基于電子鼻和電子舌技術對不同儲存年份臺式烏龍茶的識別分析

楊國一，張丹丹，邱曉紅，吳亮亮，葉小輝，葉乃興*（.福建農林大學園藝學院/茶學福建省高等學校重點實驗室，福建福州 35000；.福建茶葉進出口有限責任公司，福建福州 35004）

基于電子鼻和電子舌技術對不同儲存年份臺式烏龍茶的識別分析

楊國一1，張丹丹1，邱曉紅1，吳亮亮1，葉小輝2，葉乃興1*
（1.福建農林大學園藝學院/茶學福建省高等學校重點實驗室，福建福州 350002；
2.福建茶葉進出口有限責任公司，福建福州 350014）

采用電子鼻和電子舌技術對8個不同儲存年份的臺式烏龍茶（雪峰玉露）進行檢測。在基于電子鼻的檢測過程中，采用干茶法、茶湯法和葉底法三種方法對茶樣進行檢測，并將檢測的數(shù)據(jù)進行主成份分析（PCA）、判別因子分析（DFA），發(fā)現(xiàn)干茶法是區(qū)分8個不同儲存年份茶樣的最優(yōu)方法，同時結合人工感官審評，推測影響電子鼻感受器響應值的最主要揮發(fā)性氣體因素是茶樣因儲存過程中產生的“陳味”氣體；基于電子鼻建立了儲存年份為3-10年的臺式烏龍茶數(shù)據(jù)庫模型，為未知儲存年份鑒定提供了新途徑；基于電子舌的檢測過程中，采用第一泡2min、第二泡3min和第三泡5min的沖泡方式對茶樣進行電子舌檢測，發(fā)現(xiàn)第一泡和第二泡均能將8個不同儲存年份的茶樣聚類區(qū)分。

臺式烏龍茶；雪峰玉露茶；電子鼻；電子舌；儲存年份

茶葉在儲存過程中香氣含量和組成成分都發(fā)生著不同程度的變化，近年來受到許多研究者的重視。曹艷妮［1］在對不同儲存時間的普洱熟茶和生茶的香氣成分變化的研究中發(fā)現(xiàn)，熟茶各類香氣成分種類數(shù)對比生茶都有不同程度的增加，尤其是醇類、含氮類和萜烯類；張靈枝等［2］在對不同貯藏時間普洱茶的香氣成分的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著貯藏年份的增加萜烯及其衍生物的含量逐漸增加；郭建華［3］在對綠茶貯藏過程中揮發(fā)性物質變化規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)，綠茶在長期存放過程中醇類香氣物質含量變化為由先下降后增加的變化過程；謝直虎等［4］，利用FTIR法對儲存年限不同的兩種普洱綠茶的鑒定研究中鑒別了不同儲存年限普洱綠茶。

茶葉因儲存年份的不同，其品質和價值都有所差別。目前，茶葉的品質評估和年份鑒定主要是人工感官審評。人工感官審評需要豐富的經(jīng)驗積累及專門訓練，具有主觀性，同時，品茶者自身受不同條件的影響，如：身體狀況、審評環(huán)境和口感靈敏度等多種因素的影響。所以，人工感官審評具有不一致性、不確定性和不可預測性。電子鼻（electronic nose）和電子舌（electronic tongue）均是仿生檢測設備，利用傳感器技術和模式識別技術，可以分析復雜體系的整體“信息輪廓”［5］。電子鼻和電子舌技術已在食品［6-7］、制藥［8-9］、煙草［10］、化工［11-12］、醫(yī)療診斷［13］等領域有所應用，具有檢測時間短、樣品預處理簡單、檢測結果可靠等特點。

如今，消費者對于茶葉“以質論級、按級定價”的呼聲與日高漲，但目前茶葉市場仍存在新茶、陳茶模糊不清，不同年份的茶葉參差不齊的現(xiàn)象。本研究以8個不同儲存年份的臺式烏龍茶（雪峰玉露）為研究對象，利用電子鼻和電子舌技術結合感官評價對不同儲存年份的臺式烏龍茶加以鑒別區(qū)分，以期尋求臺式烏龍茶儲存年份鑒定的新途徑。

1　材料與方法

1.1實驗材料

由福州雪峰文武茶場有限公司提供的儲存年份為3-10年的臺式烏龍茶（雪峰玉露）共8個，以及1個儲存5年的茶樣，市購。

1.2儀器與設備

I-Nose型電子鼻系統(tǒng)，主要由氣泵、氣室、傳感器列陣、信號采集系統(tǒng)和模式識別算法幾部分組成。其中傳感器列陣是由十個氣敏金屬氧化物組成，每個傳感器對一類或幾類氣體響應比較敏感。表1為電子鼻傳感器列陣信息。

表1　I-Nose型電子鼻10個傳感器陣列組成

I-Tongue型電子舌系統(tǒng)，以新型的多頻脈沖伏安法為基礎的電子舌系統(tǒng)，由傳感器列陣、信號采集與處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成。

1.3實驗方法

1.3.1人工感官審評方法

邀請福建省茶葉質量檢測中心站的三位審評專家對茶葉進行審評。根據(jù)加權百分法［14］進行密碼審評，各因子評分權重：外形20%，湯色10%，香氣30%，滋味30%，葉底10%，并進行評語記錄。

1.3.2電子鼻對茶樣的檢測方法

干茶法：將8個儲存年份的茶樣以相同儲存年份的茶樣為同一組，共8組，每組3次重復，取5.0g樣品裝入頂空瓶中，70°C水浴30min。

葉底法：將8個儲存年份的茶樣以相同儲存年份的茶為同一組，共8組，每組3次重復，取5.0g茶樣放入110ml審評杯中。泡茶用水為沸滾適度100℃的純凈水，沖泡時間為5min，然后迅速將葉底與茶水分離。將葉底轉入250ml的燒杯中，雙層薄膜密封，靜置30min使得燒杯頂空富集葉底揮發(fā)性成分，同時水溫冷卻至室溫。

茶湯法：方法同葉底法。另外，將茶水中加入5.0g Nacl用于增強離子強度，從而降低基體對揮發(fā)性物質的束縛［15］。

電子鼻參數(shù)設定：電子鼻采樣時間為180s，氣體流量0.5L/min，清洗時間150s，等待時間為10s，提取響應值。

1.3.3電子舌對茶樣的檢測方法

將8個儲存年份的茶樣以相同儲存年份的茶樣為同一組，共8組，每組3次重復，取5.0g茶葉樣品放入110ml審評杯中，用100℃的純凈水沖泡。每個平行沖泡3次，第一泡沖泡時間為2min，第二泡為3min，第三泡為5min。分別進行電子舌檢測，提取響應值。

電子舌參數(shù)設定：激發(fā)電壓1V，電位步進0.1V，檢測靈敏度e-4。

1.4數(shù)據(jù)處理方法

采用雙變量相關分析法尋求茶樣香氣隨儲存時間的變化規(guī)律。采用主成分分析（PCA）法對樣品進行辨識聚類。采用判別因子分析（DFA）進行模型驗證。

2　結果與分析

2.1不同儲存年份雪峰玉露茶感官審評結果

對不同儲存年份雪峰玉露茶進行感官審評，結果如表2所示。從品質總分來看，儲存年份5-10年的茶樣中，儲存時間為3年、5年、10年的茶樣總分大于90分，其中儲存3年的茶樣品質總分最高，達92.8分，而儲存9年的茶樣品質總分最低（89.1分），波動范圍為3.7，差距不大，表明在儲存過程中雪峰玉露茶的感官品質相對穩(wěn)定。從各審評因子來看，儲存3年、6年的茶樣外形得分最高（達93分），儲存3年雪峰玉露茶滋味、香氣得分均最高（達93分），儲存8年的茶樣湯色得分最高（達92分）。

感官審評結果表明，隨著存放時間的不同，雪峰玉露茶外形與葉底變化不大；內質變化：隨儲藏時間的增加，茶湯顏色不斷加深，滋味由醇厚轉變成醇和，香氣也逐漸產生“陳味”，但儲存8年與9年茶樣的香氣與滋味最差，其他年份的茶樣品質較好。

圖1　電子鼻各傳感器響應值的變化規(guī)律（a）干茶法；（b）茶湯法；（c）葉底法

圖2　電子鼻主成分分析結果（a）干茶法；（b）茶湯法；（c）葉底法

圖3-1　電子鼻構建的不同儲存年份茶樣的模型圖

圖3-2　電子鼻模型驗證結果

2.2基于電子鼻對茶樣的檢測結果

2.2.1電子鼻響應值的變化規(guī)律

在基于電子鼻的檢測中，觀測到電子鼻10個傳感器的響應值在120s處趨于平衡，因此提取120s處的響應值。使用Origin 8.0軟件分別對每組茶樣的三個平行的響應值取平均值，作其對應的折線圖。結果如圖1所示，隨著儲存年份的增加，電子鼻對茶湯和干茶樣品的頂空氣體響應值整體呈增長趨勢。而電子鼻對葉底的頂空氣體響應值并無規(guī)律性變化。因此可推斷，雪峰玉露茶在儲存過程中香氣的變化更多體現(xiàn)在干茶和茶湯方面。另外，圖1發(fā)現(xiàn)，儲存6年和8年的茶樣在電子鼻檢測中響應值比較異常，均低于兩側儲存年份的茶樣，結合人工感官審評的結果，發(fā)現(xiàn)這兩個茶樣均未有“陳味”出現(xiàn)。因此，推測，影響電子鼻響應信號的最主要揮發(fā)性氣體因素為茶樣在儲存過程中產生的“陳味”氣體。

使用SPSS 20.0軟件對各個傳感器的響應集進行雙變量相關性分析。由表3可以看出，在干茶的檢測中10個傳感器除了S3（氫氣）外，其他9個傳感器響應值均與儲存年份均呈顯著性正相關；在茶湯的檢測中s2（硫化物），s4（醇類），s6（碳氫化合物），s8（揮發(fā)性有機物），s10（烷烴、可燃性氣體）與儲存時間呈顯著正相關；在葉底的檢測中只有s4（醇類）與儲存時間呈顯著性正相關。

2.2.2主成分分析（PCA）

應用系統(tǒng)對最佳傳感器陣列進行優(yōu)化，尋找最適合區(qū)分不同儲存年份茶葉樣品的傳感器組合。干茶法最佳傳感器列陣為S2，S5，S8，S9；茶湯法最佳傳感器列陣為S3，S5，S7，S10；葉底法傳感器最佳列陣為S3，S5，S7，S9，分別進行主成分分析（PCA）。經(jīng)PCA分析后得到的區(qū)別指數(shù)（discrimination index，DI）是判斷電子鼻是否能區(qū)分樣品的重要指標，DI值越大表示區(qū)分效果越理想。一般當DI值大于80%時，認為系統(tǒng)對樣品能夠進行良好的區(qū)分，如果DI值為負，則代表樣品有部分重合。

結果如圖2所示，三種方法進行電子鼻檢測，均能夠將8個儲存年份的茶樣區(qū)分開，但采用干茶法檢測時，每個儲存年份的茶葉樣品的3個平行樣離散度較小，不同樣品之間互不干擾，經(jīng)PCA分析后得到的區(qū)別指數(shù)（DI值）為三種方法中最高，達到97.9%，因此干茶法是區(qū)分8個樣品茶最理想的方法。

表2　不同儲存年份雪峰玉露茶感官審評結果

表3　傳感器響應值與儲存時間的相關性

2.2.3判別因子分析（DFA）

由主成分分析得出，采用干茶法檢測時，每個儲存年份的茶樣的3個平行樣離散度較小，不同樣品之間互不干擾，經(jīng)PCA分析后得到的區(qū)別指數(shù)（DI值）為三種方法中最高。因此采用干茶法所得的數(shù)據(jù)特征，使用判別因子法對茶樣進行分類訓練。圖3-1為訓練組各樣品的分布范圍。為了驗證電子鼻檢測為基礎建立的數(shù)據(jù)庫模型的可靠性，從8個實驗茶樣中取儲存年份為7年和10年兩個年份的茶樣以及一個市購的儲存5年的茶樣，共三組，每組4個平行，打亂順序作為盲樣，分別用電子鼻進行檢測，得到的盲樣判別結果，如圖3-2所示。從圖3-2可以看出，儲存5年和10年的茶樣各有一個發(fā)生了誤判，儲存7年的茶樣識別率為100%?？傮w識別率為83.33%。由以上判別結果，基于電子鼻技術建立的臺式烏龍茶據(jù)庫模型具有較高的辨識能力，在實際應用中，可建立茶品信息庫，將未知儲存儲存年份茶樣信息與茶品信息庫對比，能夠快速的判別茶樣的儲存年份，檢查茶樣是否合格。

2.3基于電子舌對茶樣的檢測結果

2.3.1主成分分析（PCA）

電子舌檢測數(shù)據(jù)是基于傳感器陣列的多維數(shù)據(jù)，因此用主成分分析進行表征，提取電流采集信號的頂點和拐點值作為檢測樣品的變量。應用系統(tǒng)對傳感器進行優(yōu)化，篩選最適合采集8個茶樣信息的傳感器列陣。第一泡傳感器最佳列陣為：S3-10Hz鈀電極、S4-1Hz鎢電極、S5-100Hz鈦電極、S6-100Hz銀電極；第二泡傳感器最佳列陣為：S2-100Hz金電極、S3100Hz鈀電極；第三泡傳感器最佳列陣為：S2-1Hz金電極、S3-10Hz鈀電極，分別進行主成分分析。結果如圖4所示，第一泡和第二泡的分析茶樣通過主成分分析均能夠得到很好的區(qū)分，而第三泡區(qū)分效果并不理想（DI﹣24.1%），其中儲存年份為4年、5年和6年的茶樣出現(xiàn)重合現(xiàn)象。因此，可以推斷，雪峰玉露茶在儲存過程中化學浸出物的變化更多反映在第一泡和第二泡。

圖4　電子舌主成分分析結果（a）第一泡；（b）第二泡；（c）第三泡

圖5-1　電子舌構建的不同儲存年份茶樣的模型圖

圖5-2　電子舌模型驗證結果（第一泡）

圖6-1　電子舌構建的不同儲存年份茶樣的模型

圖6-2　電子舌模型驗證結果（第二泡）

2.3.2判別因子分析（DFA）

分別采用第一泡和第二泡所得的數(shù)據(jù)特征，使用判別因子法對茶樣進行分類訓練。為了驗證電子舌檢測為基礎建立的數(shù)據(jù)庫模型的可靠性，同樣從8個實驗茶樣中取儲存年份為7年和10年的2個茶樣以及一個市購的儲存年份為5年的茶樣共3組，每組4個平行，打亂順序作為盲樣，分別用電子舌進行盲樣判別檢測。圖5和圖6為第一泡和第二泡的數(shù)據(jù)模型圖和驗證圖。由圖觀察到，儲存年份5、7和10年的茶樣均出現(xiàn)了較為嚴重的誤判，因此基于電子舌技術建立的臺式烏龍茶數(shù)據(jù)庫模型的辨識能力較低，不能應用于未知儲存年份茶樣的判別。

3　討論

本實驗優(yōu)化了電子鼻和電子舌傳感器的選擇，利用電子鼻和電子舌8個儲存年份的臺式烏龍茶（雪峰玉露）整體氣體特征提取、分析的基礎上，結合PCA分析，成功實現(xiàn)了相同儲存年份臺式烏龍茶（雪峰玉露）的快速聚類；在電子鼻的檢測中發(fā)現(xiàn)，采用干茶法時，相同儲存年份的3個平行茶樣離散度最小，不同樣品之間互不干擾，經(jīng)PCA分析后得到的區(qū)別指數(shù)（DI值）達到97.9%，均高于葉底法（DI=93.8%）和茶湯法（DI=87.8%）。因此，干茶法是區(qū)分8個樣品茶最理想的方法，和于慧春等［16］在基于電子鼻技術的茶葉品質檢測研究中所得出的干茶區(qū)分效果優(yōu)于茶湯和葉底的結論一致；通過特征值分析發(fā)現(xiàn)，隨著茶樣儲存年份的增加，電子鼻傳感器的響應值整體呈增長趨勢；結合人工審評結果，推測影響電子鼻響應信號的最主要揮發(fā)性氣體因素為茶樣在儲存過程中產生的“陳味”氣體。鐘秋生［17］在普洱茶香氣特征成分研究中發(fā)現(xiàn)，陳香普洱茶在香氣成分組成上以雜氧化合物和醇類為主（兩種成分之和＞40%），其次是碳氫化合物、醛類、酮類和酯類，因此，推測影響電子鼻響應信號的最主要揮發(fā)性物質為“陳味”氣體中所含的硫化物、醇類、碳氫化合物、雜氧化合物、可燃性氣體等揮發(fā)性物質；基于電子鼻建立了儲存年份為3-10年的臺式烏龍茶數(shù)據(jù)庫模型，為未知儲存年份臺式烏龍茶的鑒定提供了新途徑；在電子舌的檢測中發(fā)現(xiàn)第一泡（DI=91.7%）和第二泡（DI=90.2%）均能夠通過PCA分析將8個茶樣很好地區(qū)分開，而第三泡區(qū)分效果并不理想（DI=﹣24.1%）。因此，第一泡和第二泡是區(qū)分8組茶樣最理想的沖泡方式。

電子鼻技術和電子舌技術在茶葉領域實際應用中，試樣不需要復雜的前處理，測定一個樣品通常只需幾分鐘。與傳統(tǒng)的人工感官審評比，電子鼻和電子舌不受主觀因素影響，具有檢測時間短、樣品預處理簡單、檢測結果可靠等特點。因此，電子鼻和電子舌是一項操作快速簡便、檢測準確、對環(huán)境友好的“綠色”分析技術。

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福建茶產業(yè)農技推廣服務試點建設（KNJ-151000）

楊國一（1989-），男，碩士研究生，主要從事茶樹遺傳育種與茶葉品質化學研究。

葉乃興（1963-），男，教授，主要從事茶樹栽培育種與資源利用研究。E-mail：ynxtea@126.com。