一种基于离子迁移谱的快速、无损的绿茶香气指纹分析及香型判别的方法与流程

本发明属于食品品质检测技术领域，具体涉及一种基于离子迁移谱的快速、无损的绿茶香气指纹分析及香型判别的方法。

背景技术

茶叶香气是衡量茶叶品质的一个重要因子。馥郁愉悦的香气对茶叶质量、等级和价格起着关键性的决定作用，也是消费者选择的重要依据。茶叶的宜人香气由成千上万种挥发性成分组成。这些成分千变万化的组合及其互作效应，是形成各种香型的物质基础。一些独特的香型是评价茶叶真伪、原料嫩度和加工工艺的重要因素。如正山小种红茶的烟松香、祁门红茶的蔷薇香、木香特征（“祁门香”）、炒青绿茶的栗香、清香、兰花香等。

传统的感官审评技术是评价茶叶品质的主流手段。在香气审评方面，评茶员通过自身的闻觉来审评茶叶香气的类型、浓度、纯度和持久度。然而感官审评的结果容易受评茶员的专业素质和感官差异的影响，难以消除人为的主观成分，且受外界客观因素的影响，因此难以完全客观、准确地评定茶叶的香气品质和香型，且难以在短时间内完成大量茶样的审评。随着现代仪器分析技术的迅速发展，气相色谱（gaschromatography，gc）及其联用技术己成为茶叶香气物质检测的重要手段。然而，这些手段通常需要复杂的香气提取预处理，如固相微萃取（spme）、蒸馏萃取等，不仅耗时长，且对样品具有一定的破坏性。上述技术的局限性难以满足茶叶香气香型的快速判别、茶叶加工或储存中香气的在线监测等一系列重要需求。

离子迁移谱（ionmobilityspectrometry，ims）是20世纪70年代开始兴起的一种气相离子的快速分离检测技术。其原理是在大气压条件下，挥发性及半挥发性化合物离子化成气相离子后在外加电场中运动。不同种类的离子因质量、电荷数、碰撞截面、分子的空间结构等特性参数的差异而具有不同的电泳速度，致使它们到达离子检测器所需要的时间不同，达到分离检测的目的。离子迁移谱技术具有灵敏度高、分析速度快、成本低、易携带等优点，已被广泛应用于毒品、爆炸物的现场快速筛查。近年来国内外的研究将离子迁移谱的应用逐渐拓展至其他领域，包括环境污染物的在线监测、肉制品新鲜度的无损检测、食用油的掺假鉴别、咖啡烘焙的过程监控等。同样地，离子迁移谱分析时间短（单张谱图的扫描时间为毫秒级）且无需样品预处理的优点，同样能够满足茶叶香气快速、无损检测的需求。然而，目前尚未有离子迁移谱技术用于茶叶香气分析的研究报道。电离手段是离子迁移谱技术的重要组成部分。现有的ims研究中使用的电离技术包括放射性或非放射性的多个技术，如⁶³ni放射性电离、光电离技术、基质辅助激光解吸电离等。各个电离技术因其分析性能的不同，适用于不同化合物的电离。因此，可通过优化选择合适的电离条件，构建适合于茶叶香气分析的ims分析平台，从而实现对茶叶香气的快速指纹分析；通过建立不同茶叶香型的指纹图谱库并结合化学信息学工具，实现对香型的快速区分判别。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种基于离子迁移谱的快速、无损的绿茶香气指纹分析及香型判别的方法的技术方案。本发明采用丙酮辅助的正离子模式光电离技术，建立配备该电离源的离子迁移谱分析平台，无需复杂的样品预处理，只需放入待检测的干茶茶样，通过顶空吹扫进样，即可用于茶叶香气挥发物的指纹分析；进一步通过特征谱图库的建立，采用谱图匹配或多变量分析的化学计量学策略，即可用于不同香型的区分判别。目前经发明者验证，可用于绿茶不同香型（清香、甜香、栗香）、甚至是差异微小的不同栗香亚型（嫩栗香、栗香、熟栗香）的区分判别。

所述的一种基于离子迁移谱的快速、无损的绿茶香气指纹分析及香型判别的方法，其特征包括以下步骤：

1）丙酮辅助的正离子模式光电离离子迁移谱检测方法的建立；

2）茶叶香气指纹图谱的采集；

3）茶叶特征香型的指纹图谱库的建立；

4）不同香型的区分鉴别。

所述的一种基于离子迁移谱的快速、无损的绿茶香气指纹分析及香型判别的方法，其特征在于所述的步骤1）具体包括以下步骤：

a）电离源：选择丙酮辅助的正离子模式光电离技术作为适合茶叶香气分析的电离源；

b）气体：以纯净空气，作为载气、漂气和搀杂气，其流速分别为250mlmin^-1、400mlmin^-1、15mlmin^-1；

c）ims检测：迁移管温度为100^oc，电场强度为365vcm^-1，放入茶样，开始吹扫进样后即可触发连续采集，采集频率为1hz。

所述的一种基于离子迁移谱的快速、无损的绿茶香气指纹分析及香型判别的方法，其特征在于所述的步骤2）具体包括以下步骤：

将0.3克待测干茶直接放入70℃预热的密闭玻璃样品瓶中，其香气挥发物随着载气吹扫进入仪器检测，取采集时间为1.0分钟时的ims谱图作为其指纹图谱。

所述的一种基于离子迁移谱的快速、无损的绿茶香气指纹分析及香型判别的方法，其特征在于所述的步骤3）具体包括以下步骤：

取经专家感官审评且具有特征香型的典型茶样，按照步骤1）和步骤2）所述的条件采集ims指纹图谱；确定该香型的特征指纹，包括共有峰的峰数目、峰位和相对强度，建立指纹图谱库。

所述的一种基于离子迁移谱的快速、无损的绿茶香气指纹分析及香型判别的方法，其特征在于所述的步骤4）具体包括以下步骤：

待测茶样按照步骤1）和步骤2）所述条件采集ims指纹图谱，每个茶样分别取样三次进行检测，得到三个技术重复，经数据预处理后，采用聚类分析或判别分析的多变量分析手段进行香型的区分和鉴别；

1）数据预处理:a.合并所检测茶样的三个技术重复，计算其平均；b.扣除反应离子峰（rip）迁移时间范围内的数据矩阵；c.扣除基线；d.峰面积归一化；e.去除缺失值；f.数据标度化；

2）采用欧氏距离计算茶样香气指纹的相似程度，采用ward法进行聚类分析，从而鉴别茶样香气的香型归属；

3）偏最小二乘判别分析（pls-da）模型的建立和验证：用交叉验证法确定模型的最优主成分数，建立不同茶样香型的pls-da模型，并用置换检验验证模型有效性，用所建立的pls-da模型区分判别茶样香气的香型归属。

所述的一种基于离子迁移谱的快速、无损的绿茶香气指纹分析及香型判别的方法，其特征在于所述的选择丙酮辅助的正离子模式光电离技术作为适合茶叶香气分析的电离源具体条件为：采用真空紫外灯，光能为10.6ev，进行紫外辐射；同时采用色谱纯的丙酮为掺杂剂，电离能为9.7ev，随着搀杂气将其持续恒定地引入电离区。

所述的一种基于离子迁移谱的快速、无损的绿茶香气指纹分析及香型判别的方法，其特征在于所述的纯净空气经活性炭、硅胶和13x分子筛纯化处理。

与现有技术相比，

本发明的创新性如下：（1）首次将离子迁移谱分析技术引入茶叶香气的检测中；（2）首次建立了适用于茶叶香气分析的丙酮辅助的正离子模式光电离离子迁移谱检测方法。

本发明的优点如下：（1）无需复杂的样品预处理，仅需放入0.3g待测茶样，通过顶空吹扫进样，即可用于茶叶香气挥发物的指纹分析；（2）分析速度极快，单张谱图的扫描时间为毫秒级。每个茶样的分析时间为1分钟，即采集时间为1分钟时的ims谱图即为其指纹图谱；（3）通过聚类分析或判别分析的多变量分析手段，即可快速有效地区分不同的茶样香型，相比人工感官审评，大大排除了人为主观因素。总之，该方法简单、便捷、可靠。且离子迁移谱仪器体积小巧，对于茶样加工中的现场快速检测具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为采用四个不同电离技术采集所得的绿茶ims指纹图谱。四个电离条件（图中自上而下）分别为⁶³ni电离源（正离子模式）、⁶³ni电离源（负离子模式）、光电离源（正离子模式）、光电离源+丙酮掺杂辅助（正离子模式）。

图2为丙酮辅助的正离子模式光电离离子迁移谱用于茶样香气指纹快速分析的装置结构及检测原理。

图3为基于ims的绿茶不同香型的指纹图谱。（a）清香；（b）甜香；（c）栗香；（d）嫩栗香；（e）熟栗香。rip，反应离子峰（reactantionpeak）。

图4为基于ims指纹图谱的三种不同栗香特征的多变量分析。（a）主成分分析（pca）得分图（pc1=40.9%,pc2=21.8%）。（b）pls-da用于三种栗香特征的判别分类。图b为pls-da的3d得分图（pc1=33%，pc2=26.2%，pc3=12.8%）。（c）pls-da模型十重交叉验证。（d）pls-da模型的置换检验结果（1000次置换检验）。图中红点、绿点和蓝点，分别代表嫩栗香、栗香和熟栗香香型的绿茶茶样。

具体实施方式

以下结合实例及附图来对本发明做进一步的解释说明。本实例仅用于具体说明该方法，而并非对本发明的范围进行限制，任何依照本发明的教导所做出的改动或改进，均属于本发明的保护范围。现以适合茶叶香气离子迁移谱检测的电离源选择、绿茶不同的香气特征（清香、甜香、栗香）和不同的栗香特征（栗香、嫩栗香、熟栗香）的指纹分析和判别为例，加以具体说明。

实施例1：适合茶叶香气离子迁移谱检测的电离源选择

优化选择合适的电离条件是建立茶叶香气离子迁移谱检测方法的重要前提。因此在本发明方法的建立中我们首先比较了不同电离源，以选择适用于茶叶香气快速检测的电离条件。

具体操作步骤：

（1）将离子迁移谱仪器分别配备四种不同的电离源条件。四种电离方式的具体条件及离子迁移谱检测条件见表1。

a）四种电离条件：a.⁶³ni电离源（正离子模式）；b.⁶³ni电离源（负离子模式）；c.光电离源（正离子模式）；d.光电离源+丙酮掺杂辅助（正离子模式）。

b）气体：以纯净空气（经活性炭、硅胶和13x分子筛纯化处），作为载气、漂气或搀杂气（若有掺杂气），其流速分别为250mlmin^-1、400mlmin^-1、15mlmin^-1。

c）ims检测：迁移管温度为100^oc，配备光电离源时电场强度为365vcm^-1，配备⁶³ni电离源时电场强度为445vcm^-1。放入茶样，开始吹扫进样后即可触发连续采集，采集频率为1hz。

表1茶叶香气的离子迁移谱检测的电离条件的选择：四种电离条件的比较及其具体参数

（2）茶叶香气指纹图谱的采集：将0.3克混合绿茶干茶直接放入70℃预热的密闭玻璃样品瓶中，其香气挥发物随着载气吹扫进入仪器检测，取采集时间为1.0分钟时的ims谱图作为其指纹图谱。收集四种不同电离条件下所得的指纹图谱。

（3）比较不同电离条件下的茶叶指纹图谱，结果见图1。比较可见，当采用丙酮掺杂辅助的光电离模式时，可在茶叶香气的ims指纹图谱上检测到更为丰富的谱峰。故选择丙酮掺杂辅助的光电离模式为茶叶香气检测的电离源。

实施例2：不同绿茶香气特征（清香、甜香、栗香）指纹图谱库的建立

具体操作步骤：

（1）广泛收集绿茶，经专家感官审评后，筛选出具有典型清香、甜香、栗香特征的绿茶茶样各不少于10个。

（2）丙酮辅助的正离子模式光电离离子迁移谱检测方法的建立：该仪器是实验室自行搭建，其装置结构和茶样香气检测原理如图2所示，所用条件参数见表2。

a）电离源：选择丙酮辅助的正离子模式光电离技术作为适合茶叶香气分析的电离源，具体条件如下：采用真空紫外灯，光能为10.6ev，进行紫外辐射；同时采用色谱纯的丙酮为掺杂剂，电离能为9.7ev，随着搀杂气将其持续恒定地引入电离区；

b）气体：以纯净空气（经活性炭、硅胶和13x分子筛纯化处），作为载气、漂气和搀杂气，其流速分别为250mlmin^-1、400mlmin^-1、15mlmin^-1；

c）ims检测：迁移管温度为100^oc，电场强度为365vcm^-1，放入茶样，开始吹扫进样后即可触发连续采集，采集频率为1hz。

表2丙酮辅助的正离子模式光电离离子迁移谱用于茶样香气指纹快速分析的仪器参数

（3）茶叶香气指纹图谱的采集：将0.3克待测干茶直接放入70℃预热的密闭玻璃样品瓶中，其香气挥发物随着载气吹扫进入仪器检测，取采集时间为1.0分钟时的ims谱图作为其指纹图谱。

（4）茶叶特征香型的指纹图谱库的建立：比较各样本的指纹谱图，确定各香型的特征指纹，包括共有峰的峰数目、峰位（即迁移时间）和相对强度。清香、甜香、栗香（包括三种亚型：栗香、嫩栗香、熟栗香）的特征指纹如图3所示。可见三类香型的ims指纹呈现显著的差异。相比甜香型和栗香型，清香型（图3a）的指纹图谱“干净”，检测到的峰较少。甜香型（图3b）的指纹图谱包含更为丰富的峰信息，主要离子的迁移时间集中于其中5ms～12ms。其中7.3ms处离子的丰度最高，显著高于该离子在清香、栗香的茶样中的相对丰度。其中，迁移时间8.9ms，9.9ms，10.4ms，11.8ms处的离子仅在甜香型绿茶中检测到，却并没有在清香型和栗香型的绿茶中检测到，故而可作为甜香型红茶的特征离子。三个不同栗香特征，即栗香型（图3c）、嫩栗香型（图3d）和熟栗香型（图3e）的指纹图谱中的峰数目略少于甜香型，但明显多于清香型，主要离子的迁移时间集中于5ms～10ms，其中迁移时间6.5ms处的离子丰度为最高，且显著高于清香型和甜香型。因此，基于上述显著差异的指纹图谱（图3），通过比对特征指纹图谱，即可判别未知绿茶茶样是否属于甜香、清香或栗香。然而对于感官审评上差异微小的不同栗香特征（栗香、嫩栗香、熟栗香），仅基于简单的比对特征指纹尚不能有效区分，需借助其他手段。

实施例3：基于pls-da的绿茶不同栗香特征（栗香、嫩栗香、熟栗香）的区分判别

（1）广泛收集绿茶，经专家感官审评后，共筛选出具有典型嫩栗香、栗香和熟栗香的绿茶茶样各9、8和6个。

（2）将上述茶样，按照实施例2的方法，用丙酮辅助的正离子模式光电离离子迁移谱检测方法采集其指纹图谱。每个茶样分别取3份进行检测，作为技术重复。

（3）数据预处理：a.合并所检测茶样的三个技术重复，计算其平均；b.去除rip出峰迁移时间范围内数据矩阵（6.64～7.08ms）；c.扣除基线（空白响应）；d.峰面积归一化；e.去除缺失值（缺失值以最小响应值的1/2替代）；f.pareto标度化。预处理后的数据用于pca和pls-da分析。

（4）主成分分析（pca）：预处理后的数据矩阵进行pca分析（图4a）。pca是一种无监督的多变量分析手段，可对香气指纹的相似性进行客观的总览。pca得分图（pc1=40.9%,pc2=21.8%）显示，三种不同栗香特征的指纹具有一定的分离趋势然，但仍有一定的重合。其中熟栗香与栗香、嫩栗香的差异相对较大。

（5）pls-da分析：预处理后的数据矩阵进行pls-da分析（图4b，c，d）。pls-da的三维得分图（图4b）显示三种不同栗香特征在pls-da模型下可得到明显的区分（pc1=33%，pc2=26.2%，pc3=12.8%）。由于pls-da是一种有监督的多变量分析手段，为避免过拟合，用十重交叉验证（10-foldcrossvalidation）和置换检验（permutationtest）确定最优pls-da模型参数并验证模型可靠性。十重交叉验证结果表明（图4c），在4个主成分下，pls-da模型性能最优（r²=0.89，q²=0.63），且香型归属的整体预测准确性达95.6%。1000次置换检验（图4d）结果表明模型可靠，不存在过拟合（p=0.006）。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。