智能感官分析技術(shù)在茶葉分類中的應(yīng)用

張成梅 黃偉 于杰 王雅潔*

（1.貴州省分析測試研究院 貴州省貴陽市 550000）（2.貴州省食品安全檢測應(yīng)用工程技術(shù)研究中心有限公司 貴州省貴陽市 550000）

1 智能感官分析技術(shù)產(chǎn)生的背景

自古以來，茶葉就是國人生活中一種必不可少的飲料。中國是全球茶葉的重要產(chǎn)地，茶葉產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達(dá)。但是，長久以來，對茶葉品質(zhì)的分類始終依賴于人工，通過感官審評、理化指標(biāo)等方法進(jìn)行。

感官評審是由查評師根據(jù)自身的專業(yè)知識和工作經(jīng)驗(yàn)，對茶葉的味道、外觀等進(jìn)行綜合評定。感官品評雖然具有直接、便利等優(yōu)勢，但是對于茶評師的專業(yè)水平要求較高，而且茶評師可能受外界多種的因素的影響，導(dǎo)致審批結(jié)果的不準(zhǔn)確?？赡苡绊懙耐饨缫蛩匕ㄐ嵊X受外界其他氣味的干擾、其他食物和溫度對味覺產(chǎn)生影響，身體狀況、實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)樣存在差異等其他因素的影響等。

理化指標(biāo)是運(yùn)用相關(guān)的技術(shù)手段，對茶葉內(nèi)所含物質(zhì)進(jìn)行檢測，最終對茶葉的品質(zhì)做出客觀的評價(jià)。理化識別雖然具有準(zhǔn)確性較高等優(yōu)勢，但是檢測操作相對復(fù)雜，花費(fèi)的資金較高，審評的周期相對較長，所以，一般作為茶葉審評的輔助手段。由于茶葉中的有機(jī)成分有600 多種，無機(jī)礦物質(zhì)有超過40 種，再加上各種味道相互作用，所以，通過理化識別測定的數(shù)據(jù)無法真實(shí)全面地對被檢測樣品的味覺做出判斷。

在此背景下，智能感官分析技術(shù)由于不需要對樣本進(jìn)行預(yù)處理，而且能夠?qū)Σ枞~的香氣、味道和外觀做出相對可靠的評判結(jié)果和指紋信息，成為目前茶葉審評領(lǐng)域眾多專家關(guān)注的熱點(diǎn)，也代表著未來茶葉審批的發(fā)展趨勢。

2 技術(shù)原理

智能感官分析技術(shù)是借助傳感器、信號采集器、分析系統(tǒng)，對人體感官系統(tǒng)的感知過程進(jìn)行模擬，從而準(zhǔn)確判斷。在智能感官分析技術(shù)應(yīng)用過程中，傳感器與人類的感覺器官類似，當(dāng)發(fā)現(xiàn)被測樣本中的某種屬性或物質(zhì)時(shí)，就會發(fā)出響應(yīng)信號；信號采集器與人類的神經(jīng)系統(tǒng)類似，對接收到的響應(yīng)信號能夠進(jìn)行相應(yīng)的簡單處理和傳輸；電腦與人腦類似，通過對信號的深度處理和綜合分析，最后得出整體的結(jié)論。

目前，機(jī)器視覺、電子鼻、電子舌技術(shù)、茶湯電導(dǎo)率系統(tǒng)、近紅外光譜技術(shù)等智能感官分析技術(shù)被用于茶葉的檢測和審評。其中，機(jī)器視覺對茶葉的外觀、顏色等進(jìn)行判斷；電子鼻主要用于茶葉香氣的判斷；電子舌主要用于茶葉味道的判斷；茶湯電導(dǎo)率系統(tǒng)通過對茶湯中的電導(dǎo)率進(jìn)行測定，評估茶葉的品質(zhì)；近紅外光譜技術(shù)用于檢測茶葉中各種物質(zhì)的含量。

機(jī)器視覺、電子鼻、電子舌技術(shù)雖然具有不同的功能，但是有著相似的工作流程和原理，工作的步驟主要包括傳感器產(chǎn)生響應(yīng)信號、對響應(yīng)信號進(jìn)行預(yù)處理、提取樣品特征信息、建立相關(guān)模型并進(jìn)行模式識別，可見圖1。

3 智能感官分析技術(shù)在茶葉分類中的應(yīng)用

3.1 機(jī)器視覺在茶葉分類中的應(yīng)用

圖1：智能感官技術(shù)工作流程

從茶葉的感官評審來看，茶葉的質(zhì)量大多通過視覺進(jìn)行判斷，具體包括干茶的色澤和外形、茶湯的湯色、葉底的外形和顏色等。因此，不僅要求茶評者具有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)和扎實(shí)的專業(yè)知識，而且對審評的環(huán)境也有著嚴(yán)格的要求。茶評者評判的不穩(wěn)定也成為茶葉行業(yè)亟需解決的重要問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用，避免了傳統(tǒng)感官審評的不確定性。

電子計(jì)算機(jī)圖像處理與識別技術(shù)是一門跨學(xué)科的前言高科技，主要研究圖像編碼與壓縮、圖像預(yù)處理、圖像增強(qiáng)、圖像變換、圖像恢復(fù)、圖像分割與分析等。即輸入待測圖樣，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖樣數(shù)據(jù)處理，然后依據(jù)已有的參考數(shù)據(jù)，對待測樣品進(jìn)行分類與識別，從而得出客觀的參考數(shù)據(jù)和參考結(jié)果。

由于機(jī)器視覺技術(shù)開始于20 世紀(jì)50 年代，目前已成熟應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、交通等領(lǐng)域，因此關(guān)于機(jī)器視覺進(jìn)行茶葉品質(zhì)的研究較多。專家指出，在茶葉的外形評價(jià)方面，對于條形茶來分析，茶葉葉片的平均幅度、面積、短徑、周長、經(jīng)脈等與茶葉的品質(zhì)也有一定的相關(guān)系數(shù)。如高檔茶嫩度好、條索緊結(jié)：低檔茶條索粗松、樸片多。感官審評與色差分析具有較高的相關(guān)性，能綜合反映茶葉品質(zhì)水平。

3.2 電子鼻在茶葉分類中的應(yīng)用

電子鼻又稱氣味掃描儀，能夠模擬人類的嗅覺，對各種氣味和揮發(fā)性成分進(jìn)行分析和識別。茶葉香氣是決定茶葉品質(zhì)的重要因子之一，歷來被茶葉研究者所重視。茶葉香氣的含量低微、組成成分復(fù)雜，且具有易揮發(fā)和不穩(wěn)定的特性，在茶葉的感官審評中，容易受到空氣溫濕度和感官審評人的個(gè)人因素影響，如何消除不穩(wěn)定的主觀因素是茶葉香氣評審的重要內(nèi)容。電子鼻的推廣和應(yīng)用，就能很好的消除這一不穩(wěn)定因素。

電子鼻技術(shù)在茶葉香氣評價(jià)上有著廣闊的發(fā)展前景，大量的數(shù)據(jù)研究資料也表明，應(yīng)用電子鼻香氣的探測對無性系茶樹品種進(jìn)行分類是完全可行的。運(yùn)用電子鼻檢測技術(shù)檢測不同種類的氣味具有耗時(shí)短、速度快、測定評估范圍重復(fù)性好、可避免人為的誤差等優(yōu)點(diǎn)。此外，電子鼻還能檢測一些人鼻不易察覺到的微弱氣體，這對茶葉的嗅覺審評來講是大有裨益的。目前，雖然科學(xué)家還沒有完全分析出動物的嗅覺原理，但隨著電子鼻傳感器材料的發(fā)展，尤其是生物芯片、生物技術(shù)、集成化技術(shù)的提高和納米技術(shù)的提高和應(yīng)用，使得電子鼻的靈敏度和準(zhǔn)確的得到了極大的提升，在實(shí)際生產(chǎn)和工作中，得到了很大的實(shí)用。

3.3 電子舌在茶葉分類中的應(yīng)用

自1990 年第一臺電子舌系統(tǒng)被研發(fā)以來，電子舌實(shí)現(xiàn)了對酸、甜、咸、苦多種味道的成功分辨，也引起了更多人的關(guān)注和使用。電子舌是非特異性傳感器的液體分析系統(tǒng)，不僅能夠?qū)Ρ粶y茶葉的物質(zhì)組成進(jìn)行準(zhǔn)確測定，而且能夠?qū)Σ煌镔|(zhì)的含量進(jìn)行測定，對茶葉的品質(zhì)做出定性和定量分析。該技術(shù)靈敏度高、重復(fù)率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了眾多專家和科研人員的認(rèn)可，引發(fā)了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，在茶葉的味道評審和分類上也展示出了廣闊的發(fā)展前景。2003年，Larisa Lvova運(yùn)用電子舌技術(shù)對綠茶、咖啡等飲料進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，該技術(shù)能夠?qū)Х葔A、茶多酚、蔗糖和葡萄糖等物質(zhì)的含量進(jìn)行準(zhǔn)確測定，能夠正確識別紅茶、綠茶和咖啡。其他研究也表明，電子舌技術(shù)能夠準(zhǔn)確識別不同類別的綠茶。如今，如何將電子舌技術(shù)用于茶葉的審評和分類，仍需要科研人員和從業(yè)者的深入研究。

3.4 茶湯電導(dǎo)率系統(tǒng)在茶葉分類中的應(yīng)用

茶湯電導(dǎo)率是依據(jù)茶湯可溶性物質(zhì)多為電解質(zhì)物質(zhì)，且依據(jù)溶液導(dǎo)電率高低可判斷其茶湯電解質(zhì)物質(zhì)高低，從而判斷茶湯可溶性物質(zhì)含量的一種方法。學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，茶湯電導(dǎo)率與茶葉的品質(zhì)密切相關(guān)，花茶、綠茶的茶湯電導(dǎo)率越高，茶葉的品質(zhì)就越高。但是，不同茶葉品種間的電導(dǎo)率存在較大差異。根據(jù)這一研究結(jié)論，茶湯電導(dǎo)率系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于茶葉分類中。

3.5 近紅外光譜技術(shù)在茶葉分類中的應(yīng)用

近紅外光譜(near-infrared spectroscopy)技術(shù)是將近紅外光譜所反映的樣品基團(tuán)、組成或物態(tài)信息等與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，從而測得液體樣本的組成含量，進(jìn)而建立相應(yīng)的定標(biāo)模型，判斷或預(yù)測待測樣品的組成含量，對待測樣品進(jìn)行審評的一種方法。該技術(shù)最初應(yīng)用于農(nóng)業(yè)分析領(lǐng)域，之后才逐步應(yīng)用于煙草行業(yè)。目前，經(jīng)過多年的發(fā)展，近紅外光譜技術(shù)在煙草行業(yè)的應(yīng)用已非常成熟。由于煙草行業(yè)與茶葉行業(yè)存在很多相似之處，傳統(tǒng)的測定方法均為感官審評和理化指標(biāo)檢測，有專家提出，將近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于茶葉的測定和分類，創(chuàng)新茶葉測定方法。但是，在具體的實(shí)踐中，受近紅外光譜技術(shù)適應(yīng)范圍局限性大、取樣難度大等因素的影響，再加上市面上缺少用于茶葉測定的近紅外儀器，儀器的靈敏度不高，專業(yè)技術(shù)人員缺乏，使近紅外光譜技術(shù)用于茶葉測定的研究受到阻礙，在茶葉分類上的應(yīng)用遭遇瓶頸。

4 智能感官分析技術(shù)目前存在的問題

目前，機(jī)器視覺、電子舌、電子鼻等智能感官分析技術(shù)在茶葉分類中取得了一定的研究成果，顯示出較好的研究前景，但是，目前這些技術(shù)仍存在以下不足：

4.1 結(jié)果相對片面

茶葉的成分復(fù)雜，如果只應(yīng)用一種智能感官分析技術(shù)，無法準(zhǔn)確對茶葉的品質(zhì)進(jìn)行評判。所以，在具體的實(shí)踐過程中，應(yīng)將機(jī)器視覺、電子舌、電子鼻、茶湯電導(dǎo)率系統(tǒng)、近紅外光譜技術(shù)等智能感官分析技術(shù)綜合運(yùn)用，才能得出理想的結(jié)果。

4.2 智能感官系統(tǒng)的準(zhǔn)確性有待提高

受多方面因素的影響，智能感官系統(tǒng)無法完全避免誤差的出現(xiàn)，準(zhǔn)確性有待提高。具體分析如下：

（1）現(xiàn)有的傳感器對茶葉的適用性較弱。在智能感官分析技術(shù)的應(yīng)用中，傳感器對測定結(jié)果有著重要影響。如果傳感器對測定的物質(zhì)適用性較弱，就無法做出準(zhǔn)確的測定。在茶葉評審上，應(yīng)積極研發(fā)或篩選對茶葉適用性更強(qiáng)、敏感度更高、響應(yīng)更快的傳感器，從而提升測定的準(zhǔn)確性和可靠性。

（2）樣品的代表性和采樣的科學(xué)性會對模型建立產(chǎn)生影響。在目前的諸多研究中，茶葉樣品存在代表性不強(qiáng)、樣品數(shù)不全的現(xiàn)象，每個(gè)等級的茶葉樣本較多，導(dǎo)致模型的穩(wěn)定性較差，從而影響測定結(jié)果。

（3）存在信號漂移和信號噪聲。受儀器測量參數(shù)、測量方法、測量環(huán)境、樣品來源等因素的影響，傳感器響應(yīng)曲線漂移的情況時(shí)有發(fā)生，從而導(dǎo)致智能感官系統(tǒng)出現(xiàn)誤差，影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在今后的研究中，需要深入研究并采取有效措施，降低信號漂移和噪聲。

4.3 智能感官分析技術(shù)應(yīng)用成本較高

目前各種智能感官分析技術(shù)還沒有得到廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致各種儀器的價(jià)格較高，茶葉測定的費(fèi)用也相對較高。

5 結(jié)語

綜觀茶葉品質(zhì)檢測技術(shù)研究，感官品評最能體現(xiàn)人的感受及對產(chǎn)品的質(zhì)量要求，敏銳、簡單、便捷，但需要有一定的專業(yè)知識和長期的經(jīng)驗(yàn)積累。理化檢測客觀、準(zhǔn)確但過程復(fù)雜且尚難以以某種或某幾種成分的多寡來鑒別茶葉質(zhì)量的高低，反應(yīng)茶葉的整體品質(zhì)。智能感官分析技術(shù)比理化檢測簡便、比感官品評客觀，但也有其技術(shù)上的局限性。相信不久的將來，隨著傳感器技術(shù)、模式識別技術(shù)和感官分析技術(shù)等交叉學(xué)科的發(fā)展，智能感官技術(shù)在茶葉分類中將得到更加廣泛的應(yīng)用，目前感官技術(shù)結(jié)果相對片面、成本高等問題也會逐步得以解決。