基于主成分分析法研究茶葉加工工藝對(duì)茶飲料湯色穩(wěn)定性的影響

張瑞蓮，尹軍峰,*，袁海波，許勇泉，陳建新，葉國(guó)注，陳素芹

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，國(guó)家茶產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)部茶及飲料植物產(chǎn)品加工與質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310008；2.深圳市深寶華城食品有限公司，廣州 深圳 518000)

基于主成分分析法研究茶葉加工工藝對(duì)茶飲料湯色穩(wěn)定性的影響

張瑞蓮1，尹軍峰1,*，袁海波1，許勇泉1，陳建新1，葉國(guó)注2，陳素芹2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，國(guó)家茶產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心，農(nóng)業(yè)部茶及飲料植物產(chǎn)品加工與質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310008；2.深圳市深寶華城食品有限公司，廣州 深圳 518000)

采用主成分分析(principal components analysis，PCA)法以茶多酚含量、濁度、色澤為指標(biāo)對(duì)38個(gè)不同茶葉加工工藝制成茶飲料后湯色穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從17個(gè)影響茶飲料品質(zhì)穩(wěn)定性指標(biāo)中提取4個(gè)主成分構(gòu)建數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，并利用感官評(píng)定法對(duì)該方法在茶飲料湯色穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明，應(yīng)用主成分分析(PCA)法的結(jié)果與感官評(píng)定法結(jié)果一致，即茶葉加工工藝A-1、A-4、A-3、A-7、A-21和A-2制成的茶飲料湯色穩(wěn)定性較好，表明該方法在茶飲料的湯色穩(wěn)定性研究中具有可行性。

茶飲料；湯色；穩(wěn)定性；主成分分析

大量研究資料表明，“湯色褐變、渾濁沉淀、香氣低劣”是茶飲料在加工及儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中面臨的三大技術(shù)難題，迄今未有滿意的解決方法[1-3]。目前對(duì)于茶飲料加工技術(shù)和原料茶優(yōu)異性的評(píng)價(jià)主要在于產(chǎn)品的感官風(fēng)味以及品質(zhì)穩(wěn)定性，尤其以后者最為重要。澄清度、色變程度是判別茶飲料品質(zhì)穩(wěn)定性優(yōu)劣的重要指標(biāo)，體現(xiàn)了茶產(chǎn)品抗高溫褐變和低溫渾濁的能力。但現(xiàn)有資料對(duì)茶飲料加工、存放過(guò)程中澄清度、色澤褐變的分析大都采用單向比較和簡(jiǎn)單歸類的方法，未曾采用綜合性統(tǒng)計(jì)手段分析多個(gè)階段、不同條件下的處理品質(zhì)穩(wěn)定性狀況，使得評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不能保證[4]。主成分分析(principal components analysis，PCA)是一種能夠在保證原始數(shù)據(jù)信息損失最小的情況下，以少數(shù)綜合變量取代原有多位變量，以客觀確定權(quán)數(shù)防止主觀隨意性的高效綜合評(píng)價(jià)方法，能對(duì)各處理的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)和度量[5]。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用PCA統(tǒng)計(jì)方法，在不同工藝原料茶制成茶飲料過(guò)程中，對(duì)高溫滅菌及貯藏過(guò)程中茶飲料的渾濁、色變等進(jìn)行初步研究，以探討在工藝評(píng)價(jià)體系中植入數(shù)學(xué)模型輔助分析的可行性，為有效結(jié)合感官評(píng)定和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的分析結(jié)果，準(zhǔn)確篩選最佳原料茶制作工藝及技術(shù)參數(shù)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

原料品種采用福鼎大白茶，鮮葉嫩度為一芽二葉至一芽三葉，采摘地點(diǎn)為浙江省開化縣名茶開發(fā)公司茶園基地。

1.2 儀器與設(shè)備

電加熱6CS-40 型殺青機(jī)、6CR-35型揉捻機(jī) 浙江綠峰機(jī)械有限公司；6CSF500型熱風(fēng)殺青機(jī)、碧螺春名茶烘干機(jī)、六角輝干機(jī) 浙江上洋機(jī)械有限公司；小型蒸汽殺青機(jī) 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所自制；6CCQ-50型雙鍋曲毫炒干機(jī) 浙江武義萬(wàn)達(dá)干燥設(shè)備制造有限公司；炭火焙籠 開化縣名茶開發(fā)公司；MINOLTA CT-310色差計(jì) 柯尼卡美能達(dá)控股株式會(huì)社；WZT-3A型光電濁度計(jì) 上海勁佳科學(xué)儀器有限公司。

1.3 鮮葉加工及處理

在同一茶園采摘同樣嫩度的鮮葉，經(jīng)自然攤放至含水率70%后按照殺青、揉捻、干燥的工藝流程加工成干茶。

殺青：設(shè)置滾筒(280℃)、滾筒(300℃)、滾筒(320℃)、熱風(fēng)(250℃，500r/min)、熱風(fēng)(250℃，900r/min)、熱風(fēng)(300℃，500r/min)、熱風(fēng)(300℃，900r/min)、搖青(3min)、滾筒(300℃)+熱風(fēng)(250℃，500r/min)、滾筒(300℃)+熱風(fēng)(250℃，900r/min)、滾筒(300℃)+熱風(fēng)(300℃，500r/min)、滾筒(300℃)+熱風(fēng)(300℃，900r/min)、滾筒(300℃)+蒸汽、滾筒(320℃)+蒸汽、滾筒(350℃)+蒸汽、搖青+滾筒(280℃)、搖青+滾筒(300℃)、搖青+滾筒(320℃)共18個(gè)處理。采用相同的常溫揉捻處理及烘干(毛火120℃，足火85℃)工藝。

揉捻：設(shè)置冷揉(20℃)、邊烘邊揉、溫揉(40℃)、常溫揉捻、加糯米粉常溫揉捻、加蔗糖常溫揉捻、加葡萄糖常溫揉捻7個(gè)處理。采用相同的滾筒(300℃)殺青和烘干(毛火120℃，足火85℃)工藝。

干燥：設(shè)置烘干(毛火110℃，足火85℃)、烘干(毛火115℃，足火85℃)、烘干(毛火120℃，足火85℃)、烘(115℃)+ 焙(55℃)、烘(120℃)+ 焙(55℃)、烘(120℃)+低溫長(zhǎng)焙(40℃)、全炒干(160℃)、全炒干(170℃)、全炒干(180℃)、全炒干(180℃+悶24h)、烘(120℃)+炒(170℃)+焙(40℃)、烘(120℃)+ 炒(170℃)+ 烘(85℃)、炒(170℃)+烘(85℃)共13個(gè)處理。采用相同的滾筒(300℃)殺青和常溫揉捻工藝。

將上述38個(gè)不同處理工藝加工的原料茶進(jìn)行系統(tǒng)編號(hào)，其中A-1～A-13為不同干燥處理；A-14～A-31為不同殺青處理；A-32～A-38為不同揉捻處理。

1.4 茶飲料處理和分析評(píng)價(jià)方法

1.4.1 茶飲料處理

1.4.1.1 茶飲料制備

取10g磨碎茶樣于500mL錐形瓶中，加入450mL 70℃的純水并在70℃水浴中浸提15min，每隔5min搖勻1次，浸提完成后，趁熱用脫脂棉過(guò)濾到500mL容量瓶中，冷卻后定容至500mL。測(cè)定茶多酚含量，并將其稀釋為具有相同茶多酚濃度的茶湯。將稀釋后的茶湯進(jìn)行雙層濾紙抽濾，隨后常溫常壓條件下100℃，1min滅菌處理，趁熱灌裝于45mL離心管中，密封后待處理[6]。

1.4.1.2 茶飲料貯藏

取1.4.1.1節(jié)中灌裝于45mL 離心管中的茶飲料分別放置于4℃冰箱以及37℃恒溫箱中，于7d后取出，常溫后測(cè)定樣品濁度、色差。

1.4.2 茶飲料分析評(píng)價(jià)方法

茶多酚含量：采用酒石酸鐵比色法測(cè)定[7]；茶飲料色澤：采用MINOLTA CT-310色差計(jì)，應(yīng)用L*a*b*色差系統(tǒng)測(cè)定；茶飲料澄清度：采用WZT-3A型光電濁度計(jì)測(cè)定，測(cè)定單位為NTU。

茶飲料感官審評(píng)評(píng)價(jià)方法：由本實(shí)驗(yàn)室4名成員組成評(píng)定小組，采用密碼審評(píng)方式對(duì)各樣品進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見文獻(xiàn)[8-9]。

1.4.3 主成分分析方法的原理

利用主成分分析法進(jìn)行分析，詳細(xì)內(nèi)容參見文獻(xiàn)[10-12]，本實(shí)驗(yàn)分析方法如下。

設(shè)有n個(gè)茶葉加工工藝，p個(gè)指標(biāo)，求p個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，得相關(guān)系數(shù)的對(duì)稱矩陣；利用雅可比法求出各主成分的特征值，再求各相應(yīng)的特征向量ej，可得到主成分第j個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率為當(dāng)累計(jì)方差貢獻(xiàn)達(dá)到80%以上時(shí)，取前m個(gè)主成分Y1，Y2，…，Ym，即可認(rèn)為這m個(gè)主成分能以較少的指標(biāo)綜合體現(xiàn)原來(lái)p個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息。用各個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，線性加權(quán)求和得到綜合評(píng)價(jià)函數(shù)表示第n個(gè)加工工藝對(duì)茶飲料湯色變化大小的綜合評(píng)價(jià)值。Zn越低說(shuō)明經(jīng)過(guò)該工藝處理后的茶飲料湯色變化越小，則經(jīng)過(guò)該工藝處理后的茶飲料色澤穩(wěn)定性越好。

1.4.4 數(shù)據(jù)分析

采用軟件SPSS 16.0及Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1981年生于江西省贛州市。本科、碩士畢業(yè)于廣州美術(shù)學(xué)院?，F(xiàn)為中國(guó)藝術(shù)研究院博士研究生，贛南師大美術(shù)學(xué)院教師，中國(guó)工筆畫學(xué)會(huì)會(huì)員，贛州市七鯉陶瓷藝術(shù)研究院副院長(zhǎng)。作品多次入選全國(guó)性美術(shù)和設(shè)計(jì)展覽，作品被中國(guó)駐法國(guó)大使館、國(guó)家林業(yè)局、胡一川美術(shù)館、廣州美術(shù)學(xué)院、廣東科學(xué)館、嶺南畫派紀(jì)念館和贛州市博物館等單位收藏。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理茶飲料湯色穩(wěn)定性指標(biāo)分析

本研究設(shè)計(jì)了高溫滅菌處理前、高溫滅菌處理后、低溫(4℃)放置41h、低溫(4℃)貯藏和高溫(37℃)貯藏7d 5個(gè)不同處理，分別測(cè)定茶湯L*、a*、b*值和濁度值。把高溫滅菌處理后、4℃放置41h后、低溫(4℃)貯藏7d和高溫(37℃)貯藏7d后測(cè)定的茶湯L*、a*、b*值和濁度值分別減去高溫滅菌處理前測(cè)定的L*、a*、b*值和濁度值，結(jié)果記錄為△L*1、△a*1、△b*1、△濁度1、△L*2、△a*2、△b*2、△濁度2……△濁度4。各工藝共17個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)如表1所示。

多酚類在鮮葉中占干物質(zhì)的30%左右，約占茶湯水浸出物總量的3/4[13]。已有大量研究表明，TP是茶湯沉淀形成的關(guān)鍵因素。師大亮等[14]認(rèn)為，茶乳酪是由TP包埋蛋白質(zhì)，分子之間形成氫鍵而破壞質(zhì)點(diǎn)的水化層，使體系不斷增大而最終形成的。閻守和[15]的研究指出茶乳酪的本質(zhì)是咖啡堿分子中含有較多的氫鍵結(jié)合位點(diǎn)，在較低溫度下，茶紅素和茶黃素等多元酚物質(zhì)與咖啡堿通過(guò)氫鍵的締合形成絡(luò)合物。隨著溫度的降低，其締合度不斷增大，形成茶乳酪。郭炳瑩等[16]以綠茶為材料研究了茶湯組分與金屬離子之間的絡(luò)合性能，發(fā)現(xiàn)鈣絡(luò)合型沉淀中的主要組分是TP。此外，TP還是衡量茶原料浸出率、制得率高低的重要參照，故選擇TP含量為指標(biāo)之一以輔助濁度、色澤指標(biāo)對(duì)茶飲料品質(zhì)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。

表1 不同工藝原料茶制成茶飲料后湯色穩(wěn)定性指標(biāo)Table 1 Infusion color stability indexes of tea samples made by different processing technologies

2.2 不同處理茶飲料湯色穩(wěn)定性的主成分分析

利用SPSS 16.0處理軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，為減少信息缺失，使綜合評(píng)價(jià)結(jié)果最大程度接近原始狀態(tài)，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率需達(dá)到80%以上，從表2可知，前4個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率(累計(jì)比例)達(dá)到83.59%，基本上代表了影響茶飲料湯色穩(wěn)定性品質(zhì)分析指標(biāo)的絕大部分信息，故取前4個(gè)主成分為影響茶飲料湯色穩(wěn)定性的重要主成分。表3為4個(gè)主成分的特征向量，根據(jù)特征向量構(gòu)建主成分與茶飲料湯色穩(wěn)定性之間的線性關(guān)系如下：

Y1、Y2、Y3、Y4為綜合指標(biāo)，是17個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的線性組合。

以4個(gè)主成分Y1、Y2、Y3、Y4與其方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建茶飲料湯色穩(wěn)定性的綜合得分模型Z，Z為因變量，Y1、Y2、Y3、Y4為自變量，Z為主成分Y1、Y2、Y3、Y4的線性組合：

利用該模型對(duì)38個(gè)不同工藝處理茶飲料的湯色穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4。

表2 各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率Table 2 Characteristic value, contribution rate and accumulative contribution rate of each principal component

表3 各主成分的特征向量Table 3 Characteristic eigenvector of each principal component

表4 38種不同工藝原料茶制成茶飲料后的湯色穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Comprehensive evaluation on infusion color stability of tea samples made by different processing technologies

從表4可以看出，不同茶葉加工工藝制得茶飲料湯色穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型得分差異較為明顯，最低及最高得分相差約9.5倍，表明原料茶加工工藝不同對(duì)制成茶飲料后的湯色穩(wěn)定性有極大影響。根據(jù)模型得分大致可以將38個(gè)處理分為3類：第1類Z＜10，分別有A-1、A-4、A-3、A-7、A-21、A-2，此類Z值得分較低，茶飲料在高溫滅菌處理及貯藏期間澄清度、色澤變化小，穩(wěn)定性好，是飲料用原料茶加工需首先考慮的工藝目標(biāo)；第2類10≤Z≤20，主要有A-18、A-19、A-10等，此類別湯色穩(wěn)定性一般，在選用其工藝處理時(shí)應(yīng)結(jié)合香氣、滋味等風(fēng)味品質(zhì)綜合分析；第3類Z＞20，主要有A-33、A-38等，此類別原料茶加工工藝制作茶飲料抗高溫色變和低溫渾濁的能力較差，應(yīng)避免相應(yīng)工藝技術(shù)參數(shù)在原料茶加工中的運(yùn)用。

將湯色穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型得分結(jié)合工藝處理類別綜合分析后發(fā)現(xiàn)：第1類主要由干燥工序處理組成，第2類由干燥、殺青工序處理組成，第3類則包括殺青、揉捻處理等。對(duì)38個(gè)原料茶加工工藝根據(jù)類別進(jìn)行各工序組間方差分析(表5、6)，不同工藝類別間存在顯著性差異，有必要對(duì)殺青、揉捻、干燥等工序進(jìn)行系統(tǒng)研究，其中又以干燥工序的湯色穩(wěn)定性最好(平均值僅為11.50，標(biāo)準(zhǔn)差為3.273)，其次為殺青工序，再次為揉捻工序。

表5 不同原料茶加工工藝對(duì)茶飲料湯色穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)分析Table 5 Descriptive statistics of infusion color stability of tea samples made by different processing technologies

表6 不同原料茶加工工藝對(duì)茶飲料湯色穩(wěn)定性方差分析結(jié)果Table 6 Variance analysis infusion color stability of tea samples made by different processing technologies

2.3 不同處理茶飲料湯色穩(wěn)定性的感官驗(yàn)證

通過(guò)主成分分析，基本可以選出制成茶飲料后湯色和澄清度變化較小，湯色穩(wěn)定性較好的幾種原料茶的加工工藝。由于主成分分析在茶飲料研究應(yīng)用中還比較少見，不能確定通過(guò)該方法選出的原料茶的加工工藝是否具有可行性，因此需要進(jìn)一步驗(yàn)證。感官評(píng)定是最直觀有效的研究方法，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)感官評(píng)價(jià)的方法對(duì)主成分分析在研究茶飲料湯色穩(wěn)定性中的應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比茶飲料湯色的感官評(píng)價(jià)得分，研究不同原料茶的加工工藝對(duì)茶飲料湯色穩(wěn)定性的影響。

表7 不同貯藏處理對(duì)茶飲料湯色穩(wěn)定性的影響Table 7 Effect of storage treatment methods on infusion color stability of tea samples made by different processing technologies

續(xù)表7

表7為38種不同原料茶加工工藝制得茶飲料湯色的感官評(píng)價(jià)得分，變異系數(shù)指的是高溫滅菌處理前、高溫滅菌處理后、4℃放置41h、4℃放置7d和37℃放置7d 5個(gè)處理之間的感官得分變化情況，變異系數(shù)越小，各處理之間的湯色變化越小。

從表7可以看出，變異系數(shù)最小的6個(gè)工藝依次為A-1、A-4、A-7、A-3、A-21和A-2，除A-7和A-3的順序互換之外，感官評(píng)價(jià)的結(jié)果和主成分分析方法的結(jié)果是一致的，這就驗(yàn)證了主成分分析法在茶飲料湯色穩(wěn)定性研究應(yīng)用中的可行性，同時(shí)也驗(yàn)證了這6種原料茶的加工工藝對(duì)茶飲料湯色穩(wěn)定性的影響。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)在前人研究基礎(chǔ)上，針對(duì)飲料專用茶的品質(zhì)要求特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)多個(gè)關(guān)鍵工序的不同處理，比較高溫滅菌處理前后及貯藏期間茶多酚含量、濁度、色澤的變化情況，同時(shí)采用主成分分析法對(duì)各處理湯色變異值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，避免了感官評(píng)價(jià)造成的人為誤差，取得了以下的初步結(jié)論：1)應(yīng)用主成分分析法構(gòu)建的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型能有效地保留測(cè)定指標(biāo)的大部分信息(83.59%)，可更為直觀、全面地評(píng)定茶飲料的湯色穩(wěn)定性品質(zhì)。通過(guò)對(duì)38個(gè)工藝處理的綜合分析，初步優(yōu)選出了A-1、A-4、A-3、A-7、A-21和A-2適宜于作為飲料用茶葉原料的加工工藝。2)將數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型結(jié)合工藝處理類別進(jìn)行綜合分析后發(fā)現(xiàn)，不同工藝類別間對(duì)茶飲料湯色穩(wěn)定性的影響存在顯著性差異，其中又以干燥工序的湯色穩(wěn)定性最好，有必要對(duì)此展開重點(diǎn)研究。3)本實(shí)驗(yàn)僅從色澤、渾濁度、茶多酚含量方面探討了茶飲料的品質(zhì)穩(wěn)定性問題，不同原料茶加工工藝在制作茶飲料高溫滅菌處理前后及貯藏期間感官評(píng)價(jià)的結(jié)果差異證實(shí)了該方法的可行性。

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Using Principal Component Analysis for Investigating the Effects of Processing Conditions on Color Stability of Tea Infusion

ZHANG Rui-lian1，YIN Jun-feng1,*，YUAN Hai-bo1，XU Yong-quan1，CHEN Jian-xin1，YE Guo-zhu2，CHEN Su-qin2
(1. Tea Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, National Engineering Technology Research Center for Tea Industry, Key Laboratory of Processing and Quality Control of Tea and Beverage Plants, Ministry of Agriculture, Hangzhou 310008,China；2. Shenzhen Shenbao Huacheng Foods Tech. Co. Ltd., Shenzhen 518000, China)

Principal component analysis (PCA) was applied to analyze infusion color stability of tea samples made by different processing technologies. Principal components, namely tea polyphenol content, turbidity, and color were used to establish mathematical models for evaluating the effects of processing conditions on the stability of tea infusion. Sensory evaluation was used for verifying the results obtained in this investigation. Consistent results were obtained between PCA and sensory evaluation. Better color stability of tea infusion could be achieved through the following steps: A-1, A-4, A-3, A-7, A-21 and A-2. Therefore, it is feasible to investigate the color stability of tea infusion through PCA, which provides an objective and comprehensive evaluation approach to further exploring the stability of tea infusion.

tea infusion；color；quality stability；principal component analysis

TS275.2

A

1002-6630(2010)13-0082-06

2009-10-13

浙江省重大科技專項(xiàng)(優(yōu)先主題)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目(2008c12038)；農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(3-35-15)

張瑞蓮(1983—)，女，碩士研究生，主要從事茶葉加工與茶飲料工程研究。E-mail：rlz686@mail.tricaas.com

*通信作者：尹軍峰(1968—)，男，副研究員，碩士，主要從事茶及茶飲料加工工程研究。E-mail：yinjf@mail.tricaas.com