基于分類回歸樹CART的湖南黑茶湯色品質(zhì)的表征研究

李擁軍,王美玲,顏鴻飛,白秀芝,朱紹華,戴 華

(1. 湖南出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心,湖南長(zhǎng)沙 410004;2. 食品安全科學(xué)技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410004)

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基于分類回歸樹CART的湖南黑茶湯色品質(zhì)的表征研究

李擁軍1,2,王美玲1,2,顏鴻飛1,白秀芝2,朱紹華1,2,戴 華1

(1. 湖南出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心,湖南長(zhǎng)沙 410004;2. 食品安全科學(xué)技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410004)

采用色差法分析了紅茶、綠茶、烏龍茶及不同產(chǎn)地的黑茶的湯色。根據(jù)茶湯色度值篩選出特征變量,建立了湖南黑茶的分類樹CART識(shí)別模型。結(jié)果表明:湖南黑茶與綠茶、烏龍茶和紅茶間兩兩比較,除與烏龍茶Δa*差異不明顯外,其他色度值都存在顯著差異;對(duì)于不同產(chǎn)地的黑茶對(duì)比分析,湖南黑茶除與青磚的ΔL*和生普的Δa*差異不大外,與六堡茶、青磚、藏茶、生普和熟普茶的ΔL*、Δa*、Δb*和ΔE*之間有明顯差異;采用預(yù)測(cè)集樣本評(píng)估模型質(zhì)量,分類樹CART模型對(duì)于茶葉類別和產(chǎn)地的識(shí)別正確率分別是100%和93.3%。因此,利用茶湯色度值建立起的分類樹CART模型,可以得到湖南黑茶很好的分類識(shí)別效果。

湖南黑茶,湯色,色度值,分類回歸樹

茶葉是一種嗜好性的大眾飲料,其品質(zhì)優(yōu)劣一般由色、香、味、形和葉底五個(gè)因子協(xié)同作用而成,其中湯色是表征茶葉品質(zhì)的重要因子之一。湯色評(píng)價(jià)經(jīng)典方法是感官評(píng)審,但是人的視覺(jué)受各種內(nèi)、外源性因素的影響,從而降低了評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。茶葉湯色儀器評(píng)價(jià)方法源起70年代日本采用的亨特-Lab表色系的色差法[1]。目前,國(guó)際上通用的測(cè)色標(biāo)準(zhǔn)是CIE1976-L*a*b*表色系。ΔL*代表明亮度差,其值愈大,湯色愈亮,反之愈暗。Δa*代表紅綠色度差,在正值時(shí)表示紅色程度,在負(fù)值時(shí)表示綠色程度。Δb*代表黃藍(lán)色度差,在正值時(shí)表示黃色程度,在負(fù)值時(shí)表示藍(lán)色程度。同時(shí)由L*、a*、b*產(chǎn)生其它的色度衍生值,如色調(diào)彩度Cab、色彩飽和度Sab、色相b/a、色相角Hab和總色差ΔE,這些色度值及其衍生值是L*a*b*表色系表征顏色空間的八個(gè)參數(shù),可以反應(yīng)出不同色彩的細(xì)小差別。近年來(lái),一些新的儀器測(cè)色技術(shù)在茶葉品質(zhì)鑒定中開始了嘗試和發(fā)展[2-5]。賴凌凌等測(cè)定了39個(gè)福建綠茶,探討了茶湯色度值與湯色的相關(guān)性[6]。梁月榮等用光譜分析測(cè)定12種浙江名茶的茶湯,研究結(jié)果表明在400nm和440nm處的透光率分別與茶湯得分呈顯著和極顯著的正相關(guān)[7]。蔡健榮采用計(jì)算機(jī)圖象處理技術(shù)分析了不同品質(zhì)的茶湯[8]。這些新技術(shù)的應(yīng)用大多是基于采用現(xiàn)代儀器測(cè)定得到的表征參數(shù)值,再通過(guò)模糊分類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯分類法和支持向量機(jī)等數(shù)據(jù)挖掘方法,建立起評(píng)判模型,用于品質(zhì)鑒定[9-14]。分類回歸樹CART法是Breiman等人1984年提出的決策樹構(gòu)建算法,如今它在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)上應(yīng)用進(jìn)展較快,在醫(yī)療判斷、氣象預(yù)測(cè)、物流管理及風(fēng)險(xiǎn)投資等領(lǐng)域已有成功的應(yīng)用。如今食品中CART法在紅酒產(chǎn)地溯源等領(lǐng)域有研究,而茶葉領(lǐng)域的應(yīng)用尚未見文獻(xiàn)。

綠茶、紅茶和烏龍茶茶湯的儀器評(píng)價(jià)方法文獻(xiàn)介紹較多[15-18],而有關(guān)黑茶湯色的分析鮮有報(bào)道。本文基于測(cè)色技術(shù)獲取不同茶葉茶湯的CIE1976-L*a*b*表色系色度值,從中提取色度值的特征變量,建立了湖南黑茶分類樹CART模型,用于湖南黑茶湯色品質(zhì)表征和茶葉識(shí)別,旨在為湖南黑茶原產(chǎn)地保護(hù)、多茶類定量判別和摻假打偽提供技術(shù)支撐。

表1 黑茶樣本信息Table 1 Sample information of the dark tea

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試的69份茶葉樣本分購(gòu)自湖南、湖北、四川、廣西、云南、福建等地的自制或市售成品茶,其中黑茶54份、紅茶5份、綠茶5份和烏龍茶5份,具體樣本信息見表1。

實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

SMY-2000ST測(cè)色色差計(jì) 北京盛名揚(yáng)科技開發(fā)有限責(zé)任公司;ML503電子天平(感量0.1g) 瑞士METTLER TOLEDO公司;評(píng)茶專用杯碗;茶匙;計(jì)時(shí)器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 感官審評(píng)方法 稱取茶樣5g,加入250mL沸騰蒸餾水,按照《茶葉感官審評(píng)方法》(GB/T 23776-2009)所規(guī)定的方法沖泡[19],由專業(yè)審評(píng)人員對(duì)外形、湯色、香氣、滋味和葉底五項(xiàng)因子進(jìn)行密碼審評(píng),并給予評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 23776-2009[19]。

1.2.2 色度值測(cè)定 稱取茶樣5g,加入250mL沸騰蒸餾水,沖泡時(shí)間為3min,沖泡完成后迅速過(guò)濾,測(cè)定濾液60℃時(shí)的色度值。色差計(jì)參數(shù)采集前,儀器預(yù)熱、調(diào)零、標(biāo)準(zhǔn)白色板校正。以蒸餾水為對(duì)照,先測(cè)量蒸餾水的色度值,然后再測(cè)量各茶樣茶湯的色度值(L*、a*、b*、ΔL*、Δa*、Δb*、ΔE*),每個(gè)茶樣重復(fù)測(cè)定2次,取其平均值為測(cè)定結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excell軟件和Python語(yǔ)言編程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Excell的t-檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析,表2中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。用Python語(yǔ)言編程進(jìn)行分類回歸樹CART建模。分類

表2 湖南黑茶與其他茶葉樣本茶湯色度值差異Table 2 The difference of chromaticity between Hunan dark tea liquor and the other teas liquor

2 結(jié)果與分析

2.1 湖南黑茶與其他不同茶類茶湯色澤的差異

湖南黑茶與其他不同茶類樣本的湯色進(jìn)行對(duì)比分析。從表2看出,湖南黑茶湯色的ΔL*、Δb*和ΔE*三個(gè)參數(shù)與紅茶、綠茶和烏龍茶兩兩間都存在顯著差異。明亮度ΔL*值湖南黑茶要低于綠茶和烏龍茶,遠(yuǎn)高于紅茶。黃藍(lán)度Δb*值湖南黑茶要高于烏龍茶和綠茶,烏龍茶和綠茶較接近,而紅茶最高。在感官審評(píng)上,湖南黑茶湯色橙黃漸紅,綠茶湯色綠黃,烏龍茶湯色黃綠,而紅茶湯色紅濃。這種感官上湯色的變化與它們?chǔ)*值大小趨勢(shì)是一致的?？偵瞀*值高低為烏龍茶<綠茶<湖南黑茶<紅茶。有研究認(rèn)為不同茶類間湯色的差異是與各茶類制作工藝不同緊密相關(guān)的[9]。紅茶全發(fā)酵,黑茶和烏龍茶發(fā)酵程度次之,而綠茶不發(fā)酵。茶葉發(fā)酵過(guò)程中主一些主要色素物質(zhì)的變化最終導(dǎo)致茶葉色澤的差異。由此可見,湖南黑茶與綠茶、烏龍茶和紅茶的湯色各具特色,差異較為明顯。

2.2 湖南黑茶與其他不同產(chǎn)地黑茶茶湯色澤的差異

中國(guó)黑茶除了湖南安化盛產(chǎn)外,還有湖北的青磚茶、云南的普洱茶、廣西的六堡茶以及四川的藏茶等?；贔-檢驗(yàn)方差齊性分析的結(jié)果,對(duì)于湖南黑茶與其他產(chǎn)地黑茶茶湯色度值的比較,本實(shí)驗(yàn)采取t-檢驗(yàn)的方差分析策略,結(jié)果見表2。不同產(chǎn)地黑茶間,生普的ΔL*值最大,湯色最明亮,其次是湖南黑茶與青磚,而藏茶、六堡茶和熟普偏暗;湖南黑茶除與生普的Δa*差異不顯著外,與六堡茶、青磚、藏茶和普洱茶等其他產(chǎn)地黑茶比較,Δa*、Δb*和ΔE*基本達(dá)到極顯著差異水平;色度衍生值b/a和Hab湖南黑茶與其他產(chǎn)地黑茶差異不大,而Cab和Sab它們二者間差異顯著(p<0.05,p<0.01)。聘請(qǐng)5名專業(yè)評(píng)茶師對(duì)實(shí)驗(yàn)茶葉樣本進(jìn)行盲樣評(píng)審,評(píng)審結(jié)論是湖南黑茶湯色總體以橙黃為主,略帶紅色,湯色明亮為佳,六堡茶紅濃偏暗,青磚黃紅,藏茶紅黃尚亮,新制生普黃綠亮,而熟普橙紅或深紅,接近紅茶。上述分析表明,湖南黑茶與其他產(chǎn)地黑茶在茶湯色度值上有差異,能反映出湖南黑茶湯色的品質(zhì)特點(diǎn),且與感官評(píng)審結(jié)果基本一致。

2.3 基于茶湯色度值的湖南黑茶分類回歸樹CART模型的研究

分類回歸樹CART是一個(gè)有監(jiān)督的學(xué)習(xí)算法,它根據(jù)對(duì)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)的運(yùn)算生成的。本方法用已知茶類的51個(gè)茶葉樣本作為建立區(qū)分不同茶類CART樹的訓(xùn)練集,將不同茶類樣本劃分4個(gè)因變量(分類變量)Yi,即黑茶、綠茶、烏龍茶和紅茶;用已知產(chǎn)地的39個(gè)黑茶樣本作為建立區(qū)分不同產(chǎn)地CART樹的訓(xùn)練集,將不同產(chǎn)地黑茶樣本劃分6個(gè)因變量(分類變量)Yi,即湖南黑茶、湖北青磚茶、云南生普、云南熟普、廣西六堡茶以及四川藏茶。ΔL*、Δa*、Δb*、ΔE*、b/a、Cab、Sab、Hab這八個(gè)參數(shù)反應(yīng)了每個(gè)茶湯色澤在顏色空間上的差異性,我們把它們作為自變量Xi,即X1=ΔL*,X2=Δa*,X3=Δb*,X4=ΔE*,X5=b/a,X6=Cab,X7=Sab,X8=Hab。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件,通過(guò)程序自動(dòng)選擇變量和確定變量閾值,分別建立起黑茶與其他茶類的茶葉分類(見圖1A)和湖南黑茶與其他產(chǎn)地黑茶的茶葉分類(見圖1B)的兩個(gè)CART分類樹模型。兩個(gè)模型均已經(jīng)過(guò)程序自動(dòng)閾值的剪枝處理,從而避免樹過(guò)擬合的現(xiàn)象,得到最優(yōu)二叉樹。從CART分類樹圖1A看出,按照Hab值是否大于或小于等于-0.440為根節(jié)點(diǎn)開始分割樹,最后生成3個(gè)終結(jié)點(diǎn)樹狀分支圖。湯色的8個(gè)色度值及其衍生值中Hab、ΔL*、Sab和ΔE*對(duì)于不同茶類的區(qū)分貢獻(xiàn)較大。而Δa*、Δb*、b/a 和Cab在模型構(gòu)建中因影響小被淘汰掉。從CART分類樹圖1B看出,以Δa*值是否大于或小于等于1.225為根節(jié)點(diǎn)開始逐級(jí)分割樹。湯色的8個(gè)特征變量中Δa*、Δb*、ΔL*和Cab對(duì)于不同產(chǎn)地的區(qū)分貢獻(xiàn)較大,而ΔE*、b/a、Hab和Sab在模型構(gòu)建中因影響小而被忽略。

圖1 湖南黑茶CART分類樹模型可視化分類圖Fig.1 CART model visual classification graphics of Hunan dark tea

對(duì)于建立的兩個(gè)CART樹模型,我們分別隨機(jī)抽樣一定量未知樣本組成測(cè)試集對(duì)模型分類性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。首先采用本文介紹的方法測(cè)定測(cè)試集中各茶樣湯色的色度值,并計(jì)算出它們相應(yīng)的色度衍生值。然后采用CART樹A模型,將模型各層級(jí)節(jié)點(diǎn)的特征變量值與各茶樣對(duì)應(yīng)的色度值自上而下依次比較,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都一分為二直至將黑茶與其它不同茶類區(qū)分開來(lái)。最后將區(qū)分得到的黑茶樣本采用CART樹B模型進(jìn)行二次區(qū)分,采用相似的方法對(duì)比樹模型節(jié)點(diǎn)的特征變量值與樣本的色度值,從而將湖南黑茶與其他不同產(chǎn)地的黑茶區(qū)分開來(lái)。驗(yàn)證結(jié)果表明:由4個(gè)不同茶類共18個(gè)茶葉樣本組成的不同茶類測(cè)試集,CART樹A模型能全部正確識(shí)別出18個(gè)樣本中的黑茶、綠茶、烏龍茶和紅茶,識(shí)別正確率達(dá)到100%;由5個(gè)不同產(chǎn)地共15個(gè)黑茶樣本組成的不同產(chǎn)地測(cè)試集,CART樹B模型能正確識(shí)別出其中的7個(gè)湖南黑茶,1個(gè)誤判為湖北青磚茶,識(shí)別正確率達(dá)到93.3%。

3 結(jié)論

3.1 采用CIE l976-L*a*b*表色系的色差法來(lái)表征茶葉湯色品質(zhì)具有良好的真實(shí)表達(dá)性。有報(bào)道分析認(rèn)為CIE l976L*a*b*表色系是茶葉色澤數(shù)量化測(cè)定的最佳表色系[1]。在測(cè)定干茶或葉底色澤時(shí),由于色差計(jì)所測(cè)量光區(qū)范圍很小(一般直徑10mm左右),而茶葉外形和葉梗比例都不盡相同,其微區(qū)域樣本的代表性受到影響。即使將茶葉粉碎,測(cè)定結(jié)果也只是樣本色澤信息的平均理論值,與實(shí)際茶葉還是存在一定的差異。而茶湯與干茶或葉底情況不一樣,茶葉內(nèi)含物在水相中分散一致,樣本均勻性和代表性很好,所以茶湯的色度值能較真實(shí)的反映出茶葉本身的整體品質(zhì),具有良好應(yīng)用。

3.2 本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,湖南黑茶與六堡茶、青磚、藏茶、生普和熟普等不同產(chǎn)地的黑茶間及湖南黑茶與綠茶、烏龍茶和紅茶等不同茶類間進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果顯示在測(cè)定的色度值及計(jì)算的色度衍生值上都存在著不同的明顯差異,且色度值與感官評(píng)審結(jié)果具有較好的對(duì)應(yīng)性。值得一說(shuō)的是,色度值僅是將湯色品質(zhì)數(shù)量化,不同類型茶樣間色度值的差異僅是茶樣湯色的特點(diǎn)表現(xiàn),其數(shù)值高低并不能說(shuō)明湯色品質(zhì)的好壞。因?yàn)閺母泄賹徳u(píng)的定性描述來(lái)看,它們大多湯色品質(zhì)良好。所以采用色差法得到的色度值可以表征黑茶湯色品質(zhì),但直接對(duì)應(yīng)湯色品質(zhì)的優(yōu)劣還有待研究商榷。

3.3 逐步判別分析要求原始變量在各組內(nèi)具有近似正態(tài)分布,同時(shí)具有相同的協(xié)方差矩陣等條件,而實(shí)際中很多數(shù)據(jù)不能滿足其算法條件,使其統(tǒng)計(jì)結(jié)果誤差偏大。再者對(duì)于二次判別函數(shù)和非參數(shù)判別分析,由于其計(jì)算復(fù)雜,使其在應(yīng)用中受到限制。而分類樹CART算法作為數(shù)據(jù)挖掘中重要的分析方法,由于其算法是非參數(shù),非線性的,加之其判別準(zhǔn)則以圖形化結(jié)果呈現(xiàn),結(jié)果易于表述與解釋。同時(shí)此法不會(huì)比其他復(fù)雜方法如判別分析、邏輯回歸或線性回歸準(zhǔn)確性差[20]。本實(shí)驗(yàn)表明,分類樹CART法用于湖南黑茶的茶類間和產(chǎn)地間的分類識(shí)別誤判率低,是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的產(chǎn)品表征判別新技術(shù)。需要注意的是,使用分類回歸樹CART建模要考慮分類變量間樣本數(shù)量的平衡性。這是因?yàn)槟Ｐ偷脑u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要是基于整體精度,當(dāng)訓(xùn)練集樣本中各類比例嚴(yán)重失調(diào)時(shí),在形成分類規(guī)則時(shí)自然會(huì)“偏袒”訓(xùn)練集中的多數(shù)類,而少數(shù)類的某些關(guān)鍵特征有可能被忽略,從而造成模型預(yù)測(cè)小數(shù)量樣本易失效的情況。

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Study on characterization of dark tea liquor quality based on CART

LI Yong-jun1,2,WANG Mei-ling1,2,YAN Hong-fei1,BAI Xiu-zhi2,ZHU Shao-hua1,2,DAI Hua1

(1.Inspection and Quarantine Technology Center,Hunan Entry-Exit Inspectionand Quarantine Bureau,Changsha 410004,China;2.Hunan Key Laboratory of Food Safety & Science Technology,Changsha 410004,China)

The chromatic values of Black Tea,Green Tea,Oolong Tea and different origin of Dark tea liquor were analysed. Based on the characteristic variables extracted from the chromaticities,the CART model was established to classify tea area and type. The results were as follows:Comparison difference with green tea,oolong tea and black tea was made. Hunan dark tea and oolong tea in Δa*had no difference,but the other chromaticity values were significantly different among four tpyes of tea. There were significant difference of ΔL*,Δa*,Δb*and ΔE*among Hunan dark tea with Liubao tea,Qing zhuan tea,Tibetan tea,Unzymic Pu-er tea and zymic Pu-er tea,in addition to Qing zhuan tea’s ΔL*and Unzymic Pu-er tea’s Δa*. The prediction set was used for evaluating the model quality.The accuracy of discriminant functions for type and producing area were respectively reached 100% and 93.3%.Therefore,the better effect of classification and recognition could be obtained by used the CART model based on the chromatic values.

Hunan dark tea;tea liquor color;chromaticity;CART

2014-05-29

李擁軍(1971-)，男，博士，研究員，研究方向：食品安全監(jiān)測(cè)。

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目( 2012IK160)。

TS272

A

1002-0306(2015)05-0078-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.007