楊國(guó)一，張丹丹，邱曉紅，吳亮亮，葉小輝，葉乃興*（.福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院/茶學(xué)福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 35000；.福建茶葉進(jìn)出口有限責(zé)任公司，福建福州 35004）

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

楊國(guó)一1，張丹丹1，邱曉紅1，吳亮亮1，葉小輝2，葉乃興1*
（1.福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院/茶學(xué)福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350002；
2.福建茶葉進(jìn)出口有限責(zé)任公司，福建福州 350014）

采用電子鼻和電子舌技術(shù)對(duì)8個(gè)不同儲(chǔ)存年份的臺(tái)式烏龍茶（雪峰玉露）進(jìn)行檢測(cè)。在基于電子鼻的檢測(cè)過程中，采用干茶法、茶湯法和葉底法三種方法對(duì)茶樣進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成份分析（PCA）、判別因子分析（DFA），發(fā)現(xiàn)干茶法是區(qū)分8個(gè)不同儲(chǔ)存年份茶樣的最優(yōu)方法，同時(shí)結(jié)合人工感官審評(píng)，推測(cè)影響電子鼻感受器響應(yīng)值的最主要揮發(fā)性氣體因素是茶樣因儲(chǔ)存過程中產(chǎn)生的“陳味”氣體；基于電子鼻建立了儲(chǔ)存年份為3-10年的臺(tái)式烏龍茶數(shù)據(jù)庫(kù)模型，為未知儲(chǔ)存年份鑒定提供了新途徑；基于電子舌的檢測(cè)過程中，采用第一泡2min、第二泡3min和第三泡5min的沖泡方式對(duì)茶樣進(jìn)行電子舌檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)第一泡和第二泡均能將8個(gè)不同儲(chǔ)存年份的茶樣聚類區(qū)分。

臺(tái)式烏龍茶；雪峰玉露茶；電子鼻；電子舌；儲(chǔ)存年份

茶葉在儲(chǔ)存過程中香氣含量和組成成分都發(fā)生著不同程度的變化，近年來受到許多研究者的重視。曹艷妮［1］在對(duì)不同儲(chǔ)存時(shí)間的普洱熟茶和生茶的香氣成分變化的研究中發(fā)現(xiàn)，熟茶各類香氣成分種類數(shù)對(duì)比生茶都有不同程度的增加，尤其是醇類、含氮類和萜烯類；張靈枝等［2］在對(duì)不同貯藏時(shí)間普洱茶的香氣成分的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著貯藏年份的增加萜烯及其衍生物的含量逐漸增加；郭建華［3］在對(duì)綠茶貯藏過程中揮發(fā)性物質(zhì)變化規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)，綠茶在長(zhǎng)期存放過程中醇類香氣物質(zhì)含量變化為由先下降后增加的變化過程；謝直虎等［4］，利用FTIR法對(duì)儲(chǔ)存年限不同的兩種普洱綠茶的鑒定研究中鑒別了不同儲(chǔ)存年限普洱綠茶。

茶葉因儲(chǔ)存年份的不同，其品質(zhì)和價(jià)值都有所差別。目前，茶葉的品質(zhì)評(píng)估和年份鑒定主要是人工感官審評(píng)。人工感官審評(píng)需要豐富的經(jīng)驗(yàn)積累及專門訓(xùn)練，具有主觀性，同時(shí)，品茶者自身受不同條件的影響，如：身體狀況、審評(píng)環(huán)境和口感靈敏度等多種因素的影響。所以，人工感官審評(píng)具有不一致性、不確定性和不可預(yù)測(cè)性。電子鼻（electronic nose）和電子舌（electronic tongue）均是仿生檢測(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”［5］。電子鼻和電子舌技術(shù)已在食品［6-7］、制藥［8-9］、煙草［10］、化工［11-12］、醫(yī)療診斷［13］等領(lǐng)域有所應(yīng)用，具有檢測(cè)時(shí)間短、樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單、檢測(cè)結(jié)果可靠等特點(diǎn)。

如今，消費(fèi)者對(duì)于茶葉“以質(zhì)論級(jí)、按級(jí)定價(jià)”的呼聲與日高漲，但目前茶葉市場(chǎng)仍存在新茶、陳茶模糊不清，不同年份的茶葉參差不齊的現(xiàn)象。本研究以8個(gè)不同儲(chǔ)存年份的臺(tái)式烏龍茶（雪峰玉露）為研究對(duì)象，利用電子鼻和電子舌技術(shù)結(jié)合感官評(píng)價(jià)對(duì)不同儲(chǔ)存年份的臺(tái)式烏龍茶加以鑒別區(qū)分，以期尋求臺(tái)式烏龍茶儲(chǔ)存年份鑒定的新途徑。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

由福州雪峰文武茶場(chǎng)有限公司提供的儲(chǔ)存年份為3-10年的臺(tái)式烏龍茶（雪峰玉露）共8個(gè)，以及1個(gè)儲(chǔ)存5年的茶樣，市購(gòu)。

1.2儀器與設(shè)備

I-Nose型電子鼻系統(tǒng)，主要由氣泵、氣室、傳感器列陣、信號(hào)采集系統(tǒng)和模式識(shí)別算法幾部分組成。其中傳感器列陣是由十個(gè)氣敏金屬氧化物組成，每個(gè)傳感器對(duì)一類或幾類氣體響應(yīng)比較敏感。表1為電子鼻傳感器列陣信息。

表1　I-Nose型電子鼻10個(gè)傳感器陣列組成

I-Tongue型電子舌系統(tǒng)，以新型的多頻脈沖伏安法為基礎(chǔ)的電子舌系統(tǒng)，由傳感器列陣、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1人工感官審評(píng)方法

邀請(qǐng)福建省茶葉質(zhì)量檢測(cè)中心站的三位審評(píng)專家對(duì)茶葉進(jìn)行審評(píng)。根據(jù)加權(quán)百分法［14］進(jìn)行密碼審評(píng)，各因子評(píng)分權(quán)重：外形20%，湯色10%，香氣30%，滋味30%，葉底10%，并進(jìn)行評(píng)語記錄。

1.3.2電子鼻對(duì)茶樣的檢測(cè)方法

干茶法：將8個(gè)儲(chǔ)存年份的茶樣以相同儲(chǔ)存年份的茶樣為同一組，共8組，每組3次重復(fù)，取5.0g樣品裝入頂空瓶中，70°C水浴30min。

葉底法：將8個(gè)儲(chǔ)存年份的茶樣以相同儲(chǔ)存年份的茶為同一組，共8組，每組3次重復(fù)，取5.0g茶樣放入110ml審評(píng)杯中。泡茶用水為沸滾適度100℃的純凈水，沖泡時(shí)間為5min，然后迅速將葉底與茶水分離。將葉底轉(zhuǎn)入250ml的燒杯中，雙層薄膜密封，靜置30min使得燒杯頂空富集葉底揮發(fā)性成分，同時(shí)水溫冷卻至室溫。

茶湯法：方法同葉底法。另外，將茶水中加入5.0g Nacl用于增強(qiáng)離子強(qiáng)度，從而降低基體對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)的束縛［15］。

電子鼻參數(shù)設(shè)定：電子鼻采樣時(shí)間為180s，氣體流量0.5L/min，清洗時(shí)間150s，等待時(shí)間為10s，提取響應(yīng)值。

1.3.3電子舌對(duì)茶樣的檢測(cè)方法

將8個(gè)儲(chǔ)存年份的茶樣以相同儲(chǔ)存年份的茶樣為同一組，共8組，每組3次重復(fù)，取5.0g茶葉樣品放入110ml審評(píng)杯中，用100℃的純凈水沖泡。每個(gè)平行沖泡3次，第一泡沖泡時(shí)間為2min，第二泡為3min，第三泡為5min。分別進(jìn)行電子舌檢測(cè)，提取響應(yīng)值。

電子舌參數(shù)設(shè)定：激發(fā)電壓1V，電位步進(jìn)0.1V，檢測(cè)靈敏度e-4。

1.4數(shù)據(jù)處理方法

采用雙變量相關(guān)分析法尋求茶樣香氣隨儲(chǔ)存時(shí)間的變化規(guī)律。采用主成分分析（PCA）法對(duì)樣品進(jìn)行辨識(shí)聚類。采用判別因子分析（DFA）進(jìn)行模型驗(yàn)證。

2　結(jié)果與分析

2.1不同儲(chǔ)存年份雪峰玉露茶感官審評(píng)結(jié)果

對(duì)不同儲(chǔ)存年份雪峰玉露茶進(jìn)行感官審評(píng)，結(jié)果如表2所示。從品質(zhì)總分來看，儲(chǔ)存年份5-10年的茶樣中，儲(chǔ)存時(shí)間為3年、5年、10年的茶樣總分大于90分，其中儲(chǔ)存3年的茶樣品質(zhì)總分最高，達(dá)92.8分，而儲(chǔ)存9年的茶樣品質(zhì)總分最低（89.1分），波動(dòng)范圍為3.7，差距不大，表明在儲(chǔ)存過程中雪峰玉露茶的感官品質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。從各審評(píng)因子來看，儲(chǔ)存3年、6年的茶樣外形得分最高（達(dá)93分），儲(chǔ)存3年雪峰玉露茶滋味、香氣得分均最高（達(dá)93分），儲(chǔ)存8年的茶樣湯色得分最高（達(dá)92分）。

感官審評(píng)結(jié)果表明，隨著存放時(shí)間的不同，雪峰玉露茶外形與葉底變化不大；內(nèi)質(zhì)變化：隨儲(chǔ)藏時(shí)間的增加，茶湯顏色不斷加深，滋味由醇厚轉(zhuǎn)變成醇和，香氣也逐漸產(chǎn)生“陳味”，但儲(chǔ)存8年與9年茶樣的香氣與滋味最差，其他年份的茶樣品質(zhì)較好。

圖1　電子鼻各傳感器響應(yīng)值的變化規(guī)律（a）干茶法；（b）茶湯法；（c）葉底法

圖2　電子鼻主成分分析結(jié)果（a）干茶法；（b）茶湯法；（c）葉底法

圖3-1　電子鼻構(gòu)建的不同儲(chǔ)存年份茶樣的模型圖

圖3-2　電子鼻模型驗(yàn)證結(jié)果

2.2基于電子鼻對(duì)茶樣的檢測(cè)結(jié)果

2.2.1電子鼻響應(yīng)值的變化規(guī)律

在基于電子鼻的檢測(cè)中，觀測(cè)到電子鼻10個(gè)傳感器的響應(yīng)值在120s處趨于平衡，因此提取120s處的響應(yīng)值。使用Origin 8.0軟件分別對(duì)每組茶樣的三個(gè)平行的響應(yīng)值取平均值，作其對(duì)應(yīng)的折線圖。結(jié)果如圖1所示，隨著儲(chǔ)存年份的增加，電子鼻對(duì)茶湯和干茶樣品的頂空氣體響應(yīng)值整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。而電子鼻對(duì)葉底的頂空氣體響應(yīng)值并無規(guī)律性變化。因此可推斷，雪峰玉露茶在儲(chǔ)存過程中香氣的變化更多體現(xiàn)在干茶和茶湯方面。另外，圖1發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)存6年和8年的茶樣在電子鼻檢測(cè)中響應(yīng)值比較異常，均低于兩側(cè)儲(chǔ)存年份的茶樣，結(jié)合人工感官審評(píng)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)茶樣均未有“陳味”出現(xiàn)。因此，推測(cè)，影響電子鼻響應(yīng)信號(hào)的最主要揮發(fā)性氣體因素為茶樣在儲(chǔ)存過程中產(chǎn)生的“陳味”氣體。

使用SPSS 20.0軟件對(duì)各個(gè)傳感器的響應(yīng)集進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析。由表3可以看出，在干茶的檢測(cè)中10個(gè)傳感器除了S3（氫氣）外，其他9個(gè)傳感器響應(yīng)值均與儲(chǔ)存年份均呈顯著性正相關(guān)；在茶湯的檢測(cè)中s2（硫化物），s4（醇類），s6（碳?xì)浠衔铮?，s8（揮發(fā)性有機(jī)物），s10（烷烴、可燃性氣體）與儲(chǔ)存時(shí)間呈顯著正相關(guān)；在葉底的檢測(cè)中只有s4（醇類）與儲(chǔ)存時(shí)間呈顯著性正相關(guān)。

2.2.2主成分分析（PCA）

應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)最佳傳感器陣列進(jìn)行優(yōu)化，尋找最適合區(qū)分不同儲(chǔ)存年份茶葉樣品的傳感器組合。干茶法最佳傳感器列陣為S2，S5，S8，S9；茶湯法最佳傳感器列陣為S3，S5，S7，S10；葉底法傳感器最佳列陣為S3，S5，S7，S9，分別進(jìn)行主成分分析（PCA）。經(jīng)PCA分析后得到的區(qū)別指數(shù)（discrimination index，DI）是判斷電子鼻是否能區(qū)分樣品的重要指標(biāo)，DI值越大表示區(qū)分效果越理想。一般當(dāng)DI值大于80%時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)對(duì)樣品能夠進(jìn)行良好的區(qū)分，如果DI值為負(fù)，則代表樣品有部分重合。

結(jié)果如圖2所示，三種方法進(jìn)行電子鼻檢測(cè)，均能夠?qū)?個(gè)儲(chǔ)存年份的茶樣區(qū)分開，但采用干茶法檢測(cè)時(shí)，每個(gè)儲(chǔ)存年份的茶葉樣品的3個(gè)平行樣離散度較小，不同樣品之間互不干擾，經(jīng)PCA分析后得到的區(qū)別指數(shù)（DI值）為三種方法中最高，達(dá)到97.9%，因此干茶法是區(qū)分8個(gè)樣品茶最理想的方法。

表2　不同儲(chǔ)存年份雪峰玉露茶感官審評(píng)結(jié)果

表3　傳感器響應(yīng)值與儲(chǔ)存時(shí)間的相關(guān)性

2.2.3判別因子分析（DFA）

由主成分分析得出，采用干茶法檢測(cè)時(shí)，每個(gè)儲(chǔ)存年份的茶樣的3個(gè)平行樣離散度較小，不同樣品之間互不干擾，經(jīng)PCA分析后得到的區(qū)別指數(shù)（DI值）為三種方法中最高。因此采用干茶法所得的數(shù)據(jù)特征，使用判別因子法對(duì)茶樣進(jìn)行分類訓(xùn)練。圖3-1為訓(xùn)練組各樣品的分布范圍。為了驗(yàn)證電子鼻檢測(cè)為基礎(chǔ)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)模型的可靠性，從8個(gè)實(shí)驗(yàn)茶樣中取儲(chǔ)存年份為7年和10年兩個(gè)年份的茶樣以及一個(gè)市購(gòu)的儲(chǔ)存5年的茶樣，共三組，每組4個(gè)平行，打亂順序作為盲樣，分別用電子鼻進(jìn)行檢測(cè)，得到的盲樣判別結(jié)果，如圖3-2所示。從圖3-2可以看出，儲(chǔ)存5年和10年的茶樣各有一個(gè)發(fā)生了誤判，儲(chǔ)存7年的茶樣識(shí)別率為100%。總體識(shí)別率為83.33%。由以上判別結(jié)果，基于電子鼻技術(shù)建立的臺(tái)式烏龍茶據(jù)庫(kù)模型具有較高的辨識(shí)能力，在實(shí)際應(yīng)用中，可建立茶品信息庫(kù)，將未知儲(chǔ)存儲(chǔ)存年份茶樣信息與茶品信息庫(kù)對(duì)比，能夠快速的判別茶樣的儲(chǔ)存年份，檢查茶樣是否合格。

2.3基于電子舌對(duì)茶樣的檢測(cè)結(jié)果

2.3.1主成分分析（PCA）

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)，因此用主成分分析進(jìn)行表征，提取電流采集信號(hào)的頂點(diǎn)和拐點(diǎn)值作為檢測(cè)樣品的變量。應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化，篩選最適合采集8個(gè)茶樣信息的傳感器列陣。第一泡傳感器最佳列陣為：S3-10Hz鈀電極、S4-1Hz鎢電極、S5-100Hz鈦電極、S6-100Hz銀電極；第二泡傳感器最佳列陣為：S2-100Hz金電極、S3100Hz鈀電極；第三泡傳感器最佳列陣為：S2-1Hz金電極、S3-10Hz鈀電極，分別進(jìn)行主成分分析。結(jié)果如圖4所示，第一泡和第二泡的分析茶樣通過主成分分析均能夠得到很好的區(qū)分，而第三泡區(qū)分效果并不理想（DI﹣24.1%），其中儲(chǔ)存年份為4年、5年和6年的茶樣出現(xiàn)重合現(xiàn)象。因此，可以推斷，雪峰玉露茶在儲(chǔ)存過程中化學(xué)浸出物的變化更多反映在第一泡和第二泡。

圖4　電子舌主成分分析結(jié)果（a）第一泡；（b）第二泡；（c）第三泡

圖5-1　電子舌構(gòu)建的不同儲(chǔ)存年份茶樣的模型圖

圖5-2　電子舌模型驗(yàn)證結(jié)果（第一泡）

圖6-1　電子舌構(gòu)建的不同儲(chǔ)存年份茶樣的模型

圖6-2　電子舌模型驗(yàn)證結(jié)果（第二泡）

2.3.2判別因子分析（DFA）

分別采用第一泡和第二泡所得的數(shù)據(jù)特征，使用判別因子法對(duì)茶樣進(jìn)行分類訓(xùn)練。為了驗(yàn)證電子舌檢測(cè)為基礎(chǔ)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)模型的可靠性，同樣從8個(gè)實(shí)驗(yàn)茶樣中取儲(chǔ)存年份為7年和10年的2個(gè)茶樣以及一個(gè)市購(gòu)的儲(chǔ)存年份為5年的茶樣共3組，每組4個(gè)平行，打亂順序作為盲樣，分別用電子舌進(jìn)行盲樣判別檢測(cè)。圖5和圖6為第一泡和第二泡的數(shù)據(jù)模型圖和驗(yàn)證圖。由圖觀察到，儲(chǔ)存年份5、7和10年的茶樣均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的誤判，因此基于電子舌技術(shù)建立的臺(tái)式烏龍茶數(shù)據(jù)庫(kù)模型的辨識(shí)能力較低，不能應(yīng)用于未知儲(chǔ)存年份茶樣的判別。

3　討論

本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了電子鼻和電子舌傳感器的選擇，利用電子鼻和電子舌8個(gè)儲(chǔ)存年份的臺(tái)式烏龍茶（雪峰玉露）整體氣體特征提取、分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合PCA分析，成功實(shí)現(xiàn)了相同儲(chǔ)存年份臺(tái)式烏龍茶（雪峰玉露）的快速聚類；在電子鼻的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，采用干茶法時(shí)，相同儲(chǔ)存年份的3個(gè)平行茶樣離散度最小，不同樣品之間互不干擾，經(jīng)PCA分析后得到的區(qū)別指數(shù)（DI值）達(dá)到97.9%，均高于葉底法（DI=93.8%）和茶湯法（DI=87.8%）。因此，干茶法是區(qū)分8個(gè)樣品茶最理想的方法，和于慧春等［16］在基于電子鼻技術(shù)的茶葉品質(zhì)檢測(cè)研究中所得出的干茶區(qū)分效果優(yōu)于茶湯和葉底的結(jié)論一致；通過特征值分析發(fā)現(xiàn)，隨著茶樣儲(chǔ)存年份的增加，電子鼻傳感器的響應(yīng)值整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；結(jié)合人工審評(píng)結(jié)果，推測(cè)影響電子鼻響應(yīng)信號(hào)的最主要揮發(fā)性氣體因素為茶樣在儲(chǔ)存過程中產(chǎn)生的“陳味”氣體。鐘秋生［17］在普洱茶香氣特征成分研究中發(fā)現(xiàn)，陳香普洱茶在香氣成分組成上以雜氧化合物和醇類為主（兩種成分之和＞40%），其次是碳?xì)浠衔?、醛類、酮類和酯類，因此，推測(cè)影響電子鼻響應(yīng)信號(hào)的最主要揮發(fā)性物質(zhì)為“陳味”氣體中所含的硫化物、醇類、碳?xì)浠衔?、雜氧化合物、可燃性氣體等揮發(fā)性物質(zhì)；基于電子鼻建立了儲(chǔ)存年份為3-10年的臺(tái)式烏龍茶數(shù)據(jù)庫(kù)模型，為未知儲(chǔ)存年份臺(tái)式烏龍茶的鑒定提供了新途徑；在電子舌的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)第一泡（DI=91.7%）和第二泡（DI=90.2%）均能夠通過PCA分析將8個(gè)茶樣很好地區(qū)分開，而第三泡區(qū)分效果并不理想（DI=﹣24.1%）。因此，第一泡和第二泡是區(qū)分8組茶樣最理想的沖泡方式。

電子鼻技術(shù)和電子舌技術(shù)在茶葉領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中，試樣不需要復(fù)雜的前處理，測(cè)定一個(gè)樣品通常只需幾分鐘。與傳統(tǒng)的人工感官審評(píng)比，電子鼻和電子舌不受主觀因素影響，具有檢測(cè)時(shí)間短、樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單、檢測(cè)結(jié)果可靠等特點(diǎn)。因此，電子鼻和電子舌是一項(xiàng)操作快速簡(jiǎn)便、檢測(cè)準(zhǔn)確、對(duì)環(huán)境友好的“綠色”分析技術(shù)。

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［14］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 23776-2009茶葉感官審評(píng)方法 ［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［15］劉遠(yuǎn)方，李陽，梁飛等.綠茶香氣的電子鼻分析方法研究［J］.食品科技，2012（1）：58-62.

［16］于慧春.基于電子鼻技術(shù)的茶葉品質(zhì)檢測(cè)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.

［17］鐘秋生.普洱茶香氣特征成分的研究 ［D］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2009.

福建茶產(chǎn)業(yè)農(nóng)技推廣服務(wù)試點(diǎn)建設(shè)（KNJ-151000）

楊國(guó)一（1989-），男，碩士研究生，主要從事茶樹遺傳育種與茶葉品質(zhì)化學(xué)研究。

葉乃興（1963-），男，教授，主要從事茶樹栽培育種與資源利用研究。E-mail：ynxtea@126.com。