等級(jí)抹茶香氣成分中，甲基類、醇類、醛酮類、萜烯類、氮氧化合物及硫化物的貢獻(xiàn)率較高。LDA 分析表明碾茶3 個(gè)等級(jí)可較好區(qū)分，且各等級(jí)數(shù)據(jù)較為集中，抹茶的3 個(gè)等級(jí)較離散。

雷達(dá)圖分析法能夠?qū)Χ嘧兞繑?shù)據(jù)資料進(jìn)行綜合分析，在二維平面上直觀、形象地反映多個(gè)指標(biāo)的變動(dòng)規(guī)律[20]。本研究抹茶中氮氧化合物、硫化物、萜烯類化合物成分含量最高，其原料碾茶的氮氧化合物和甲基類成分最高；抹茶和碾茶的芳香成分含量都不高(由于每種香氣成分的閾值都不同，含量低的未必對茶葉香氣的貢獻(xiàn)就少)；長鏈烷烴在中低等級(jí)碾茶中含量較高，M－G1 醇類、醛酮類和甲基類化合物較多；T－GS 氮氧化合物、硫化物和萜烯類化合物含量最高，M－GS 的硫化物和萜烯類化合物含量較高，與前人研究結(jié)果一致[14]。研究表明，抹茶香味一般是由茶香、海苔香、清香、花香、甜香、烘炒香組成的一個(gè)整體的香氣風(fēng)味[21]，其特征是具有海苔香[7]。二甲硫醚、二甲基二硫醚具有類似海苔氣味[21，22]，且二甲硫醚對高級(jí)抹茶的香氣具有貢獻(xiàn)作用[13]，因此推測山東抹茶和碾茶中的海苔香可能來自硫化物。但王夢琪等[23]的研究發(fā)現(xiàn)，蒸青綠茶揮發(fā)性成分中的關(guān)鍵呈香成分主要為酮類、醇類以及醛類物質(zhì)，因此具體是什么成分發(fā)揮作用，還得進(jìn)一步結(jié)合GC－MS 進(jìn)行研究。碾茶精制加工成抹茶后，MGS 芳香成分中苯類、甲基類、醇類、醛酮類化合物含量增多，可能是抹茶在貯藏過程中，與空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，生成醛類與酮類物質(zhì)[9]。在G1等級(jí)中，抹茶的香氣成分含量普遍高于碾茶，抹茶的氮氧化合物含量較高，表明含氮化合物一般是經(jīng)過熱化學(xué)作用形成的具有烘炒香的成分[11]；碾茶在研磨過程中溫度升高，導(dǎo)致其含量升高。碾茶在精制前后香氣成分發(fā)生變化的原因可能是由工藝所造成，如碾茶選別中篩除茶梗、黃片等對抹茶品質(zhì)不利的夾雜物，造成抹茶香氣成分的變化。

由上綜合看出，在感官審評基礎(chǔ)上，采用電子鼻技術(shù)可以對不同等級(jí)山東抹茶和碾茶進(jìn)行區(qū)分，表明電子鼻技術(shù)結(jié)合感官審評可以快速、準(zhǔn)確地評價(jià)山東抹茶的香氣品質(zhì)特征。此外還表明，通過電子鼻技術(shù)對香氣進(jìn)行判定分析，能夠反映不同等級(jí)間的香氣差異性以及碾茶制成抹茶后的香氣變化，可以為后續(xù)山東抹茶和碾茶香氣成分組成、不同等級(jí)間香氣成分差異、山東抹茶特征香氣成分的研究提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)和參考。