电子舌技术在普洱茶年份鉴别中的应用

张寅, 王保卫, 陈志敏

(石家庄市食品药品检验中心, 河北 石家庄 050000)

茶叶源于中国, 是我国具有资源优势、文化底蕴以及消费传统的特色农产品。其中普洱茶是以云南特产的大叶种茶为原料经加工而成的茶叶, 优质的普洱茶外形色泽棕褐、条索肥壮、汤色红浓, 具有独特陈香, 滋味浓厚醇和回甘, 更有保健和药效作用, 其中调解血脂功效是当前研究的热点[1-3]。新制或陈放不久的生茶有强烈的苦味, 生茶储藏时间越久香味越醇厚。从普洱茶品质特点来看, 则以越陈品质越佳著称, 这是普洱茶与其他茶类的最大区别。由于陈茶价格更高, 所以存在着通过违法手段处理普洱茶、将劣质生茶以次充好的不法行为,危害消费者权益。

目前, 茶叶品质鉴定多采用感官评审法, 但是因为个体差异和外界干扰无法做到完全标准化和真正客观化。虽然茶叶的色谱检测法已经较为成熟,但是操作繁琐、成本较高不易于茶叶生产的在线检测[4-5]。电子舌是模拟人类的味觉识别系统, 利用味觉传感器阵列感受不同的呈味物质并产生电信号, 然后通过信号调理电路及数据采集系统将电信号放大、A/D 转换、采样和传输, 最后软件分析,对采集的数据进行模式识别[6-9]。电子舌作为一种快速、无损的现代化的食品分析检测技术, 近年来在食品工业、发酵工业、环境分析、临床医学等方面应用越来越多。但是, 电子舌在茶叶储存年份上的应用研究并不多。

主成分分析法 (principal component analysis,PCA) 是一种通用数据降维的方法, 研究如何将多变量指标间的问题化为较少的几个综合指标问题。这些综合指标彼此既互不相关, 又能综合反映原来多个指标的信息, 是原来多个指标的线性综合。主成分分析常被用作寻找判断某种事物或现象的综合指标, 并给综合指标所蕴藏的信息以恰当的解释,以便更深刻地揭示事物内在的规律。本研究主要是将电子舌技术与适当的模式识别方法即主成分分析(PCA) 指纹图谱结合应用于快速区分不同储存年份的普洱茶, 进而将其推广到普洱茶分级应用上,实现茶叶检测的低成本快速化、完全标准化和真正客观化。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与仪器

1.1.1 试验材料

本试验茶叶选自市售普洱茶, 包括2004—2007 年4 个年份的特级品、益寿老爷茶、茶马古茶共计12 种茶样。如表1 所示。

表1 普洱茶试验品种

试验前将茶饼粉碎, 过0.4 mm (40 目) 筛,所得茶粉备用。试验时, 用精度为0.01 的电子天平准确称取茶样3.00 g, 用150 mL 煮沸的蒸馏水浸泡茶粉5 min, 用双层定量滤纸过滤, 取滤液80 mL 于烧杯中并用保鲜膜封口, 冷却10 min 后用于电子舌分析。

1.1.2 试验主要试剂

主要试剂为HCl (分析纯, 法国Alpha MOS 公司)。

1.1.3 试验设备

Sartorious BP221S 电子天平, Sartorious 公司生产; HWSY21-K4C 型电热恒温水浴锅, 北京市长凤仪器仪表公司; ATREE 型电子舌, 法国Alpha MOS 公司, 其中ASTREE 电子舌包含了7 个化学传感器阵列, 有ZZ (对鲜味敏感)、BA (对酸敏感, 对咸味、鲜味和甜味不敏感, 对苦味没有响应)、BB (对鲜味敏感)、CA (对酸味和鲜味相对敏感)、GA (对5 种味觉物质均不敏感)、HA(对5 种味觉物质均很敏感)、JB (对咸味、鲜味、甜味和苦味物质较敏感, 对酸味不敏感)。

1.2 试验方法

1.2.1 电子舌检测条件的优化

选择表1 中茶马古茶Puer3-1、Puer3-2 两种茶汤, 各有2 个重复, 分别取80 mL 装于120 mL 的电子舌专用烧杯中, 而每个重复测定 7 次, 即每个茶样有14 个点在最后的PCA 图谱上。设置电子舌检测参数, 如采样序列、采样时间和清洗溶液的安排等, 之后按照所设置的顺序将样品和清洗溶液放置在电子舌的自动进样器上, 启动电子舌对样品进行检测, 采集样品信息。用ASTREE 电子舌多元统计软件Astree Ⅱversion3.0.0 得到茶汤样品的PCA 图 谱 的 区 别 指 数, 然 后 用 Microsoft Office Excel 2003 软件对单因素试验数据进行方差分析,得到最佳的分析方法。

1.2.2 不同储存年份普洱茶的电子舌分析研究

利用已建立的普洱茶电子舌分析方法, 对12个茶样进行了试验, 每个茶样作2 个平行, 每个平行取样7 次, 在软件的统计分析后, 得到各自的PCA 图谱。电子舌的分析软件就是通过对茶样曲线图的分析比较, 来确定两个质量等级茶样的差异性。

2 结果与讨论

2.1 不同条件准备溶液对电子舌通过准备试验时间的影响

如图1 所示, 可以看出选择 0.01 mol·L-1的HCl 溶液作为条件准备溶液时, 电子舌传感器通过校准程序的时间最短, 即电子舌比较容易适应0.01 mol·L-1的HCl 溶液环境; 而选择稀释一倍的茶水作为条件准备溶液时, 电子舌传感器通过校准程序的时间最长, 说明电子舌比较难适应稀释茶水的液体环境。

图1 不同条件准备试验溶液通过条件准备试验的时间

对不同溶液所需要的通过准备试验的时间进行方差分析, 见表2, 得到F值为87.090, 其伴随概率为3.69×10-5, 小于极显著水平的 0.01, 说明不同溶液所需通过准备试验的时间有显著性差异, 即不同准备试验溶液对电子舌传感器适应溶液环境所需的时间是不同的, 且有显著性差异。

2.2 不同条件准备溶液对茶样电子舌PCA 图谱区别指数的影响

如图2 所示, 可以看出当选择0.01 mol·L-1的HCl 溶液为条件准备溶液时, 两种质量等级茶样的 PCA 图谱区别指数较高, 而选择稀释茶水为准备试验溶液时, 区别指数较低。这是因为准备溶液是在检测样品时的清洗溶液, 由于清洗溶液为稀释茶水时达不到清洗的目的, 而混淆样品测试。

图2 不同条件准备溶液对两种茶样的PCA 图谱区别指数的影响

对选择不同溶液作准备试验溶液时两种质量等级茶样的PCA 图谱的区别指数进行方差分析, 见表3,F值为 744.812, 其伴随概率为6.46×10-8,小于极显著水平的0.01, 说明不同溶液对两种质量等级茶样的PCA 图谱区别指数的影响有显著性差异。

表3 不同条件准备溶液对两种质量等级茶样PCA 图谱区别指数的方差分析

2.3 普洱茶电子舌最佳分析方法

因为0.01 mol·L-1的HCl 溶液为条件准备试验溶液时所需时间较少, 且得到的两种质量等级茶样的PCA 图谱区别指数较高, 综合得到普洱茶电子舌最佳分析方法, 条件准备试验溶液: 0.01 mol·L-1的HCl 溶液 (通过校准试验时间约3.5 h); 试验清洗溶液: 0.01 mol·L-1的HCl 溶液; 样品测定中每个样品的测定时间为300 s; 过程中清洗时间为10 s; 最后清洗两遍传感器, 约60 min。

2.4 不同年份不同品种普洱茶的电子舌结果分析

由图3～5 的PCA 图谱中可以看出, 1 号组普洱茶的区别指数达到了88.98%, 2 号组、3 号组普洱茶的区别指数也达到85.34%和77.68%, 不同储藏年份的普洱茶均可以被较好地区分开来, 并且不同样本聚集区域彼此分离, 差异性得到较好体现。

图3 1 号组普洱茶PCA 图谱

图4 2 号组普洱茶PCA 图谱

图5 3 号组普洱茶PCA 图谱

3 结论

大数据和多学科交叉的新时代, 新科技手段在产品品质评价上应用广泛。利用统计学方法及精密仪器科学实时评价产品质量, 构建茶叶品质数据化、快评模式, 实现技术密集替代劳动密集是未来行业发展的必然趋势。本文在优化实验的基础上建立了不同储存年份普洱茶的电子舌PCA 图谱, 达到了快速区分不同储存年份普洱茶的目的, 以期应用于普洱茶生产的在线检测。