通过实时质谱法直接分析，研究了不同温度下茶叶释放的挥发性有机化合物

《Food Chemistry》：Survey of volatile organic compounds released at different temperatures from tea by direct analysis in real time mass spectrometry

茶叶烘焙过程中挥发性有机物（VOCs）的实时监测与机理分析。采用可控加热装置与DART-MS联用系统，揭示了六种茶类在烘烤时VOCs释放的四个连续阶段（初始蒸发至美拉德反应主导），并通过质谱指纹识别和多元统计分析实现茶类差异与热处理阶段的区分，无需预处理即可直接动态追踪温度依赖性美拉德衍生物形成。

　　

耿欣|邱志辰|张春宇|李红丽|陈大勇

中国江苏省南京师范大学化学与材料科学学院生物医学功能材料协同创新中心，生物医学材料江苏省重点实验室，南京 210023

摘要

热处理显著影响茶叶的质量和挥发性有机化合物（VOC）的成分分布。本研究建立了一种在线系统，将受控加热装置与实时质谱直接分析技术（DART-MS）相结合，用于监测六种主要茶叶类型在烘焙过程中产生的VOC。优化后的方法揭示了挥发性物质释放的四个连续阶段，从初始蒸发到马氏反应的全面发生。该系统能够根据独特的VOC成分谱区分不同的茶叶品种，并识别每种茶叶的特征标志物。此外，它还能动态追踪关键的化学变化过程，特别是马氏反应产生的风味化合物及其相关副产物的形成过程，这些过程受温度影响。多变量统计分析进一步证实了不同茶叶类型和热处理阶段的明显差异。这种方法无需预处理即可直接实时监测茶叶烘焙动态，具有高可靠性，为理解茶叶化学成分和优化热处理提供了有力工具。

引言

茶叶是全球消费最广泛的饮料之一，因其清爽的风味、多样的品种和潜在的健康益处而受到重视（Bag等人，2022年；Hsu和Ding，2022年）。热处理是影响茶叶品质的关键因素，这一过程通常在90–200°C的温度下进行数分钟或更长时间（Mizukami等人，2008年；Qi等人，2021年；Zhan等人，2023年），通过控制化学反应来稳定产品质量并发展所需的感官特性（J. Q. Wang等人，2022年）。具体来说，随着烘焙强度的增加，马氏反应和斯特雷克反应产生的化合物（如吡嗪和呋喃）会增加，而新鲜的草本挥发性物质会减少（Yang等人，2023年；Yin等人，2023年）。因此，研究热处理过程中挥发性有机化合物（VOC）的变化对于提升茶叶风味、确保安全性、丰富产品种类以及优化生产工艺至关重要。

目前，检测不同烘焙和加热温度下茶叶中的化学物质（包括VOC）需要离线样品制备。常见的提取技术包括蒸汽蒸馏（SD）（?zel等人，2005年）、溶剂萃取（SE）（M. J. Chen等人，2022年）和固相微萃取（SPME）（Cai等人，2006年）。在蒸汽蒸馏中，茶叶样品中的挥发性成分在加热下随蒸汽蒸发，然后通过冷凝分离（Lee等人，2007年）。溶剂萃取依靠不同的有机溶剂从茶叶样品中提取化合物（Jeon等人，2017年）。顶空SPME是一种广泛用于富集从茶叶样品中蒸发的气体和挥发性分析物的技术。提取的挥发性物质通常通过气相色谱（GC）或GC-质谱（GC–MS）进行分析，其中SPME纤维可以直接连接到GC上进行即时热脱附（Pripdeevech等人，2018年；J. Wang等人，2022年）。尽管这些方法为不同茶叶样品提供了有价值的成分数据，但它们通常涉及复杂的样品采集和制备程序、不同的温度要求以及耗时的分析过程。

随着现代分析技术的发展，简单高效的分析方法受到了越来越多的关注。几种基于在线质谱的技术能够直接分析茶叶样品释放的气体和挥发性成分，无需繁琐的样品制备。已经展示了使用大气压化学电离质谱（APCI-MS）（H. Chen等人，2007年）、光电离质谱（PI-MS）和质子转移反应质谱（PTR-MS）的方法（Yener等人，2016年）。这些方法通常需要将茶叶蒸汽通过加热的顶空注射或等离子辅助脱附引入质谱系统（C. S. Yang等人，2024年；Zhang等人，2017年）。例如，Pan等人使用同步辐射辅助质谱研究了绿茶烘焙过程中释放的中间化合物（Qi等人，2021年）。这些方法可以减少一些繁琐的样品制备步骤，但存在一些局限性，如对非极性化合物的检测效率较低、碎片化路径复杂以及依赖高成本仪器。目前，大多数研究集中在比较不同茶叶品种的香气成分或特定加工阶段的VOC分析上。然而，实时追踪烘焙、干燥或加热等热处理过程中的动态挥发性变化仍大多未被探索。

实时质谱直接分析技术（DART-MS）是一种环境电离技术，能够在常压下快速分析气体、液体和固体样品，无需复杂的样品制备（Wang，2024年）。DART离子源产生亚稳态激发态原子（通常是氦或氮），通过Penning电离作用使分析物离子化，这一过程中能量从激发态气体传递给样品分子，引发热脱附和离子化（Cody等人，2005年）。DART电离速度快（瞬间完成），适用于极性和非极性化合物，且样品预处理要求低（Gross，2014年）。完整的茶叶可以直接放置在DART离子源前进行热脱附和离子化，从而快速获取挥发性及半挥发性成分的信息（Prchalova等人，2017年；Wang，2024年）。然而，传统DART源的开放式结构不利于系统地监测茶叶挥发性物质，因为不受控制的样品引入会导致信号波动和重复性差。为了解决这个问题，已经开发了改进的接口或蒸汽传输系统，用于其他应用，如香烟烟雾（Geng等人，2021年）、呼出气体（Geng等人，2023年）和水果香气分析（Li，2012年），但这些系统不适用于在不同温度下加热的茶叶样品。迄今为止，尚未有研究报道在变化的热条件下使用集成采样接口直接监测茶叶挥发性物质的研究。

本研究的假设是，通过将DART离子源与在线加热和样品传输装置结合，可以开发出一种实时监测不同温度下茶叶释放的VOC的系统。该系统能够实现：（1）在各种条件下的受控加热；（2）高效地将VOC传输到DART离子源进行即时离子化；（3）无需样品预处理即可进行高分辨率的质谱分析。

部分内容摘录

化学成分

本研究调查了六种不同发酵程度的茶叶，包括绿茶、白茶、黄茶、乌龙茶、红茶和黑茶，其制造商信息见补充材料（SM）中的表S1。茶叶样品在-20°C下储存，然后在室温下放置至少24小时后再进行分析。高纯度氮气（N₂，99.999%）和高纯度氦气（He，99.999%）由南京特种气体厂提供。

系统配置和参数优化

如图1A所示，茶叶样品在石英试管中加热到一定温度，产生的VOC通过加热的传输管线传输。加热的传输管防止VOC在传输过程中冷凝，并避免样品间的交叉污染。随后，挥发性物质被DART离子源离子化，并在负压下通过Vapur?接口引入质谱仪。影响信号强度的关键实验参数包括N₂载气等。

结论

本研究成功开发并应用了一种在线DART-MS系统，用于实时监测茶叶热处理过程中的VOC变化。集成的加热和蒸汽传输接口实现了无需样品预处理的直接、高时间分辨率分析。该方法阐明了挥发性物质释放的四个特征阶段，并揭示了六种主要茶叶类型的独特香气特征。一个关键成就是对马氏反应的实时追踪。

CRediT作者贡献声明

耿欣：撰写——初稿撰写、验证、方法学设计、数据分析。 邱志辰：验证、方法学设计、实验研究、数据分析。 张春宇：验证、方法学设计。 李红丽：撰写——审稿与编辑、项目监督、方法学设计、资金申请、概念构思。 陈大勇：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金申请。

未引用参考文献

Wang等人，2022年

Wang等人，2022年

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22374079、22350710184）和加拿大自然科学与工程研究委员会的支持。