基于電子鼻對花香型紅茶揮發(fā)性風(fēng)味形成過程分析

諶 珍，劉青茹，周潔蓉，周方林，劉 偉，周 穎

（1.中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州 310016；2.杭州余杭區(qū)徑山綠神茶苑，浙江杭州 311121）

花香型紅茶是采用傳統(tǒng)工夫紅茶制作工藝，再結(jié)合做青技術(shù)制成的兼具傳統(tǒng)紅茶風(fēng)格和獨(dú)特花果香的紅茶。憑借其獨(dú)特的香氣特點(diǎn)深受消費(fèi)者的喜愛，市場需求旺盛。主要工藝包括萎凋（含做青）、揉捻、發(fā)酵、干燥[1]，其中做青是形成花果香的關(guān)鍵工序。目前，茶葉制作過程主要依靠制茶師傅的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)生產(chǎn)，在花香型紅茶中，做青、發(fā)酵等工序進(jìn)展情況主要以香氣變化作為判斷依據(jù)。但依靠人工感官辨別對制茶師認(rèn)知辨識能力要求高，且主觀隨意性強(qiáng)。而理化檢測耗時長，不能及時提供有效信息。電子鼻是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的仿生香氣檢測儀器，利用傳感器技術(shù)和模式識別術(shù)，模仿人類的嗅覺系統(tǒng)進(jìn)行識別、分析的無損檢測技術(shù)，可對樣品揮發(fā)成分整體信息進(jìn)行分析，是快速檢測茶葉香氣的有效手段。

近年來，關(guān)于花香型紅茶的研究集中在加工工藝優(yōu)化、茶樹品種適制性等方面[2-6]。在揮發(fā)性風(fēng)味變化方面，石渝鳳等人[7]用GA-MS研究了黃山群體種加工花香型紅茶過程中香氣物質(zhì)的變化規(guī)律，但香氣提取過程對其組分含量有一定影響，且檢測過程繁瑣、費(fèi)用高、用時長，無法對生產(chǎn)過程進(jìn)行指導(dǎo)。電子鼻系統(tǒng)目前在茶葉中主要應(yīng)用于區(qū)分或評價不同品種、年份的成品茶[8-10]，較少用于研究茶葉加工過程中揮發(fā)性風(fēng)味的變化。而在其他食品領(lǐng)域，電子鼻已經(jīng)有研究應(yīng)用于食品加工（如蟹醬發(fā)酵）過程風(fēng)味監(jiān)控[11]、食品保藏，如各種水果貯存過程中品質(zhì)監(jiān)控[12-13]。

試驗(yàn)利用綠茶茶樹品種的夏秋茶原料加工花香型紅茶，采用電子鼻技術(shù)快速檢測花香型紅茶加工過程中風(fēng)味變化情況，結(jié)合主成分分析（Principal component analysis，PCA）、傳感器載荷分析（Loading analysis，LA）和線性判別式分析（Linear discriminant analysis，LDA）對花香型紅茶加工過程進(jìn)行分析，以期利用電子鼻對加工過程進(jìn)行快速無損檢測分析。這對實(shí)際生產(chǎn)中的品質(zhì)監(jiān)控有重要意義，同時為推進(jìn)花香型紅茶標(biāo)準(zhǔn)化、智能化加工模型形成提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

浙農(nóng)139品種茶葉一芽二、三葉，采自杭州徑山。6CHP-1.8型茶葉烘焙機(jī)，浙江上洋機(jī)械股份有限公司產(chǎn)品；6CFJ-7型箱式紅茶發(fā)酵機(jī)，浙江春江茶葉機(jī)械有限公司產(chǎn)品；YF-6CYQT-90型無級調(diào)速搖青機(jī)，福建安溪縣永鋒機(jī)械有限公司產(chǎn)品；6CTQ-60型茗茶攤青機(jī)，安吉孝源民峰機(jī)械廠產(chǎn)品；PEN3型便攜式電子鼻傳感器，德國Airsense公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

花香型紅茶加工流程見圖1，花香型紅茶加工過程茶葉狀態(tài)變化見表1。

圖1 花香型紅茶加工流程

表1 花香型紅茶加工過程茶葉狀態(tài)變化

花香型紅茶按圖1進(jìn)行加工，每個過程記錄茶葉的狀態(tài)（見表1），并取樣約30 g，迅速冷凍固樣，待測。

1.2.2 電子鼻檢測

樣品稱質(zhì)量（統(tǒng)一干質(zhì)量為0.8 g），剪碎后置于鉗口瓶中，擰緊瓶蓋于室溫平衡1 h，測定。

電子鼻檢測試驗(yàn)條件參數(shù)：電子鼻載氣為空氣，流速300 mL/min，清洗時間80 s，測試時間60 s，樣品通過頂空抽樣方式檢測，每個樣品平行測試3次，取傳感器處于最穩(wěn)定信號時間點(diǎn)進(jìn)行分析。

PEN3型電子鼻傳感器陣列性能見表2。

表2 PEN3型電子鼻傳感器陣列性能

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過WinMuster軟件進(jìn)行PCA分析、LA分析和LDA分析，采用SPSS和Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻對花香型紅茶特征揮發(fā)性風(fēng)味的響應(yīng)

茶葉中的揮發(fā)性物質(zhì)在電子鼻的檢測過程中，其電子鼻傳感器的電導(dǎo)率為G，經(jīng)過電子鼻活性炭過濾后的標(biāo)準(zhǔn)氣體其電導(dǎo)率為G0，電子鼻的系統(tǒng)將得到的2個數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，得到G/G0，即為響應(yīng)值，響應(yīng)值的大小反映揮發(fā)性物質(zhì)含量的變化。傳感器響應(yīng)值大，即揮發(fā)性物質(zhì)含量高；響應(yīng)值小，即揮發(fā)性物質(zhì)含量低[14]。

電子鼻傳感器在花香型紅茶加工過程中響應(yīng)值見圖2。

圖2 電子鼻傳感器在花香型紅茶加工過程中響應(yīng)值

圖2 為電子鼻各傳感器的響應(yīng)值隨花香型紅茶加工過程中的變化，W2W，W5S和W1W 3個傳感器對樣品響應(yīng)值較大，W1S次之，其余6個傳感器響應(yīng)值在1左右且變化小。因此，可以表明花香型紅茶在加工過程中，其特征性風(fēng)味可能主要來自于氮氧化合物、萜烯類、有機(jī)硫化物，甲基類物質(zhì)或其相關(guān)成分。

花香型紅茶加工中主要傳感器的響應(yīng)值見表3。

表3 花香型紅茶加工中主要傳感器的響應(yīng)值

從表3可以看出，4個傳感器對應(yīng)響應(yīng)值在花香型紅茶加工過程中，總體都是呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在做青時到達(dá)頂點(diǎn)，下降過程中在發(fā)酵中期出現(xiàn)小高峰。主要源于曬青及做青過程中光化學(xué)反應(yīng)和活躍的酶促反應(yīng)，萜烯類、芳香族類香氣物質(zhì)游離出來，感官方面表現(xiàn)為一方面青葉的青臭氣由濃轉(zhuǎn)淡，另一方面清香逐漸由淡轉(zhuǎn)濃，并帶花果香。發(fā)酵過程是依賴于鮮葉內(nèi)源酶的酶促氧化作用，發(fā)酵經(jīng)過揉捻后，細(xì)胞組織破壞嚴(yán)重，同時處于高溫高濕的環(huán)境，氨基酸、胡蘿卜素等不飽和脂肪酸氧化降解形成揮發(fā)性化合物。隨著發(fā)酵的繼續(xù)進(jìn)行和干燥程序使得水分大量散失，茶葉表面香氣損失較大，感官鑒別難度增加。與表1中花香型紅茶加工過程中狀態(tài)變化相比較，可以發(fā)現(xiàn)與其香氣濃度感知情況基本符合。

2.2 PCA結(jié)果

PCA是將多變量線性轉(zhuǎn)換選出較少重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法，可將傳感器獲取的多指標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，并對特征向量進(jìn)行線性分類，最終在PCA圖上顯示主要的二維圖，貢獻(xiàn)率越大越能更好地反映樣品信息[11]。

花香型紅茶加工過程的PCA分析見圖3。

圖3 花香型紅茶加工過程的PCA分析

由圖3可知，花香型紅茶各加工過程主成分分析，第一主成分（PC1）、第二主成分（PC2） 貢獻(xiàn)率分別為95.91%，3.36%，累計貢獻(xiàn)率為99.27%，表示2個主成分代表了樣本的大部分信息特征。加工過程前后樣品之間基本上可以區(qū)分開，花香型紅茶加工各階段呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。發(fā)酵中期前樣品分布較集中，曬青到做青1在第一主成分向右變化，說明第一主成分增加，做青2相較于做青1，第二主成分增加，做青3、揉捻、發(fā)酵中期三者差異較??；發(fā)酵中期前與發(fā)酵后期從第一主成分分析向左變化很大。

2.3 LDA結(jié)果

LDA是研究樣品所屬類型的一種統(tǒng)計方法，利用所有傳感器的信號，以提高分類準(zhǔn)確性，更加注重樣品在空間的分布狀態(tài)及彼此之間的距離分析。

花香型紅茶加工過程的LDA分析見圖4。

圖4 花香型紅茶加工過程的LDA分析

由圖4可知，第一主成分（LDA1）、第二主成分（LDA2）貢獻(xiàn)率分別為91.18%，3.70%，累計貢獻(xiàn)率為94.88%，涵蓋了樣本大部分信息特征。從鮮葉、萎凋到發(fā)酵中期樣本分布呈明顯變化趨勢，基本可以達(dá)到區(qū)分各工藝過程的目的，發(fā)酵中期前7個樣本在第一主成分上相差較小，在第二主成分上則表現(xiàn)先減少后增加再減少的趨勢，做青后期香氣豐度最大。與發(fā)酵后期、初烘、復(fù)烘樣本比較可以發(fā)現(xiàn)距離較遠(yuǎn)，第一主成分變化明顯，發(fā)酵后期與初烘第一主成分減小，復(fù)烘第一主成分與第二主成分都減小。

2.4 LA結(jié)果

LA可以檢查PCA空間中傳感器對模型數(shù)據(jù)分布的影響，通常用來體現(xiàn)傳感器在識別模式中的重要程度，位點(diǎn)坐標(biāo)表示其在主成分上的比例，如坐標(biāo)值越大，說明傳感器對檢測樣品的風(fēng)味較敏感，該傳感器是識別傳感器。

花香型紅茶加工過程的LA分析見圖5。

從圖5可以看出，第一主成分（LA1）、第二主成分（LA2） 貢獻(xiàn)率分別為95.91%，3.36%，累計貢獻(xiàn)率為99.27%，涵蓋了樣本大部分信息特征。S1，S3，S4，S5，S10傳感器的分布接近于零坐標(biāo)，并且位置接近，說明其信號變化較弱，貢獻(xiàn)率小。S6對第一、第二主成分有一定貢獻(xiàn)率，S2，S7，S9是第一主成分的主要識別傳感器，所以第一主成分主要是氮氧化合物、有機(jī)硫化物、萜烯類物質(zhì)，S2同時在第一、第二主成分上貢獻(xiàn)率都比較大，表明氮氧化合物是花香型紅茶加工中主要揮發(fā)性成分，同時也是區(qū)分花香型紅茶加工各階段的主要傳感器。

圖5 花香型紅茶加工過程的LA分析

3 結(jié)論

通過比較花香型紅茶加工過程中電子鼻傳感器響應(yīng)值變化與茶葉狀態(tài)變化，可以發(fā)現(xiàn)香氣濃度感知情況基本一致，且具有比感官更精準(zhǔn)的判斷能力。與LA結(jié)果結(jié)合可以看出，花香型紅茶含量變化較為明顯的揮發(fā)性成分可能是氮氧化合物、萜烯類、有機(jī)硫化物，甲基類物質(zhì)或其相關(guān)成分。PCA和LDA能較好地區(qū)分花香型紅茶加工各階段，且呈現(xiàn)較明顯的變化趨勢，因此電子鼻系統(tǒng)可用于加工中的快速無損檢測，對于實(shí)際生產(chǎn)中的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化生產(chǎn)具有借鑒意義。