基于主成分和聚類分析的浮梁紅茶品質(zhì)評價(jià)

蔡海蘭，楊普香，*，朱鳳新，鮑潤元，李琛

（1.江西省蠶桑茶葉研究所，江西 南昌 330203；2.浮梁縣茶業(yè)局，江西 景德鎮(zhèn) 333400）

江西浮梁產(chǎn)茶久負(fù)盛名，“浮梁紅茶”更是享譽(yù)海外。浮梁紅茶是現(xiàn)江西景德鎮(zhèn)市生產(chǎn)的紅茶，于距今100 余年的光緒年間開始創(chuàng)制[1]。優(yōu)越的地理環(huán)境，獨(dú)特的加工工藝，讓浮梁紅茶獲得了國內(nèi)外市場的歡迎和消費(fèi)者的青睞。1953年“孚釘”工夫紅茶問世，該茶以條索緊、鋒苗好、色澤烏黑泛灰、內(nèi)質(zhì)香氣濃郁高長、湯色紅艷、滋味醇厚等突出優(yōu)點(diǎn)榮獲巴拿馬萬國博覽會金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)潞酮?jiǎng)狀，成為浮梁紅茶的代表作[2]。近年，隨著浮梁茶產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，“浮梁紅茶”生產(chǎn)企業(yè)逐年增加、生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。因此，為了保護(hù)浮梁紅茶的質(zhì)量和特色，保護(hù)我國的傳統(tǒng)茶葉精品，有必要對浮梁紅茶的品質(zhì)特征進(jìn)行研究。

本文通過對不同廠家、不同等級浮梁紅茶產(chǎn)品的生化成分進(jìn)行檢測，利用相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析方法分析浮梁紅茶品質(zhì)特征，并通過構(gòu)建數(shù)學(xué)評價(jià)模型對其品質(zhì)特征進(jìn)行綜合評價(jià)，旨在為浮梁紅茶的品質(zhì)鑒定提供依據(jù)，以規(guī)范浮梁紅茶的生產(chǎn)工藝，保持其品質(zhì)統(tǒng)一及特色，從而促進(jìn)浮梁紅茶產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)步發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料

收集了浮梁紅茶核心茶區(qū)6 家茶企生產(chǎn)的20 個(gè)紅茶產(chǎn)品做樣本。樣本根據(jù)原料采摘方式、嫩度和加工的差異，分為名優(yōu)紅茶和大宗工夫紅茶，其中名優(yōu)紅茶為手工采摘鮮葉加工而成，嫩度為單芽和一芽一葉為主，根據(jù)鮮葉原料老嫩度的不同，分特級、一級、二級（原料為單芽，一芽一葉，一芽二葉）；大宗工夫紅茶為機(jī)采鮮葉加工而成，原料一芽3 葉～4 葉為主。試驗(yàn)將名優(yōu)紅茶的特級、一級、二級、普通工夫紅茶分別記為 t、1、2、g；將 6 個(gè)廠家的樣本依次標(biāo)記為 A、B、C、D、E、F。

1.2 品質(zhì)評價(jià)與分析方法

1.2.1 成分分析

水分含量測定采用GB 5009.3-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》[3]；水浸出物測定采用GB/T 8305-2013《茶水浸出物測定》[4]；咖啡堿測定采用GB/T 8312-2013《茶咖啡堿測定》[5]；氨基酸測定采用GB/T 8314-2013《茶游離氨基酸總量測定》[6]；茶多酚測定采用GB/T 8313-2018《茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法》[7]；灰分測定采用GB 5009.4-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中灰分的測定》[8]；茶黃素、茶紅素、茶褐素測定采用系統(tǒng)分析法[9]。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft office excel 和SPSS20.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 浮梁紅茶的成分分析

對20 個(gè)浮梁紅茶樣本的生化成分進(jìn)行了測定，結(jié)果顯示，20 個(gè)樣本的水分含量平均6.5%，總灰分含量5.1%～5.8%之間；水浸出物36.5%～45.2%，平均41.64%；粗纖維含量7.70%～15.80%，所有產(chǎn)品水分、總灰分、水浸出物含量等質(zhì)量指標(biāo)均符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要求。20 個(gè)樣本的茶多酚含量范圍8.9 %～21.9 %，平均14.09%，游離氨基酸含量2.9%～4.6%，平均3.87%，茶黃素含量0.2 %～0.6 %，平均0.36 %，茶紅素含量2.2 %～4.7%，平均3.37%，茶褐素4.70%～11.20%，平均7.38%。從20 個(gè)樣本的檢測數(shù)據(jù)看，浮梁紅茶水浸出物和氨基酸含量較高，具有滋味鮮爽醇厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。在構(gòu)成紅茶湯色的3 項(xiàng)主要成分中，20 個(gè)樣本的茶黃素和茶紅素含量沒有突出特征，但茶黃素、茶紅素、茶褐素3 者之間比例協(xié)調(diào)，這可能是造成浮梁紅茶湯色偏橙偏黃，滋味甘醇的原因。

2.2 浮梁紅茶品質(zhì)成分的相關(guān)性分析

茶葉色、香、味、形的形成與茶葉中生化成分的含量多少及比例密切相關(guān)。但是在茶葉品質(zhì)形成過程中各種生化成分不是單一地對品質(zhì)起作用，它們之間存在復(fù)雜的相互作用[10]。20 個(gè)樣本的生化成分相關(guān)性分析見表1。

表1 浮梁紅茶樣本化學(xué)成分指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of chemical components from Fuliang black tea

結(jié)果顯示20 個(gè)浮梁紅茶樣本的生化成分間存在著密切的關(guān)聯(lián)程度，如水浸出物、茶多酚、茶黃素、茶紅素間均成顯著的正相關(guān)，粗纖維與游離氨基酸成顯著負(fù)相關(guān)。說明如直接利用生化成分的指標(biāo)值反映浮梁紅茶的感官品質(zhì)，信息會存在重疊，因此，本研究采取主成分分析方法對生化成分進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.3 主成分分析

主成分分析法是采用降維的思想，利用較少的綜合指標(biāo)代替原先的較多的變量，使冗余復(fù)雜的信息簡單化的分析方法，可以揭示茶葉生化組分和品質(zhì)之間的復(fù)雜關(guān)系[10-12]。本研究利用SPSS20.0 對20 個(gè)不同等級浮梁紅茶的茶多酚、水浸出物、茶黃素、茶紅素、茶褐素、粗纖維、游離氨基酸等7 項(xiàng)生化成分進(jìn)行了主成分分析，所得的主成分特征及貢獻(xiàn)率結(jié)果見表2。

表2 主成分的特征值及貢獻(xiàn)率Table 2 Characteristic value and accumulative contribution rate of each pincipal component

從表2可知，前3 個(gè)主成分的特征值大于0.8，累計(jì)方法貢獻(xiàn)率為82.53%，較大地保留了原始信息，故選取了前3 個(gè)特征值做主成分分析。因每個(gè)主成分都是原始變量的線性組合，組合中各變量對主成分的影響可用載荷表示，載荷絕對值越大，其影響越大[13]。當(dāng)主成分的載荷矩陣經(jīng)旋轉(zhuǎn)后載荷系數(shù)更接近1 或者0，可更好地解釋和命名變量。為此，通過SPSS 軟件繼續(xù)對前3 個(gè)主成分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，采用主成分分析的提取方法和具有Kaiser 標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法，表3是旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣，旋轉(zhuǎn)在5 次迭代后收斂。

表3 主成分旋轉(zhuǎn)后的因子載荷Table 3 Loading dose of the rotated prindpal compopents

根據(jù)表3的載荷量的數(shù)據(jù)可知，茶多酚、茶黃素、茶紅素以及水浸出物含量是影響主成分1（PC1）的主要特征向量，載荷量分別為 0.86、0.85、0.85、0.76；游離氨基酸和粗纖維含量是影響主成分2（PC2）的主要特征向量，載荷量分別為為0.86、-0.83；而對主成分3（PC3）貢獻(xiàn)較大的是茶褐素，載荷量為0.94。

2.4 浮梁紅茶品質(zhì)模型的構(gòu)建

各成份的特征向量見表4。

據(jù)此可求出各主成分的函數(shù)表達(dá)式F1、F2和F3。主成分 1：F1=0.267Z茶多酚+0.217Z水浸出物+0.347Z茶黃素+0.314Z茶紅素+0.075Z茶褐素-0.06Z粗纖維-0.131Z游離氨基酸；主成分 2：F2=0.121Z茶多酚+0.248Z水浸出物-0.172Z茶黃素-0.147Z茶紅素+0.007Z茶褐素-0.456Z粗纖維+0.506Z游離氨基酸；主成分 3：F3=-0.195Z茶多酚-0.223Z水浸出物+0.341Z茶黃素+0.093Z茶紅素+0.859Z茶褐素-0.067Z粗纖維-0.041Z游離氨基酸。根據(jù)各樣品在主成分的得分，繪制主成分的二維圖譜，如圖1和圖2所示。

表4 各成份的特征向量Table 4 Characteristic eigenvector of each prindpal compopent

圖1 20 個(gè)浮梁紅茶樣本在第1 主成分和第2 主成分分布Fig.1 Scatter plot of the first and the second principal component analysis of 20 Fuliang black tea samples

從圖1可以看出，20 個(gè)浮梁紅茶樣本可以明顯區(qū)分為2 個(gè)部分，其中2 個(gè)大宗工夫紅茶樣本（Cg，Ag）分布在PC2 有較大的負(fù)分值（-2，-5）的區(qū)域；其他樣品都聚集在PC2（-1，2）的區(qū)域。PC2 正分值的樣品在游離氨基酸的含量上表現(xiàn)較高，粗纖維較低。表明游離氨基酸和粗纖維指標(biāo)可以將鮮葉嫩度較好的浮梁紅茶名優(yōu)茶同鮮葉較老的大宗浮梁工夫紅茶進(jìn)行有效地區(qū)分。在第1、3 主分量圖中，F(xiàn) 廠家的紅茶樣品均位于PC1 的負(fù)向區(qū)域和PC3 的正向區(qū)域；D 廠家的紅茶樣品均位于PC1 和PC3 的負(fù)向區(qū)域；E 廠家的紅茶樣品均位于PC1 的正向區(qū)域。而A、B 廠家的紅茶樣品主要分布PC1 和PC3 的正、負(fù)向兩個(gè)區(qū)域。由表3的得分系數(shù)，結(jié)合紅茶加工工藝分析，第3 主分量上茶褐素的正分值最高，而通常紅茶加工過程中發(fā)酵程度越重茶褐素含量越高[14]；第1 主分量上茶黃素、茶紅素的正分值較高，通常紅茶加工過程發(fā)酵程度較輕時(shí)會有此表現(xiàn)[15]。說明在一定程度上PC1 和PC3 可以判別紅茶生產(chǎn)廠家發(fā)酵程度的輕重，進(jìn)而可以作為不同生產(chǎn)廠家的判別因子，從數(shù)據(jù)分析來看F 廠家發(fā)酵偏重，E廠家的發(fā)酵偏輕，這與感官審評品質(zhì)的湯偏紅或偏黃相吻合。

圖2 20 個(gè)浮梁紅茶樣本在第1 主成分和第3 主成分分布Fig.2 Scatter plot of the first and the third principal component analysis of 20 Fuliang black tea samples

2.5 聚類分析

對20 個(gè)浮梁紅茶樣本的7 項(xiàng)生化成分進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，采用歐式距離、類平均法為度量準(zhǔn)則，得到聚類分析圖3。當(dāng)距離大于20 時(shí)，樣品可分為2 類，其中 2 個(gè)大宗工夫紅茶（Cg，Ag）為一類，18 個(gè)不同等級的名優(yōu)紅茶聚為一類；當(dāng)距離小于20 時(shí)，可將20 個(gè)浮梁紅茶樣本很好的分為3 大類，其中2 只大宗工夫紅茶（Cg，Ag）仍為一類，E 廠家、A 廠家和部分 B 廠家生產(chǎn)的不同等級的名優(yōu)紅茶聚為一類；F 廠家和D 廠家與部分B 廠家生產(chǎn)的不同等級的名優(yōu)紅茶聚為一類。由此可見，浮梁紅茶的生化成分指標(biāo)對于鮮葉原料老嫩差異較大的名優(yōu)紅茶和大宗工夫紅茶的區(qū)分有較好指導(dǎo)意義，通過樣本的生化成分含量的綜合值可以將名優(yōu)浮梁紅茶和大宗浮梁工夫紅茶成功區(qū)分。

圖3 20 個(gè)浮梁紅茶樣品的聚類分析Fig.3 Cluster dendrogram of 20 Fuliang black tea samples

3 結(jié)論與討論

根據(jù)文獻(xiàn)大量報(bào)道，生化成分是影響紅茶品質(zhì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[16-17]。紅茶感官品質(zhì)的形成與茶多酚、氨基酸、咖啡堿、可溶性糖、茶色素等物質(zhì)的含量密切相關(guān)[18]。本研究通過對浮梁紅茶的主要生化成分進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，20 個(gè)浮梁紅茶的水浸出物、茶多酚、游離氨基酸總量、茶黃素、茶紅素、茶褐素6 種物質(zhì)的平均含量分別為41.64%、14.09%、3.87%、0.36%、3.37%、7.38%。說明浮梁紅茶品質(zhì)形成有較好的物質(zhì)基礎(chǔ)，只要科學(xué)掌握加工技術(shù)，生產(chǎn)的浮梁紅茶一般均有較好的品質(zhì)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)記載，對比國內(nèi)其他中小葉種紅茶產(chǎn)區(qū)的紅茶產(chǎn)品品質(zhì)[19]，浮梁紅茶的水浸出物和游離氨基酸含量較高，具有明顯的地域特色。

據(jù)浮梁紅茶主要生化成分的主成分與聚類分析結(jié)果可以看出，7 項(xiàng)生化成分都對浮梁名優(yōu)紅茶和大宗工夫紅茶的區(qū)分起關(guān)鍵的作用。從主成分分析結(jié)果看，粗纖維和游離氨基酸總量對于原料老嫩差異較大的名優(yōu)紅茶和大宗工夫紅茶的分類貢獻(xiàn)較大，但不同等級浮梁名優(yōu)紅茶的區(qū)分不明顯，這其中的原因可能是浮梁名優(yōu)紅茶原料的老嫩差異較小等原因所至，同時(shí)也可能受本研究樣本量少，難以對其等級的進(jìn)行成功劃分影響。

茶黃素、茶紅素和茶褐素含量高低及比例是紅茶品質(zhì)優(yōu)劣的重要生化指標(biāo)[10]，不同生產(chǎn)企業(yè)對紅茶加工各工序的程度控制有一定差異，3 種生化成分的含量也存在一定差異，本研究主成分分析結(jié)果也顯示，3 種生化成分含量及比例對區(qū)分不同生產(chǎn)企業(yè)有一定的參考作用。