茶湯光譜指紋圖譜判別分析及相似度評價在綠茶分級中的應用

王淑慧， 曹學麗

(北京工商大學 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心， 北京 100048)

綠茶是我國主要茶品之一，出口量占國際市場總額的80%以上。感官評審是目前茶葉品質(zhì)評定的主要方法，但該方法對品茶師經(jīng)驗依賴性較強，易出現(xiàn)主觀偏差，執(zhí)行中也存在不規(guī)范、不嚴格等問題[1]，使得茶葉市場混亂。文章以我國十大名茶之一—信陽毛尖茶為對象，研究其品質(zhì)科學評定方法和質(zhì)量監(jiān)測體系，對保護茶葉品牌具有重要意義。

目前，茶葉研究主要集中在滋味和香氣上[2-4]，而茶葉品質(zhì)色差分析始于 20 世紀70 年代的日本。近年來，有研究者對茶湯顏色與其品質(zhì)之間的相關(guān)性進行了探究[5-6]，但對同一品種、不同等級茶葉茶湯色差的研究還鮮有報道。在茶葉感官評審“五因子”中，湯色對茶葉感官評審的貢獻率達10%[7]，因此，茶葉湯色的研究具有重要意義。指紋圖譜技術(shù)主要應用于鑒別中藥的真?zhèn)魏唾|(zhì)量控制等[8-10]，研究擬通過信陽毛尖茶湯色可見光譜指紋圖譜建立其與茶葉品質(zhì)間的相關(guān)性，為綠茶品質(zhì)評價和質(zhì)量監(jiān)控提供一種客觀量化的方法。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試茶樣為2018年4～5月的信陽毛尖茶，均來自信陽市文新茶葉有限責任公司，包括優(yōu)質(zhì)信陽毛尖茶“道”系列4個等級多個批次的22個茶樣，按等級從高到低依次為觀道(5個批次)、悟道(5個批次)、修道(6個批次)和品道(6個批次)；普通信陽毛尖茶“300”系列3個等級多個批次的19個茶樣，按等級從高到低依次為330(2個批次)、320(7個批次)和310(10個批次)。所有樣品直接來自文新茶葉有限責任公司冷藏倉庫，用復合鋁箔袋密封，低溫運回實驗室，于4 ℃冰箱中冷藏待用。

1.2 實驗儀器

CQX 3528型色差儀，美國Hunterlab公司；150 mL專業(yè)茶葉評審杯，景德鎮(zhèn)陶瓷。

1.3 實驗方法

1.3.1茶湯制備

茶湯的制備參照GB/T 23776—2018[7]沖泡綠茶的程序進行：稱量3 g綠茶樣品于150 mL評審杯中，倒入150 mL沸水，蓋上杯蓋沖泡4 min后，將茶湯濾出，取一定量的茶湯過0.45 μm濾膜，待茶湯的溫度稍降低后，進行色差分析。

1.3.2湯色光譜指紋圖譜建立方法

分別稱取各批次信陽毛尖茶樣品3份，按照1.3.1方法制備茶湯，冷卻，采用Hunterlab色差儀對茶湯進行400～700 nm掃描，儀器自動生成以波長為橫坐標，以反射率與透射率比值(R/T值)為縱坐標的光譜圖。每個茶湯樣品連續(xù)測量20次，將所獲得的同一等級、不同批次的湯色光譜圖進行平均，生成相應級別茶葉的湯色光譜對照指紋圖譜。

1.3.3判別分析法

分別以2個系列信陽毛尖茶為研究對象，采用判別分析法進行等級判別。以各等級、各批次樣品光譜圖中R/T的最大值為參照，計算相對R/T值。但由于實驗采用的是連續(xù)可見光波長掃描，無法直接進行相對R/T值計算，為提高準確度，選取400、410、420，…，700 nm等 31 個波長下的R/T值數(shù)據(jù)作為研究的特征值，并進行相對R/T值計算。以相對R/T值作為原始數(shù)據(jù)，采用SPSS 20.0軟件進行判別分析，建立判別方程和判別函數(shù)圖，并驗證判別方程對初始分組的分類結(jié)果[11]。

1.3.4相似度計算方法的選擇

同種綠茶的分等定級屬于小類水平上的區(qū)別，且相比于綠茶在滋味、香氣上的差異來說，其茶湯的色澤更難區(qū)分。因此，選擇合適的相似度計算方法是體現(xiàn)差異的關(guān)鍵。參照文獻[12-18]，文章選擇了7種相似度計算方法，見式(1)至式(7)。

夾角余弦法[12]：

(1)

相關(guān)系數(shù)法[13]：

(2)

改進的Nei系數(shù)法[14]：

(3)

新模型負指數(shù)法[15]：

(4)

改良程度相似度法[16]：

(5)

新改良程度相似度法[17]：

(6)

Manhattan距離法[18]：

(7)

2 結(jié)果與討論

2.1 信陽毛尖茶湯色光譜指紋圖譜的建立

分別建立了信陽毛尖茶“道”系列4個等級和“300”系列3個等級的茶湯可見光譜指紋圖譜，如圖1。由圖1可知，不同等級信陽毛尖茶湯色光譜指紋圖譜曲線的變化趨勢基本一致；但在同一波長下，茶葉等級越高，相應的R/T值越大，使其光譜指紋圖譜能以一定的差距區(qū)分開。而2個系列茶葉間的指紋圖譜差異較大，這可能是由于優(yōu)質(zhì)茶“道”系列與普通茶 “300”系列存在較大的品質(zhì)差異。

觀察優(yōu)質(zhì)茶“道”系列4個等級的光譜指紋圖譜，觀道與悟道之間以及二者與修道和品道的指紋圖譜差距較大，而修道與品道的指紋圖譜較為接近，幾乎重疊，說明觀道、悟道、修道等級之間的差異較大，而修道與品道的等級差異較小。

觀察普通茶“300”系列3個等級的光譜指紋圖譜，總體而言3個等級之間的差異較小。相對而言，330與320等級信陽毛尖茶指紋圖譜更為接近，幾乎重疊，而二者與310的指紋圖譜差距相對較大，說明330與320間的等級差異較小，而與310之間的等級差異較大。

圖1 信陽毛尖茶2個系列7個等級湯色光譜指紋圖譜Fig.1 Spectrum fingerprints of seven grades of two series of Xinyang Maojian tea infusion

2.2 信陽毛尖茶等級判別分析

以“道”系列22 個樣品和“300”系列19 個樣品(共41個樣品)在31個波長下的相對R/T值為原始數(shù)據(jù)，采用SPSS 20.0 建立典型判別函數(shù)，該方法可對初始分組樣品的90.9%進行正確區(qū)分判別，分類結(jié)果如圖2。由圖2可知，優(yōu)質(zhì)茶“道”系列和普通茶“300”系列之間區(qū)分明顯，差異顯著。對于“道”系列4個等級樣品，觀道、悟道之間，以及二者與修道和品道之間有較明顯的區(qū)分，但是修道和品道之間區(qū)分度較小，這與指紋圖譜直觀反映的結(jié)果一致。對于“300”系列3個等級樣品，310與320、330之間區(qū)分明顯，而320與330等級之間有部分重疊，這也與指紋圖譜反映的結(jié)果一致。

圖2 信陽毛尖茶不同系列的判別分析Fig.2 Discriminant analysis of different series of Xinyang Maojian tea

2.3 光譜指紋圖譜相似度計算

以同一等級、不同批次樣品在31個波長下的平均R/T值為原始數(shù)據(jù)，計算“道”和“300”系列7個等級間的光譜指紋圖譜相似度。利用Excel軟件的數(shù)據(jù)處理功能，以最高級別觀道茶樣指紋圖譜為計算參照，得到的7種相似度計算結(jié)果如表1。由表1可知，除距離系數(shù)法外，前6種相似度計算法對同品種不同等級茶葉的區(qū)分度從上到下依次提高，其中改良程度相似度法和新改良程度相似度法能更好地反映出不同等級信陽毛尖之間的差異。距離系數(shù)法則從另外一個角度反映了各等級與最高等級觀道之間的差異，距離越大，差異越大。

表1 信陽毛尖茶“道”和“300”系列湯色光譜指紋圖譜相似度計算

對比表1中2個系列計算結(jié)果，“300”系列改良程度相似度法和新改良程度相似度法均出現(xiàn)負值，根據(jù)式(5)、式(6)可知，該負值是由于ai遠大于bi。由此可知，“道”系列與“300”系列間的差異非常顯著。分析表1中“道”系列4個等級的相似度值可知，觀道、悟道之間，以及二者與修道和品道之間差異較大，修道與悟道間的差異較小。

對“300”系列3個等級的數(shù)據(jù)按相同的方法進行處理，以最高級別330指紋圖譜為計算參照，結(jié)果見表2。由表2可知，“300”系列等級間差異較小，但采用光譜指紋圖譜相似度計算法仍能評價等級間的差異。330與320等級間的差異相對較小，而與310間的等級差異相對較大。

相似度評價結(jié)果均與判別分析結(jié)果及茶湯光譜指紋圖譜的直觀反映一致，而相似度評價能一定程度上反映茶葉等級之間的量化差異。

表2 信陽毛尖茶“300”系列湯色光譜指紋圖譜相似度計算

3 結(jié) 論

文章采用色差儀進行可見光連續(xù)掃描的方法，分別建立了信陽毛尖茶“道”系列和“300”系列7個等級茶葉湯色的光譜指紋圖譜。由指紋圖譜可知，茶葉等級越高，同一波長下其相應的R/T值越大；能看出同品種不同等級茶葉間存在差異，但無法對這種差異進行量化?；?1個波長下的R/T值，采用判別分析法對信陽毛尖茶2個系列7個等級的茶樣進行分析。結(jié)果顯示，該方法能夠?qū)ν贩N茶葉進行很好的等級區(qū)分，判別正確率均高于90%。同時，采用7種指紋圖譜相似度計算方法對各等級茶葉湯色的可見光譜指紋圖譜的相似度進行計算。結(jié)果顯示，各相似度計算方法均能在一定程度上反映茶葉等級間的差異大小，其中以新改良程度相似度法最佳。且相似度評價結(jié)果與判別分析有較好的一致性，可對各等級間的差異進行量化。研究建立的湯色光譜指紋圖譜相似度評價方法可為綠茶質(zhì)量控制提供一種區(qū)別于感官評審的客觀量化方法。