绿茶是采摘茶树鲜叶经杀青、揉捻(做形)和干燥3个工序加工而成,因而几乎保留了鲜叶中茶多酚、茶多糖、咖啡碱、儿茶素、氨基酸、维生素和矿质元素等大量天然成分。研究表明,绿茶具有显著的降糖降脂、抗菌、抗疲劳、抗氧化等功能[1-3]。我国绿茶产区分布广泛,品种多样,在不同地域、生长环境下的绿茶产品各具特色,如西湖龙井、洞庭碧螺春、峨眉竹叶青等,重庆地区的主要绿茶品类有巴南银针、永川秀芽、秀山毛尖等[4]。近年来,地方性特色茶叶产品广受关注与研究。王海利等[5]评价龙井、碧螺春和安吉白茶理化性质和香气成分,探究出了与品质相关的代表性成分;龚自明等[6]分析了湖北省具有代表性的名优绿茶感官、生化、氨基酸和矿质元素特点;王婷婷等[7]评价四川西、南和北3个地区绿茶的感官和滋味品质,解释了不同产区绿茶品质的差异。可见,不同地区的茶叶品质存在一定程度差异,同时各具特色,形成以地区为代表的特色产品。目前,关于重庆地区绿茶的品质评价还未见报道,开展品质评价对反映重庆绿茶的特色、提高重庆绿茶的知名度和经济效益具有重要参考价值。
主成分分析法(principal component analysis,PCA)的主要思想是降维,在损失较少信息的前提下把多个指标转化为几个综合指标,目的是使降维后的综合指标信息互不相关。聚类分析法(cluster analysis,CA)是根据数据的特征相关性聚合成不同类别,同一类数据在某种意义上彼此相似[8-9]。2种分析方法广泛应用于水果品质评价与选种[10]、白酒香气成分分析与质量品评[11]等食品相关研究方面,同时在茶叶品质比较[12]、茶叶品质分级[13]、茶叶产地辨别[14]等方面也有广泛应用。本研究以重庆X区绿茶为研究对象,采用分光光度法、高效液相色谱法等测定茶多酚、茶氨酸等13个主要指标的含量,通过PCA与CA评价X区绿茶的品质,为X区绿茶产业发展提供数据支持。
X区绿茶样本41份,2019年3月随机抽取于管理条件基本一致的X区茶园,编号为1~41,粉碎后备用。
香荚兰素、茶氨酸、咖啡碱、没食子酸、槲皮素,均购于生物源叶公司;乙腈、甲醇均为色谱纯级,购于美国Sigma公司;其他试剂均为国产分析纯。
752型紫外可见分光光度计,上海菁华科技仪器有限公司;Fibertec-TM-M6型纤维仪,福斯中国有限公司;LC20A型高效液相色谱仪,日本岛津公司。
水分、灰分、水浸出物、粗纤维含量分别参照国标[15-18]进行测定;果胶、叶绿素:采用分光光度法测定[19-20];花青素:采用pH示差法测定[21];总糖:采用苯酚-硫酸法测定[22];总黄酮:采用AlNO3-NaOH显色法测定[23];茶多酚:采用Folin-Ciocalteu比色法测定[24];儿茶素:采用香荚兰素比色法测定[25]。
咖啡碱:采用高效液相色谱法测定[26]。测定条件为:色谱柱:C18柱,流动相:70%超纯水-30%甲醇;流速:1.0 mL/min;柱温:40 ℃;进样量:10 μL;检测波长:280 nm。
茶氨酸:采用高效液相色谱法测定[27]。测定条件为:色谱柱:SB-Aq,Agilent,250 mm×4.6 mm,5 μm;流动相:100%超纯水-100%乙腈;流速:1.0 mL/min;柱温:35 ℃;进样量:20 μL;检测波长:210 nm;梯度洗脱条件:0~12 min,100%A;12~22 min,20%A、80%B;22~40 min,100%A。
每项指标均重复测定3次以上,结果用X±SD表示,采用Excel 2016和SPSS 21.0软件对测定结果进行统计分析和差异显著性分析。采用PCA与CA结合评价X区绿茶品质。
根据GB/T 14456.1—2017绿茶基本要求[28]测定了X区炒青绿茶的水分、灰分等13个指标,水分、灰分、水浸出物、粗纤维、茶多酚、儿茶素是GB/T 14456.1—2017炒青绿茶基本要求的基本评价指标,多糖、总黄酮是绿茶中基本的功能成分,茶氨酸与咖啡碱是绿茶中重要的香气和滋味物质[1-3],这13个评价指标包含了滋味、口感、功能性、矿物质含量等诸多因素,基本能反映X区绿茶的总体品质。X区绿茶各评价指标的总体状况如表1所示。
由表1可知,41份X区的绿茶样本水分含量在(6.28±0.05)%~(9.03±0.12)%,根据“GB/T 14456.1—2017炒青绿茶基本要求”的规定,水分含量应<7.0%。在测定的41个茶叶样本中,只有5个样本达到该要求。41份X区的绿茶样本的灰分、水浸出物、粗纤维含量分别是(5.09±0.02)%~(7.06±0.05)%、(41.88±0.82)%~(49.06±0.16)%、(9.00±0.77)%~(15.87±0.42)%,根据GB/T 14456.1—2017炒青绿茶基本要求的规定,灰分含量<7.5%、水浸出物含量>34%、粗纤维含量<16%,得到X区41份绿茶样本的灰分、水浸出物、粗纤维均达标,达标率为100%。41份X区的绿茶样本的茶多酚含量(9.26±0.17)%~(22.20±0.34)%,儿茶素含量(5.15±0.08)%~(11.44±0.08)%,根据GB/T 14456.1—2017炒青绿茶基本要求的规定,茶多酚含量>11.0%,儿茶素含量>7.0%,可得41份X区绿茶样本的茶多酚、儿茶素达标率分别为60.98%和41.46%;果胶含量(1.38±0.02)%~(3.16±0.04)%,花青素含量(77.38±3.37)%~(222.59±5.74) mg/kg,与丁华等[29]测得湖北绿茶中花青素含量相当;叶绿素含量(0.34±0.02)%~(2.51±0.01) mg/g,变异系数高达59.17%,表明样本间叶绿素含量差异明显;总糖含量(9.39±0.04)%~(13.52±0.18)%,与孙伟等[30]测得信阳绿茶中多糖含量相当;总黄酮含量(0.80±0.04)%~(1.84±0.03)%,与赵丽平[31]用乙醇浸提法测得信阳绿茶黄酮含量相当。X区绿茶茶氨酸含量(0.69±0.07)%~(1.97±0.03)%,咖啡碱含量(3.39±0.11)%~(4.81±0.07)%,与陈小强等[32]测得以西湖龙井、祁门红茶和普洱茶为代表的三类茶中的茶氨酸与咖啡碱含量相当。
表1 X区绿茶特征性成分评价指标的描述性统计(n=41)
Table 1 Descriptive statistics of characteristic component evaluation indexes of green tea in X district
评价指标最小值最大值中位数平均值标准差变异系数水分/%6.289.037.777.790.7810.01灰分/%5.097.066.055.940.589.76水浸出物/%41.8849.0645.2345.321.944.28粗纤维/%9.0015.8710.6811.011.4713.35果胶/%1.383.161.681.910.4925.65花青素/(mg·kg-1)77.38222.59127.62136.6738.7728.37叶绿素/(mg·g-1)0.342.510.630.840.5059.52总糖/%9.3913.5210.9511.001.1110.09总黄酮/%0.801.841.471.390.3323.74茶氨酸/%0.691.971.271.280.3728.91茶多酚/%9.2622.2011.3412.242.5020.80儿茶素/%5.1511.446.657.191.8525.73咖啡碱/%3.394.814.174.160.358.41
由于X区绿茶各评价指标之间存在量纲和数量级差异,为避免彼此影响,参照KAVDIR等[33]、傅隆生等[34]的方法,对所测定41份X区的绿茶样本的原始数据进行标准化处理,使得各指标的评价值处于相同数量级,再进行后续的统计分析。对X区41个绿茶样本的13个指标进行主成分分析,结果如表2、表3所示。
表2 X区绿茶评价指标主成分特征值与方差贡献率
Table 2 Principal component eigenvalue and cumulative variance rate of green tea in X district
成分初始特征值/%方差贡献率/%累积方差贡献率/%PC13.95330.41130.411PC22.32917.91748.329PC31.37410.56858.896PC41.1498.83967.735PC51.0367.96675.701
表3 主成分分析旋转成分矩阵
Table 3 Rotated component matrix of principal component analysis
评价指标PC1PC2PC3PC4PC5总黄酮 0.758-0.007-0.216-0.0980.436儿茶素 0.7530.1920.0690.153-0.046花青素 0.648-0.0820.1470.149-0.305果胶 0.586-0.528-0.466-0.102-0.104茶多酚 0.532-0.530-0.1440.018-0.123总糖 0.519-0.434-0.329-0.1600.045叶绿素 0.2660.898-0.0320.220-0.014灰分 -0.1120.8590.2200.0810.094水分 -0.1210.1560.883-0.205-0.010水浸出物0.0940.0910.8630.3040.097茶氨酸 0.181-0.0070.0160.7920.029粗纤维 0.116-0.350-0.059-0.787-0.050咖啡碱 -0.0790.0830.1080.0950.920
参考Kaiser标准,由表2可知,依据提取因子的特征值>1提取出5个主成分,它们的方差贡献率依次为30.411%、17.917%、10.568%、8.839%和7.966%,累计方差贡献率达75.701%,把X区绿茶原来的13个评价指标降维综合为5个相对独立的评价因子,达到了降维的目的[9]。
将与主成分之间相关系数的绝对值>0.5的指标组合成综合性指标[10],由表3可知,PC1主要综合了总黄酮、儿茶素、花青素、果胶、茶多酚和总糖6个指标,累计方差贡献率30.411%,它们与PC1的相关系数分别是0.758、0.753、0.648、0.586、0.532和0.519,各指标都与PC1都成正相关;总黄酮、儿茶素、花青素、茶多酚和总糖具有抗氧化、抗菌、抗肿瘤作用和降糖降脂生理功能[1-3],PC1值越高,功能作用越强[35]。PC2综合了叶绿素和灰分两个指标,贡献率为17.917%,它们与PC2的相关系数分别是0.898、0.859,这2个指标都与PC2成正相关。绿茶的色泽主要与叶绿素等多种色素类物质的组成、含量、比例等因素有关[36];绿茶中的灰分代表茶叶中无机物与矿质元素的含量,大部分为营养元素。PC2值越大,表明绿茶色泽越好,矿质元素含量越高[37]。PC3综合了水分和水浸出物2个指标,方差贡献率为10.568%,它们与PC3的相关系数分别是0.883、0.863,与PC3成正相关。水分影响茶叶在贮藏过程中色泽、滋味的变化,含量越高陈化劣变速度越快,在茶叶生产加工贮藏过程中应严格控制[38];茶叶水浸出物主要是茶叶中能溶于热水的可溶性物质,包括糖类、蛋白质、氨基酸、咖啡碱、多酚类等。PC3值越高,茶叶水浸出物含量越高,茶汤浓度就越高,越耐泡,茶汤的口感更醇厚[34]。PC4综合茶氨酸与粗纤维2个指标,方差贡献率为8.839%,其中茶氨酸与PC4成正相关,与PC4的相关系数是0.792,粗纤维与PC4成负相关,与PC4的相关系数是-0.787。茶氨酸是茶叶特有的游离氨基酸,主要影响茶叶的香气和滋味;粗纤维含量与原料茶叶的嫩度息息相关,PC4值越高,茶氨酸含量越高,粗纤维含量越低,说明茶汤滋味越鲜爽,绿茶越嫩[39]。PC5只代表咖啡碱这一个指标,方差贡献率为7.966%,它与PC5的相关系数是0.920。咖啡碱是茶叶重要的滋味物质,具有兴奋神经中枢、刺激肠胃助消化、抵抗酒精、烟碱、吗啡等作用,PC5值越高,绿茶中咖啡碱含量越高,茶汤鲜味越滋爽,功能作用越大[29]。
X区绿茶评价指标成分得分系数矩阵如表4所示,根据各评价指标的得分矩阵,建立各成分因子得分方程如下:
Z1=0.078X1+0.057X2+0.107X3+0.095X4+0.163X5+0.273X6+0.185X7+0.165X8+0.323X9-0.008X10+0.16X11+0.341X12-0.022X13;
Z2=-0.033X1+0.402X2-0.161X3+0.001X4-0.120X5-0.005X6+0.488X7-0.100X8+0.095X9-0.159X10-0.205X11+0.147X12-0.087X13;
Z3=0.515X1-0.029X2+0.505X3+0.083X4-0.128X5+0.163X6-0.159X7-0.064X8-0.048X9-0.018X10+0.057X11+0.078X12+0.035X13;
Z4=-0.230X1-0.122X2+0.150X3-0.539X4-0.002X5+0.054X6-0.050X7-0.068X8-0.150X9+0.588X10+0.077X11-0.011X12+0.048X13;
Z5=-0.024X1+0.070X3-0.001X4-0.036X5-0.257X6-0.097X7+0.085X8+0.385X9+0.018X10-0.055X11-0.057X12+0.791X13;
以各成分的方差贡献率为权数,建立X区绿茶品质综合评价模型:
C=30.411%Z1+17.917%Z2+10.568%Z3+8.839%Z4+7.966%Z5
表4 X区绿茶成分得分系数矩阵
Table 4 Component score matrix of green tea in X district
评价指标PC1PC2PC3PC4PC5水分(X1)0.078-0.0330.515-0.230-0.024灰分(X2)0.0570.402-0.029-0.1220.000水浸出物(X3)0.107-0.1610.5050.1500.070粗纤维(X4)0.0950.0010.083-0.539-0.001果胶(X5)0.163-0.120-0.128-0.002-0.036花青素(X6)0.273-0.0050.1630.054-0.257叶绿素(X7)0.1850.488-0.159-0.050-0.097总糖(X8)0.165-0.100-0.064-0.0680.085总黄酮(X9)0.3230.095-0.048-0.1500.385茶氨酸(X10)-0.008-0.159-0.0180.5880.018茶多酚(X11)0.160-0.2050.0570.077-0.055儿茶素(X12)0.3410.1470.078-0.011-0.057咖啡碱(X13)-0.022-0.0870.0350.0480.791
将评价指标标准化处理后的数据带入品质评价模型方程,分数越高表示样本的综合品质越好[40]。由表5可知,综合得分前10的样本编号依次是:30、31、28、32、12、11、1、24、23、13。
表5 X区绿茶样本排名前十得分情况
Table 5 The totpten scores of green tea in X district
样本编号Z1Z2Z3Z4Z5C排名302.352.45-0.170.94-0.111.2101311.332.27-0.500.680.600.8662281.382.03-0.080.250.400.8293320.640.620.001.031.330.5034120.91-0.731.090.910.410.3745111.43-0.720.320.190.010.357612.47-1.62-0.370.85-1.890.3467240.38-0.011.46-0.301.090.3288230.040.001.47-0.111.620.2879130.74-0.421.31-0.590.570.28110
采用系统聚类-组平均法、Euclidean距离基于X区绿茶评价指标综合得分进行CA分析,分类结果如图1所示。
图1 X区绿茶聚类分析图
Fig.1 Cluster analysis of green tea in X district from different habitats
如图1所示,根据分类的相似度及合理性[31,41],当距离为5时,41个样本分为4类,第一类2个样本(样本编号1和2),第二类15个,第三类21个,第四类3个(样本编号28、31和30)。X区绿茶各分类评价指标均值如表6所示。
表6 X区绿茶4类品质评价
Table 6 Quality evaluation of green tea in X district in 4 types
类别第一类第二类第三类第四类水分/%7.04±0.10b7.33±0.83b8.20±0.57a7.70±0.30b灰分/%5.27±0c5.43±0.14c6.25±0.43b6.83±0.21a水浸出物/%43.90±0.70b44.44±2.09b45.98±1.73a46.11±1.14a粗纤维/%12.24±0.01a11.56±2.09a10.66±0.76b9.88±0.26c果胶/%3.10±0.09a2.32±0.22b1.52±0.10d1.82±0.25c花青素/(mg·kg-1)218.12±6.33a136.15±30.25c124.13±36.42c172.81±11.48b叶绿素/(mg·g-1)0.62±0.04c0.52±0.11c0.89±0.28b2.31±0.18a总糖/%12.62±0.22a11.69±1.13b10.33±0.70c11.24±0.31b总黄酮/%1.61±0.03ab1.55±0.23b1.20±0.30c1.82±0.01a茶氨酸/%1.52±0.38ab1.12±0.40c1.31±0.30b1.70±0.21a茶多酚/%20.15±2.90a12.58±1.72b11.07±1.31c10.46±1.07c儿茶素/%8.86±2.09a7.27±1.63b6.56±1.63c10.07±1.30a咖啡碱/%3.64±0.11b4.16±0.26a4.20±0.40a4.29±0.13a
注:同行不同字母表示差异显著(P<0.05)
由表6可知,不同分类的X区绿茶评价指标间存在一定差异。第一类果胶、花青素、总糖和茶多酚含量显著高于其他类(P<0.05),咖啡碱含量显著低于其他类(P<0.05);第二类茶氨酸含量显著低于其他类(P<0.05);第三类水分含量显著高于其他类(P<0.05),果胶、总糖、总黄酮和儿茶素含量显著低于其他类(P<0.05);第四类灰分和叶绿素含量显著高于其他类,总黄酮、茶氨酸和儿茶素含量显著高于第二、三类,粗纤维含量显著低于其他类(P<0.05)。X区绿茶4种不同分类各具特点,第一类可选出总糖、茶多酚和花青素含量高的绿茶资源,第二类可选出茶多酚、总糖含量较高的绿茶资源,第三类可选出水浸出物、咖啡碱含量较高的绿茶资源,第四类可选出灰分、水浸出物、总黄酮、茶氨酸、儿茶素、咖啡碱和叶绿素含量高的绿茶资源。同时,第四类的绿茶样本与PCA综合得分前三的一致。
在不同地域、品种、生长环境等条件下,绿茶的特征性成分含量会存在着一些差异,但因独特的口感、清香、滋味等特点而各具特色[42-43]。在本研究中,X区绿茶样本的特征性成分含量存在差异,根据GB/T 14456.1—2017炒青绿茶基本要求的规定,X区绿茶样本的茶多酚、儿茶素达标率分别为60.98%和41.46%,可通过改良茶树品种、改进加工方式等措施提高X地区绿茶的茶多酚和儿茶素含量。叶绿素的变异系数最大,可能与绿茶品种、制作工艺等相关;果胶、花青素、总黄酮、茶氨酸、儿茶素的变异系数也较大,可能受品种、加工方式等因素影响。
通过PCA,将评价X区绿茶品质的13个指标降维成5个综合性指标,通过PCA说明评价X区绿茶品质主要集中在滋味、口感、功能性作用、矿物质含量和色泽方面。通过主成分得分系数矩阵建立成分因子得分方程,得到X区绿茶样本得分和排序,得分排名前三的X区绿茶样本编号依次是30、31和28号。
CA按照样本间营养性状、品质特点的相似程度进行聚合,可对绿茶的品质特点提供参考。将X区绿茶41个样本分为4类,结合PCA,X区第四类绿茶品质最好,样本编号是30、31和28号,与PCA成分因子得分方程选出样本得分排名前三的结果一致,第一类绿茶(样本1和2号)品质仅次于第四类,其他类绿茶品质中等。
综合分析结果表明,X区绿茶的总体品质较好。为了进一步提高X区绿茶总体质量,应加强对绿茶资源开发以及对绿茶加工技术的深度研发,提高X区绿茶品质,益于该区绿茶的换代升级,提高茶农与茶企的收益。
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