人工智能對(duì)龍井茶等級(jí)識(shí)別研究

虞培力+趙粼+王晞丞+張星海

摘要 應(yīng)用電子鼻、電子舌技術(shù)對(duì)6個(gè)等級(jí)龍井茶進(jìn)行識(shí)別研究。檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)主成分分析（PCA）與判別因子分析（DFA），確定龍井茶等級(jí)識(shí)別最佳傳感器陣列組合。結(jié)果表明，以S2-100Hz金電極、S3-1Hz鈀電極、S4-1Hz鎢電極、S6-100Hz銀電極為傳感器陣列，建立龍井茶湯智舌模型；以S1、S2、S4、S5、S6為傳感器陣列，建立龍井茶湯智鼻模型；以S2、S4、S5、S6為傳感器陣列，建立龍井干茶智鼻模型，將智舌、智鼻檢測(cè)方法結(jié)合形成的人工智能識(shí)別龍井茶等級(jí)的方法具有極高的辨識(shí)能力，能夠快速有效地判別龍井茶樣等級(jí)。

關(guān)鍵詞 電子鼻；電子舌；龍井茶；分級(jí)；模型

中圖分類號(hào) TS272.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）02-0260-04

Study on Longjing Tea Classification by Artificial Intelligence

YU Pei-li ZHAO Lin WANG Xi-cheng ZHANG Xing-hai *

（Zhejiang Institute of Economics and Trade，Hangzhou Zhejiang 310018）

Abstract Six grade Longjing teas were identified by electronic nose and electronic tongue technique.The detection data were determined by principal component analysis（PCA）and discriminant factor analysis（DFA），and the best sensor array combination of Longjing tea grade identification was determined.The results showed that the electronic tongue model of Longjing tea soup was established with the sensor array of S2-100Hz gold electrode，S3-1Hz palladium electrode，S4-1Hz tungsten electrode，S6-100Hz silver electrode；the electronic nose model of Longjing tea soup was established with the sensor array of S1，S2，S4，S5，S6；the electronic nose model of dry Longjing tea was established with the sensor array of S2，S4，S5，S6.It could classify Longjing tea quickly and effectively by combining identification of electronic tongue and electronic nose with artificial intelligence.

Key words electronic nose；electronic tongue；Longjing tea；classification；model

龍井茶是一種原產(chǎn)地域產(chǎn)品，指在原產(chǎn)地域范圍內(nèi)采摘的茶樹(shù)鮮葉，按照傳統(tǒng)工藝技術(shù)在原產(chǎn)地域范圍內(nèi)加工而成[1]。龍井茶的原產(chǎn)地域可細(xì)分為西湖產(chǎn)區(qū)、錢塘產(chǎn)區(qū)和越州產(chǎn)區(qū)，其中尤以西湖產(chǎn)區(qū)的龍井茶最富盛名，根據(jù)其品質(zhì)的不同，經(jīng)濟(jì)價(jià)值差異巨大[2]。長(zhǎng)期以來(lái)，茶葉品質(zhì)大多數(shù)是通過(guò)人的感官評(píng)定，但是人的感覺(jué)器官的靈敏度易受到外界因素的干擾，從而影響評(píng)定的準(zhǔn)確性，茶葉感官評(píng)審無(wú)法做到完全標(biāo)準(zhǔn)化和真正客觀化[3-4]。

為了提高茶葉等級(jí)評(píng)定的客觀性與公正性，需要引入科學(xué)的、先進(jìn)的方法與設(shè)備對(duì)茶葉品質(zhì)進(jìn)行輔助檢測(cè)。電子鼻是由不同專一性的氣敏傳感器構(gòu)成的陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別系統(tǒng)組成的儀器，用來(lái)識(shí)別簡(jiǎn)單和復(fù)雜的氣味[5]；電子舌是模仿人體味覺(jué)機(jī)理制成的一種新型分析儀器，由味覺(jué)傳感器陣列獲取待測(cè)液信息，通過(guò)適當(dāng)?shù)亩嘣y(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理[6-7]，電子鼻和電子舌均為仿生檢測(cè)設(shè)備，利用傳感器技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)，可以分析復(fù)雜體系的整體“信息輪廓”[8]。

本試驗(yàn)應(yīng)用電子舌與電子鼻技術(shù)，檢測(cè)識(shí)別6種以龍井43號(hào)品種制的不同等級(jí)名優(yōu)西湖龍井，建立數(shù)據(jù)庫(kù)模型，研究審評(píng)名優(yōu)西湖龍井新方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

杭州梅家塢龍井43號(hào)制西湖龍井茶葉（6個(gè)等級(jí)，2016年春茶）：特級(jí)（TJ）、一級(jí)（1J）、二級(jí)（2J）、三級(jí)（3J）、四級(jí)（4J）、五級(jí)（5J）。

1.2 儀器與設(shè)備

INOSE型電子鼻、電子舌（多頻脈沖伏安法）：美國(guó)isenso公司，其傳感器陣列如表1、2所示。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 感官審評(píng)。邀請(qǐng)3位具有一級(jí)審評(píng)資質(zhì)的審評(píng)專家對(duì)6個(gè)等級(jí)茶葉進(jìn)行感官審評(píng)，各因子評(píng)分權(quán)重為外形20%、湯色10%、香氣30%、滋味30%、葉底10%，并進(jìn)行評(píng)語(yǔ)記錄[9]。

1.3.2 茶葉審評(píng)樣品處理。準(zhǔn)確稱取有代表性的茶樣3.0 g置于150 mL干凈審評(píng)杯中，用沸水沖泡至150 mL（滿杯）、加蓋靜止4 min，將茶水倒入審評(píng)碗，置于專用樣品瓶?jī)?nèi)，為待測(cè)樣Q。

1.3.3 電子鼻檢測(cè)茶湯樣品。取待測(cè)樣Q進(jìn)行電子鼻檢測(cè)，檢測(cè)方法：檢測(cè)時(shí)間120 s，空氣流量0.3 L/min，清洗時(shí)間150 s，等待時(shí)間10 s，提取響應(yīng)值，樣品平行檢測(cè)[10-11]。endprint

1.3.4 電子鼻檢測(cè)干茶樣品。稱取2 g茶葉樣品于10 mL頂空進(jìn)樣瓶?jī)?nèi)，70 ℃水浴加熱30 min，每個(gè)樣品準(zhǔn)備3組平行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)方法同1.3.3。

1.3.5 電子舌檢測(cè)茶湯樣品。取待測(cè)樣Q應(yīng)用多頻脈沖電子舌檢測(cè)，電子舌掃描參數(shù)：正向最大多頻大幅脈沖電位1.0 V，負(fù)向多頻大幅脈沖電位-1.0 V，步降電壓0.2 V；頻率段為100、10、1 Hz；檢測(cè)時(shí)間為100 s；清洗時(shí)間為90 s。提取響應(yīng)值，每個(gè)樣品平行處理檢測(cè)5次[12-13]。

1.3.6 人工智能數(shù)據(jù)分析法。通過(guò)應(yīng)用試驗(yàn)測(cè)得的傳感器相應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化，采用主成分分析（PCA）法對(duì)優(yōu)化完成的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)特征向量進(jìn)行線性分類分析；建立西湖龍井等級(jí)分析模型圖，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行判別因子分析（DFA），確定模型可行性[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 感官審評(píng)分析

通過(guò)感官審評(píng)，審評(píng)結(jié)果如表3所示。

2.2 基于電子舌對(duì)茶湯的PCA分析

電子舌檢測(cè)數(shù)據(jù)是基于傳感器陣列的多維數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)傳感器陣列為S2-100Hz金電極、S3-1Hz鈀電極、S4-1Hz鎢電極，S6-100Hz銀電極，分析得到的區(qū)別指數(shù)（DI值）為77.41%（圖1）。

由圖1可知，對(duì)西湖龍井茶樣的電子舌信息采集貢獻(xiàn)率最大的第一主成分（PCV1）與貢獻(xiàn)率次之的第二主成分（PCV2）的貢獻(xiàn)率分別為70.2%、11.1%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為81.3%，第一主成分和第二主成分包含西湖龍井茶樣大量信息。沿第一主成分正方向，分別為西湖龍井5J、4J、3J、2J、TJ、1J，除特級(jí)與一級(jí)位置交換外，其余龍井形成較為條理的等級(jí)分布，結(jié)合感官評(píng)定滋味審評(píng)（表1）發(fā)現(xiàn)，TJ與1J 2個(gè)龍井滋味基本相似，人為也很難審評(píng)出差別，可能是由茶葉使用原料差別所造成。

2.3 基于電子舌對(duì)茶湯樣品的DFA分析

主成分分析表明樣品區(qū)別指數(shù)較好（DI值為77.41%），建立電子舌數(shù)據(jù)模型。為了驗(yàn)證電子舌檢測(cè)各等級(jí)西湖龍井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)模型圖的可靠性，從6個(gè)等級(jí)試驗(yàn)茶樣中各取3個(gè)樣品，打亂順序作為盲樣，分別用電子舌進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，得到的盲樣判別結(jié)果（圖2）。

由圖2可知，6個(gè)等級(jí)西湖龍井樣品檢測(cè)未發(fā)生1例誤判，總體識(shí)別率為100%。由以上判別結(jié)果可知，以S2-100 Hz金電極、S3-1 Hz鈀電極、S4-1 Hz鎢電極、S6-100 Hz銀電極為傳感器陣列建立基于電子舌技術(shù)的西湖龍井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)模型具有極高的辨識(shí)能力，能夠快速判別茶樣等級(jí)。

2.4 基于電子鼻對(duì)樣品的PCA分析

2.4.1 茶湯樣品電子鼻PCA分析。智鼻檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)10個(gè)不同金屬氧化物傳感器對(duì)西湖龍井茶湯樣品進(jìn)行檢測(cè)掃描，得到特征響應(yīng)曲線，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)最佳傳感器陣列優(yōu)化，最優(yōu)傳感器組合為S1、S2、S4、S5、S6傳感器陣列，并進(jìn)行主成分分析，如圖3（a）所示。可知，優(yōu)化完成的最佳傳感器陣列第一主成分與第二主成分貢獻(xiàn)率分別為93.2%、4.8%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為98%，說(shuō)明第一主成分和第二主成分包含樣品大量信息，分析得到的區(qū)別指數(shù)為86.1%。

觀察第一主成分坐標(biāo)軸發(fā)現(xiàn)，TJ茶湯與其他5個(gè)等級(jí)茶湯有較大的離散度，第一主成分能較大程度區(qū)分出特級(jí)西湖龍井茶湯；一級(jí)至五級(jí)的龍井茶香氣主成分主要體現(xiàn)在第二主成分上，觀察縱坐標(biāo)發(fā)現(xiàn)，沿第二主成分坐標(biāo)負(fù)向分別為西湖龍井1J、2J、3J、4J、5J，其中龍井2J、3J與4J的茶湯離散度較小，表明這3類茶的香氣成分較接近，造成這一現(xiàn)象的原因很大程度是這3類龍井皆為使用高低等級(jí)龍井拼配工藝，香氣成分相似。

2.4.2 干茶樣品電子鼻PCA分析。智鼻檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)10個(gè)不同金屬氧化物傳感器對(duì)西湖龍井干茶樣品進(jìn)行檢測(cè)掃描，得其特征響應(yīng)曲線，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)最佳傳感器陣列優(yōu)化，最優(yōu)傳感器組合為S2、S4、S5、S6傳感器陣列，并進(jìn)行主成分分析，如圖3（b）所示。

由圖3（b）可知，優(yōu)化完成的最佳傳感器陣列第一主成分（PCV1）與第二主成分（PCV2）貢獻(xiàn)率分別為99.1%、0.8%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為99.9%，說(shuō)明第一主成分和第二主成分包含樣品主要信息，區(qū)別指數(shù)（DI值）為88.0%。沿著縱坐標(biāo)負(fù)方向分別為西湖龍井5J、4J、3J、2J、1J與TJ，形成較為條理的等級(jí)分布，且離散度較好，能直觀區(qū)分各等級(jí)西湖龍井，結(jié)合感官審評(píng)發(fā)現(xiàn)，其條理性準(zhǔn)確無(wú)差別。

2.5 基于電子鼻對(duì)樣品的DFA分析

由主成分分析表明茶湯樣品電子鼻區(qū)別指數(shù)為86.1%、干茶樣品電子鼻區(qū)別指數(shù)為88.0%，區(qū)別指數(shù)均較高，可建立電子舌數(shù)據(jù)模型圖。為了驗(yàn)證電子鼻檢測(cè)各等級(jí)西湖龍井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)模型圖的可靠性，從6個(gè)等級(jí)試驗(yàn)茶樣中各取2個(gè)樣品，打亂順序作為盲樣，分別應(yīng)用電子鼻進(jìn)行進(jìn)樣檢測(cè)，得到盲樣判別結(jié)果，如圖4所示。

由圖4可知，對(duì)6個(gè)等級(jí)西湖龍井樣品進(jìn)行電子鼻檢測(cè)，其中茶湯法中1例三級(jí)茶樣出現(xiàn)誤判，其他未發(fā)生誤判現(xiàn)象，總體識(shí)率為91.67%；干茶法中未出現(xiàn)1例誤判，總體識(shí)別率為100%。由以上判別結(jié)果可知，以S1、S2、S4、S5、S6為傳感器陣列，建立龍井茶湯電子鼻模型；以S2、S4、S5、S6為傳感器陣列，建立龍井干茶電子鼻模型，并將電子鼻檢測(cè)龍井干茶與茶湯方法相結(jié)合，識(shí)別龍井茶等級(jí)的方法具有較高的辨識(shí)能力，能夠快速有效地判別茶樣等級(jí)，并應(yīng)用于實(shí)際工作中。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)應(yīng)用電子鼻、電子舌技術(shù)對(duì)龍井茶等級(jí)（以杭州梅家塢龍井43號(hào)品種制西湖龍井為例）進(jìn)行識(shí)別研究，結(jié)合主成分分析（PCA）與判別因子分析（DFA），建立智鼻、智舌識(shí)別龍井茶等級(jí)新方法。根據(jù)檢測(cè)6個(gè)等級(jí)西湖龍井干茶與茶湯的成分信息，通過(guò)優(yōu)化電子舌與電子鼻傳感器選擇，確定龍井茶等級(jí)識(shí)別最佳傳感器陣列組合。endprint

試驗(yàn)結(jié)果表明，以S2-100Hz金電極、S3-1Hz鈀電極、S4-1Hz鎢電極、S6-100Hz銀電極為傳感器陣列，建立龍井茶湯智舌模型；以S1、S2、S4、S5、S6為傳感器陣列，建立龍井茶湯智鼻模型；以S2、S4、S5、S6為傳感器陣列，建立龍井干茶智鼻模型，并將以上智舌、智鼻檢測(cè)方法相結(jié)合形成的人工智能識(shí)別龍井茶等級(jí)的方法具有極高的辨識(shí)能力，能夠快速有效地判別龍井茶樣等級(jí)，且區(qū)別指數(shù)（DI值）高，模型離散程度好。此方法經(jīng)感官審評(píng)方法驗(yàn)證其科學(xué)性與可行性高，為人工智能識(shí)別龍井茶等級(jí)提供了新途徑與新方法。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.龍井茶：GB 18650-2002原產(chǎn)地域產(chǎn)品[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[2] 汪厚銀，李志，張劍，等.基于氣質(zhì)聯(lián)用/氣相色譜-嗅覺(jué)測(cè)定技術(shù)的西湖龍井茶特征香氣成分分析[J].食品科學(xué)，2012，33（8）：248-251.

[3] 趙愛(ài)鳳，于國(guó)鋒，劉曉艷，等.電子鼻、電子舌在茶葉審評(píng)中的應(yīng)用[J].福建農(nóng)機(jī)，2007（3）：23-26.

[4] 薛丹，史波林，趙鐳，等.基于電子舌技術(shù)的茶葉等級(jí)分類研究[J].食品科技，2010，35（12）：278-281.

[5] 陳哲，趙杰文.基于電子鼻技術(shù)的碧螺春茶葉品質(zhì)等級(jí)檢測(cè)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（11）：133-137.

[6] SHI B，WANG H，ZHAO L，et al.Study on Key Technology for the Disc-rimination of Xihu Longjing Tea Grade by Electronic Tongue[M].Berlin Springer International Publishing，2015.

[7] 吳瑞梅，趙杰文，陳全勝，等.基于電子舌技術(shù)的綠茶滋味品質(zhì)評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（11）：378-381.

[8] NETALE C，MACAGNANO.Electronic nose and sensorial analysis：comparison of performances in selected case[J].Sensor and Actuators B，1998，50（2）：246-252.

[9] 楊國(guó)一，張丹丹，邱曉紅，等.基于電子鼻和電子舌技術(shù)對(duì)不同儲(chǔ)存年份臺(tái)式烏龍茶的識(shí)別分析[J].福建茶葉，2016，38（9）：11-13.

[10] 敖存.龍井茶香氣質(zhì)量評(píng)價(jià)電子鼻輔助方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[11] 陳婷，蔣明忠，彭文，等.基于電子鼻技術(shù)對(duì)云南普洱熟茶的香氣品質(zhì)判別[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，30（2）：339-344.

[12] 潘俊嫻，段玉偉，蔣玉蘭，等.福鼎白茶風(fēng)味的電子鼻和電子舌評(píng)價(jià)[J].食品工業(yè)科技，2017，38（12）：25-30.

[13] 寧珂.電子鼻與電子舌融合技術(shù)及其應(yīng)用[D].吉林：東北電力大學(xué)，2014.

[14] 史波林，趙鐳，支瑞聰，等.應(yīng)用電子鼻判別西湖龍井茶香氣品質(zhì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（增刊2）：302-306.endprint