基于智能感官多源信息融合技術(shù)的滇紅工夫茶湯綜合感官品質(zhì)評價

陳佳瑜，袁海波，沈 帥，鄧余良，劉政權(quán)，謝佳靈，楊艷芹,*，江用文,*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部茶樹生物學(xué)與資源利用重點實驗室，浙江 杭州 310008；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點實驗室，安徽 合肥 230036）

紅茶是我國僅次于綠茶的第二大茶類，屬于全發(fā)酵茶，是以適宜的茶樹新芽葉為原料，經(jīng)萎凋、揉捻、發(fā)酵、干燥等一系列工藝過程精制而成。其中，滇紅是特產(chǎn)于我國云南省的一類大葉種工夫紅茶，因其優(yōu)良的品質(zhì)而聞名于國內(nèi)外。優(yōu)質(zhì)的滇紅工夫茶芽葉肥壯、湯色紅艷、香氣馥郁、滋味濃醇、葉底勻軟。眾所周知，茶湯的綜合品質(zhì)主要反映在香氣、滋味和色澤3 個方面。目前，茶湯的品質(zhì)評價主要依靠人工感官評價，受環(huán)境氣候、心理狀況等條件的影響其審評結(jié)果一致性和重復(fù)性較差；其次，市場上的普通消費者通常以價格高低和主觀經(jīng)驗判斷其品質(zhì)高低。因此，有必要建立一個客觀、快速、準(zhǔn)確的方法用以判斷和評價茶湯的綜合感官品質(zhì)。

伴隨傳感器技術(shù)、電子、生物化學(xué)和人工智能的發(fā)展，一些智能感官設(shè)備應(yīng)運而生。它們具備簡單客觀、穩(wěn)定可靠、靈敏度高的優(yōu)點。目前，智能感官儀器的使用多集中在對茶湯單一感官屬性的評價研究。例如，王蔚等采用金屬傳感器電子鼻實現(xiàn)了13 個不同品種烏龍茶的有效區(qū)分，為烏龍茶香氣的快速判別方法提供良好的借鑒。Chen Jiayu等采用氣相電子鼻結(jié)合多元統(tǒng)計分析實現(xiàn)44 個滇紅工夫茶湯感官等級的判別以及感官評分的預(yù)測。姚月鳳等基于電子舌技術(shù)建立工夫紅茶甜醇滋味的識別方程，預(yù)測準(zhǔn)確率達到93.8%。馬婉君等比較了3 種不同的方法對六堡茶茶湯色澤進行提取和模擬，發(fā)現(xiàn)基于計算機視覺的圖像采集裝置結(jié)合Adobe Color CC的茶湯色澤參數(shù)提取方法能更真實地反應(yīng)茶湯色澤。王家勤等建立基于色差系統(tǒng)的茶湯亮度的量化評價方法，可實現(xiàn)工夫紅茶亮、暗茶湯的有效區(qū)分。目前關(guān)于采用電子鼻、電子舌、電子眼融合技術(shù)對茶湯綜合品質(zhì)的研究鮮有報道。

為了更客觀、快速、準(zhǔn)確地評價滇紅工夫茶湯綜合品質(zhì)，以專家感官審評為依據(jù)，通過快速氣相電子鼻技術(shù)、電子舌、電子眼多源信息融合技術(shù)結(jié)合多元統(tǒng)計分析對茶湯綜合品質(zhì)進行客觀量化評價，研究結(jié)果將為茶湯的品質(zhì)控制和質(zhì)量評價提供有效的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

從市場上收購了來自云南省不同產(chǎn)地（臨滄鳳慶縣、臨滄雙江縣、臨滄云縣、保山昌寧縣、普洱、西雙版納等地）、不同外形（條形、彎曲形、螺形等）的商品茶，共21 個典型的滇紅工夫茶樣。

純凈水 杭州娃哈哈集團有限公司；正構(gòu)烷烴C～C混合標(biāo)準(zhǔn)品 美國Restek公司；36.5%鹽酸（分析純） 常州市旭宏化工有限公司；氯化鈉 上海阿拉丁生化科技股份有限公司；-谷氨酸鈉 北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Heracles II快速氣相電子鼻、ASTREE電子舌及配置第6套傳感器、IRIS VA400型電子眼 法國Alpha Mos公司；20 mL頂空進樣瓶 美國Agilent科技公司；100 mL燒杯 重慶欣維爾玻璃有限公司；國家標(biāo)準(zhǔn)茶葉審評杯碗 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所；電子天平北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 茶湯制備

按照GB/T 23776—2018《茶葉感官審評方法》，稱取3.0 g茶葉，注入150 mL沸水于審評杯中并加蓋，計時5 min后，將茶湯濾出置于審評碗中。

1.3.2 感官審評

由評茶專家小組（5 人均具有國家高級評茶員及以上等級職業(yè)資格）對茶湯的香氣、滋味、色澤這3 個屬性分別進行描述和評分。評價標(biāo)準(zhǔn)在GB/T 23776—2018《茶葉感官審評方法》的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化調(diào)整（表1），按照分?jǐn)?shù)范圍分為3 個級別：90～99 分為甲級，80～89 分為乙級，70～79 分為丙級。評分采用百分制，除掉一個最高分和一個最低分后取平均值作為最終得分，其中香氣、滋味、色澤的評分系數(shù)參照國標(biāo)，其權(quán)重依次為25%、30%、10%，并采用歸一法作為茶湯綜合品質(zhì)得分。

表1 滇紅工夫茶湯香氣、滋味、色澤的審評標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation criteria for aroma, taste and color of Dianhong Congou tea infusion

1.3.3 快速氣相電子鼻檢測

采用頂空自動進樣裝置結(jié)合Heracles II快速氣相電子鼻進行檢測分析，將待檢的茶湯樣品加入20 mL頂空瓶中，加蓋密封。每個樣品重復(fù)測定3 次。為得到良好的色譜信息，通過預(yù)實驗確定了茶湯體積4 mL、孵化溫度65 ℃和孵化時間30 min為最佳頂空進樣條件。Heracles II快速氣相電子鼻系統(tǒng)包含2 根長20 m、柱徑180 μm且極性不同的色譜柱（MXT-5為弱極性色譜柱，MXT-1701為中極性色譜柱），以及2 個火焰離子化檢測器（flame ionization detector，F(xiàn)ID）。一次進樣，雙柱分析，同時生成兩張總離子流圖。采用正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)溶液（C～C）進行校準(zhǔn)，將化合物的保留時間轉(zhuǎn)化為保留指數(shù)，參考Kovats保留指數(shù)結(jié)合AroChemBase數(shù)據(jù)庫對化合物進行鑒定。氣味特征描述來自AroChemBase數(shù)據(jù)庫和The Good Scents Company。

1.3.4 電子舌檢測

取1.3.1節(jié)制備好的茶湯，經(jīng)150 目濾布過濾后轉(zhuǎn)移到100 mL電子舌專用燒杯中。測樣前對傳感器進行活化、校準(zhǔn)和診斷，確保傳感器狀態(tài)穩(wěn)定。參考王銀誠等的檢測方法，編輯序列時以“純水-茶湯-純水”的順序進行，即保證每杯茶湯檢測后及時清洗傳感器避免交叉影響。每杯茶湯循環(huán)測定7 次，選取后3 次穩(wěn)定的測量數(shù)據(jù)進行分析。

1.3.5 電子眼檢測

調(diào)整鏡頭的曝光度和焦距，并將比色卡置于光源穩(wěn)定的光室內(nèi)進行自動校準(zhǔn)。根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果選擇頂部及底部標(biāo)準(zhǔn)光源（2×2熒光燈燈管）作為照明條件，采用5 mm光圈的CMOS攝像頭采集茶湯樣品的圖像。每個茶湯樣品固定于白色背景板下同一個位置進行拍攝，重復(fù)采集圖像3 次。對采集圖像進行統(tǒng)一預(yù)處理，提取圖像中心圈的特征信息，記錄其全部色號及相應(yīng)面積比例作為分析數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用MATLAB 2017a軟件（美國MathWorks公司）對電子鼻、電子舌、電子眼采集的數(shù)據(jù)進行-socre標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

式中：為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值；為原始數(shù)值；為平均值；為標(biāo)準(zhǔn)差。

采用SIMCA 14.1軟件對不同感官品質(zhì)級別的茶湯進行正交偏最小二乘判別分析（orthogonal partial least squares-discrimination analysis，OPLS-DA），進一步對茶湯綜合品質(zhì)評分進行偏最小二乘回歸（partial least squares regression，PLSR）擬合。單因素顯著性分析和逐步多元回歸分析（stepwise multiple linear regression，SMLR）采用SPSS 23.0 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 感官審評結(jié)果分析

參照工夫紅茶的感官審評國家標(biāo)準(zhǔn)，香氣、滋味、湯色的評分系數(shù)分別為25%、30%和10%，因本研究以茶湯作為研究對象，外形（25%）和葉底（10%）不在茶湯品質(zhì)評價的范圍內(nèi)，因此按照25%、30%、10%（香氣、滋味、湯色）的系數(shù)比對茶湯的綜合品質(zhì)評分進行百分制計算。

如表2所示，香氣的分值范圍70.00～94.67，滋味的分值范圍為70.00～95.67，湯色的分值范圍為83.33～93.67，綜合品質(zhì)的分值范圍為73.03～95.00，單因素分析結(jié)果表明茶湯感官品質(zhì)在不同樣品之間存在極顯著差異（＜0.01）。本研究中，以綜合品質(zhì)的最終得分將茶湯分成甲類、乙類和丙類，21 個樣品中包含4 個甲類茶湯（樣本1～4，90～99 分），11 個乙類茶湯（樣本5～15，80～89 分），6 個丙類茶湯（樣本16～21，70～79 分）。甲、乙、丙每類代表性茶湯樣本如圖1所示。

表2 實驗所用21 個滇紅工夫茶湯綜合感官分析結(jié)果Table 2 Results of comprehensive sensory quality of 21 Dianhong Congou tea infusions

圖1 甲、乙、丙每類代表性茶湯樣本Fig. 1 Representative tea infusion samples in categories A, B and C

2.2 電子鼻、電子舌、電子眼信號分析和特征信息提取

2.2.1 電子鼻信號分析和特征信息提取

傳統(tǒng)的電子鼻主要依靠不同的金屬氧化物氣敏傳感器陣列與揮發(fā)性化合物的相互作用，容易產(chǎn)生傳感器漂移、污染的現(xiàn)象且受傳感器數(shù)量限制導(dǎo)致提供的信息高度模糊。作為一種新型的氣味分析儀器，Heracles II快速氣相電子鼻技術(shù)利用了氣相的分離原理，能分離出更多的化合物信號替代了傳統(tǒng)傳感器型電子鼻中有限的傳感信號。

基于信號峰響應(yīng)面積大于500的原則，經(jīng)過極性不同的兩根色譜柱分離篩選出78 個特征峰，鑒定出55 個化合物，其中22 個化合物分別在2 個FID檢測器中被共同識別。由此，得到一個78維的特征數(shù)據(jù)集表征茶湯的香氣品質(zhì)（表3）。

表3 電子鼻、電子眼、電子舌技術(shù)采集到多維特征變量Table 3 Multi-dimensional characteristic variables selected using electronic nose, electronic eye and electronic tongue

2.2.2 電子舌信號分析和特征提取

采用電子舌第6套傳感器系統(tǒng)，包括AHS、ANS、SCS、CTS、NMS、PKS、CPS 7 根傳感器和一個標(biāo)準(zhǔn)參比電極（Ag/AgCl）。其中，AHS、ANS、SCS、CTS、NMS分別對酸、甜、苦、咸、鮮的成味物質(zhì)測定敏感，PKS、CPS則為復(fù)合傳感器。該儀器基于傳感器對化學(xué)品（離子或中性分子）的高選擇性，以及與標(biāo)準(zhǔn)電極之間產(chǎn)生的電勢差，將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

將傳感器探頭浸沒茶湯進行檢測，每個樣本的數(shù)據(jù)采集時間為120 s，其中每秒采集1 個數(shù)據(jù)點，選取110～120 s時間段內(nèi)穩(wěn)定響應(yīng)信號的平均值作為輸出值，由此可以獲得一個7 維的特征數(shù)據(jù)集表征茶湯的滋味品質(zhì)（表3）。如圖2所示，傳感器的響應(yīng)近似呈一條平滑的直線，其中SCS傳感器響應(yīng)最高（介于3 689～3 767），CTS傳感器響應(yīng)最低（介于769～884）。

圖2 電子舌檢測樣品的數(shù)據(jù)直觀圖Fig. 2 Results of electronic tongue

2.2.3 電子眼信號分析和特征提取

每一樣本的圖像信息由不同的色號及相應(yīng)占比構(gòu)成，全部樣本中共提取到27 個特征色號，每個特征色號對應(yīng)特定的、、和*、*、*值。具體而言，RGB顏色系統(tǒng)下值、值、值分別表示紅、綠、藍3 個顏色通道下每種色彩的亮度，Lab模型下*值、*值、*值分別表示亮度、紅綠度、黃藍度。其中，值為120～136，值為56～72，值為8～40，*值為34.7～38.3，*值為17.7～34.1，*值為27.6～45.2。由此，得到一個27 維的特征數(shù)據(jù)集表征茶湯的色澤品質(zhì)。

2.3 基于多源信息融合技術(shù)的茶湯綜合品質(zhì)評價

2.3.1 定性評價

為了對茶湯香氣、滋味、色澤的感官品質(zhì)進行綜合分析，將電子鼻的78 個特征集、電子舌的7 個特征集和電子眼的27 個特征集融合成一個112 維的數(shù)據(jù)集。由于不同來源的數(shù)據(jù)量綱不同無法直接進行分析，因此采用-score歸一化的方法消除量綱之間的差異。

圖3 基于OPLS-DA的3 類茶湯綜合品質(zhì)評價Fig. 3 OPLS-DA plots for comprehensive sensory quality evaluation of three types of tea infusion

圖4 電子鼻（a）、電子舌（b）、電子眼（c）和電子鼻、舌、眼融合（d）模型Fig. 4 Models based on lectronic nose (a), electronic tongue (b) and electronic eye (c) data and their data fusion (d)

2.3.2 定量評價

為了能更進一步找到顯著影響感官品質(zhì)得分的代表性變量，基于PLSR模型篩選的VIP值大于1變量進行SMLR分析。把變量逐個引入模型的過程中，每引入一個新變量就對原有變量進行檢驗，剔除由于加入新變量而變得不再顯著的變量，以此構(gòu)造最優(yōu)的回歸方程。若變量的值的相伴概率（值）小于0.05，那么這個變量將被選入回歸方程中；而當(dāng)變量值的相伴概率大于0.1，則該變量將從回歸方程中被剔除。重復(fù)上述過程，直到不再有新的變量被引入方程和已引入的變量被剔出模型。另外，在線性回歸分析中常伴隨多重共線性的問題，易導(dǎo)致模型過擬合以及預(yù)測能力下降。自變量的容忍度和方差膨脹因子是診斷多重共線性的常用指標(biāo)，通常認(rèn)為容忍度小于0.1或方差膨脹因子大于10時變量之間存在多重共線性。根據(jù)SPSS軟件分析結(jié)果得到的回歸方程如下：

＝83.592－3.132S1－1.228B20＋1.998B27＋1.142Y16－1.939B24，表示感官評分。

該模型＝0.93＞0.8（圖5b），真實值和預(yù)測值的絕對誤差在3.57 分以內(nèi)，相對誤差在4.07%以內(nèi)。所有自變量容忍度大于0.1，方差膨脹因子小于10，說明不存在多重共線性的問題，模型穩(wěn)定可靠。其中，S1（AHS傳感器，Beta＝－0.535）和B27（月桂烯，Beta＝0.356）的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的絕對值最高，表明二者對模型最為重要。AHS傳感器是特定酸味敏感的傳感器，響應(yīng)越高通常意味著樣品滋味越酸，是茶湯滋味的負(fù)面評價，因此也不利于綜合感官品質(zhì)的評分。月桂烯是紅茶中常見的香氣組分，是一種令人愉悅的氣味（花果香），對茶湯香氣表現(xiàn)起到正面作用，因此有利于綜合感官品質(zhì)的評分。

圖5 基于PLSR方法（a）和SMLR方法（b）定量評價茶湯綜合品質(zhì)的模型效果Fig. 5 Quantitative evaluation of comprehensive sensory quality of tea infusion using PLSR (a) and SMLR (b)

表4 基于PLSR方法和SMLR方法定量預(yù)測茶湯綜合品質(zhì)評分的誤差分析Table 4 Error analysis of quantitative prediction of comprehensive sensory quality score using PLSR and SMLR

續(xù)表4

3 結(jié) 論