電子舌在茶飲料分類中的應(yīng)用研究

唐平，許勇泉，汪芳，劉平，尹軍峰，劉東紅（1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310018；.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，農(nóng)業(yè)部茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310008；3.浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，浙江杭州310018；4.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州31009）

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電子舌在茶飲料分類中的應(yīng)用研究

唐平1，3，許勇泉2，*，汪芳2，劉平2，尹軍峰2，劉東紅4，*
（1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310018；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，農(nóng)業(yè)部茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310008；3.浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，浙江杭州310018；4.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州310029）

摘要：為檢驗(yàn)電子舌在茶飲料應(yīng)用分析方面的能力，應(yīng)用法國(guó)AlphaM.O.S.公司生產(chǎn)的傳感器型電子舌對(duì)中國(guó)市場(chǎng)上已有的51種茶飲料進(jìn)行檢測(cè)，所得數(shù)據(jù)結(jié)合判別分析法和回歸分析法進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，電子舌結(jié)合判別分析法可以較好地將不同茶類（紅茶、綠茶、烏龍茶）、pH值（pH＜4.0、pH4～6、pH＞6.0）、糖度（含糖、無(wú)糖）、咖啡因含量（caffeine ＜30 mg/L、30 mg/L～70 mg/L、＞70 mg/L）進(jìn)行分類；電子舌結(jié)合回歸分析法可以較好地建立茶多酚等風(fēng)味化學(xué)成分的回歸方程式。采用次年茶飲料樣品對(duì)判別模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明準(zhǔn)確率相對(duì)較高，說(shuō)明該判別模型判別效果較好。

關(guān)鍵詞：茶飲料；電子舌；分類；應(yīng)用分析

電子舌是模仿人體味覺(jué)機(jī)理研制出來(lái)的一種智能識(shí)別電子系統(tǒng)，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新穎食品組分識(shí)別和檢測(cè)技術(shù)［2］，由味覺(jué)傳感器、信號(hào)激發(fā)采集模塊以及模式識(shí)別三部分組成，它得到的不是被測(cè)樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結(jié)果，而是樣品的整體信息，也稱作“指紋”數(shù)據(jù)。Chen等［3］采用電子舌與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法相結(jié)合，可以很好的將綠茶進(jìn)行分級(jí)。姜莎等［4］采用電子舌與主成分分析法相結(jié)合，可以較好地區(qū)分中國(guó)市場(chǎng)上的7種主要紅茶飲料。He等［5］同樣采用電子舌與主成分分析法相結(jié)合，可以較好辨別中國(guó)茶葉的不同風(fēng)味特色和茶葉等級(jí)。電子舌在茶湯滋味及飲料產(chǎn)品辨別上的應(yīng)用已經(jīng)得到認(rèn)可，但是根據(jù)茶飲料風(fēng)味和關(guān)鍵品質(zhì)化學(xué)成分含量的分類上少見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。因此，本文采用法國(guó)Alpha M.O.S.公司生產(chǎn)的ASTREE電子舌對(duì)我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)有51種茶飲料進(jìn)行測(cè)定，所得數(shù)據(jù)結(jié)合判別式分析法和回歸分析法進(jìn)行分析，以期建立一套可以判別不同茶類、不同pH值、不同咖啡因含量及是否含糖等的判別模型，為我國(guó)茶飲料行業(yè)品質(zhì)控制及市場(chǎng)監(jiān)測(cè)提供一種快速檢測(cè)方法。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

1.1.1材料

建模茶飲料樣品：共51個(gè)茶飲料樣品，于2013年收集于杭州各大超市，其中包括25個(gè)綠茶飲料樣品、8個(gè)烏龍茶飲料樣品、18個(gè)紅茶飲料樣品。

模型驗(yàn)證茶飲料樣品：共28個(gè)茶飲料樣品，于2014年收集于杭州各大超市，其中包括13個(gè)綠茶飲料樣品、9個(gè)紅茶飲料樣品、6個(gè)烏龍茶飲料樣品。

1.1.2儀器

UV-2550紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)：日本島津；M400 pH計(jì)：瑞士梅特勒；ASTREE電子舌系統(tǒng)：法國(guó)Alpha M.O.S公司；W2469高效液相色譜儀：美國(guó)Waters公司。

1.2茶飲料滋味審評(píng)

茶飲料滋味審評(píng)小組由5人（都具有高級(jí)評(píng)茶員資格）組成，每個(gè)樣品之間用純凈水漱口間隔，用感官術(shù)語(yǔ)進(jìn)行描述。

1.3電子舌數(shù)據(jù)采集

本試驗(yàn)采用法國(guó)Alpha M.O.S公司研制的ASTREE電子舌系統(tǒng)。該電子舌包含了7個(gè)化學(xué)傳感器陣列和1個(gè)Ag/AgCl參比電極。傳感器是由有機(jī)物覆蓋的硅晶體管制成，每個(gè)傳感器前端有1個(gè)電子芯片，芯片表面覆蓋一層敏感吸附薄膜，可以選擇性吸附液體中的游離分子。7個(gè)傳感器（ZZ、BA、BB、CA、GA、HA、JB）并不是專一性傳感器，每個(gè)傳感器對(duì)酸甜咸苦4種味道都有敏感性，但敏感程度不同［4］。茶湯樣品放置于電子舌專用燒杯中，于室溫條件下進(jìn)行測(cè)定，每杯茶湯樣品量為80 mL，電子舌傳感器在每個(gè)樣品中的采集時(shí)間為120 s，每秒采集1個(gè)數(shù)據(jù)，最后采用第100 s～120 s所得的穩(wěn)定數(shù)據(jù)作為輸出值。

1.4茶飲料中滋味化學(xué)成分分析

茶多酚含量采用酒石酸亞鐵比色法［6］（GB/T 21733-2008《茶飲料》）；pH值采用梅特勒pH計(jì)進(jìn)行分析；總糖含量采用蒽酮比色法［7］；咖啡堿含量采用HPLC分析方法［8］；濾液用0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾，濾液待檢測(cè)。W2469高效液相色譜儀，VWD檢測(cè)器；色譜柱：ZORBAX SB-C18 ODS，5 μm，4.6 mm×150 mm；流動(dòng)相：A 為0.5%甲酸，流動(dòng)相B為乙腈，流速1 mL/min，柱溫35℃，檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm，進(jìn)樣量：5 μL，梯度洗脫，流動(dòng)相B在16 min內(nèi)由6.5%線性梯度變化到25%，25 min回到初始狀態(tài)，平衡10 min。

1.5數(shù)據(jù)分析

樣品均有3次重復(fù)。本研究采用電子舌自帶的AstreeⅡ軟件進(jìn)行判別分析，采用SPSS13.0軟件進(jìn)行回歸分析。

2　結(jié)果與分析

2.1茶飲料化學(xué)成分與滋味品質(zhì)

分析51種茶飲料的化學(xué)成分及滋味品質(zhì)結(jié)果見(jiàn)表1。

其中包括18種紅茶飲料、25種綠茶飲料和8種烏龍茶飲料。不同茶飲料樣品之間，pH值、茶多酚、咖啡因及總糖含量都有顯著差異。茶飲料中總糖含量相對(duì)較高，平均達(dá)到129 mg/mL，其次為茶多酚含量，平均達(dá)到507 mg/L，而咖啡因含量相對(duì)較低，平均為55 mg/L。茶飲料都為偏酸性飲料，pH值平均為4.45。幾種化學(xué)指標(biāo)之間，總糖含量變異系數(shù)最高，達(dá)到51.41%，其次為茶多酚含量46.12%，而咖啡因和pH變異系數(shù)相對(duì)一致，分別為30.96%和28.31%。

不同茶飲料的滋味品質(zhì)也有較大差異。根據(jù)茶飲料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［6］（GB/T 21733-2008《茶飲料》），我國(guó)茶飲料按產(chǎn)品風(fēng)味分為：茶飲料（茶湯）、調(diào)味茶飲料、復(fù)（混）合茶飲料、茶濃縮液，茶飲料（茶湯）主要分為：紅茶飲料、綠茶飲料、烏龍茶飲料、花茶飲料、其他茶飲料，而調(diào)味茶飲料分為：果汁茶飲料、果味茶飲料、奶茶飲料；奶味茶飲料、碳酸茶飲料、其他調(diào)味茶飲料。根據(jù)茶飲料風(fēng)味品質(zhì)和配料成分，本試驗(yàn)51個(gè)茶飲料樣品主要包括茶飲料（茶湯）和調(diào)味茶飲料，其中茶飲料（茶湯）包括紅茶飲料（如1號(hào)）、綠茶飲料（如23號(hào)）、茉莉花茶飲料（如67號(hào)）和烏龍茶飲料（如68號(hào)、69號(hào)、70號(hào)），而調(diào)味茶飲料主要包括果味茶飲料（如4號(hào)、18號(hào)、28號(hào)和31號(hào)）和其他調(diào)味茶飲料（如12號(hào)、25號(hào)、33號(hào)），其中以果味茶飲料為主。另外，行業(yè)上根據(jù)糖和咖啡因含量，又分為無(wú)糖茶飲料（如1號(hào)、23號(hào)、67號(hào)）和含糖茶飲料（如2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)）、常規(guī)茶飲料（如7號(hào)、10號(hào)、66號(hào)）和低咖啡因茶飲料（如23號(hào)、34號(hào)），這些分類本試驗(yàn)樣品中都有，其中以含糖茶飲料和常規(guī)茶飲料為主。

表1　茶飲料化學(xué)成分與滋味品質(zhì)Table 1　Chemical component contents and flavor quality of tea beverage samples

續(xù)表1　茶飲料化學(xué)成分與滋味品質(zhì)Continue table 1　Chemical component contents and flavor quality of tea beverage samples

2.2電子舌結(jié)合判別分析判別茶飲料樣品

通過(guò)電子舌分析茶飲料樣品，發(fā)現(xiàn)不同樣品在電子舌感應(yīng)器上有不同反應(yīng)值，見(jiàn)圖1。

該電子舌設(shè)備有7個(gè)感應(yīng)器，分別包括BA、BB、CA、GA、HA、JB和ZZ，從圖1可發(fā)現(xiàn)感應(yīng)器BB、CA和ZZ對(duì)不同茶飲料樣品的反應(yīng)差異較大，可以用來(lái)較好地區(qū)分茶飲料樣品，而感應(yīng)器BA、GA、HA和JB對(duì)不同茶飲料反應(yīng)差異較小，特別是GA和HA對(duì)不同茶飲料樣品差別非常小。

利用電子舌對(duì)不同茶飲料有不同的反應(yīng)，再結(jié)合判別分析法，可以較好地對(duì)茶飲料樣品進(jìn)行分類。電子舌結(jié)合判別分析法，可以很好地將不同茶葉原料加工的茶飲料進(jìn)行分類，將51種茶飲料樣品分為紅茶、綠茶和烏龍茶飲料見(jiàn)圖2。

圖1　茶飲料樣品電子舌傳感器數(shù)據(jù)Fig.1　Electronic tongue data acquisition from tea beverages

圖2　 不同品種茶飲料分類Fig.2　Classification of tea beverages of different varieties

每類茶飲料都聚集在一起，相互間隔較遠(yuǎn)，分類結(jié)果與真實(shí)信息完全一致。電子舌結(jié)合判別分析法還可以將不同pH值茶飲料樣品進(jìn)行區(qū)分，分別分為pH＜4.0、pH 4～6和pH＞6.0，其中pH＜4.0的茶飲料可以很好與其他兩類分開(kāi)，而pH 4～6和pH＞6.0的茶飲料相對(duì)靠近，見(jiàn)圖3。

電子舌結(jié)合判別分析法還可以將不同糖度的茶飲料和不同咖啡因含量的茶飲料進(jìn)行分類。電子舌結(jié)合判別分析法可以將茶飲料樣品分為含糖茶飲料和無(wú)糖茶飲料，見(jiàn)圖4。

兩類茶飲料可以很好地分開(kāi)，大部分茶飲料樣品都為含糖茶飲料，達(dá)到86%，而無(wú)糖茶飲料樣品只有7個(gè)。根據(jù)咖啡因含量，電子舌結(jié)合判別分析法可以將茶飲料樣品分為咖啡堿＜30 mg/L、咖啡堿30 mg/L～70 mg/L和咖啡堿＞70mg/L三類，其中咖啡堿＞70mg/L的茶飲料樣品與其他兩類可以很好區(qū)分開(kāi)，見(jiàn)圖5，而caffeine＜30 mg/L和caffeine 30 mg/L～70 mg/L兩類茶飲料靠得較近。

圖3　 不同酸堿度茶飲料分類Fig.3　Classification of tea beverages of different pH

圖4　不同甜度茶飲料分類Fig.4　Classification of tea beverages of different sweetness

圖5　不同咖啡堿含量茶飲料分類Fig.5　Classification of tea beverages of different caffeine contents

然而，電子舌結(jié)合判別分析法并不能很好地將不同茶多酚含量的茶飲料樣品進(jìn)行分類，如圖6所示，可能是由于茶飲料中其他配料含量對(duì)其干擾較大。盡管我們前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子舌對(duì)茶湯茶多酚含量的分類和判別準(zhǔn)確率很高。

2.3電子舌結(jié)合回歸分析方法量化分析茶飲料化學(xué)成分含量

電子舌數(shù)據(jù)結(jié)合回歸分析法，可以量化分析茶飲料化學(xué)成分含量。以茶飲料中化學(xué)成分含量為因變量，以7個(gè)電子舌感應(yīng)數(shù)值為自變量，進(jìn)行回歸分析。回歸分析結(jié)果表明，茶飲料中茶多酚、咖啡因、pH值及總糖含量都可以與電子舌數(shù)據(jù)建立回歸方程式，且都達(dá)到極顯著水平，因此可見(jiàn)電子舌結(jié)合回歸分析法可以量化茶飲料的化學(xué)成分含量。

茶多酚含量（mg/L）=1468.089+0.524ZZ-0.995BA-0.441 BB+0.106 CA+0.159 GA-1.347 HA+0.766 JB （R2=0.840，P＜0.01）

咖啡因含量（mg/L）=177.674.089+0.022ZZ-0.026 BA-0.023BB+0.016CA-0.004GA-0.115HA+0.012JB （R2=0.718，P＜0.01）

總糖含量（mg/L）=1 839.466+0.014ZZ-0.211BA-0.080 BB-0.055 CA-0.720 GA-0.830 HA+0.464 JB （R2=0.733，P＜0.01）

pH=1.185+0.002 ZZ+0.001 GA+0.001 HA-0.002 JB（R2=0.996，P＜0.01）

2.4模型驗(yàn)證

好的判別函數(shù)和預(yù)測(cè)模型需要有高準(zhǔn)確率回判，更需要有高準(zhǔn)確率的前瞻性預(yù)測(cè)。分別以次年的28個(gè)茶飲料樣品的電子舌采集數(shù)據(jù)和化學(xué)成分含量代入回歸方程式，根據(jù)回歸方程數(shù)值將產(chǎn)品分類，將分類情況與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較，回判準(zhǔn)確率相對(duì)較高，具體數(shù)據(jù)如表2所示，該結(jié)果表明所建立的判別函數(shù)判別效果良好。

圖6　 不同茶多酚含量茶飲料分類Fig.6　Classification of tea beverages of different polyphenols contents

表2　茶飲料分類模型驗(yàn)證Table 2　Verification for the model of tea beverages classification

3　討論

近些年來(lái)茶飲料產(chǎn)品種類不斷增加，市場(chǎng)上有茶飲料60多種，其中包括奶茶飲料10多種，但是所采用的茶葉原料主要集中在綠茶（包括茉莉花茶）、紅茶和烏龍茶，且以紅茶和綠茶為主。其中，茶湯飲料主要以烏龍茶和綠茶為原料，果汁果味茶飲料和調(diào)味茶飲料則主要以紅茶和綠茶為原料［9-10］。電子舌結(jié)合判別分析，根據(jù)茶葉原料的不同風(fēng)味特點(diǎn)，可以較好地將綠茶飲料、紅茶飲料和烏龍茶飲料進(jìn)行分類。目前，我國(guó)茶飲料產(chǎn)品仍然以果味型冰茶飲料（包括冰紅茶、冰綠茶）為主，其pH值都較低（小于4.0），有利于產(chǎn)品的穩(wěn)定性，但是酸性茶飲料為了提高消費(fèi)者接受程度，基本以甜味為主，因此都不能很好體現(xiàn)茶葉原有的風(fēng)味品質(zhì)。茶湯屬偏酸性，pH值接近6.0，因此茶湯飲料的pH值都介于5.0～6.5之間，當(dāng)pH值超過(guò)6.5，茶湯的風(fēng)味穩(wěn)定性較差。目前茶飲料主要以甜味為主，而無(wú)糖茶飲料（非甜味）品種較少，其中以烏龍茶飲料為主，而綠茶飲料和紅茶飲料較少。咖啡因是茶葉重要風(fēng)味化學(xué)成分之一，也是我國(guó)茶飲料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定成分之一，茶湯飲料根據(jù)綠茶、紅茶和烏龍茶原料的不同特點(diǎn)要求咖啡因含量應(yīng)分別達(dá)到60、40、50 mg/L的要求，而調(diào)味茶飲料除了碳酸飲料外，都應(yīng)達(dá)到25 mg/L的要求，低咖啡因產(chǎn)品是指其咖啡因含量不低于同類產(chǎn)品最低含量的50%。高劑量攝入咖啡因具有刺激中樞神經(jīng)、影響睡眠、增加血壓、致突變等風(fēng)險(xiǎn)［11-12］，不適于兒童和孕婦，然而我國(guó)市場(chǎng)上還沒(méi)有低咖啡因茶飲料產(chǎn)品。

本研究將電子舌結(jié)合回歸分析法，還可以建立茶多酚含量等回歸方程式。Chen等［13］報(bào)道電子舌結(jié)合多變量校正法可以定量分析綠茶中的主要兒茶素（EGCG、EGC和ECG）及咖啡堿的含量。可見(jiàn)，將電子舌應(yīng)用于茶飲料主要風(fēng)味化學(xué)成分含量的分析是可行的，該分析方法具有客觀、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，但是建立完善、科學(xué)的分析模型還需要很多工作。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.11.029

基金項(xiàng)目：國(guó)家青年基金（31101248）；浙江省茶產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2011R50024）

作者簡(jiǎn)介：唐平（1981—），男（漢），講師，碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工。

*通信作者

收稿日期：2015-05-06

Application Study of Electronic Tongue on Tea Beverage Classification

TANG Ping1，3，XU Yong-quan2，*，WANG Fang2，LIU Ping2，YIN Jun-feng2，LIU Dong-hong4，*
（1.Hangzhou Vocational&Technical College，Hangzhou 310018，Zhejiang，China；2.Tea Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Tea Biology and Resources Utilization，Ministry of Agriculture，Hangzhou 310008，Zhejiang，China；3.College of Food Science and Biotechnology，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310018，Zhejiang，China；4.College of Bio-system Engineering and Food Science，Zhejiang University，Hangzhou 310029，Zhejiang，China）

Abstract：The study was aimed to detect the application of the electronic tongue on tea beverage.51 kinds of tea beverage which was sold in Chinese market were detected by electronic tongue which was based on potentiometric chemical sensors developed by Alpha M.O.S.（Toulouse，F(xiàn)rance）.All data were treated by multivariate data processing based on discriminant function analysis（DFA）and regression analysis（RA）.The results showed that，much difference in the chemical components contents was found in tea beverages，but the flavors were relatively consistent.The different varieties（green tea，black tea，and oolong tea beverages），pH（pH＜4.0，pH 4-6，pH＞6.0），sugar content（no-sugar and sugary beverages），and caffeine contents（caffeine ＜30 mg/L，30 mg/L-70 mg/L，＞70 mg/L）could be well discriminated by the electronic tongue with DFA.Regression equation of polyphenols contents in tea beverages could be established by the electronic tongue with RA.The tea beverages samples from next year were used for modelling verification，and the result showed high accuracy which indicated that the discriminant model had good effect.

Key words：tea beverage；electronic tongue；classification；application study隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，具有天然、方便、健康、快捷等特點(diǎn)的茶飲料產(chǎn)品得到消費(fèi)者的歡迎和青睞，成為國(guó)際軟飲料市場(chǎng)上增長(zhǎng)速度最快、最重要的飲料產(chǎn)品之一。我國(guó)茶飲料總產(chǎn)量接近1 400萬(wàn)t，約占整個(gè)飲料行業(yè)總量的10%［1］。滋味是人們選擇茶飲料的關(guān)鍵因素之一，也是飲料企業(yè)開(kāi)發(fā)茶飲料新產(chǎn)品的主要考慮因素。然而，目前茶葉滋味審評(píng)及口感評(píng)定的主要方法是依靠專業(yè)感官審評(píng)人員進(jìn)行評(píng)定，其評(píng)判結(jié)果受人為因素影響較大，重復(fù)性差，難以滿足我國(guó)茶飲料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。因此，采用模擬人體味覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)為特征的電子舌技術(shù)，在茶飲料行業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、品質(zhì)控制、市場(chǎng)調(diào)查、風(fēng)味分析等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)［2］。