基于電子鼻技術(shù)對云南普洱熟茶的香氣品質(zhì)判別

陳婷，蔣明忠，彭文，馮博，王白娟*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南昆明650201;2.云南警官學(xué)院，云南昆明650223)

基于電子鼻技術(shù)對云南普洱熟茶的香氣品質(zhì)判別

陳婷1，蔣明忠2，彭文1，馮博1，王白娟1*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南昆明650201;2.云南警官學(xué)院，云南昆明650223)

利用電子鼻技術(shù)對云南普洱熟茶進(jìn)行香氣分析及判別，為普洱熟茶的品質(zhì)分級及篩選提供理論依據(jù)，促進(jìn)普洱熟茶品質(zhì)判別的數(shù)字化。采用電子鼻技術(shù)對具有典型代表的9個云南普洱熟茶進(jìn)行了檢測。通過Winmuster軟件，利用主成分分析法PCA、線性判別法LDA和傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析法(Loadings)對樣品進(jìn)行分析。PCA分析結(jié)果顯示，可以將同品牌不同年份的普洱熟茶香氣完全區(qū)分開，且效果較好，區(qū)分度可達(dá)99.9%。LDA分析結(jié)果顯示，通過線性判別，選擇合適的判別式，可以較好地將同一品牌不同年份的普洱熟茶區(qū)分開，說明不同年份的普洱熟茶其揮發(fā)物成分存在較大差異，可以被電子鼻檢測區(qū)別開。Loadings分析結(jié)果顯示，10個傳感器中，7、2和9號作為此次分析的關(guān)鍵傳感器，對茶葉香氣的響應(yīng)明顯，對區(qū)分貢獻(xiàn)率最大。研究結(jié)果表明，電子鼻這種快速無損的新方法是一種有效的通過氣味來評價茶葉品質(zhì)的技術(shù)，可以用于云南普洱熟茶香氣品質(zhì)判別，對于不同年份的普洱熟茶有非常好的區(qū)分度。

電子鼻;普洱熟茶;香氣;品質(zhì)判別

中國具有歷史悠久的茶文化，歷經(jīng)幾千年的傳承和發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)形成了以地理為特色，種類眾多，品質(zhì)不一的中國名茶系列。在眾多的茶葉中，普洱茶作為云南地理標(biāo)志性產(chǎn)物，一直以歷史悠久、品質(zhì)獨(dú)特、功效顯著而蜚聲中外。普洱茶是云南滇西南地區(qū)的大葉種茶樹鮮葉經(jīng)殺青、揉捻、日曬、渥堆、干燥等工序而制成的產(chǎn)品。廣義的普洱茶包括:曬青茶、熟茶和陳茶三大系列，其中曬青茶分為青餅、青沱、青磚和嗮青毛茶［1］;其外形色澤褐紅，內(nèi)質(zhì)湯色紅濃明亮，香氣獨(dú)特陳香，滋味醇厚回甘［2］。普洱茶因其對人體健康具有特殊的保健功效［3］和“越陳越香”的存儲方式，備受國內(nèi)外飲茶者的喜愛。根據(jù)前人對普洱茶的研究發(fā)現(xiàn)其獨(dú)特的香氣是在渥堆工序中形成的，而普洱茶內(nèi)含物質(zhì)成分則是在一定的濕熱、酶促、微生物作用下形成［4－6］。普洱茶的香氣成分直接影響其品質(zhì)的高低和市場的認(rèn)可。因此，深入研究普洱茶獨(dú)特的香氣成分，成為普洱茶研究工作者的研究焦點(diǎn)。目前茶葉的香氣成分定性分析方法有超臨界CO2萃取法(SFE)、同時蒸餾萃取法(SDE)、氣相色譜質(zhì)譜(GC/MS)、減壓蒸餾法(VDE)、固相微萃取(SPME)、頂空吸附法(HAS)［7］。根據(jù)氣相色譜等分析，茶葉芳香物質(zhì)的組成包括碳?xì)浠衔铩⒋碱悺⑼悺⑺犷悺⑷╊悺⒅悺?nèi)酯類、過氧化合物類、含硫化合物類、吡啶類、芳胺類等［8］。電子鼻是一種新穎的分析、識別和檢測復(fù)雜氣味和大多數(shù)揮發(fā)性成分的儀器［9］。其工作原理是模擬人的嗅覺器官對氣味進(jìn)行感知、分析和判斷，由氣體采集流向控制系統(tǒng)、氣敏傳感器陣列、信號處理子系統(tǒng)和模式識別子系統(tǒng)等四大部分組成。運(yùn)用電子鼻技術(shù)進(jìn)行氣味分析，可以客觀、準(zhǔn)確、快捷地評價氣味及樣本，并且具有較好的重復(fù)性，這是常規(guī)氣體分析方法所不及的。蘇明申等［10］應(yīng)用電子鼻研究了不同品種的桃果實的香氣差異，表明采用DFA和SQC方法能較好呈現(xiàn)桃果實香氣品質(zhì)的差異;江津津等［11］為了識別魚露的品質(zhì)，利用電子鼻對魚露香氣進(jìn)行檢測分析，結(jié)果與GC-MS數(shù)據(jù)和感官分析結(jié)果一致，可為魚露速釀工藝的優(yōu)選提供參考;史波林等［12］采用電子鼻技術(shù)判別西湖龍井茶的香氣品質(zhì)，建立了不同茶葉等級的批判別模型，實現(xiàn)了西湖龍井茶的智能分等分級。電子鼻技術(shù)的興起讓人們看到綜合評價氣味整體信息的巨大潛力［13］。近年來，電子鼻得到了廣泛的研究和應(yīng)用，尤其在食品和飲料工業(yè)方面［14－19］。其中，最主要的一個方面就是根據(jù)各樣品的不同揮發(fā)物進(jìn)行識別分類。目前利用電子鼻技術(shù)分析判別普洱熟茶香氣品質(zhì)的研究還處于萌芽階段。本研究以普洱茶中具有典型代表的大益熟茶7572和三星熟茶為研究對象，運(yùn)用傳感器型電子鼻進(jìn)行氣味“指紋”分析，對樣品進(jìn)行區(qū)分分析，本研究提取10個傳感器的特征值，然后采用主成分分析法(PCA)，線性判別法(LDA)［20］和傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析法(Loadings)作為主要區(qū)別分析方法，依此來判別同種品牌不同年份的普洱熟茶的氣味品質(zhì)，為普洱熟茶的品質(zhì)分級及篩選提供理論依據(jù)，促進(jìn)普洱熟茶品質(zhì)判別的數(shù)字化。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品

文章選用了云南主要產(chǎn)茶區(qū)勐海地區(qū)和臨滄地區(qū)的茶葉為原料，供試樣品為大益7572熟茶和福元昌品牌三星熟茶，具體茶樣見表1。

1.2 主要儀器與設(shè)備

本次檢測使用由德國Airsens公司生產(chǎn)的PEN3型電子鼻，它由是10個不同的氣味傳感器、信號處理模塊以及模式識別系統(tǒng)等功能模塊構(gòu)成。其中傳感器陣列包含10個對不同類別氣體揮發(fā)物敏感的金屬氧化物氣敏傳感器，使得整個電子鼻系統(tǒng)能夠識別不同的氣味。電子鼻不同傳感器檢測到的樣品的信息代表了樣品中全部揮發(fā)物的總體分布，檢測過程中的數(shù)據(jù)是由電子鼻的關(guān)鍵部件10個不同金屬氧化物傳感器提供。當(dāng)茶葉樣品經(jīng)沸水浸泡后，茶葉香氣物質(zhì)揮發(fā)，經(jīng)過傳感器時其電導(dǎo)率為G，經(jīng)活性炭過濾的標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)過傳感器時其電導(dǎo)率為G0，電子鼻系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)即為2個電導(dǎo)率的比值，即G/G0［21］。G/G0值的變化即代表了香氣物質(zhì)含量的相對變化。

表1 茶樣信息Table 1 Tea sample information

1.3 試驗方法

制樣:稱取5 g普洱熟茶茶葉樣品，置入固定容器中，注入沸水100 mL并迅速蓋上保鮮膜，浸泡10 min后進(jìn)行檢測。傳感器容易因為污染而導(dǎo)致檢測誤差的產(chǎn)生，為保證樣品檢測的準(zhǔn)確性，按照順序逐組進(jìn)行電子鼻測試，直至完成9個樣品。

電子鼻測定條件:采樣時間為1 s/組;傳感器自清洗時間為60 s;傳感器歸零時間為10 s;樣品準(zhǔn)備時間為5 s;進(jìn)樣流量為300 mL/min;分析采樣時間為60 s。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

本實驗在對每個樣品的數(shù)據(jù)采集過程中，通過查看每個傳感器響應(yīng)信號的變化曲線、每個時間點(diǎn)的信號值及星型雷達(dá)圖或柱狀指紋圖，可以清晰考察各個傳感器在實驗分析過程中的響應(yīng)情況。并通過傳感器選擇設(shè)置可以查看在不同數(shù)量的傳感器情況下的響應(yīng)情況。由于每個傳感器對某一類特征氣體響應(yīng)劇烈，可以確定樣品分析過程中樣品主要揮發(fā)出了哪一類特征氣體。

對于樣品區(qū)分分析，本實驗提取10個傳感器的特征值，然后采用主成分分析法(PCA)，線性判別法(LDA)和傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析法(Loadings)作為主要區(qū)別分析方法。在用PCA進(jìn)行分析時，可以查看在每個主成分下樣品區(qū)分的狀況，并可以分析樣品之間主要是由哪一類組分起主要區(qū)分作用;LDA是DFA(識別因子法)的第一步，LDA分析注重類別的分類以及各種組之間的距離分析;Loadings分析法與PCA是相關(guān)的，它們都基于同一種算法，但不同的是，本實驗中Loadings算法主要是對傳感器進(jìn)行研究，利用該方法可以確認(rèn)特定實驗樣品下各傳感器對樣品區(qū)分的貢獻(xiàn)率大小，從而可以考察在樣品區(qū)分過程中哪一類氣體起了主要區(qū)分作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 電子鼻傳感器特征響應(yīng)曲線分析

各傳感器的主要性能:傳感器W1C(R1)對芳香成分敏感，傳感器W5S(R2)對氮氧化合物敏感，傳感器W3C(R3)對氨水和芳香成分敏感，傳感器W6S(R4)對氫氣敏感，傳感器W5C(R5)對烷烴芳香成分敏感，傳感器W1S(R6)對甲烷敏感，傳感器W1W(R7)對硫化物敏感，傳感器W2S(R8)對乙醇敏感，傳感器W2W(R9)對芳香成分和有機(jī)硫化物敏感，傳感器W3S(R10)對烷烴敏感［22］。根據(jù)傳感器響應(yīng)曲線圖，在響應(yīng)曲線平穩(wěn)后，提取各組樣品的電子鼻各個傳感器的電導(dǎo)率比值(G/G0值的變化即代表了香氣物質(zhì)含量的相對變化)。在T=40s左右各傳感器響應(yīng)曲線逐漸趨于平穩(wěn)。表2～3分別是大益7572五種熟茶、三星熟茶在T=40s時的電導(dǎo)率比值(R1～R10分別是電子鼻的10個金屬傳感器)。

從表2～3中可以看出，7號傳感器的G/G0最大，其次是2、9號傳感器，也即傳感器R7對茶樣香氣成分中的硫化物反應(yīng)最靈敏、響應(yīng)值有所增加，其次是傳感器R2對氮氧化物的反應(yīng)、傳感器R9對芳香成分的反應(yīng)。通過PEN3型電子鼻對普洱熟茶香氣成分的檢測分析，結(jié)果表明普洱熟茶香氣成分中含硫化合物類含量最大，其次是氮氧化合物類含量和芳香成分含量。

表2 大益7572熟茶電導(dǎo)率G/G0比值Table 2 The conductivity ratio(G/G0)of 7572

表3 三星熟茶電導(dǎo)率G/G0比值Table 3 The conductivity ratio(G/G0)of Sanxing ripe tea

圖1 茶樣的PCA分析Fig.1 Principal component analysis of tea samples

2.2 不同年份7572熟茶的分析

2.2.1 不同年份7572熟茶PCA分析大益7572熟茶的PCA分析結(jié)果如圖1～2所示，在CORRELATION相關(guān)性矩陣模式下:第一主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為98.933%，第二主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為1.0122 %，2個主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率和為99.945%，只要大于90%就可以表示兩個主成分已經(jīng)基本代表了樣品的主要信息特征，同時PCA的區(qū)分度達(dá)到了99.945%。由圖1～2可以看出，2009、2011、2012年大益7572熟茶與2002、2007年大益7572熟茶的分布區(qū)域較遠(yuǎn)，差別非常明顯;2002與2007年茶種等級比較接近，電子鼻檢測時期PCA分布區(qū)域不是非常大，但仍可以區(qū)分開來。這是因為傳感器對不同茶葉揮發(fā)物質(zhì)的響應(yīng)區(qū)別相當(dāng)明顯。通過PCA分析可以將不同年份的大益7572普洱熟茶較好地區(qū)分開。

2.2.2 不同年份7572熟茶LDA(線性判別分析)分析線性判別分析結(jié)果如圖3所示，通過線性判別，選擇合適的判別式，可以較好地將5種同一廠家、不同年份的大益7572熟茶區(qū)分開。說明同品牌不同年份的普洱熟茶其揮發(fā)物成分存在一定差異，可以被電子鼻檢測到并被判別區(qū)別開。從圖3可以看出，LDA分析結(jié)果明顯優(yōu)于PCA分析，可以將樣品完全分開。而且年份差別越大，分離效果越好。

圖2 茶樣的PCA區(qū)分度分析Fig.2 PCA differentiation analysis and principal component contribution rate of tea samples

圖3 茶樣的LDA分析Fig.3 Linear discriminant analysis of tea samples

圖4 茶樣的Loadings分析Fig.4 Loadings analysis of tea samples

2.2.3 不同年份7572熟茶Loadings分析Loadings分析:在CORRELATION相關(guān)性矩陣模式圖中傳感器R2對第一主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率最大，其次是R7號和R9號，R7號傳感器對第二主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率最大;也即氮氧化合物在大益7572熟茶第一主成分中的貢獻(xiàn)率最大、其次是硫化物和有機(jī)硫化物，而硫化物在茶葉香氣成分第二主成分中的貢獻(xiàn)率最大。

2.3 不同年份三星熟茶的分析

圖5 茶樣的PCA分析Fig.5 Principal component analysis of tea samples

圖6 茶樣的PCA區(qū)分度分析Fig.6 PCA differentiation analysis and principal component contribution rate

2.3.1 不同年份三星熟茶PCA分析三星熟茶的PCA分析結(jié)果如圖5～6所示，在CORRELATION相關(guān)性矩陣模式下:第一主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為98.895%，第二主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率為1.0498%，2個主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率和為99.945%，只要大于90%就可以表示2個主成分已經(jīng)基本代表了樣品的主要信息特征，同時PCA的區(qū)分度達(dá)到了99.945%，大于90%，所以這兩個主成分已經(jīng)基本代表了樣品的主要信息特征。由圖5～6可以看出，4種熟茶樣品的分布區(qū)域較遠(yuǎn)，差別非常明顯，通過PCA分析可以將不同年份的三星普洱熟茶較好地區(qū)分開。

2.3.2 不同年份三星熟茶LDA(線性判別分析)分析線性判別分析結(jié)果如圖7結(jié)果表示，通過線性判別，選擇合適的判別式，可以較好地將4種同一廠家、不同年份的三星熟茶區(qū)分開。說明同品牌不同年份的普洱熟茶其揮發(fā)物成分存在一定差異，可以被電子鼻檢測到并判別區(qū)別開。從圖7可以看出，LDA分析結(jié)果明顯優(yōu)于PCA分析，可以將類樣品完全分開。而且年份差別越大，分離效果越好。

2.3.3 不同年份三星熟茶Loadings分析PEN3電子鼻的10個金屬傳感器在分析中的顏色表示同大益7572。

Loadings分析見圖8:在CORRELATION相關(guān)性矩陣模式圖中傳感器R2對第一主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率最大，其次是R7號和R9號，R7號傳感器對第二主成分區(qū)分貢獻(xiàn)率最大;也即氮氧化合物在三星熟茶第一主成分中的貢獻(xiàn)率最大、其次是硫化物和有機(jī)硫化物，而硫化物在茶葉香氣成分第二主成分中的貢獻(xiàn)率最大。

圖7 茶樣的LDA分析Fig.7 Linear discriminant analysis of tea samples

圖8 茶樣的Loadings分析圖Fig.8 Loadings analysis of tea samples

3 討論

文章中使用的樣品大益7572和福元昌三星熟茶分別代表云南2個重要產(chǎn)茶區(qū)勐海和臨滄的普洱茶，其中大益7572被稱為云南普洱熟茶的標(biāo)桿，對這2個茶樣進(jìn)行香氣成分分析具有代表性。生產(chǎn)年份對于普洱茶的香氣來說至關(guān)重要，普洱茶特殊的存儲方式使其具有“越陳越香”的特點(diǎn)，香氣是影響品質(zhì)和市場價格的重要因素，因此對普洱茶的香氣進(jìn)行檢查分析一直是專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。目前普洱茶的香氣成分定性分析主要采用氣相色譜－質(zhì)譜法，然而在實際的樣品分析過程中，發(fā)現(xiàn)普洱茶的香氣成分往往含有多種同分異構(gòu)化合物，因結(jié)構(gòu)相似，質(zhì)譜圖差別也不大，采用常規(guī)質(zhì)譜檢索方法不易準(zhǔn)確定性，需要結(jié)合其他定性方法進(jìn)行鑒定［23］。電子鼻技術(shù)在普洱茶的香氣分析中的研究鮮有報道，文章采用電子鼻對9個不同生產(chǎn)日期的大益7572和福元昌熟茶進(jìn)行檢測，探討了茶葉各香氣成分含量的變化與相應(yīng)電子鼻信號的變化之間的關(guān)系。使用Winmuster軟件進(jìn)行分析，采用主成分分析法PCA、線性判別法LDA和傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率分析法Loading分析方法。研究結(jié)果表明，以電子鼻作為檢測方法，利用德國AIRSENSE公司的PEN3電子鼻可以顯著地區(qū)分判定同一廠家、不同年代的普洱熟茶，茶葉香氣區(qū)分度高。其中傳感器R7、R2、R9對茶葉香氣的響應(yīng)明顯，對區(qū)分貢獻(xiàn)率最大。PCA分析可以將年份差別明顯的樣品區(qū)分開，而對于年份差別較小的樣品不能很好地實現(xiàn)分類，存在一定的局限;LDA分析可以將各個等級的樣品完全分開，效果優(yōu)于PCA分析。本研究結(jié)果表明:電子鼻可快速判別茶樣品的香氣品質(zhì)差異，建立電子鼻對云南普洱熟茶香氣檢測研究方法可以使電子鼻廣泛地應(yīng)用到云南普洱熟茶香氣成分的研究中。這種判別方法可以區(qū)別同品牌不同年份的普洱茶，為普洱熟茶的品質(zhì)分級及篩選提供理論依據(jù)，促進(jìn)普洱熟茶品質(zhì)判別的數(shù)字化。

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(責(zé)任編輯 王家銀)

Aroma Quality Discrim ination of Yunnan Pu’er Ripe Tea Based on Electronic Nose

CHEN Ting1，JIANG Ming-zhong2，PENGWen1，F(xiàn)ENG Bo1，WANG Bai-juan1*
(1.Yunnan Agricultural University，Yunnan Kunming 650201，China;2.Yunnan Police College，Yunnan Kunming 650201，China)

The aroma of Yunnan Pu＇er ripe teawasanalyzed and identified by using electronic nose technology，which provided theoretical basis of quality classification and screening for Pu’er ripe tea，promoted the digitization of quality classification for Pu＇er tea.In this paper，9 typical Yunnan Pu＇er ripe teashad been detected by electronic nose technology，and the sampleswere analyzed with themethodsof Principal Component Analysis(PCA)，Linear Discriminant Analysis(LDA)and Loadings Analysis(Loadings)by using system-provided Winmuster software.PCA analysis showed thataroma of Pu＇er ripe tea of the same brand ofdifferent years could be completely separated，and better distinction of up to99.9%.LDA analysis showed that selecting the appropriate discriminant，could better distinguish different years Pu＇er ripe tea of the same brand，it illustrated there were differences among the volatile components in different years of Pu＇er ripe tea which could be detected by electronic nose.Loadings analysis showed that in the10 sensors，No.7，2 and 9 were the key sensorsof the analysis，and their responses to the tea aroma were obvious，and the contribution rate was the biggest.The research shows that the rapid and non-destructive method of electronic nose is an effectivemethod to evaluate the quality of tea by the smell，which can be used for discrimination of aroma quality of Yunnan Pu＇er ripe tea，and it can better distinguish Pu＇er ripe tea of different years.

Electronic nose technology;Pu＇er ripe tea;Aroma;Quality discrimination

S24

A

1001－4829(2017)2－0339－06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.2.017

2015－12－06

國家自然科學(xué)基金(61561054)

陳婷(1990－)，女，重慶人，碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)，E-mail:840897617@qq.com，*為通訊作者，王白娟(1979－)，女，白族，副教授，研究方向為生物物理學(xué)，E-mail:wangbaijuan123@126.com。