不同品種紅茶及茶膏的Fisher判別分析

譚 超，戴 波，劉華戎，龔加順，戴 臻，楊翠娟

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201）

不同品種紅茶及茶膏的Fisher判別分析

譚 超，戴 波*，劉華戎*，龔加順，戴 臻，楊翠娟

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201）

為探究Fisher判別分析法對(duì)不同品種紅茶及茶膏種類品質(zhì)區(qū)分的可行性，針對(duì)不同品種紅茶及滇紅碎茶茶膏，以蛋白質(zhì)、總糖、茶紅素、茶黃素、茶褐素及9 種礦物質(zhì)元素為變量進(jìn)行判別分析。結(jié)果表明：采用Fisher判別分析法評(píng)定不同品種紅茶及不同加工工藝滇紅碎茶茶膏的真實(shí)歸屬及品質(zhì)是可靠的。紅茶茶葉及茶膏品質(zhì)評(píng)定中采用Fisher判別分析有利于降低傳統(tǒng)感官評(píng)定過程中人為主觀因素的干擾，避免模糊性和不確定性，保證評(píng)審的穩(wěn)定和可靠性。

紅茶；茶膏；判別分析

茶葉起源于中國(guó)，傳播于世界，紅茶是全球消費(fèi)量最大的茶葉品種，風(fēng)靡歐美等國(guó)際市場(chǎng)[1-4]。貿(mào)易上紅茶評(píng)審主要根據(jù)產(chǎn)區(qū)，對(duì)照紅茶標(biāo)樣來評(píng)定外形和葉底的嫩度。而香氣、滋味和茶湯色澤則以新采茶葉為依據(jù)，通過人工感官綜合定級(jí)，再確定品質(zhì)和價(jià)格。這種以標(biāo)準(zhǔn)樣為依據(jù)的人工定級(jí)法對(duì)紅茶品質(zhì)的評(píng)審存在模糊性和不確定性較大[5-7]。目前對(duì)于紅茶化學(xué)分類評(píng)級(jí)評(píng)質(zhì)并沒有相應(yīng)的國(guó)際或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，特別是茶膏品質(zhì)評(píng)定受限于感官評(píng)定主觀影響較大的缺點(diǎn)。Fisher判別法是一種把高維數(shù)據(jù)壓縮為一維數(shù)據(jù)的多元分析方法，基本思路就是從N 個(gè)總體中抽取具有P 個(gè)指標(biāo)的樣品觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過方差分析構(gòu)造一個(gè)一維判別函數(shù)或判別式，然后應(yīng)用該線性函數(shù)把P維空間中的已知類別總體以及求知類別歸屬的樣本都變換為一維數(shù)據(jù)，再根據(jù)其間的親疏程度把未知?dú)w屬的樣本點(diǎn)判定其歸屬。Fisher判別方法是多元統(tǒng)計(jì)分析中判別分析方法的常用方法之一，能在各領(lǐng)域得到應(yīng)用。通常用來判別某觀測(cè)量是屬于哪種類型，從而確定未知樣本的歸屬性和區(qū)分度[8-9]。

為探究采用Fisher判別分析法分析不同品種紅茶及不同加工工藝滇紅碎茶茶膏的未知樣品真實(shí)歸屬及品質(zhì)評(píng)定的可行性，針對(duì)9 個(gè)茶葉及茶膏樣品采用常規(guī)化學(xué)分析法，以蛋白質(zhì)、總糖、茶紅素（thearubigins，TR）、茶黃素（theaflavin，TF）、茶褐素（theabrownin，TB）及9 種礦物質(zhì)元素含量為變量，應(yīng)用Fisher判別進(jìn)行分析，探究Fisher判別分析法對(duì)不同種類紅茶茶葉及茶膏品質(zhì)區(qū)分的可行性，為規(guī)范紅茶茶膏的加工及紅茶茶膏品質(zhì)安全、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

滇紅工夫紅茶（條茶，經(jīng)典58特級(jí)紅茶，2014年5月產(chǎn)）、滇紅工夫紅茶（碎茶，特級(jí)CTC工藝紅碎茶，2014年5月產(chǎn)） 云南滇紅集團(tuán)股份有限公司；祁門紅茶（條茶，特級(jí)紅茶，2014年6月產(chǎn)） 祁門縣源生茶葉有限責(zé)任公司；四川工夫紅茶（條茶，特級(jí)桔糖高香型紅茶，2014年3月產(chǎn)） 四川林湖茶業(yè)有限公司；滇紅茶膏（茗乾30 g裝，鳳慶特級(jí)滇紅茶提煉） 云南雄達(dá)茶城。

高氯酸、硝酸、過氧化氫、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%硝酸溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%硝酸溶液、混合酸消化液 昆明澤浩科技有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

ESJ200-4電子分析天平 沈陽龍騰電子有限公司；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 珀金埃爾默企業(yè)管理（上海）有限公司；JK-MDA-23微波消解儀 上海精科儀器有限公司；上海標(biāo)模DS-1組織搗碎機(jī) 上海右一儀器有限公司；ML-1.5-4可調(diào)溫電熱板 上海天創(chuàng)儀器有限公司；SX-4-10馬弗爐 蘇州江東精密儀器有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 茶膏制作工藝流程

非酶解水浴和真空濃縮茶樣品：250 g滇紅碎茶→粉碎→加2.5 L蒸餾水→90 ℃保溫浸提30 min并反復(fù)3 次→500 目濾布過濾→濾液合并→分別采用0.06 MPa、60 ℃條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮或90 ℃水浴濃縮→茶膏

酶解水浴和真空濃縮茶樣品：250 g滇紅碎茶→粉碎→加2.5 L蒸餾水→各加0.1%纖維素酶、果膠酶于45 ℃條件下反應(yīng)1 h→90 ℃保溫浸提30 min并反復(fù)3 次→500 目濾布過濾→濾液合并→分別采用0.06 MPa、60 ℃條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮或90 ℃水浴濃縮→茶膏

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定

樣品干物質(zhì)含量的測(cè)定：采用GB 5009.3ü2010《食品中水分的測(cè)定》[10]中103 ℃恒質(zhì)量法測(cè)定紅茶茶膏干物質(zhì)含量。

紅茶茶膏中蛋白質(zhì)含量的測(cè)定[11]：采用考馬斯亮藍(lán)比色法，595 nm波長(zhǎng)處比色，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程y=5.624 1x+ 0.027 9（R2=0.990 2）計(jì)算紅茶茶膏中蛋白質(zhì)含量。

紅茶茶膏中水溶性總糖的測(cè)定[12]：采用硫酸蒽酮比色法，620 nm波長(zhǎng)處比色，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程y= 5.8767x－0.001 9（R2=0.993 6）計(jì)算紅茶茶膏中總糖含量。

茶色素含量測(cè)定[13]：茶紅素和茶黃素采用比色法，380 nm波長(zhǎng)處比色，測(cè)定茶褐素采用酸水解法。

礦物質(zhì)元素含量測(cè)定：茶葉或茶膏樣品經(jīng)前處理上機(jī)測(cè)試，元素含量測(cè)定采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasma massspectrometry，ICP-MS）法。同一樣品取不同點(diǎn)樣5 個(gè)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定方法參照NY/T 1653ü2008《蔬菜、水果及制品中礦質(zhì)元素的測(cè)定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集分析采用Microsoft Excel 2013和IBM SPSS Statistics 19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種紅茶與不同加工工藝紅茶茶膏的理化性質(zhì)分析

表1 不同紅茶及茶膏理化成分Table 1 Chemical components of black tea and tea cream

紅茶中目前已鑒定出的化合物有500多種，化學(xué)組分十分復(fù)雜。紅茶原料經(jīng)過不同工藝加工后其化學(xué)組分也會(huì)有顯著變化。由表1可知，祁紅條茶和川紅條茶蛋白質(zhì)含量較高，川紅條茶的TR、TF、祁紅條茶的TB含量相對(duì)較高。滇紅碎茶加工制成茶膏后蛋白質(zhì)、總糖含量均有極顯著提高（P＜0.01），茶色素（TR、TF、TB）含量有顯著提高（P＜0.05），其中采用酶解工藝可以極顯著提高茶膏中總糖和TR含量（P＜0.05）。

通過典則判別函數(shù)分析得到判別函數(shù)散點(diǎn)圖，如圖1所示。通過判別方程和聚類分析，利用數(shù)據(jù)相關(guān)性分析可以看出9 類樣品均值、標(biāo)準(zhǔn)差等的統(tǒng)計(jì)描述數(shù)值，可以大概了解9 類茶葉間的差異。從最終聚類質(zhì)點(diǎn)組質(zhì)心可知，這4 種茶葉和5 種茶膏之間的距離都比較遠(yuǎn)（滇紅條茶和滇紅碎茶除外），說明Fisher判別分析函數(shù)能夠較明顯對(duì)9 種樣品進(jìn)行分類和描述。分析中使用了前5 個(gè)典則判別函數(shù)對(duì)原始樣本中的85.3%實(shí)現(xiàn)了正確分類，從散點(diǎn)圖中質(zhì)點(diǎn)組質(zhì)心可以看出有明顯區(qū)分度，進(jìn)一步證明了以理化成分作為指標(biāo)應(yīng)用Fisher判別函數(shù)分析可有效地區(qū)分出不同品種的紅茶和茶膏。

圖1 基于理化成分的紅茶和茶膏化學(xué)歸類圖Fig.1 Classification of black tea and tea cream based on chemical components

2.2 不同品種紅茶與不同加工工藝紅茶茶膏礦物質(zhì)元素的判別分析

表2 不同紅茶及茶膏礦物質(zhì)元素含量Table 2 Contents of mineral elements in black tea and tea cream

不同種類不同地區(qū)紅茶中的礦物質(zhì)含量存在著一定差異，通常礦物質(zhì)元素的含量是區(qū)分茶葉產(chǎn)地的重要指標(biāo)之一。本研究利用紅茶及茶膏礦物質(zhì)元素的含量作為指標(biāo)進(jìn)行判別聚類分析，通過ICP-MS測(cè)定了9 個(gè)樣品中P、Zn、Fe、Mn、Mg、Ca、Cu、Na、K 9 個(gè)礦物質(zhì)元素指標(biāo)，對(duì)茶膏品質(zhì)的判別是否可行。同一樣品取不同點(diǎn)樣5 個(gè)，共45 個(gè)樣品，由表2可知，紅茶品種不同其礦物質(zhì)元素含量也存在差異（P＜0.05）。總的來講，K是含量最豐富的元素，不同品種紅茶K元素含量差異不明顯（P＞0.05），其次是P，不同品種紅茶P元素含量差異顯著（P＜0.05），而Mn、Fe、Na、Zn、Cu含量較低。

通過典則判別函數(shù)分析，從得到的初始因子載荷矩陣可知，前8 個(gè)新因子代表了9 個(gè)指標(biāo)的全部信息的95%以上，根據(jù)典則判別函數(shù)，對(duì)上述45 種茶樣可以進(jìn)行歸類，如圖2所示。通過判別方程和聚類分析，從判別圖中發(fā)現(xiàn)，不同品種茶葉原樣可以較好地與其他茶種進(jìn)行區(qū)分。滇紅條茶與碎茶歸屬一類，質(zhì)點(diǎn)組質(zhì)心重疊，區(qū)分不明顯。滇紅碎茶利用不同工藝加工的4 種茶膏礦物質(zhì)元素區(qū)分并不十分明顯，可歸屬一類，但還是有一定區(qū)分度，而這4 種茶膏與市售紅茶茶膏差異明顯歸為不同類，進(jìn)一步證明了以礦物質(zhì)元素含量作為指標(biāo)應(yīng)用Fisher判別函數(shù)分析可有效地區(qū)分出不同品種的紅茶和茶膏，同時(shí)也可用于茶膏加工中不同茶膏品種品質(zhì)區(qū)分的依據(jù)指標(biāo)，但對(duì)茶膏的判別區(qū)分度略低。

圖2 基于礦物質(zhì)元素的紅茶和茶膏化學(xué)歸類圖Fig.2 Classification of black tea and tea cream based on mineral elements

3 結(jié) 論

國(guó)內(nèi)外評(píng)定茶葉等級(jí)品質(zhì)，常采用感官評(píng)審法，其具有方便、快速、高效等優(yōu)點(diǎn)[15-16]。但由于評(píng)審過程中對(duì)茶葉外形、湯色、香氣、滋味和葉底5 個(gè)評(píng)審項(xiàng)目主要依靠人的主觀判斷來進(jìn)行，其靈敏度容易受到內(nèi)外諸多因素的影響，易產(chǎn)生模糊和不確定性，對(duì)于茶膏等級(jí)品質(zhì)的評(píng)審更存在此類問題。即便是專業(yè)評(píng)茶師，其感覺器官的靈敏度也易受外界因素的干擾而改變，從而影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性、客觀性和一致性[17]。此外，感官評(píng)審需在對(duì)照實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行，而實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)樣的制作又受到各種條件的限制，難以保持連續(xù)一致，這更影響到茶葉評(píng)審結(jié)果的準(zhǔn)確和客觀性。由于這些問題，近年也興起了智能感官分析技術(shù)研究熱潮。Borah等[18]利用向量量化建模對(duì)茶葉品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。Borah等[19]利用電子鼻和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)茶葉分級(jí)。這些方法過于復(fù)雜，需要投入大量高精尖儀器設(shè)備。如何借助現(xiàn)有成熟簡(jiǎn)單的分析手段和分析方法解決茶葉感官評(píng)審中面臨的準(zhǔn)確性問題是新的挑戰(zhàn)。由于茶葉的成分復(fù)雜，單一的指標(biāo)并不能很好的評(píng)價(jià)其品質(zhì)，關(guān)鍵還應(yīng)該依靠茶葉本身的品質(zhì)組分定級(jí)，因此深層次探究Fisher判別分析法在紅茶及茶膏中的應(yīng)用對(duì)紅茶及茶膏標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)審有著重要意義。

Fisher判別分析分析法近年來被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)分析[20]、金融分析[21]、醫(yī)學(xué)研究[22-23]、果品糧食分析[24-26]中，而在茶葉等級(jí)評(píng)定中尚處于剛剛起步階段。通過研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用常規(guī)理化分析技術(shù)和ICP-MS分析技術(shù)，收集紅茶茶葉、茶膏的理化成分和礦物質(zhì)元素含量數(shù)據(jù)，并采用Fisher判別分析建立模型，對(duì)主要的特征品質(zhì)成分進(jìn)行定量分析。可顯著區(qū)分紅茶茶葉及紅茶茶膏種類，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅茶茶葉及茶膏品質(zhì)的客觀評(píng)定。此外，針對(duì)一定數(shù)量的4 種紅茶茶葉及5 種紅茶茶膏以蛋白質(zhì)、多糖、色素和礦物質(zhì)為變量，通過Fisher判別分析建立判別方程，繪制二維分散點(diǎn)圖進(jìn)行聚類分析。在蛋白質(zhì)、多糖、色素的基本理化成分二維散點(diǎn)圖中，類間距離區(qū)分極為明顯。而在礦物質(zhì)二維散點(diǎn)圖中，紅茶茶葉和茶膏類間距離區(qū)分極為顯著，不同工藝茶膏之間類間區(qū)分則不太明顯，判別區(qū)分度略低。說明Fisher判別分析法用于對(duì)紅茶茶葉品種判別區(qū)分中比用于不同加工工藝茶膏更為有效。但需注意進(jìn)行常規(guī)理化分析和ICP-MS測(cè)定中，實(shí)驗(yàn)誤差等因素對(duì)結(jié)果可能存在影響，特別是在理化成分中測(cè)定誤差將導(dǎo)致帶入Fisher判別函數(shù)中出現(xiàn)偏差，最終影響到評(píng)審的準(zhǔn)確、客觀性。綜合得出采用Fisher判別分析法分析紅茶不同品種茶葉及不同加工工藝紅茶茶膏的未知樣品真實(shí)歸屬及品質(zhì)評(píng)定是可行的。

Fisher判別分析在紅茶感官評(píng)審分析中的應(yīng)用才剛剛開始，未來的發(fā)展還面臨諸多挑戰(zhàn)。為更準(zhǔn)確地利用Fisher判別分析建立模型分析未知茶樣品，在進(jìn)行等級(jí)品質(zhì)判別前期需要收集大量不同品種紅茶茶葉或茶膏信息進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，建立判別數(shù)據(jù)庫，此過程中也離不開人工感官評(píng)定，如何建立一套完整的紅茶判別分析庫，同時(shí)避免其間帶來的人工感官評(píng)定的模糊和不穩(wěn)定性，將是下一步研究的重要方面。綜觀紅茶品質(zhì)檢測(cè)技術(shù)研究，感官品評(píng)最能體現(xiàn)人的感受及對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求，而理化測(cè)定結(jié)果客觀、準(zhǔn)確。隨著建模應(yīng)用方法學(xué)的逐步完善，將理化分析與應(yīng)用方法學(xué)有機(jī)結(jié)合，市場(chǎng)前景廣闊，相信將在未來紅茶品質(zhì)分析與控制中大放異彩。

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[26] 韓深, 梁娜娜, 孔維恒, 等. 赤霞珠葡萄酒中礦質(zhì)元素的品種特點(diǎn)及其在產(chǎn)地鑒別中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)釀造, 2014, 33(12): 34-41. DOI:10.11882/j.issn.0254-5071.2014.12.007.

Application of Fisher’s Discriminant Analysis to Discriminate Different Varieties of Black Tea and Dianhong Tea Cream Produced by Different Methods

TAN Chao, DAI Bo*, LIU Huarong*, GONG Jiashun, DAI Zhen, YANG Cuijuan
(College of Food Science and Technology, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

The feasibility of using Fisher’s discriminant analysis to distinguish different varieties of black tea and tea cream produced by different methods was investigated. Protein， total sugar， thearubigins， theaflavin， theabrownin and 9 mineral elements were used as the variables for discriminant analysis of different varieties of black tea and tea cream made from broken Diangong tea. The results showed that Fisher’s discriminant analysis is reliable in discriminating all tested samples. Fisher discriminant analysis is helpful to reduce interference from subjective factors in the process of sensory evaluation, avoiding ambiguity and uncertainty and ensuring the stability and reliability.

black tea; tea cream; discriminant analysis

10.7506/spkx1002-6630-201607012

TS272.5.2；TS272.4

A

1002-6630（2016）07-0062-04

譚超, 戴波, 劉華戎, 等. 不同品種紅茶及茶膏的Fisher判別分析[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(7): 62-65. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201607012. http://www.spkx.net.cn

TAN Chao, DAI Bo, LIU Huarong, et al. Application of Fisher’s discriminant analysis to discriminate different varieties of black tea and Dianhong tea cream produced by different methods[J]. Food Science, 2016, 37(7): 62-65. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201607012. http://www.spkx.net.cn

2015-06-25

云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目（2013Z028）

譚超（1985—），男，講師，博士，研究方向?yàn)槭称焚|(zhì)量安全。E-mail：tctj_1212@163.com

*通信作者：戴波（1978—），男，講師，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息工程。E-mail：daibo1999@163.com劉華戎（1971—），女，教授，碩士，研究方向?yàn)槭称芳庸ぁb與銷售。E-mail：rongrong126126@126.com