基于C&R決策樹的茶飲料用原料茶初篩方法

袁海波，鄧余良，滑金杰，李 佳，董春旺，楊艷芹，王近近，尹軍峰，江用文*

茶葉、可可、咖啡并稱為世界三大傳統(tǒng)飲料[1]，隨著人們健康意識(shí)的提升及消費(fèi)理念的轉(zhuǎn)變，茶飲料逐漸成為消費(fèi)者最為青睞的健康飲品之一[2-3]。近些年來(lái)，我國(guó)茶飲料的產(chǎn)量每年以近30%的速度快速增長(zhǎng)[4]，2014年占到飲料消費(fèi)市場(chǎng)份額15%以上[5]，其產(chǎn)值亦占到茶業(yè)總產(chǎn)值的1/3[3]，茶飲料行業(yè)已成為我國(guó)傳統(tǒng)茶產(chǎn)業(yè)的重要支柱[6-7]。

茶飲料富含氨基酸、多酚類等成分[8]，制作及貯藏過(guò)程中易出現(xiàn)色澤褐變、風(fēng)味熟化和混濁等現(xiàn)象[9]，對(duì)加工技術(shù)要求較高。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)茶飲料的加工技術(shù)水平得到了顯著提高，制備、調(diào)配、滅菌、灌裝等關(guān)鍵工序已實(shí)現(xiàn)流水化作業(yè)。原料茶是制作優(yōu)質(zhì)茶飲的關(guān)鍵因素之一，在飲料加工工藝技術(shù)較為成熟的當(dāng)下，其重要性越加突出。與傳統(tǒng)茶葉相比，飲料用原料茶在品質(zhì)要求和評(píng)價(jià)方式上存在明顯不同，傳統(tǒng)茶注重色、香、味、形等內(nèi)外品質(zhì)的統(tǒng)一，且大多以現(xiàn)場(chǎng)熱泡飲用為主，而茶飲料一般在常溫或低溫下飲用，要求有較長(zhǎng)的貨架期，對(duì)外觀要求較少[2]。

飲料用原料茶工藝技術(shù)方面的研究已有相關(guān)報(bào)道[10-12]，但對(duì)其篩選方法的研究較少，目前生產(chǎn)上主要通過(guò)比較貯藏期間茶飲料的品質(zhì)穩(wěn)定性進(jìn)行甄別，即在特定環(huán)境條件下檢測(cè)所制茶飲料的抗高溫色變、抗低溫渾濁和風(fēng)味保真等能力的高低[13-14]，該方法實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，且篩選效果與樣本數(shù)量直接相關(guān)。對(duì)于茶飲料而言，湯色的穩(wěn)定性是判斷茶飲質(zhì)量或原料品質(zhì)的關(guān)鍵因子，基于此，本研究從湯色角度出發(fā)，分析了不同原料茶制作飲料各階段的明亮度、色度、濁度等指標(biāo)的變化規(guī)律，結(jié)合C&R決策樹分析建立一種基于湯色的飲料用原料茶的快速初篩方法，以期減少樣本數(shù)量，提高篩選效率，為實(shí)現(xiàn)茶飲料專用原料的快速篩選方法的建立提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

不同加工工藝制作的茶葉樣本62 個(gè)，由浙江省開(kāi)化縣名茶開(kāi)發(fā)公司基地提供。

酒石酸亞鐵（分析純） 上海麥克林生化科技有限公司；純水（娃哈哈純凈水） 浙江省娃哈哈實(shí)業(yè)股份有限公司飲用水分公司。

1.2 儀器與設(shè)備

電加熱6CS-40型滾筒殺青機(jī)、6CSF-500型熱風(fēng)殺青機(jī)浙江上洋機(jī)械股份有限公司；6CR-45型揉捻機(jī)、6CCQ-50型雙鍋曲毫機(jī) 浙江春江茶葉機(jī)械有限公司；6CHG-601型名茶輝鍋機(jī) 浙江綠峰機(jī)械有限公司；MINOLAT CT-310色差計(jì) 廣州君達(dá)瑞電子科技有限公司；WZT3A型光電濁度計(jì) 無(wú)錫市光明濁度儀廠。

1.3 方法

1.3.1 茶飲料制備

取20 g磨碎茶樣于1 000 mL錐形瓶中，加入900 mL 70 ℃純水并在相同溫度水浴中浸提15 min，趁熱用脫脂棉過(guò)濾至1 000 mL容量瓶中，冷卻定容至1 000 mL。測(cè)定茶多酚濃度，將其稀釋為具有相同茶多酚濃度的茶湯。稀釋后的茶湯經(jīng)雙層濾紙抽濾，常溫常壓下100 ℃滅菌1 min，趁熱灌裝于45 mL離心管中，密封后待處理。

1.3.2 茶飲料貯藏和評(píng)價(jià)

取上述茶飲料分別于4 ℃冰箱放置41 h、7 d以及37 ℃恒溫箱中放置7 d后取出，待恢復(fù)至常溫后測(cè)定樣品的色度指標(biāo)。

1.3.3 色度指標(biāo)的測(cè)定

取高溫滅菌前后，以及貯藏后的茶飲料，分別進(jìn)行明亮度、色差和濁度等色度指標(biāo)的檢測(cè)。明亮度和色差檢測(cè)采用色差計(jì)檢測(cè)；濁度檢測(cè)采用光電濁度計(jì)檢測(cè)，單位為NTU。

1.3.4 茶飲料湯色感官評(píng)價(jià)

建立由5 人（3 男2 女）組成的感官審評(píng)小組，小組成員為具有國(guó)家中級(jí)評(píng)茶員及以上資質(zhì)的專業(yè)人員。通過(guò)審評(píng)小組對(duì)湯色進(jìn)行評(píng)價(jià)，滿分為100 分，所得平均值即為湯色感官評(píng)價(jià)得分。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有色度指標(biāo)均為62 個(gè)樣本的平均值，每個(gè)樣本3 次平行。采用SPSS 21.0軟件對(duì)中湯色感官評(píng)價(jià)得分的變化、相關(guān)性和顯著性（LSD）進(jìn)行分析，圖表的制作以及擬合模型的構(gòu)建采用Origin 8.6軟件，C&R決策樹分析采用SPSS Modeler 14.1軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶飲料制作過(guò)程中的湯色感官評(píng)價(jià)得分變化

對(duì)茶飲料在制作過(guò)程中的湯色感官評(píng)價(jià)得分分析可知，高溫滅菌以及4 ℃放置41 h處理對(duì)于茶湯湯色感官評(píng)價(jià)得分的影響不顯著；在高溫滅菌后的長(zhǎng)時(shí)間放置過(guò)程中，茶湯湯色感官評(píng)價(jià)得分則會(huì)顯著降低。4 ℃和37 ℃放置7 d后的湯色感官評(píng)價(jià)得分分別降低1.23和6.11。特別是37 ℃下放置的湯色感官評(píng)價(jià)得分下降更為明顯。而在日常生活中茶飲料往往以常溫保存為主，因此對(duì)于茶飲料來(lái)說(shuō)尤其需要篩選37 ℃下放置能獲得較高湯色感官評(píng)價(jià)得分的原料。

首先分析高溫滅菌前湯色感官評(píng)價(jià)得分初始值對(duì)后續(xù)各處理階段茶湯湯色的影響效應(yīng)。初始湯色感官評(píng)價(jià)得分與高溫滅菌后、4 ℃放置7 d、37 ℃放置7 d等處理組分值的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.475（P＝0.000）、0.445（P＝0.000）和0.238（P＝0.062）。其中初始湯色感官評(píng)價(jià)得分與37 ℃放置7 d后的湯色感官評(píng)價(jià)得分的相關(guān)性不顯著，表明要篩選37 ℃放置后湯色感官評(píng)價(jià)得分較高的原料的標(biāo)準(zhǔn)不能簡(jiǎn)單依靠初始湯色感官評(píng)價(jià)得分來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 不同制作階段茶飲料湯色感官評(píng)價(jià)得分Fig. 1 Sensory evaluation scores of tea infusion under different processing conditions

2.2 色度指標(biāo)的變化規(guī)律分析及其線性回歸模型的構(gòu)建

明亮度L值、色差（－a、b、－a/b值）和濁度是反映溶液物理性質(zhì)的重要指標(biāo)，表1為茶飲料制作不同階段茶湯色度指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果。Pearson相關(guān)性分析顯示，除－a值外，其他幾個(gè)指標(biāo)與湯色感官得分存在顯著的相關(guān)性（表2）。

表1 不同制作階段茶飲料的色度指標(biāo)Table 1 Color parameters and turbidity of tea infusion under different processing conditions

表2 各色度指標(biāo)與湯色感官評(píng)價(jià)得分的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between instrumental and sensory color evaluation of tea infusion

以滅菌前檢測(cè)值為初始值，不同樣本在37 ℃放置7 d后其L、b、－a/b值和濁度的變化規(guī)律如圖2所示。結(jié)果顯示，b值與濁度在放置后呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且初始值越大，上漲幅度越大；L值和－a/b值在放置后則出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，L值初始值越小，下降幅度越大；而－a/b值從分布來(lái)看所有樣本的降低程度相近。

L、b、－a/b值和濁度4 個(gè)指標(biāo)的原料茶滅菌前檢測(cè)值與37 ℃放置7 d后的檢測(cè)值之間均存在著顯著相關(guān)性，其Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.974、0.965、0.896和0.863；隨之進(jìn)行模型擬合（為保證模型能代表大部分樣本，擬合過(guò)程中剔除了極少數(shù)偏離擬合曲線距離非常大的樣本），分別得到L、b、－a/b值和濁度4 個(gè)指標(biāo)的擬合方程（1）～（4）。

線性模型擬合的結(jié)果表明原料茶中這4 個(gè)指標(biāo)的初始值與37 ℃放置7 d后的值之間存在著良好的線性關(guān)系，進(jìn)而使得利用放置后的值來(lái)推測(cè)初始值或者利用初始值來(lái)推測(cè)放置后的值成為可能。

圖2 原料茶初始色度與37 ℃放置7 d后色度的關(guān)系圖Fig. 2 Relationship between chromaticity of tea infusion before and after storage at 37 ℃ for 7 days

2.3 基于色度指標(biāo)的湯色精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型

線性回歸模型的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了原料茶的L、b、－a/b值和濁度4 個(gè)指標(biāo)在放置前后檢測(cè)值的相互預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上如能構(gòu)建指標(biāo)檢測(cè)值與湯色感官評(píng)價(jià)得分間的預(yù)測(cè)模型，則能在獲得原料茶的L、b、－a/b值及濁度等初始值的基礎(chǔ)上，借助線性回歸模型預(yù)測(cè)這幾個(gè)指標(biāo)在37 ℃放置7 d后的檢測(cè)值，再進(jìn)一步利用湯色感官評(píng)價(jià)得分的預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)最終湯色感官評(píng)價(jià)得分的判別，從而使得綠茶飲料茶原料的快速初篩成為可能。

首先嘗試建立利用色度指標(biāo)實(shí)現(xiàn)湯色感官評(píng)價(jià)得分精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的相關(guān)模型，利用SPSS Modeler軟件的自動(dòng)數(shù)值建模功能進(jìn)行不同預(yù)測(cè)模型的初步篩選，根據(jù)其相關(guān)系數(shù)R2、絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)效果。表3為不同建模方法所得預(yù)測(cè)模型的效果比較。結(jié)果顯示，C&R決策樹建立的模型預(yù)測(cè)效果最好，R2＝0.871，相對(duì)誤差0.242；模型產(chǎn)生的最小誤差為－4.25，最大誤差6.86，平均絕對(duì)誤差1.25，標(biāo)準(zhǔn)差1.67，從平均值與標(biāo)準(zhǔn)差分析預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差在－2.92～2.92區(qū)間，表明湯色實(shí)際分與預(yù)測(cè)分的分差基本處于此范圍內(nèi)。上述結(jié)果表明所建模型能在一定程度上實(shí)現(xiàn)利用色度指標(biāo)對(duì)湯色感官評(píng)價(jià)得分的預(yù)測(cè)；但由于該模型是用于預(yù)測(cè)湯色感官得分，從感官評(píng)定的要求分析，3 分的誤差區(qū)間與理想模型仍存在一定差距，需進(jìn)一步完善。

表3 不同建模方法構(gòu)建茶湯感官得分預(yù)測(cè)模型的效果Table 3 Predictive capacity of different mathematical models for sensory color evaluation of tea infusion

2.4 茶湯色度指標(biāo)與湯色感官評(píng)價(jià)得分間C&R決策樹分析

原料茶篩選目的之一在于獲得經(jīng)特定時(shí)間貯藏后湯色感官評(píng)價(jià)得分仍較高的樣品。在前期研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用C&R決策樹分析中的四分位法對(duì)所有樣本的湯色感官評(píng)價(jià)得分進(jìn)行分箱處理（表4），以明確放置后高湯色感官評(píng)價(jià)得分的色度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合不同階段樣本的湯色感官評(píng)價(jià)得分分布圖（圖1）可知，第一組中的樣本湯色感官評(píng)價(jià)得分最低，主要由37 ℃放置7 d后的樣本組成；從湯色感官評(píng)價(jià)得分分布規(guī)律可以看出，37 ℃放置7 d的樣本中有77.4%其湯色感官評(píng)價(jià)得分低于82 分，82～84 分的樣本數(shù)占19.4%，84 分以上的樣本僅占3.2%。因此將37 ℃放置7 d后得分大于82 分的樣本作為目標(biāo)樣本，并繼續(xù)利用C&R決策樹探索符合此標(biāo)準(zhǔn)的茶湯色度指標(biāo)特征。

表4 各階段樣本的湯色感官評(píng)價(jià)得分的品種分布Table 4 Sensory color score distribution of tea infusion at various processing stages

以L、b、－a/b值和濁度4 個(gè)指標(biāo)作為輸入變量，湯色感官評(píng)價(jià)得分作為輸出變量，對(duì)不同階段的共310 份樣本進(jìn)行C&R決策樹分析。結(jié)果如表5所示，82 分以上樣本的色度指標(biāo)特征規(guī)則可以分為4 類。當(dāng)－a/b＞0.298時(shí)，茶湯得分有99.0%可能性達(dá)到82 分以上；當(dāng)－a/b≤0.226，且b＞64.1時(shí)，樣本獲得82 分以上高分的可能性為100.0%；而根據(jù)b分布，此情況屬于相對(duì)高值范圍，可以劃歸為特種樣本。當(dāng)－a/b值處于0.226～0.298之間時(shí)，可以分為兩種情況：一種是L≤92.5時(shí)，樣本有86.1%的可能性獲得82 分以上的分?jǐn)?shù)；另一種是當(dāng)L＞92.5，且濁度小于14.92的條件下，樣本湯色感官評(píng)價(jià)得分才能在82 分以上。

表5 以82 分為識(shí)別分界線的特征規(guī)則Table 5 Characteristic rules of boundaries based on 82-point identification

2.5 基于湯色的茶飲料用原料茶的快速篩選標(biāo)準(zhǔn)的確立

針對(duì)所確定的湯色感官評(píng)價(jià)得分82以上的色度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合4 個(gè)指標(biāo)在放置前后的回歸模型來(lái)計(jì)算原料茶色度指標(biāo)滅菌前初始標(biāo)準(zhǔn)。為全面覆蓋高湯色感官評(píng)價(jià)得分的原料茶范圍，采用擬合方程結(jié)合預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行分析。以色度指標(biāo)特征規(guī)則之一－a/b＞0.298為例，通過(guò)之前構(gòu)建的擬合方程（3）計(jì)算獲得放置后達(dá)到82 分以上條件的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值為－a/b＞0.531，R2＝0.895，按照公式（5）、（6）可確定其上下限分別為0.475、0.586。

因此其預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值范圍為0.475～0.586，為使標(biāo)準(zhǔn)覆蓋更廣泛的樣本，本實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)采用采用－a/b＞0.475。其他3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也以最大覆蓋值來(lái)確定原料茶的4 個(gè)色度指標(biāo)的初始篩選標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上述方法去除重合范圍后確定的在放置后獲得高于82 分湯色感官評(píng)價(jià)得分的原料茶篩選條件見(jiàn)表6。

表6 貯藏后高湯色感官評(píng)價(jià)得分的原料茶篩選標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Screening criteria of tea raw materials based on sensory color score of stored tea infusion

對(duì)結(jié)果分析可知，原料茶滅菌前－a/b值為原料茶的主要決定因素，－a/b值越高，原料茶在放置后獲得高分的可能性越高，當(dāng)－a/b＞0.475時(shí)，有50%的樣本在放置后獲得82 分以上的高分；－a/b值降低到＞0.398～0.475區(qū)間時(shí)，這個(gè)比例降低到11.1%；當(dāng)－a/b≤0.398時(shí)，只有原料茶滅菌前高b值（b＞34.38）樣本才有可能在放置特定時(shí)間后獲得高分，b值在34.38以下時(shí)獲得高分的概率為0。根據(jù)確定的篩選標(biāo)準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行樣本初篩后最終得到82 分以上樣本14 個(gè)，其中符合初篩標(biāo)準(zhǔn)的樣本為44 個(gè)，本次實(shí)驗(yàn)的總樣本為62 個(gè)，因此根據(jù)初篩標(biāo)準(zhǔn)可剔除樣本18 個(gè)，初篩后僅需對(duì)44 個(gè)樣本進(jìn)行整個(gè)飲料制作過(guò)程的實(shí)驗(yàn)，篩選效率由初篩的0.226提高至0.318，而這些規(guī)則外的樣本的篩選效率僅為0，取得了較好的效果。3 條篩選標(biāo)準(zhǔn)中的1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)其篩選效率達(dá)到了50%，其支持率（18/62×100%＝29.0%）在幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中也最高，具有成為茶飲料用原料茶篩選主要標(biāo)準(zhǔn)的潛力，可以在今后的實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)關(guān)注。

3 討 論

茶飲料的品質(zhì)因子主要包括色澤、香氣、滋味等，影響茶飲料品質(zhì)的關(guān)鍵在于生產(chǎn)原料及后續(xù)飲料制作工藝。針對(duì)茶飲料工藝技術(shù)的研究已有較多報(bào)道，王會(huì)等[15]提出茶湯傳統(tǒng)浸提工藝以茶-水質(zhì)量比1∶50、80 ℃浸泡25 min為最佳；尹軍峰[16]提出了整套的茶飲料風(fēng)味調(diào)配技術(shù)；黃秀娟等[17]確定了無(wú)菌冷灌裝的最佳工藝參數(shù)；新技術(shù)研究方面，微波、超聲波、逆流等新型浸提技術(shù)被系統(tǒng)研究[18-22]；Su Erzheng等[23]提出了可改善茶飲香氣和穩(wěn)定性的β-葡萄糖固化技術(shù)；李歡等[24]研究出了可改善茶飲料濁度的酶制劑輔助工藝。茶飲料品質(zhì)內(nèi)在影響因子及機(jī)理不斷被揭示，如明確了咖啡堿含量與固態(tài)茶飲料的濁度呈顯著正相關(guān)[25]，兒茶素組分與楊梅素、葡糖基蘆丁對(duì)茶湯色澤具有一定互作效應(yīng)等[26-27]。

原料茶與傳統(tǒng)茶雖然在評(píng)判方式上有所差異[28]，但對(duì)色澤的評(píng)價(jià)確是相通的。色澤是茶葉質(zhì)量?jī)?yōu)劣的最直觀的表達(dá)，是對(duì)茶葉“色、香、味、形”諸要素的綜合反映[29]。茶葉色澤包括干茶色澤、茶湯色澤和葉底色澤等三部分[30]。目前對(duì)茶葉色澤的檢測(cè)以L、－a、b值和濁度等參數(shù)為主。貯藏過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，兒茶素和氨基酸等的氧化、聚合反應(yīng)以及葉綠素的脫鎂、脫酯基反應(yīng)等逐漸加強(qiáng)，使得干茶色澤不斷變黃、變暗，茶湯變褐，其明亮度亦逐步下降[31]；因此采用色澤參數(shù)表征原料茶的穩(wěn)定特性具有可行性。陳玉瓊等[32]的研究表明，綠茶原料級(jí)別越低，所制茶湯的綠色度保持越好，使用低檔原料加工罐裝茶飲料較為適宜。

本研究分析了湯色在在茶飲料制作過(guò)程中的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)湯色在37 ℃放置后出現(xiàn)了大幅度的降低，但初始湯色感官評(píng)價(jià)得分與37 ℃放置7 d后的湯色感官評(píng)價(jià)得分之間不存在顯著的相關(guān)性。茶湯的明亮度、色差、濁度等指標(biāo)與湯色的相關(guān)性分析表明，這些指標(biāo)均與湯色感官評(píng)價(jià)得分的高低存在著顯著的相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上采用了C&R決策樹的分析方法確立了湯色感官評(píng)價(jià)得分在82 分以上茶湯的色差、明亮度和濁度的4 條篩選規(guī)則，并結(jié)合曲線模擬建立的模型，得到放置后獲得高湯色感官評(píng)價(jià)得分的3 條原料茶篩選標(biāo)準(zhǔn)。利用這3 條標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原料茶進(jìn)行初篩后，將原料茶的范圍從62 個(gè)縮小到44 個(gè)，并最終獲得82 分以上高分的樣本14 個(gè)。通過(guò)所確定的篩選標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原料茶進(jìn)行初篩后獲得高湯色感官評(píng)價(jià)得分的樣本的篩選效率為0.318，而非標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的樣本的篩選效率為0。本研究證實(shí)了利用色度指標(biāo)對(duì)原料茶進(jìn)行快速初篩、提高篩選效率的可能性。