基于主成分和聚类分析的邵阳绿茶质量研究

引用格式

李瑾,何郁菲,罗亦凡,等.基于主成分和聚类分析的邵阳绿茶质量研究[J].农产品加工,2025,(02):76-81+85.

基金项目

湖南省自然科学基金项目“邵阳茶树种质资源遗传多样性研究及优异种质发掘”（311154864041）； 湖南省创新平台与人才计划项目“高香型宝庆桂丁茶的研制及示范推广”（307039563016）。

摘   要

为了科学评价邵阳绿茶的品质特性，研究收集了20份来自不同生产厂家的不同等级邵阳绿茶样品。对水提取物、茶多酚、游离氨基酸、咖啡碱生物成分及儿茶素成分的含量进行化学计量学检测与分析。结果表明，20份邵阳绿茶品质成分的平均含量为水浸出物41.48%，茶多酚27.58%，游离氨基酸4.27%，酚氨比6.68，可溶性糖5.02%，咖啡碱4.23%，体现邵阳绿茶“嫩、鲜、浓、醇”特点。通过主成分分析和聚类分析，可初步构建邵阳绿茶的质量评价模型，通过分析绿茶的生化成分来评价邵阳绿茶的质量是可行的。

关 键 词

邵阳绿茶；品质评价；生化成分；主成分分析；聚类分析

正   文

邵阳位于湘中腹地、雪峰山以南资江上游地区^[1]。这里处在大湘西地区中绿茶产业带、湘南红茶产业带、湘中黑茶产业带的“三带”的交界处。独特的气候和地理条件造就邵阳茶“花香甘甜”的优良品质。邵阳茶叶生产历史悠久。根据《湖南通志》和《宝庆府志》的记载，宝庆桂丁绿茶具有清香浓味、一夜不变质、外形酷似桂等独特的品质和造型^[2-3]，近年来在政府的支持下，邵阳茶产业规模质量和效益不断提升，为保护邵阳绿茶的质量和特色，有必要对邵阳绿茶的品质特征进行研究。

对不同厂家、不同级别的近20份邵阳绿茶产品，通过紫外线分光光度计和高效液相色谱法，同时结合关联分析方法、主成分分析与聚类分析方法系统分析邵阳绿茶品质特点，并通过构建的数学评价模型对其质量特性作出综合评判，以期为邵阳绿茶质量特性研究和改进提供科学理论依据，并以此推动邵阳绿茶行业的健康稳步发展。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 原料与试剂

收集了邵阳茶区11家企业生产的20个绿茶产品，保存于邵阳市农科院。

邵阳绿茶产品取样信息见表1。

茚三酮、蒽酮、乙酰丙胺、福林酚、溴化亚锡、浓硫酸、乙酸乙酯、草酸、碳酸氢钠、甲醇、正丁醇等，均为分析纯，中国国药集团公司生化药物试剂公司提供：乙腈、N,N -二甲基甲酰胺、甲酸、冰醋酸、甲酸等，均为色谱级，中国麦克林生物技术公司提供。

1.1.2 仪器设备

LDP-350 型微型植物粉碎机，浙江永康红太阳机电有限公司产品；DK-S-24 型恒温水浴锅，上海精宏有限公司产品；AE240 型精确电子天平，瑞士 Mettler 公司产品；UV-1750 型紫外可见分光光度计，日本岛津有限公司产品；Aglient1260LC型高效液相色谱仪，美国安捷伦有限公司产品；U410-86型立式超低温冰箱，德国Eppendorf公司产品。

1.2 试验方法

茶多酚含量按照《GB/T 8313—2018》测定^[4]，游离氨基酸总量按照《GB/T 8314—2013》测定^[5]，水浸出物含量按照《GB/T 8305—2013》测定^[6]，可溶性糖含量采用蒽酮硫酸比色法^[7]，咖啡碱、儿茶素采用高效液相色谱法，参考文献^[8]进行。

1.3 数据处理

采用Microsoft office excel和IBM SPSS20.0软件对数据进行处理分析，Origin pro 2019软件绘图。

2 结果与分析

2.1 邵阳绿茶的成分分析

邵阳绿茶样本的主要生化成分含量见表2，邵阳绿茶样本儿茶素组分含量见表3。

由表2可知，20个样品的游离氨基酸含量为3.25%~6.36%，平均为4.27%；茶多酚含量为22.45%~ 35.16%，平均为27.58%；酚氨比为3.53%~9.40%，平均6.68%；水浸出物含量为38.29%~44.63%，平均41.48%；可溶性糖含量为4.20%~5.53%，平均5.02%；咖啡因含量为3.51%~5.02%，平均4.23%。常硕奇等人^[10]提出，最适合优质绿茶的茶叶种类具有如下特点：一是水中浸出物含量小于40%；二是氨基酸含量接近或高于4.0%；三是茶多酚含量小于25%，酚氨比为6~8。可见，邵阳绿茶的品质符合名优绿茶的标准。

由表3可知，20个样本的EGC含量为0.35%~ 1.83%，平均1.02%；DL-C含量为0.20%~0.41%，平均0.30%；EC含量为0.38%~0.93%，平均0.59%；EGCG含量为5.00%~8.85%，平均6.66%；GCG含量为1.86%~3.07%，平均2.40%；ECG含量为1.21%~ 2.13%，平均1.69%；儿茶素总量为9.10%~15.70%，平均12.66%；儿茶素品质指数为538~2 214，平均943。茶叶质量不仅与儿茶素比例相关，而且与儿茶素成分的比例相关，若搭配适当，茶汤风味更醇和。儿茶素质量指数是表示绿茶品质的经验数据。通常认为儿茶素质量指标越高，鲜叶的嫩性和质量越好，绿茶的品质也越高^[11]。

茶的甜爽特性，其鲜味与氨基酸浓度呈正相关。咖啡因的高浓度并没有为茶汤增加苦涩，相反却具有生津止渴的功效^[12]，即邵阳绿茶氨基酸含量高，咖啡因含量高，形成“清爽”的特点。邵阳绿茶的高水提物、低茶多酚（涩味）、高水溶性糖（甜味）、高咖啡因（苦味）降低了茶叶的苦味，从而形成其在整体口感上的“浓醇”，邵阳绿茶呈现“清新、爽口、甘甜、收敛性强”的特点。

2.2 邵阳绿茶品质成分的相关性分析

茶叶的形、色、香气、滋味的产生和茶中生物元素的浓度、含量有关，而茶质的产生是各种生物元素复杂作用的产物^[11]。

邵阳绿茶样品化学成分指标相关性分析见表4。

由表4可知，20个邵阳绿茶样本各生化成分间具有明显的相关性。其中，茶多酚与水浸出物、EGCG极显著正相关（p<0.01）；水浸出物与EGCG极明显正相关（p<0.01），与EGC，GCG显著正相关（p<0.05）；EGCG与GCG呈现极明显的正相关（p< 0.01）；氨基酸与茶多酚、EGC，EGCG呈显著负相关（p<0.05）；可溶性糖水平与DL-C、ECG呈显著正相关（p<0.05）；DL-C和EC呈显著正相关（p< 0.05）。结果表明，如直接使用生化成分的指标值反映邵阳绿茶的感官品质，则信息会产生重叠，所以采用主成分分析方法对生化成分进行进一步解析。

2.3 主成分分析

采用SPSS 22.0对20个绿茶样品的茶多酚、水浸出物、游离氨基酸、可溶性多糖、咖啡碱、EGC，EGCG等11种生物元素进行了主要成分研究。

主成分的特征值及贡献率见表5，主成分旋转后的因子载荷见表6。

由表5可知，第1主成分的贡献率为34.711%，第2主成分的贡献率为24.871%，第3主成分的贡献率为12.234%，第4主成分的贡献率为9.163%，因此4个主要组分的累计贡献率为80.978%，超过80%，可解释邵阳绿茶内在品质的最主要信息。因此，可选取前4个主要成分对邵阳绿茶的内在品质加以分析。

因为各个主成分都是原始变量的线性组合，所以生产过程中的各种变化对主要组分的影响也可用载荷来描述，载荷的绝对值越大，作用也越大^[13]。在主分量的负载矩阵旋转时，负载系数更靠近于1或0，从而能够更好地理解和命名变量。为此，通过 SPSS 软件继续对前4个主成分进行旋转，采用了主成分分析的提取技术和符合Kaiser规范的正交旋转法，旋转5次迭代后收敛。

2.4 邵阳绿茶品质模型的构建

根据表6中的负荷数据，茶多酚、水提取物、EGCG，EGC和ECG对第1主成分的贡献较大，其中茶多酚、水提取物、可溶性糖、EGCG和EGC为正载荷，ECG为负载荷。水提取物反映了茶叶中水溶性物质的量，影响了茶汤的厚度和口感的强度^[14]。茶多酚决定了茶汤的浓度和苦味^[15-16]，对绿茶的口感和品质有复杂的影响，是茶叶品质的主要指标之一^[17-18]。第1主成分回归方程为：

F1=0.445 2×Z茶多酚+ 0.429 9×Z水浸出物- 0.291 7×Z氨基酸+ 0.040 9×Z可溶性糖+ 0.035 8×Z咖啡碱+0.419 7×ZEGCG + 0.358 2×ZEGC + 0.337 8×ZGCG +0.204 7×ZDLC + 0.133 1×ZECG + 0.225 2×ZEC.

GCG、游离氨基酸和可溶性糖对第2主成分的贡献更大，都是正载荷。氨基酸是绿茶汤味的主要影响因素^[19]，可溶性糖是甜味的影响因素，儿茶素是收敛苦味的影响因素。这些都是邵阳绿茶 “鲜甜收敛性强”的物质基础。第2主成分回归方程为：

F2=0.078 6×Z茶多酚+ 0.072 5×Z水浸出物+ 0.272 1×Z氨基酸+ 0.550 2×Z可溶性糖+ 0.374 8×Z咖啡碱-0.229 7×ZEGCG - 0.078 6×ZEGC- 0.247 9×ZGCG +0.386 9×ZDLC + 0.386 9×ZECG + 0.235 8×ZEC.

DL-C，ECG和咖啡碱对第3主成分的贡献更大，都是正载荷。咖啡碱是茶汤中的主要苦味物质，且阈值低（137 mg/kg，25 ℃）^[14]。茶叶中含量一般为 2%~4%，是茶叶苦味的主要来源。同时，咖啡因可与氨基酸、酚类等物质结合，具有清新爽口的感觉，因此常被视为影响茶叶品质的重要因素^[20-22]。第 3主成分回归方程为：

F3=0.155 1×Z茶多酚+ 0.318 9×Z水浸出物+ 0.301 7×Z氨基酸+ 0.120 7×Z可溶性糖+ 0.482 7×Z咖啡碱+0.258 6×ZEGCG - 0.267 2×ZEGC + 0.120 7×ZGCG -0.413 7×ZDLC - 0.077 6×ZECG - 0.448 2×ZEC.

在第4主成分贡献较大的是EC和咖啡碱，具有较大正载荷。在茶汤滋味呈现。第4主成分回归方程为：

F4=-0.338 6×Z茶多酚+ 0.139 4×Z水浸出物+ 0.328 7×Z氨基酸- 0.019 9×Z可溶性糖+ 0.288 8×Z咖啡碱-0.099 6×ZEGCG + 0.488 1×ZEGC + 0.169 3×ZGCG +0.219 1×ZDLC - 0.587 7×ZECG + 0.099 6×ZEC.

根据不同主成分的特征值、贡献率与特征向量，计算主成分分数F：

F=0.347 1×F1+0.248 7×F2+0.122 3×F3+0.916 0×F4.

各成分的特征向量见表7。

邵阳绿茶主成分分析 PC1，PC3 得分图见图1，邵阳绿茶主成分分析 PC2，PC3 得分图见图2。

主成分分析的得分图可反映样本与质量指标的相关性^[23-27]，由图1—图2可知，根据每组上的得分，大致分为两类。一芽一叶的绿茶样品处于PC1和PC2区间和PC3的负区间（第一象限和第二象限），这些样品的水提取物（茶多酚、可溶性糖、游离氨基酸和儿茶素）含量高，咖啡因含量适中，茶汤浓郁鲜爽回甘富有收敛性。具有一个芽二叶的绿茶样品处于PC1和PC2区间和PC3的正区间（第三和第四象限）。与一芽一叶的绿茶样品相比，成熟度高的原料更苦涩。其中，20号具有明显的品质特征，表现出高茶多酚、高可溶性糖和高EGCG特征，与以往研究一致^[11，13]。

2.5 聚类分析

通过系统聚类分析法，对样本的11项生化成分含量指标进行R型聚类，以组间联接法、皮尔逊相关性为度量准则；对20个邵阳绿茶样品进行Q型聚类，分类平均法，欧式距离为测量标准。

邵阳绿茶R型聚类分析图见图3，邵阳绿茶Q型聚类分析图见图4。

由图3可知，当距离为15时，样本生化成分含量指标可被细分成三大类，第1类是茶多酚、水浸出物、EGCG，GCG，EGC；第2类为可溶性糖、咖啡碱、游离氨基酸；第3类为DL-C，EC，ECG。根据主成分载荷分析结果，第1类指标是主成分1的正载荷量，也就是说这些指标值越大，模型评价得分越高，绿茶品质越好。结合前人研究报告^[14]，确定茶多酚、水浸出物、游离氨基酸和EGCG作为综合评价邵阳绿茶品质的关键指标。

由图4可知，当欧式距离为20时，20个样品聚类为2个类群，第1类群为一芽一叶级别绿茶样本（编号：9，10，1，6，17，3，14，7，2，16，5），第2类群为一芽二叶级别绿茶样本（编号：18， 19，12，15，8，13，4，11，20）；当距离小于20时，可将20个邵阳绿茶样本分为3类，其中一芽一叶级别绿茶仍为一类，编号20的一芽二叶桂丁茶被单独分出，其余一芽二叶绿茶仍为一类。从生物成分含量特点上，桂丁绿茶表现为高水浸出物、高茶多酚、高EGCG的特征。由此可见，通过样本的生化成分含量的综合值可将邵阳名优绿茶与大宗绿茶进行成功区别。

3 结论

生化成分是影响绿茶品质的主要物质基础^[15]。对20份邵阳绿茶品质成分进行分析，采用主成分分析和聚类分析的方法构建了邵阳绿茶的质量评价模型。

研究发现，20份邵阳绿茶中的游离氨基酸、茶多酚、水浸出物、可溶性糖、咖啡碱、EGC，DL-C，EC，EGCG，GCG，ECG平均含量分别为4.27%，27.58%，41.48%，5.02%，4.23%，1.02%，0.30%，0.59%，6.66%，2.40%，1.69%。说明了邵阳绿茶品质具有很好的物质基础：高氨基酸和高咖啡碱含量形成了其“鲜爽”的特征；高水浸出物、低茶多酚（涩味）、高可溶性糖（甜味）、高咖啡碱（苦味），在这些物质的综合作用下，大大减少了邵阳绿茶的苦涩，也因此形成了其“浓醇”的特点。在整体口感上，邵阳绿茶呈现出“鲜甜、收敛性强”的特征。

运用主成分分析方法，从11个绿茶生化品质指标中提取了4个主成分，累计贡献率为80.978%，构建立了邵阳的绿茶质量评价模型：

F=0.347 1×F1+0.248 7×F2+0.122 3×F3+0.916 0×F4.

通过聚类分析对邵阳绿茶生化成分指标进行筛选，确定茶多酚、水浸出物、游离氨基酸、EGCG为邵阳绿茶品质的关键指标，通过样本的生化成分含量的综合值可将邵阳的名优绿茶和大宗绿茶成功区分。

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