利用非線性化學指紋圖譜技術鑒別評價茶飲料

趙 哲，張泰銘,*，方宣啟，向鳳琴，喬君喜，朱 蓉

(1.中南大學化學化工學院，湖南 長沙 410083；2.湖南省食品質量監督檢驗所，湖南 長沙 410002)

利用非線性化學指紋圖譜技術鑒別評價茶飲料

趙 哲1，張泰銘1,*，方宣啟2，向鳳琴1，喬君喜1，朱 蓉1

(1.中南大學化學化工學院，湖南 長沙 410083；2.湖南省食品質量監督檢驗所，湖南 長沙 410002)

通過向穩態體系“溴酸鈉-硫酸錳-硫酸-丙酮”中加入不同的茶飲料，獲得來自不同產家、不同品種的茶飲料的非線性化學指紋圖譜，并對其進行相似度計算。非線性化學指紋圖譜的直觀信息、定量信息、相似度計算結果都能很好的將冰紅茶從其他茶飲料中鑒別出來，且振蕩壽命與檢測用量有很好的函數關系。通過比較不同摻水量的茶飲料的非線性化學指紋圖譜的參數信息，對茶飲料的質量進行評價。非線性化學指紋圖譜技術可為茶飲料的鑒別和評價提供一種新的方法。

茶飲料；鑒別和評價；化學振蕩；非線性化學指紋圖譜

茶飲料成分復雜，不僅含有蛋白質、氨基酸、糖、脂肪、豐富的維生素和礦物質，還具有特殊的藥用價值，因其健康、天然、快捷、方便等飲用優點，越來越受青睞。對茶飲料質量的控制也越來越受重視。高效液相色譜法[1]、毛細管電泳法[2]、茚三酮比色法[3]、氣相色譜-質譜聯用法[4]、離子交換色譜法、陰離子交換樹脂法、紫外光吸收法、紅外光度法、生理體液法[5]、荷移光度法[6]、近紅外光譜技術(n e a r-i n f r a r e d spetroscopy，NIRS)[7]、熒光光譜檢測技術[8]等方法側重于逐一分離檢測研究不同茶飲料中各成分的含量，根據化學成分含量的不同確實可以用來區別不同的茶飲料。但是，僅憑其中若干成分的分析指標來判定茶飲料的真偽或評價其質量，不僅缺乏科學嚴謹性，而且往往為假冒偽劣產品進入市場提供可乘之機，故鑒別評價茶飲料時應該對茶飲料的成分進行整體或綜合的分析[9]。因此，多頻脈沖電子舌[10]、電子鼻[11]，這種新穎的分析、識別和檢測復雜飲料及食品的裝置便應運而生，其主要特點是操作簡便、快速，能在有色或混濁溶液中進行分析，傳感器針對性強，但是其缺陷主要是電極必須修飾，這樣就有制作過程比較復雜，電極的重現性差以及使用壽命短等問題。

化學振蕩作為非線性化學領域里一種最常見現象，國內外學者對其反應的機理[12-16]以及在單個成分分析檢測中的應用等進行了廣泛深入的研究，近些年，化學振蕩體系被用來檢測和鑒別組成極其復雜的中藥。2007年張泰銘等[17-20]提出了“中藥非線性化學指紋圖譜”的概念，并對其形成的原理、特點、熱力學和動力學條件、檢測方法和應用等進行了系統的研究，發表了初步研究結果，強調了該指紋圖譜中體現中藥特征的不僅僅是振蕩波形，其中振蕩壽命、振蕩周期、振蕩曲線，以及非振蕩的誘導曲線、停振曲線和誘導時間等等都是該指紋圖譜中不可或缺的重要信息，而且有些是中藥化學成分整體的定量信息。2010年，方宣啟等[21]利用非線性化學指紋圖譜的直觀信息以及相似度計算很好地將甘草從其他中藥中鑒別出來，并進行了質量評價。非線性化學指紋圖譜技術具有的很好的特征性和重現性，無需預處理、簡單、快速，在檢測成分復雜的物質方面發揮著巨大的優勢。

茶飲料也是組成相當復雜的物質，也能形成獨有的非線性化學指紋圖譜，采用非線性化學指紋圖譜技術，結合相似度的計算，快速準確地對各種茶飲料進行鑒別。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

所用茶飲料樣品均為長沙市購；濃硫酸、丙酮、溴酸鈉、硫酸錳等試劑均為分析純，將上述試劑置于37.0℃恒溫槽中待用；實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 儀器與設備

MZ-1A型非線性電化學實驗裝置由中南大學研制、湖南省湘潭市儀器儀表成套制造有限公司生產。

1.3 方法

1.3.1 茶飲料非線性化學指紋圖譜測定

1.3.1.1 相同檢測用量下茶飲料的非線性化學指紋圖譜的測定

準確加入已配制好的H2SO4溶液、丙酮溶液、硫酸錳溶液、11mL待測茶飲料于反應器中，蓋好帶注射孔和電極的反應器蓋。開啟超級恒溫儀調節反應器內溫度為37.0℃，恒溫、恒速攪拌，點擊菜單采集數據，5min后，通過注射器迅速加入溴酸鈉溶液，溶液中硫酸、丙酮、硫酸錳、溴酸鈉的濃度分別為0.385、0.00769、0.0148、0.0369mol/L。至電位振蕩消失后出現電位平衡曲線為止，重復3次。改變待測茶飲料的量，得到不同量的茶飲料的非線性化學指紋圖譜。

1.3.1.2 相同檢測用量下不同含水量對非線性化學指紋圖譜影響的測定

取不同含水量的同種茶飲料11mL，按1.3.1節進行實驗。

1.3.1.3 不同檢測用量下各種茶飲料的定量信息的測定

改變待測茶飲料的檢測用量，測定不同檢測用量下的非線性化學指紋圖譜，體系中濃度仍與1.3.1節保持一致。

1.3.2 方法原理

1.3.2.1 “葡萄糖-溴酸鈉-硫酸錳-硫酸-丙酮”振蕩體系的機理

Field等[22]通過系統研究草酸-丙酮-硫酸鈰銨-溴酸鈉-硫酸體系的振蕩反應，原春蘭等[23]報道了“果酸-溴酸鈉-硫酸錳-硫酸-丙酮”體系的振蕩反應機理。類似的，溴酸鈉-硫酸錳-硫酸-丙酮和葡萄糖產生的典型非線性化學振蕩反應分為A、B、C 3個過程：

當[Br-]足夠大時，Br-分別和BrO3-、HBrO2反應產生HOBr 和Br2，同時Mn2+被HBrO2氧化成Mn3+，Mn3+被葡萄糖還原產生Mn2+，而Br2和丙酮反應生成溴代丙酮和Br-。這一過程周而復始，直至丙酮和葡萄糖被消耗完為止。

1.3.2.2 茶飲料非線性化學指紋圖譜形成原理

根據1.3.2.1節葡萄糖-溴酸鈉-硫酸錳-硫酸-丙酮振蕩體系的機理可知，葡萄糖作為振蕩底物起還原劑的作用，葡萄糖的非線性化學指紋圖譜(圖1A)。若此體系中沒有葡萄糖，則體系會因缺少振蕩底物不發生振蕩反應(圖1B)。本實驗用茶飲料代替葡萄糖加入上述體系中，體系同樣出現振蕩現象，但是極不同于葡萄糖的非線性化學指紋圖譜(圖 2)。

圖1 葡萄糖-溴酸鈉-硫酸錳-硫酸-丙酮體系(A)和溴酸鈉-硫酸錳-硫酸-丙酮體系(B)Fig.1 Nonlinear chemical fingerprints of glucose-BrO3 Mn2+-H2SO4-aceton systerm (A) and BrO3Mn2+-H2SO4-acetone systerm (B)

由1.3.2.1節可知，該反應包括7個基元反應，其中任何一個基元反應受到影響，其他都會跟著受到影響，所以，此體系是非常敏感的體系。即使是微小的不同，都可以通過該反應顯現出來。而不同茶飲料往往含有上述不同的微量乃至宏量化學物質，有的像葡萄糖一樣作為還原底物促使反應進行，有的則產生抑制，甚至發生中和、沉淀、自由基等反應，影響反應過程，使整個化學振蕩反應發生變化，可獲得形狀及定量信息完全不同的E-t曲線，即誘導曲線、振蕩曲線、振蕩波形及誘導時間、振蕩周期、振蕩幅度、振蕩壽命等完全不同的E-t曲線，即不同的非線性化學指紋圖譜。

1.3.3 方法學考察

相似系統理論是用系統組成的要素及其特征來表述系統的相似度。非線性化學指紋圖譜中的相似度是在某一參數信息確定時，以最低電位、最高電位、最高電位峰時間(即峰值時間)、誘導時間、起振電位、停振電位、停振時間、振蕩周期、振蕩壽命、最大振幅等的大小作為各相似要素的特征值，通過Matlab計算，來表征不同指紋圖譜的整體相似程度[21]。

1.3.4 穩定性實驗

取康師傅冰紅茶為供試品，分別在0、12、24h實驗，檢測指紋圖譜，以3次實驗的指紋圖譜的參數的平均值為參照，每個圖譜的整體相似度值分別為0.9987、0.9990、0.9992，結果表明，該供試品24h內穩定。

1.3.5 重復性實驗

取康師傅冰紅茶3份為供試品，平行測定3次，檢測指紋圖譜，考察該方法的重復性， 以3次實驗的指紋圖譜的參數的平均值為參照，每個圖譜的整體相似度值分別為0.9999、0.9995、0.9997，結果表明該方法具有良好的重復性，符合茶飲料等復雜樣本指紋圖譜的要求。

2 結果與分析

2.1 各種茶飲料的非線性化學指紋圖譜的特征性及其重現性

圖2 6種茶飲料的非線性化學指紋圖譜Fig.2 Nonlinear chemical fingerprints of six types of tea beverages

圖3 6種茶飲料非線性化學指紋圖譜的重現性Fig.3 Reproducibility of the nonlinear chemical fingerprints of six types of tea beverages

不同的茶飲料具有不同的指紋圖譜，有各自的特征性(圖2)，且重現性很好，見圖3。利用這一性質，可以對不同的茶飲料進行鑒別。分別取康師傅綠茶、鐵觀音茶、茉莉花茶、烏龍茶、天喔冰紅茶、統一冰紅茶11mL，按1.3.1.1節方法進行實驗，得到以上圖譜3中的6條譜線，每種均平行測定3次，得到圖3。由圖2可以看出，不同的茶飲料——紅茶、綠茶、烏龍茶、茉莉花茶、鐵觀音茶的非線性化學指紋圖譜是不同的，且非線性化學指紋譜圖形狀差異較大；由圖2中5號和6號樣品可知，不同品牌的紅茶——天喔冰紅茶、統一冰紅茶的非線性化學指紋圖譜也不相同，但是形狀差異較小，振蕩壽命明顯不同，統一冰紅茶的振幅比天喔冰紅茶略小。

對于非線性化學指紋圖譜形狀相差較大的，可以直接通過觀察圖譜得出結論，但是對于差異較小的，便需要根據相似度計算方法[21]，利用Matlab軟件對其進行相似度計算來進一步確定。

表1 統一冰紅茶與其他幾種茶飲料的相似度Table 1 Similarity of Uni-President ice black tea with other types of tea beverages

取不同批次的統一冰紅茶11mL按1.3.1.1節方法進行實驗，與圖3中茶飲料的非線性化學指紋圖譜的特征值進行相似度計算，見表1，結果表明：不同種茶飲料相似度小，相似度一般小于0.83；同種茶飲料相似度大，一般大于0.9，不同批次的同種茶飲料，相似度大于0.99。因此可以通過非線性化學指紋圖譜及相似度計算，進行茶飲料的判斷和鑒別。

2.2 摻雜了水的茶飲料的非線性化學指紋圖譜

按1.3.1.2節方法進行實驗，結果見圖4。可以看出，水的含量越多，其振蕩壽命越長。由此，可以判斷是茶飲料中是否摻了水。如果有人企圖向茶飲料中摻水來謀取暴利，通過非線性化學指紋圖譜可以簡單快速的鑒別出來。

圖4 幾種含量不同的統一冰紅茶的非線性化學指紋圖譜Fig.4 Nonlinear chemical fingerprints of Uni-President ice black tea with different amounts of adulterated water

2.3 不同檢測用量下統一冰紅茶的非線性化學指紋圖譜參數信息及變化規律

分別取6、7、8、9、10、11、12、13、14mL康師傅冰紅茶，按1.3.1.3節進行實驗，得到的定量信息如表2所示。可知，最大振幅、振蕩周期、振蕩壽命隨著檢測用量的增大而減小，而誘導時間卻隨著檢測用量的增大而延長。

表2 康師傅冰紅茶非線性化學指紋圖譜的一些定量信息Table 2 Quantitative in formation of the nonlinear chemical fingerprint of Kangshifu ice black tea

經Matlab軟件擬合，振蕩壽命與檢測用量有很好的函數關系，天喔冰紅茶、統一冰紅茶、康師傅茉莉花茶、康師傅綠茶、康師傅鐵觀音茶、康師傅烏龍茶的振蕩壽命y/s與檢測用量χ/mL的關系分別為：y＝-1.585χ3＋79.065χ2-1385.3χ＋9830.7；y＝-8.2128χ3＋265.73χ2-3033.3χ＋13876；y＝-1.1346χ3＋65.678χ2-1332.8χ＋11587；y＝-0.29391χ3＋36.072χ2-1212.5χ＋15723；y＝-0.25842χ3＋23.955χ2-793.23χ＋11471；y＝-0.21622χ3＋22.682χ2-703.3χ＋8925.2。

根據函數關系可推測不同檢測用量時的振蕩壽命；若是摻了水的已知樣品，通過函數關系，根據振蕩壽命對應的檢測用量，與實際用量相比較，可以測得含水量；若獲得相同測試條件下某一未知茶飲料在某一檢測用量下的非線性化學指紋圖譜，除了結合已有的圖譜以及相似度的計算進行判斷是哪種茶飲料外，也可根據實驗所得的振蕩壽命及振蕩壽命與檢測用量的函數關系對未知茶試樣的質量進行評價，振蕩壽命長的，表明參與反應的活性成分含量相對較少。

3 結 論

非線性化學指紋圖譜簡單、快速、無需預處理，具有很好的特征性和重現性。不同的茶飲料的非線性化學指紋圖譜直觀形狀差異顯著，而同種不同產家生產的茶飲料指紋圖譜(天喔冰紅茶和統一冰紅茶)整體形狀大體相似，只是振蕩壽命及振蕩幅度有所差異。因此通過直觀信息比較及相似度計算可鑒別不同的茶飲料，及摻了水的茶飲料。各種定量信息隨檢測用量的變化有一定的規律性，通過實驗發現振蕩壽命與檢測用量成良好的函數關系，可根據其函數關系對茶飲料進行質量評價。將非線性化學指紋圖譜的直觀特征與整體相似度分析相結合，提供了一種能快速和準確鑒別茶飲料的全新方法。

關于非線性化學指紋圖譜，不僅可以用來鑒別評價茶飲料，還可以鑒別其他如涼茶類飲料、酸奶、玉米汁、果珍等可以準確稱取或量取的食品。下一步將更深入地研究其反應機理以及在其他領域如日化產品、農產品等方面的應用。

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Identification and Evaluation of Tea Beverages by Nonlinear Chemical Fingerprint Technology

ZHAO Zhe1，ZHANG Tai-ming1,*，FANG Xuan-qi2，XIANG Feng-qin1，QIAO Jun-xi1，ZHU Rong1
(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China；2. Institute of Food Quality Supervision and Test of Hunan Province, Changsha 410002, China)

Nonlinear chemical fingerprint based on chemical oscillatory reaction is a novel technology to analyze samples from the nonlinear chemical viewpoint. Different kinds of tea beverages from different manufacturers were added to the steady system sodium bromate-manganese sulphate-sulphuric acid-acetone to obtain their nonlinear chemical fingerprints, and the similarity was calculated. Uni-President ice black tea could be differentiated from other tea beverages by the intuitionistic information, quantitative information, and similarity calculation. And the function between oscillatory life and determining dosage was good. The quality of the tea beverage was evaluated by comparing the nonlinear chemical fingerprint parameter information of the ice black tea with different amounts of adulterated water. Therefore, nonlinear chemical fingerprint can provide a novel strategy to identify and evaluate tea beverages.

tea beverages；identification and evaluation；chemical oscillatory reaction；nonlinear chemical fingerprint

TS275.2

A

1002-6630(2011)16-0219-05

2010-10-13

科技部政策引導類計劃項目(2009GJD20033)

趙哲(1985—)，女，碩士研究生，研究方向為食品鑒別評價、非線性化學。E-mail：1985zhaozhe@163.com

*通信作者：張泰銘(1951—)，男，教授，博士，研究方向為電化學、非線性化學、色譜。E-mail：taimingzhang@163.com