发酵饮品界 “顶流” 康普茶：用高端色谱质谱技术GCxGC-TOFMS解锁隐藏成分

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研究总览

研究背景

研究目的

研究路线&研究结果

收集 12 个来源的样品，包括 2 个 SCOBY、1 个发酵起始茶和 8 种康普茶（涵盖商业品牌与本地自制产品），采用固相微萃取SPME 技术对样品顶空中的VOCs进行萃取和富集。

采用全二维气相色谱-飞行时间质谱仪（GCxGC-TOFMS）,分别使用 GC-TOFMS 和 GC×GC-TOFMS 对样品进行检测，通过 ChromaTOF® 完成峰识别，化合物的初步鉴定通过将其质谱图与NIST质谱库进行匹配完成。为确保定性结果的准确性，所有鉴定结果均结合计算出的线性保留指数 (RI) 进行了手动验证。

此外，使用ChromaTOF SYNC2D（LECO公司）软件执行解卷积与峰对齐处理，生成包含所有样本分析物保留时间对齐数据的一张完整峰表。

ChromaTOF Sync2D生成的特征列表通过多种ChromaTOF Tile分析进行了补充。若某特征在ChromaTOF Tile中被识别但在ChromaTOF Sync2D中未被识别，则通过指定ChromaTOF Tile中确定的保留时间和特征离子，将其添加至ChromaTOF Sync2D的峰表中。ChromaTOF Sync2D的每次对齐操作，均采用对数标度和均值中心化生成主成分分析（PCA）得分及载荷图，并计算各特征的p值。

GC-TOFMS 检测到 15 类化合物中的 127 种分析物，而 GC×GC-TOFMS 检测到 17 类化合物中的 182 种，且能有效分离 GC-TOFMS 中无法分离开的共流出峰，化合物鉴定率更高。

GC×GC在大多数化合物类别（如酯类、单萜、醇类和酮类）中均检测到了更多的分析物。尤为重要的是，GC×GC-TOFMS额外检测到了芳香醚、环二烯和呋喃这三类在一维分析中未能发现的化合物，这进一步扩展了我们对康普茶香气组成的认知。

从上图可以看出，在一维色谱图中共流出严重的区域（如1230-1320秒和1760-1850秒），在二维色谱图中得到了有效的分离，各个化合物以独立的色谱峰形式呈现。例如，2 - 甲基苯乙酮和二甲基苯乙醇与辛酸的一维保留时间均为 1270 秒，一维色谱图中仅检测到辛酸；己酸-2-甲基丙酯和苯甲酸乙酯等重要风味化合物在一维分析中因共流出而未能被检出，但在二维分析中则清晰可见。这表明GCxGC在分离一维色谱中未被发现的复杂共流出峰方面具有显著优势。

通过GCxGC-TOFMS分析，共鉴定出182种化合物。这些化合物的类别分布广泛，主要包括：

• 酯类 (17.6%)：数量最多，通常与花香和果香有关，是康普茶果味特征的主要来源。

• 单萜 (12.1%) 和单萜醇 (11.0%)：主要源自茶叶和添加的植物性原料，贡献了花香和柑橘类香气。

• 醇类 (10.4%) 和羧酸类 (8.2%)：是发酵过程的典型产物。

研究发现，有6种分析物存在于所有13个样品组中，构成了康普茶基础的香气特征：芳樟醇氧化物、3-羟基-2,2,4-三甲基戊酸-2-甲基丙酯、乙酸丁酯、乙苯、己酸和对二甲苯。这些化合物共同代表了康普茶香气的双重来源：例如，芳樟醇氧化物是常见的茶叶衍生物，而己酸则是典型的发酵副产物，它们的存在证实了康普茶风味由茶叶基质与微生物代谢共同塑造。

为了深入了解不同康普茶样品之间的化学差异性和相似性，采用多元统计分析技术，如PCA（主成分分析）、PCoA（主坐标分析）和HCA（层次聚类分析）等，清晰揭示市场产品与自制康普茶的区别。

从上面两张图中我们可以清晰地观察到不同康普茶样品的分组情况以及化合物类型与分布情况。该图揭示了一个关键结论：本地或家庭自制的康普茶产品倾向于含有简单的醇类和酸类，而像Synergy这样的商业品牌则含有更丰富的萜烯和芳香族化合物。这种差异很可能源于商业产品在生产过程中添加了果汁或其他天然香料，以增强其风味复杂度。

为了进一步验证这一发现，引入了PCoA分析。如下图所示，PCoA分析使用了非欧几里得矩阵的Bray-Curtis相异性指数，更适合生物样本数据，其结果与PCA高度一致，验证了聚类模式的稳健性。

分析复杂数据的另一种常用工具是层次聚类分析（HCA分析），它是一种无监督技术，根据样本点的相似程度进行分组，且无需降维处理。

从上图中可以看出，Ninja（NKT）和Synergy（SKT、SKT）品牌的样品间表现出紧密的聚类关系，表明它们的挥发物谱图非常相似。与此同时，某些特定风味的样品，如Sage Mermaid蓝莓石榴味康普茶，则表现出更独特的挥发物特征，在聚类分析中独立成簇。

为了区分由茶基质产生的挥发性有机物和由微生物基质产生的挥发性有机物，应用ChromaTOF Tile组学软件（LECO公司）进行了Fisher比率和差异倍数Fold change检验。差异倍数检测的目的是确定两个样本或样本组之间的显著相对变化，本质上是通过关键挥发性物质来区分不同样本组。

首先，我们比较了SCOBY 1与其发酵产物家庭自制康普茶（如上图所示）。结果显示：

在SCOBY 1中更丰富 (潜在微生物标志物):

•  2-甲基丁酸

•  3-甲基丁酸

•  2-甲基丙酸乙酯

以上这些短链脂肪酸及其酯类是酵母和细菌代谢的典型产物

在成品茶中更丰富 (潜在茶叶/风味标志物):

• 乙酸丁酯, 己酸, 2-苯乙醇

• α-萜品醇, 芳樟醇

以上这些酯类和萜烯类化合物更可能源于茶叶基质或后期添加的风味物质。

接着，比较了Blue Ridge Bucha品牌的发酵前茶（作为SCOBY的代表）与该品牌的成品茶

结果如下：

在发酵前茶中更丰富:

• 2,4-二叔丁基苯酚

• 1-甲基-4-丙-1-烯-2-基环己-2-烯-1-醇

• 对二甲苯

以上这些化合物在微生物挥发物数据库（mVOC）中均被记录为酵母的代谢产物。

在成品茶中更丰富:

• 2-苯乙醇

• 3-甲基丁-1-醇

• γ-萜品烯

以上这些成分同样可能来自茶叶、发酵过程或额外添加的风味剂。

这项研究不仅展示了前沿分析技术在食品科学领域的应用潜力，还为理解日益流行的康普茶产品提供了坚实的科学数据。这些发现有助于提升消费者对产品内容的认知，并可能在未来为康普茶生产的标准化和监管提供重要的参考依据。

延伸讨论

本研究采用 GC×GC-TOFMS 与多种统计方法（PCA、PCoA、HCA）结合分析 VOCs 数据，若仅选用其中一种统计方法，可能存在哪些局限性？

本研究中 GC×GC-TOFMS 采用 Rxi-5MS（一维柱）+ Rxi-17Sil MS（二维柱）的色谱柱组合，若需针对康普茶中低丰度、高沸点的萜烯类衍生物优化分离效果，可如何调整色谱柱组合或操作参数？调整的核心逻辑是什么？