CN104914190A

CN104914190A - 一种茶叶种类鉴别和21种特征成分含量测定的方法

Info

Publication number: CN104914190A
Application number: CN201510348249.6A
Authority: CN
Inventors: 陈源; 余文权; 杨道富; 谢鸿根; 高慧颖; 廖素凤
Original assignee: Institute of Agricultural Engineering Technology of Fujian Academy of Agricultural Sciences
Current assignee: Institute of Agricultural Engineering Technology of Fujian Academy of Agricultural Sciences
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2035-06-23
Also published as: CN104914190B

Abstract

本发明公开了一种茶叶种类鉴别和21种特征成分含量测定的方法，选取茶叶标准样，测定标准样中21种特征成分的含量为指标建立样本矩阵，应用主成分分析法和聚类分析法，选取主成分中权重最大的化学成分为区分因子，以区分因子作为自变量，计算同一类茶叶标准样之间的平方欧氏距离，获得标准样的平方欧氏距离范围，再测定待测样的区分因子的特征成分含量，分别计算其与茶叶标准样的平方欧氏距离范围，判定待测样的种类。本发明能够实现不同茶种类特别是铁观音和白茶的有效区分，为茶叶分类提供一个客观、可靠的方法。

Description

一种茶叶种类鉴别和21种特征成分含量测定的方法

技术领域

本发明属于分析化学领域，具体涉及一种茶叶种类鉴别和21种特征成分含量测定的方法。

背景技术

自“神农尝百草，得‘茶’而解之”时，茶叶已经被认为具有药用价值。近年来国内外的大量研究也表明茶叶具有抗癌、抗衰老、防治心脑血管疾病、提高人体免疫力乃至抗艾滋病等多种奇特功效。这些奇特功效是茶叶中各种有效成分综合作用的结果。茶叶主要功能性成分包括多酚、生物碱、茶氨酸、黄酮醇、酚酸等。茶叶的分类与其成分含量关系密切，因此可通过对茶叶特征成分含量的检测来进行茶叶品种和品质分类。而中国是产茶大国，中国茶树品种资源丰富，不同茶叶产地种植了多种茶树品种。茶树品种不同，茶叶的滋味肯定不同；而同一品种的茶叶，其滋味也受产地环境的影响而不同。在国内外，茶叶种类分类和品质鉴定大多数是通过人的感官审评来评定的。但人的感觉器官的灵敏度易受外界因素的干扰，从而影响评定的准确性；而且感官审评方法要求评茶人员具有丰富的实践经验，一般的人员很难满足上述的要求，不可避免地会产生一些人为误差。因此，长期以来，茶叶科研工作者都致力于茶叶种类品质的量化识别研究，期望采用科学的仪器测定茶叶，用科学计量上的品质指标来评价茶叶品质。

数量分类是将数学的方法和计算机技术引入植物分类学研究中。主成分分析是利用降维的思想，将原来的指标重新组合成一组彼此无关、信息互不重叠的新的综合指标；同时根据一定原则和实际需要，从中抽取较少的几个综合指标来反映原来指标所携带的较高比例的信息量。在茶叶种类和品质的量化识别中，近年来机器视觉技术、光谱技术、电子鼻技术和电子舌技术等新技术的发展，为茶叶种类和品质量化识别提供了广阔的前景。通过主成分分析，以可见-近红外光谱、氨基酸、同位素、矿质元素、气味、汤色等为指标进行茶品种和品质分类。主成分分析和聚类分析多是应用在茶叶香气成分、矿质元素和蛋白质指标上，也有少量应用单独应用于个别少量的茶多酚、纤维素等指标上。章剑扬等采用主成分分析和聚类分析方法可以找到表达不同茶类和产地的主要金属元素，且可以进行模拟量化，还可能找出不同茶类品质变化的趋势。李志伟运用主成分分析的方法，对茶叶样本的特征性指标(钾、钙、磷、蛋白质)进行分类分析。郭丽等采用顶空固相微萃取-气质联用法(HS-SPME-GC-MS)测定12个白茶样的香气成分，利用主成分分析法构建白茶的香气质量评价模型，模型具有客观性和可操作性，可替代感官审评法对白茶香气品质进行评价。申金明对不同地区的绿茶和红茶所含纤维素、半纤维素、木质素、多酚、咖啡碱、氨基酸等6个化学参数作为分类依据，运用模糊K均值聚类分析方法对其进行分类。陈椽根据茶叶制法和品质的不同，参照习惯上的分类，按照黄烷醇含量的次序，将茶分为绿茶、黄茶、黑茶、白茶、青茶、红茶六大类，符合茶叶内在变化由简到繁、由少到多的逐步发展的规律，加强了分类的系统性和科学性。康海宁等通过高效液相色谱/二极管阵测器（HPLC/DAD）同时测定茶叶中5种儿茶素和咖啡碱，采用聚类分析，并以这6种活性成分为指标对红茶、黑茶、绿茶、乌龙茶等茶叶进行分类。未见将21个特征成分其中包含茶多酚、茶氨酸、生物碱、酚酸和黄烷醇5大类功能成分为指标的分类研究方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种茶叶种类鉴别和21种特征成分含量测定的方法，能够实现不同茶种类特别是铁观音和白茶的有效区分，为茶叶分类提供一个客观、可靠的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种茶叶种类鉴别和21种特征成分含量测定的方法，选取茶叶标准样，测定标准样中21种特征成分的含量为指标建立样本矩阵，应用主成分分析法和聚类分析法，选取主成分中权重最大的化学成分为区分因子，以区分因子作为自变量，计算同一类茶叶标准样之间的平方欧氏距离，获得标准样的平方欧氏距离范围，再测定待测样的区分因子的特征成分含量，分别计算其与茶叶标准样的平方欧氏距离范围，判定待测样的种类。

所述的21种特征成分为茶氨酸、没食子酸、没食子酸儿茶素（GC）、咖啡碱、茶叶碱、表没食子儿茶素（EGC）、儿茶素（C）、绿原酸、可可碱、咖啡酸、对香豆酸、表儿茶素（EC）、表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）、没食子儿茶素没食子酸酯（GCG）、表儿茶素没食子酸酯（ECG）、芦丁、阿魏酸、芥子酸、杨梅素、槲皮素、山奈酚。

所述的高效液相色谱-二级管阵列检测器法的条件为：采用C18色谱柱，柱温为30~50℃，以乙腈和0.1-1wt.%甲酸溶液的混合液为流动相梯度洗脱，流动相流速为0.8mL/min；检测波长为：茶氨酸203nm、其它成分为280nm，检测时间为70min，进样量为5-20μL。

所述的茶产品的前处理为：将1.0000g茶叶、浓缩茶或茶树叶片干样样品均匀粉碎，或于液氮中冷冻60s后取出、迅速捣碎，采用50wt.%乙醇溶液进行超声提取20min，加水定容至50mL，5000rpm/min离心，上清液经0.22μm有机滤膜过滤，备用。

本发明的显著优点在于：

1）可以同时对多酚、生物碱、茶氨酸、黄酮醇、酚酸进行测定，提高茶产品中各种有效成分的分离度，较全面地反映茶叶的化学成分和品质特性，有利于茶叶质量控制，通过谱图建立茶叶指纹图谱，为原产地域和地理标志名茶的保护提供技术支持。

2）不需要对样品做特殊处理，就能将茶产品中酚酸、儿茶素、黄烷酮、生物碱、茶氨酸等五种不同类别的21种特征成分很好地分离，节省了检测时间和成本。

附图说明

图1是52个茶样散点分布图。

图2是不同茶叶间树状图。

具体实施方式

所述的21种特征成分为茶氨酸、没食子酸、没食子酸儿茶素（GC）、咖啡碱、茶叶碱、表没食子儿茶素（EGC）、儿茶素（C）、绿原酸、可可碱、咖啡酸、对香豆酸、表儿茶素（EC）、表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）、没食子儿茶素没食子酸酯（GCG）、表儿茶素没食子酸酯（ECG）、芦丁、阿魏酸、芥子酸、杨梅素、槲皮素、山奈酚。标准样品用50wt.%乙醇配制成1mg/mL的标准液，用逐级稀释法配成不同浓度的混合标样，-20℃保存备用。

所述的高效液相色谱-二级管阵列检测器法的条件为：采用C18色谱柱，柱温为30~50℃，以乙腈和0.1-1wt.%甲酸溶液的混合液为流动相梯度洗脱（见表1），流动相流速为0.8mL/min；检测波长为：茶氨酸203nm、其它成分为280nm，检测时间为70min，进样量为5-20μL。

表1梯度洗脱程序：

主成分分析

对照（1）的21项特征成分含量进行主成分分析，以各化学成分标准品为变量，按照下列(1)按照下列计算各主成分与变量的相关系数，获得相关系数矩阵；再以相关系数矩阵为基础，将主成分按照方差贡献率大小降维排列，取累积方差贡献率达到80%以上的前N个主分；计算各化学成分占该N个主成分的权重，分别选取权重最大的化学成分为各主成分中代表主成分作为区分因子。选择新得到的变量尽可能地表征原变量数据结构特征而不丢失信息。

根据奇异值分解（SVD），对量测矩阵Y进行分解

Y = USV ^t（1）

t表示转置，USV分别表示为得分矩阵、特征值矩阵和载荷矩阵，以此作为茶叶含量判定的依据。

聚类分析

平方欧式距离的测定方法为采用SPSS的Analyze模块下层次聚类分析中的组间联结法，以区分因子作为自变量，计算同一产地的标准样之间的平方欧式距离。

以样品的21个特征成分指标含量对茶叶种类和品种进行聚类，得到聚类分析树状图，树状图清楚反映各个品种和种类之间的亲缘关系，以此对铁观音、大红袍、水仙、肉桂等茶叶品种和种类进行分类鉴定。

实施例1

将52个茶样各称取1.0000g样品均匀粉碎，或于液氮中冷冻60s后取出、迅速捣碎，采用50wt.%乙醇溶液进行超声提取20min，加水定容至50mL，5000rpm/min离心，上清液经0.22μm有机滤膜过滤，备用。所述的21种特征成分为茶氨酸、没食子酸、没食子酸儿茶素（GC）、咖啡碱、茶叶碱、表没食子儿茶素（EGC）、儿茶素（C）、绿原酸、可可碱、咖啡酸、对香豆酸、表儿茶素（EC）、表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）、没食子儿茶素没食子酸酯（GCG）、表儿茶素没食子酸酯（ECG）、芦丁、阿魏酸、芥子酸、杨梅素、槲皮素、山奈酚。高效液相色谱-二级管阵列检测器法的条件为：采用C18色谱柱，柱温为30℃，以乙腈和0.5wt.%甲酸溶液的混合液为流动相梯度洗脱（见表1），流动相流速为0.8mL/min；检测波长为：茶氨酸203nm、其它成分为280 nm，检测时间为70min，进样量为10μL。测定21个特征成分的含量。

试验数据采用SPSS 13.0 软件进行统计分析。其中，主成分分析调用Factor 过程，以欧氏距离测距，用最长距离法( Furthest neighbor) 测量类间距，进行聚类分析。

所述步骤（2）中，采用SPSS统计软件的Analyze模块下层次聚类分析中的组间联结法，以区分因子作为自变量，计算同一类标准样之间的平方欧氏距离。

所述步骤（1）中，选择乌龙茶（铁观音）、白茶（福鼎白牡丹）、红茶(普洱)等三个种类茶作为标样。

所述步骤（1）中，其他的茶叶品种如市场上不同佛手、正山小种、茉莉花茶、肉桂、水仙等茶叶为待测样品。

取前三个主成分，计算该6个主成分下各化学成分的权重，分别选取权重最大的化学成分为各主成分中的代表主成分作为区分因子。

表2 21种混标的线性范围、回归方程、相关系数、检出限、精密度及回收率

表3 不同茶叶种类化合物含量（DW，μg/g）

1、主成分分析：

在第1主成分中，GC、儿茶素、EGCG、GCG具有较大的正系数，分别是0.585、0.701、0.520、0.526、0.527，表明第1主成分主要反映了茶叶的茶多酚含量；第2主成分中，ECG、芦丁、咖啡碱、儿茶素具有较大的正系数，分别为0.805、0.636、0.689、0.560；第3主成分中，槲皮素、可可碱、没食子酸具有较大的正系数，分别为0.605、0.523、0.479；第4主成分中，GC、GCG、茶叶碱、杨梅素具有较大的正系数，分别为0.605、0.523、0.479；第5主成分中，芥子酸、茶叶碱和对香豆酸具有较大的正系数，分别为0.795、0.468、0.346；第6主成分中，对香豆酸、山奈酚和杨梅素具有较大的正系数，分别为0.539、0.491、0.411。

第1到第6个主成分中包含了茶多酚和生物碱的主要成分。

表4特征值、贡献率、累积贡献率

表5 特征成分得分矩阵

2、聚类分析：

由于前7个主成分中包含了茶多酚、生物碱、酚酸和黄烷醇等多个特征成分的含量，因此选取19个含量，对52个不同茶叶品种的聚类分析，属于样品聚类或称为Q型聚类。本方法采用类平均法，从图1中可以看出，以21个特征成分含量作为自变量，以茶叶种类分类，以52个样品单元为区域单元，采用平方欧氏距离(Squared Euclidean distance)测度52个样品单元之间的距离，获得五个种类的平方欧氏距离的范围，具体为：在欧式距离为18时分为2个类群。其中第一类群中有一个种类：白茶；第二类群中包括：红茶、黑茶、绿茶、乌龙茶。在欧式距离为4时，将乌龙茶（铁观音、肉桂、水仙、佛手、茉莉花茶）、红茶（正山小种、普洱茶）、绿茶区分开，其中乌龙茶和红茶的欧氏距离更近。在欧式距离为2时，将铁观音与其他的乌龙茶如水仙、肉桂、佛手、大红袍等种类区分开。除个别茶样外，乌龙茶、绿茶、红茶和白茶，其中乌龙茶中可以将铁观音和其他品种如水仙、大红袍、肉桂、佛手区分开，白茶和其他茶叶内含物成分差异巨大。

发明采用多元统计方法中的主成分分析和聚类分析对52个茶样的21种特征成分来自5个不同类型（茶氨酸、茶多酚、生物碱、酚酸和黄烷醇）活性物质的进行全面、客观的评价和分析，为茶叶品种和种类分别提供新的思路和方法。通过主成分分析将21个特征成分分为6个主成分来表示，同时通过Q型聚类分析将52个茶样分为4个种类（红茶、绿茶、乌龙茶、白茶），其中将铁观音和其他茶叶品种分开，说明茶多酚、生物碱可快速对茶叶品种种类进行鉴别。

本发明采用的方法可以从不同的视角对其进行分析，并得出量化结果，更为全而、客观地茶叶种类和品种分别，说明主成分分析和聚类分析可以推广应用到茶叶选种、育种、制作方面的研究。目前茶叶品种选育和加工的方法主要通过人的感官审评来评定的，但人的感觉器官的灵敏度易受外界因素的干扰，从而影响评定的准确性；而且感官审评方法要求评茶人员具有丰富的实践经验，一般的人员很难满足上述的要求，不可避免地会产生一些人为误差。因此利用21种特征成分的主成分分析和聚类分析实现茶叶种类和品种分类研究，对于茶叶产业具有非常重要的意义。

从树状图（图2）中可以看出，市场上铁观音茶叶、白茶的样品较为纯正，其他茶叶如岩茶类的产品存在不同茶样混合一起的作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种茶叶种类鉴别和21种特征成分含量测定的方法，其特征在于：选取茶叶标准样，测定标准样中21种特征成分的含量为指标建立样本矩阵，应用主成分分析法和聚类分析法，选取主成分中权重最大的化学成分为区分因子，以区分因子作为自变量，计算同一类茶叶标准样之间的平方欧氏距离，获得标准样的平方欧氏距离范围，再测定待测样的区分因子的特征成分含量，分别计算其与茶叶标准样的平方欧氏距离范围，判定待测样的种类。

2.根据权利要求1所述的茶叶种类鉴别和21种特征成分含量测定的方法，其特征在于：所述的21种特征成分为茶氨酸、没食子酸、没食子酸儿茶素、咖啡碱、茶叶碱、表没食子儿茶素、儿茶素、绿原酸、可可碱、咖啡酸、对香豆酸、表儿茶素、表没食子儿茶素没食子酸酯、没食子儿茶素没食子酸酯、表儿茶素没食子酸酯、芦丁、阿魏酸、芥子酸、杨梅素、槲皮素、山奈酚。

3.根据权利要求1所述的茶叶种类鉴别和21种特征成分含量测定的方法，其特征在于：所述的高效液相色谱-二级管阵列检测器法的条件为：采用C18色谱柱，柱温为30~50℃，以乙腈和0.1-1wt.%甲酸溶液的混合液为流动相梯度洗脱，流动相流速为0.8mL/min；检测波长为：茶氨酸203nm、其它成分为280nm，检测时间为70min，进样量为5-20μL。

4.根据权利要求1所述的茶叶种类鉴别和21种特征成分含量测定的方法，其特征在于：所述的茶产品的前处理为：将1.0000g茶叶、浓缩茶或茶树叶片干样样品均匀粉碎，或于液氮中冷冻60s后取出、迅速捣碎，采用50wt.%乙醇溶液进行超声提取20min，加水定容至50mL，5000rpm/min离心，上清液经0.22μm有机滤膜过滤，备用。