1、电子鼻技术在不同厂家特种茉莉花茶香气判别中的应用研究 江昕田 郭雅玲 赖凌凌 廖泽明 屈艳勤 刁鑫 福建农林大学园艺学院茶学系 福建农林大学茶叶研究所 摘 要: 目的 探讨 i Nose 型电子鼻在区分和判别特种茉莉花茶香气的可行性和效果。方法 以福州特种茉莉花茶为对象, 以 i Nose 型电子鼻传感器的响应值为指标, 对不同厂家、不同外形的特种茉莉花茶进行判别分析。结果 主成分分析结果显示, 两个厂家的成品茉莉花茶能够被有效区分;同一厂家不同外形成品茶间香气风格相近, 故区分不明显;窨制过程样与成品茶的香气品质存在差异, 故被有效地区分。电子鼻响应值能够实现对同一外形不同厂家间、不同窨次间
2、的区分, 但区分效果因外形而异。Fisher 判别分析显示, 本文建立的判别函数, 其回代验证正判率达到 100.0%, 交叉验证正判率为 86.1%。结论 电子鼻技术可用于特种茉莉花茶香气品质的区分和识别, 可为茉莉花茶窨制工艺、产品质量控制模型的建立提供理论依据。关键词: 特种茉莉花茶; 电子鼻; 主成分分析; Fisher 判别; 作者简介:江昕田, 主要研究方向为茶叶加工与品质评价研究。E-mail:作者简介:郭雅玲, 教授, 副系主任, 主要研究方向为茶叶加工与质量评价研究。E-mail:基金:福州市校 (院所) 科技合作项目 (2015-J-67) Application of e
3、lectronic nose technology in aroma discrimination of special-typed jasmine teaJIANG Xin-Tian GUO Ya-Ling LAI Ling-Ling LIAO Ze-Ming QU Yan-Qin DIAO Xin Department of Tea Science, College of Horticulture, Fujian Agriculture and Forestry University; Abstract: Objective To discuss the feasibility and e
4、ffects of distinguishing and discriminating special-typed jasmine tea by i Nose electronic nose technology. Methods With the Fuzhou special jasmine flower tea as the object, response values of i Nose electronic nose sensors were used as variables to discriminate special-typed jasmine tea of differen
5、t shapes from different manufacturers. Results The principal component analysis showed that finished jasmine tea products from 2 manufacturers could be distinguished effectively, while because of the similar aroma flavor, finished jasmine tea products with different shapes from the same manufacturer
6、 could not be distinguished distinctly. On the contrary, aroma qualities were differences between being-scented and finished jasmine tea products, so they could be distinguished effectively. Moreover, response values of the electronic nose achieved to separate samples with the same shape from differ
7、ent manufacturers and different scented times, whose effect varied with their shapes. Fisher discrimination analysis showed that the discriminant function established in this paper could achieve a positive discrimination rate of 100% and 86.1% in the retrospective validation and the cross validation
8、, respectively. Conclusion Electronic nose technology can be applied in identification of aroma qualities of jasmine tea, which provides a theoretical basis for jasmine tea scenting procedures and establishment of product quality control model.Keyword: special-typed jasmine tea; electronic nose; pri
9、ncipal component analysis; Fisher discriminant; 1 引言福州是茉莉花茶的发源地, 19 世纪中后期, 福州是全国花茶的生产中心与集散地, 如今, 随着茉莉花茶受到越来越多人的喜爱, 广西横县与四川犍为县的茉莉花产业也在逐渐发展壮大1-4。随着人们生活水平的提高, 人们对茉莉花茶有了更高的要求。特种茉莉花茶以其独特的形状和浓郁的花香受到消费者的喜爱3。茉莉花茶按其形状分可分为针形、卷曲形、球形、松散形、菊花形和扁形等5。特种茉莉花茶主要采用传统工艺窨制而成, 主要工序为“鲜花养护茶、花拌合起花复火 (转窨) 提花匀堆装箱”, 其中, “茶、花拌合起
10、花复火”被称为一个窨次6,7。特种茉莉花茶通常需要经过多窨次才能加工完成。在茉莉花茶感官审评中, 香气是衡量茉莉花茶品质中的一项重要指标, 人工的感官审评常常受到外界环境和审评人员个人因素的影响8。电子鼻是一种模仿人嗅觉工作原理的新型检测系统, 因其速度快、效率高、准确性、重复性好等优点已被广泛运用于食品检验、环境检测、医学等各领域9-11。电子鼻技术在区分碧螺春、信阳毛尖、海南红碎茶及不同价位的茉莉花茶上均获得了良好成果12-15。本研究以特种茉莉花茶为供试原料, 通过电子鼻技术对其挥发性成分进行测试, 并对所得数据进行判别分析, 以实现对不同厂家、不同外形特种茉莉花茶的区分和识别, 为茉莉
11、花茶的窨制工艺和品质控制提供理论支持。2 材料与方法2.1 测试材料供试材料来自福州市 A、B 两个茉莉花茶生产厂家, 共计 36 个样本, 按外形可分为扁针形、束形、圆形、螺形和条形, 表 1 为 2016 年成品茶样和各窨次复火样的编码。2.2 测试仪器i Nose 型电子鼻 (上海昂申智能科技有限公司) , 由 10 个金属传感器按一定阵列组合而成。2.3 测试方法2.3.1 电子鼻测定方法准确称量 3.0 g (精确至 0.01 g) 样品, 至于 40 m L 顶空瓶内, 依次进行 3 次平行测定以获取数据。将本样品置于 25烘箱内受热 120 min, 电子鼻载气为净化空气 (相对
12、湿度在 60%1%) , 气体流量为 00.81 L/min 采样时间为 300 s, 等待时间为 10 s, 样品清洗时间为 360 s16。每个样品重复测定 3 次, 其中, 重复 1 为编码-1、重复 2 为编码-2、重复 3 为编码-3, 例如, 样品编码为 FM1的 3 个重复为 FM1-1、FM1-2、FM1-3。电子鼻的传感器及其相应香气成分见表2。2.3.2 感官审评方法采用单杯二次冲泡法, 即以 1:50 的茶水比, 第一次冲泡 3 min, 第二次冲泡 5 min, 综合 2 次的感官品质, 按照 GB/T 23776-200917茶叶感官审评方法的规定, 采用评语和百分制
13、评分法。2.4 数据处理方法结果采用 SPSS 21.0 数据处理软件进行处理分析。3 结果与分析3.1 特种茉莉花茶香气的感官品质状况比较同一种形状茉莉花茶的香气品质发现, 随着窨次的增加, 花香浓度逐窨提高, 透素逐窨减弱, 但香气鲜灵度仍不足。不同形状茉莉花茶间香气品质的差异则主要是由窨制工艺 (配花量、窨制时间、堆温等) 、吸香性的差异造成。从过程样的品质来看, 条形的毛峰和银毫级别较低, 配花量较少, 故香气得分较低;其余形状的样品均为特种茉莉花茶, 茶坯嫩度高, 配花量较高, 故香气得分较高, 其中, 针形得分最高。其次是条形的白雪银毫, 第三是螺形, 第四是圆形, 最后是束形,
14、这主要是因为圆形和束形的外形紧实, 不易吸香, 故在窨制过程中易透素, 再加上厂家 A 采用白兰花打底以提高香气浓度, 使束形茶在窨制过程出现透兰, 所以香气得分较低。从成品茶的品质来看, 厂家 A 的香气品质以浓郁、鲜灵、高长为特色, 厂家 B 的香气品质以浓鲜、持久为特色;各厂家的香气特色在不同花色中的强弱有差异 (表 3、表 4) 。表 1 供试样品的外形及工艺 Table 1 Appearances and procedures of tested samples 下载原表 表 2 i Nose 型电子鼻的传感器及其相应香气成分 Table 2 Electronic nose sens
15、ors and their corresponding aroma components of i Nose 下载原表 表 3 厂家 A 供试样品香气的感官品质 Table 3 Aroma quality of samples from manufacturer A 下载原表 表 4 厂家 B 供试样品香气的感官品质 Table 4 Aroma quality of samples from manufacturer B 下载原表 3.2 基于电子鼻响应信号的主成分分析3.2.1 不同厂家茉莉花茶的主成分分析以 A、B 厂家茉莉花茶样品的 10 个传感器 (s1s10) 的响应值为指标, 经主
16、成分分析发现, 前 2 个主成分的累积贡献率达 98.2% (图 1) 。两个厂家的成品茶得到有效区分, 这与两厂家成品茶的香气品质风格不同有关。厂家 A (代码 M) 方面, 3 个批次的针形茶聚集度较好, 而圆形茶和束形茶的 3 个批次较分散, 这与感官审评结果相符:针形茶各批次香气品质相近;圆形茶的 M6 和束形茶的M8、M9, 其与同花色其他批次相比, 外形白毫更明显、香气带鲜, 故聚集在一起;厂家 B (代码 R) 方面, 银毫 (R1) 与其他花色距离较远, 这与其香气透素较明显有关, 而针形茶 (R3) 和白雪银毫 (R4) 则由于香气品质较优、圆形茶 (R5) 略带焦糖香而与其
17、他花色距离较远。过程样能够与成品样区分开来, 但两个厂家的过程样则因难以被区分而聚集在一起。图 1 不同厂家茉莉花茶的主成分得分图 Fig.1 Principal component scores plot of jasmine tea from different manufacturers 下载原图3.2.2 不同外形茉莉花茶的主成分分析以 A、B 厂家茉莉花茶过程样的 10 个传感器 (s1s10) 的响应值为指标, 经主成分分析发现, 前 2 个主成分的累积贡献率达 99.1% (图 2) 。虽然厂家间的区分度仍然不明显, 但带有明显兰味的 FM4、窨次少而透素明显的 MR10、窨次多
18、的毛峰、白雪银毫和圆形茶较远离过程样集团而得到区分。图 2 茉莉花茶过程样的主成分得分图 Fig.2 Principal component scores plot of jasmine tea being processed 下载原图基于上述的区分效果, 对不同外形茉莉花茶的响应值分别进行主成分分析, 得到了前 2 个主成分累积贡献率分别达到 98.3%、99.6%和 98.9%的区分结果 (图3) 。厂家 B 针王各窨次的区分度优于厂家 A, 且尽管 MR2 的香气品质最佳, 但仍因其与 MR1 均为 5 窨而距离较近 (图 3a) 。螺形、条形茉莉花茶均来自厂家B, 香气品质得分稍高的
19、MR7、MR9 来自白雪银毫的不同窨次, 但因品质风格相近而距离较近;MR6、MR11 来自不同花色的不同窨次, 也因香气品质相近而聚集;2窨、3 窨毛峰 (MR4、MR5) 、2 窨银螺 (MR10) 因香气品质差别较大而相距较远;MR8 和 MR12 为香气得分较高的样品, 相距较近 (除 MR12 的一个测定点外) (图3b) 。从图 3c 中可以看出, 两个厂家之间、不同窨次间的圆形茶样品被明显地区分开来, 厂家 A 两种形状的样品未被明显地区分, 且同一窨次的圆形茶和束形茶相距较近, 香气均有透兰;束形茶 6 窨 (FM5) 与八窨 (FM6) 间在主成分 2得分上恰呈相反关系, 香
20、气品质亦差别较大。图 3 不同外形茉莉花茶过程样的主成分得分图 Fig.3 Principal component scores plot of jasmine tea being processed with different appearances 下载原图表 5 不同厂家间判别函数的检验结果 Table 5 Verification results of the discriminant function among different manufacturers 下载原表 3.3 不同厂家间茉莉花茶的 Fisher 判别分析以 10 个传感器 (s1s10) 的响应值为自变量, 对
21、A、B 厂家茉莉花茶样品进行fisher 判别分析, 经处理得到 1 个判别函数:所建立的判别函数特征值为 4.0141, wilks 值为 0.1991, 函数显著性 P0.01 (表 5) , 这说明该判别函数可用于 A、B 两厂茉莉花茶样品的辨别。电子鼻的传感器具有选择性和交互敏感性, 故各传感器间具有一定的相关性, 若某一变量与其他变量存在的精确相关或高度相关超出了判别函数的容许程度, 则会使模型估计失真或难以估计准确, 自变量 s10 属于上述情况而被剔除, 从该传感器响应的敏感挥发性成分也可以看出, s10 与其他传感器的重叠度较高 (表 2) 。该判别函数的回代验证正判率达到 1
22、00.0%, 交叉验证则得到了 86.1%的正判率 (表 6) , 由于误判率小于 0.2, 说明该判别函数具有应用价值。被误判的样品为厂家 A 的圆形成品茶和束形 4 窨茶, 厂家 B 的银毫成品茶、螺形 5 窨茶和圆形 4 窨茶, 这或许与外形紧卷度较高的花色吸香慢、释香快, 使其在窨制中前期花香、茶香的混合度较高而不易区分有关。表 6 判别函数的判别效果分析 Table 6 Discriminant effect analysis of the discriminant function 下载原表 4 结论A、B 两厂茉莉花茶的窨制工艺存在差异, 造成其成品茶品质风格的不同, 电子鼻传感
23、器的响应值能够对两厂成品茉莉花茶进行有效区分。但由于同一厂家不同外形成品茶间品质风格相近, 故区分不明显。窨制过程样与成品茶的香气品质存在差异, 故被电子鼻响应值有效地区分。但两厂家不同外形茉莉花茶在窨制过程中的干香差异不大, 故难以被区分, 但出现透兰明显、透素明显、条形茶窨次多而香气渐浓等特殊香气品质的过程样品却能被较明显地区分, 这说明该电子鼻在判断茉莉花茶窨制过程中茶坯吸香的程度、纯度和浓度等方面有一定的作用。电子鼻响应值能够实现对同一外形不同厂家间、不同窨次间的区分, 但区分效果因外形而异。本实验发现, 同一窨次的针形茶由于批次不同在香气品质上有较大差异, 但两者在主成分图上却相距不
24、远, 这或许与针形茶组织紧密, 使电子鼻无法完全抽吸香气而与香气的感官品质表现不同有关, 因为电子鼻分析的是干香, 而感官审评的是冲泡后释放的香气;条形茶组织疏松, 香气易被电子鼻吸取, 故区分效果与感官审评结果较相符, 但不同窨次间的区分不及针形茶明显;圆形茶、束形茶的条索紧实但组织疏松, 故区分效果居中。分析判别效果是检验判别函数有效性的重要步骤, 而回代验证常存在夸大判别效果的风险, 故本文又做了交叉验证, 结果显示判别函数有价值, 但今后还应增加样本量, 以提高判别函数的正判率和有效性。参考文献1闽榕茶业:茉莉花茶“香帅”“一带一路”先锋J.铁路节能环保与安全卫生, 2017, (1)
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