頂空固相微萃取-全二維氣相色譜/飛行時間質譜法分析閩南烏龍茶中的揮發性成分及其在分類中的應用
茶是全球消費量最大的飲料[1]。茶的品種豐富,分類方法多樣,一般根據茶的發酵程度可以分為三類:不發酵的綠茶、半發酵的烏龍茶及發酵的紅茶[2],其中烏龍茶為我國特有茶種。烏龍茶主要產地包括福建的閩南安溪產茶區、福建的閩北武夷山產茶區、廣東東部及北部產茶區和臺灣玉山產茶區,其中以閩南烏龍茶產量最高。閩南烏龍茶主要品種有鐵觀音、黃金桂、本山、毛蟹、梅占等。不同品種的茶葉品質與價格相差較多,如閩南烏龍茶中最具代表性的鐵觀音,其茶樹生長緩慢、單產低,但市場需求大,價格昂貴,市場上常見以產量大、價格低的本山冒充鐵觀音欺詐消費者,一般感官較難區分。因此建立可靠的識別方法具有現實意義。
目前,利用分析儀器測定茶葉的相關信息,結合化學計量學方法進行識別與分類,已經成為分析化學中茶葉識別與分類研究的主要模式[3,4, 5]。用于表征茶葉種類的物質很多,如茶多酚、黃酮類化合物、氨基酸、礦物質等。但茶葉的香氣是決定茶葉品質和風味的關鍵因素,因此有文獻報道以茶葉中揮發性成分對茶葉品種進行鑒別[6, 7]。近10年來發展完善的全二維氣相色譜-飛行時間質譜(GC×GC-TOF MS)分析技術,利用特殊的二維正交柱系統進行分離,利用飛行時間質譜定性識別化合物的結構信息,具有靈敏度高、峰容量大、分析快速等特點,已被應用于食品(包括茶葉)的摻假識別與成分分析[8, 9, 10, 11, 12]。本文在前人研究基礎上,以GC×GC-TOF MS技術結合主成分分析法(PCA)和Fisher判別法(FDA)對5種閩南烏龍茶中的揮發性成分進行分析,成功區分了產自福建省安溪縣不同季節與品質的烏龍茶。本研究對識別茶葉品種、判別茶葉摻假具有一定的參考價值。
1 實驗部分
1.1 儀器與材料
PEGASUS 4D全二維氣相色譜-飛行時間質譜聯用儀(美國LECO公司),帶有ChromaTOF軟件;Agilent 7890A氣相色譜儀(美國安捷倫公司);固相微萃取裝置(美國Supelco公司),含操作臺、手柄、50/30 μ m固相微萃取頭,涂層為二乙烯基苯-羧乙基-聚二甲硅氧烷共聚物(DVB/CAR/PDMS)(美國Supelco公司)。
1.2 實驗樣品
茶葉樣品采自福建省安溪縣,其中鐵觀音樣品14個、黃金桂樣品8個、本山樣品9個、毛蟹樣品10個、梅占樣品7個。所有樣品均未經拼配。為了增強樣品的代表性,每個樣品的生產時間和品質等級均不同。所有樣品研磨成粉后過40目篩,置于4 ℃冰箱中儲存備用。
1.3 樣品前處理
本實驗采用頂空固相微萃取(HS-SPME)方法提取茶中揮發性成分。將固相微萃取頭置于氣相色譜進樣口于250 ℃下老化30 min。稱取約2 g樣品于250 mL頂空瓶中,封口后置于80 ℃水浴中10 min,然后插入固相微萃取頭提取1 h后取出進樣。進樣口脫附時間為2 min。同時在相同條件下制備空白對照樣品。
1.4 儀器條件設置
氣相色譜:正交二維柱系統由TG-5MS毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 μ m)與DB-17HT高溫氣相色譜柱(10 m×0.1 mm×0.2 μ m)兩部分組成;TG-5MS色譜柱載氣為氦氣,流速2 mL/min;分流比10 ∶ 1;進樣口溫度250 ℃;柱溫升溫程序:初始溫度50 ℃,保持2 min,以5 ℃/min 升至250 ℃,保持10 min。第二維色譜柱為DB-17HT高溫氣相色譜柱,選擇比第一維色譜柱高5 ℃的初始溫度同步升溫。
飛行時間質譜:電子轟擊電離源(EI),電離電壓70 eV;溶劑延遲時間3 min;離子源溫度220 ℃;傳輸線溫度250 ℃;全掃描監測,掃描范圍35～500 u;掃描速率50 u/s;監測電壓 1600 V。
1.5 實驗數據處理
利用儀器自帶的ChromaTOF軟件對數據進行初步處理。一維與二維色譜峰的峰寬分別設為20 s和0.4 s,根據NIST質譜數據庫得到化合物信息(化合物名稱、一維與二維色譜峰的保留時間、相似度、峰面積與相對峰面積等信息)。扣除雜質、柱流失等干擾后選擇5類樣品的共有化合物,以化合物的相對峰面積建立數據矩陣,通過PCA與FDA兩種化學計量學方法對數據矩陣進行分析。本文數據分析借助IBM SPSS Statistics 19軟件完成。
2 結果與討論
2.1 色譜條件的優化
茶葉的品質主要是由其內在的化學成分和沖泡過程中所表現出來的感官性狀決定的,其中呈香的揮發性芳香成分是決定茶葉品質的重要因素之一。茶葉所具有的香氣是其所含眾多芳香類物質綜合表現的結果,與茶葉的種植、采摘、加工及儲存等條件密不可分[13]。傳統的一維氣相色譜分離能力有限,得到的譜峰信息較難充分表征不同茶葉的特色。二維氣相色譜由兩根不同極性的色譜柱組成二維正交柱系統,大大提高了峰容量,使復雜化合物的分離分析成為可能。本文色譜分離系統的第一維選用弱極性色譜柱,固定相為5%苯基-95%甲基聚硅氧烷聚合物。第二維選用中等極性色譜柱,固定相為50%苯基-50%甲基聚硅氧烷聚合物,柱長與膜厚均比第一維色譜柱小很多。適當優化柱溫升溫程序和調制 器的調制周期,使樣品先根據沸點的差異在第一維 色譜柱上得到分離,分離后的化合物采用調制器以脈沖的方式進入第二維中等極性色譜柱中,根據極性進一步分離。短周期的脈沖模式確保了第一維柱的高分辨率與第二維柱的窄峰寬,在提高分離速度的同時避免兩次脈沖信號的交叉或重疊。
2.2 數據篩選
