基于主成分分析法的汉中工夫红茶汤色滋味评价模型构建

王 昕李新生,2,3*韩 豪,2付 静,2,3米 桂赵 璇

（1.陕西理工学院生物科学与工程学院；2.陕西省资源生物重点实验室；3.陕西理工学院秦巴红茶研究所）

主成分分析法（PCA）是研究如何将多变量问题转化为较小的新变量问题的一种统计方法。傅隆生等利用主成分分析法对猕猴桃的品质进行了综合评价。白沙沙等利用主成分分析法对苹果品质进行了综合评价。说明利用主成分分析法对食品样品进行综合评价研究是可行的。近年来，汉中利用采自800～1600m海拔的高山茶鲜叶，经萎凋、揉捻、发酵、烘干等工艺精心研制成工夫红茶，具有“条索紧细，金毫外露，汤色红亮，香气持久，滋味鲜醇高爽，叶底厚软”的特点，在第十一届中国（北京）国际茶业博览会上荣获“特别金奖”。茶叶品质的评价一般采用“感官审评法”，易受评茶人员主观因素和外界环境因素的影响，在一定程度上限制了评价结果的客观性。而工夫红茶的汤色滋味品质与其理化成分有密切的关系。因此本研究首次利用主成分分析法对不同等级和季节的8个汉中工夫红茶样品的12个主要理化成分进行分析，构建了汤色滋味评价模型，与感官审评的结果进行比较，并对模型评价结果进行了检验，以期为汉中工夫红茶的品质评价提供参考和依据。

一、材料与方法

1.试验材料

试验所用的8个工夫红茶样品的鲜叶采自汉中市南郑县汉山茶业公司基地茶园，为一芽一叶或一芽两叶的中小叶种，采摘季节为春夏秋三季，经日光萎凋、揉捻、发酵、烘干等工艺制成工夫红茶，分别装入锡箔纸袋密封常温保存。

2.试验仪器

HP1100高效液相色谱仪，安捷伦；UV-1750型紫外-可见光分光光度仪，日本岛津仪器公司；DZKW-S-4型水浴锅，北京市永光明医疗仪器厂；SHZ-D(Ⅲ)型循环水式真空泵，天津华鑫仪器厂；101-OES型电热鼓风干燥箱，北京市永光明医疗仪器；LC-800型低速台式离心机：科大创新股份有限公司；BSA224S型电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司；SRJX-3-9D型马弗炉，上海凯朗仪器设备厂。

3.试验方法

（1）主要化学成分的测定

水分测定：GB/T8304-2013；水浸出物测定：GB/T8305-2013；总灰分测定：GB/T8306-2013；茶多糖测定：苯酚—硫酸法；游离氨基酸测定：GB/T8314-2013；茶氨酸测定：GB/T23193-2008高效液相色谱法；茶多酚、儿茶素的测定：GB/T8313-2008；咖啡碱的测定：GB/T8312-2013紫外分光光度计法；茶黄素、茶红素、茶褐素的测定：分光光度法。

（2）感官审评方法

由于工夫红茶的外形与叶底主要在加工过程中由揉捻的时间、力度决定，与茶叶内质成分含量关系不大，香气主要由芳香物质决定，因此本研究参照GB/T23776-2009中工夫红茶审评方法，主要从汤色和滋味2个方面进行审评：取3 g茶样，加入150 mL水，冲泡时间5 min，按照汤色（25%）、滋味（75%）的标准进行评分，各因子100分，利用加权评分法计算总得分。由3位评茶员对8个茶样进行平行感官审评，取其平均值。得分越高，茶叶品质越好。

（3）数据处理

将本研究中8个样品的12个变量的理化数据，通过SAS9.2处理，提取出k个主成分（k＜X），k个主成分的累计方差贡献率在 85%以上。各主成分用 F1，F2，…Fk表示，Fj＝a1jX1＋a2jX2＋…＋a12jX12（j=1-k），主成分的系数（aij）反映出第i个变量在第j个主因子上的相对重要性，等价于原始变量相关系数矩阵的特征向量。以不同主分量特征值的方差贡献率βi(i＝1，2，…，k)为加权系数，利用综合评价函数F＝β1F1＋β2F2＋…＋βkFk计算各样本得分，综合得分越高，表明该样品的质量品质越好。

二、结果与分析

1.汉中工夫红茶理化成分组成

汉中工夫红茶的理化成分指标测定结果见表1，从表中可以看出，8份茶样符合“GB/T13738.2-2008红茶-工夫红茶”的理化成分的规定标准：含水量≤7.0%，总灰分≤6.5%，中小叶工夫类水浸出物≥32%。所选8个茶样均为合格产品。

2.汉中工夫红茶理化成分间的相关矩阵

由表2可见，8份样品的12种理化成分存在一定的相关性。各理化指标在反映汉中工夫红茶品质信息上有一定重叠。因此本实验适合主成分分析。

表1 8份汉中红茶样理化成分 %

表2 汉中工夫红茶理化成分间相关矩阵

3.主成分分析结果

主成分的特征值及方差贡献率是选择主成分的依据。由表3结果显示，前4个主成分反映了茶叶样品90.10%（大于85%）的内质品质信息，因此选前4个主成分对汉中工夫红茶的内质成分进行分析。

表3 主成分特征值与累积方差贡献率 %

4.汉中工夫红茶汤色滋味评价模型的构建

特征向量能反映各指标对主成分贡献的大小，特征向量数值的绝对值越大，对该主成分的贡献越大。特征向量的符号表示各指标对改变主成分值的增减效果。由表4可见各主成分的特征向量。

第1主成分主要综合了茶褐素、茶黄素、水浸出物、茶红素4个因子的变量信息（选择特征向量绝对值大于3.5的因子），这些因素主要反映了工夫红茶的汤色的特点，因此称为“汤色因子”。方程为：

第2主成分主要综合了游离氨基酸、咖啡碱、总灰分、茶多酚4个因子的变量信息。其中咖啡碱主要反映了工夫红茶的苦味特点，因此称为“苦味”因子。方程为：

第3主成分主要综合了茶多糖、茶氨酸、总灰分3个因子的变量信息。其中茶多糖、茶氨酸主要反映了工夫红茶的鲜甜味的特点，因此称为“鲜甜味”因子。

第4主成分主要综合了儿茶素、茶多酚、水浸出物3个因子的变量信息。其中儿茶素、茶多酚主要反映了工夫红茶涩味的特点，因此称为“涩味”因子。方程为：

前4个主成分能够反映了工夫红茶汤色和滋味的全部特征，说明对8份样品进行“汤色”和“滋味”的感官评审的方法合理。根据不同主成分特征值的方差贡献率得出，综合评价函数F的表达式

表4 各主成分的特征向量

表5 汉中工夫红茶汤色滋味模型评价和感官审评结果

5.汉中工夫红茶汤色滋味模型评价结果与感官审评结果比较

由表5可知，8份茶样的汤色滋味评价模型排序与感官审评排序基本一致。样品4与样品7汤色滋味评价模型排序与感官审评排序略有差异，在感官审评中这两组的得分一致，而它们的汤色滋味评价模型得分表明样品4较样品7更好，说明所建立的汉中工夫红茶汤色滋味评价模型可以区分相似度很高的汉中工夫红茶。利用该模型来评价汉中工夫红茶的汤色滋味是可行的，而且比感官审评更客观，弥补了感官审评的主观误差。

6.汉中工夫红茶汤色滋味评价模型的检验

为了检验汉中工夫红茶汤色滋味评价模型的评价效果，再选取3个汉中工夫红茶样品进行模型评价，并与感官评价结果进行比较，结果见表6，表明本文所建立的评价模型与感官评价法具有很好的一致性。

表6 汉中工夫红茶质量评价模型的检验结果

三、结论与讨论

本研究以8个汉中工夫红茶为样品，对品质起决定作用的12个理化成分进行测定，探索性地利用主成分分析法对汉中工夫红茶进行了汤色滋味评价模型的构建。把12个变量转化为4个主成分(即4个综合变量)，累积方差贡献率达到90.10%，构建汉中工夫红茶的汤色滋味评价模型：

评价结果初步表明：评价模型得分在1.0以上的茶叶汤色滋味最好（样品2，样品6），评价模型得分在1.0到-1.0之间的茶叶汤色滋味次之（样品1，样品4，样品7，样品3，样品5），评价模型得分在-1.0以下的茶叶汤色滋味较差（样品8）。

根据汉中工夫红茶主成分分析法汤色滋味评价模型的计算结果与感官审评结果比较可以看出，两者具有较高的一致性，表明所构建的汉中工夫红茶主成分分析法汤色滋味评价模型是可行的，利用主成分分析法构建汤色滋味评价模型减少了感官评审主观判断所造成的误差，数据分析结果更具客观性，为评价汉中工夫红茶汤色滋味的品质评价开辟了一条新途径。