基于感官智能分析儀器的蟬害茶色香味的變異分析

鄭雨婷，韓善捷，韓寶瑜

中國計量大學(xué) 浙江省生物計量及檢驗檢疫技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310018

基于感官智能分析儀器的蟬害茶色香味的變異分析

鄭雨婷，韓善捷，韓寶瑜*

中國計量大學(xué) 浙江省生物計量及檢驗檢疫技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310018

剪取對于葉蟬分別具高抗、中抗和感性的紫鵑、中茶108和烏牛早茶樹新梢，進行水培。每梢分別接種2日齡葉蟬成蟲3頭，分別為害0、12、24、36、48、60 h之后采葉制蒸青樣。以電子舌測其茶湯滋味，電子鼻測其香氣，測色計測其湯色。每個品種蟬害歷時與茶湯酸度值SRS和咸度值STS顯著正相關(guān)；紫鵑蟬害歷時與苦度值（BRS）正相關(guān)，與鮮度值（UMS）和甜度值（SWS）皆顯著負相關(guān)；中茶 108蟬害歷時與 BRS正相關(guān)，與UMS和SWS皆顯著正相關(guān)；烏牛早蟬害歷時與BRS、UMS和SWS皆顯著負相關(guān)。電子舌數(shù)據(jù)分別經(jīng)主成分分析（PCA）和軟獨立建模分類法（SIMCA）分析繪制坐標圖，在圖上每個品種的6個蟬害蒸青茶樣的位點呈線性排列。電子鼻數(shù)據(jù)的PCA和SIMCA分析結(jié)果分別顯示紫鵑和中茶108的6個蟬害茶樣在坐標圖上呈線狀分布，而烏牛早6個蟬害茶樣在坐標圖上無規(guī)則分布。測色計顯示，從受害開始至受害60 h，紫鵑、烏牛早茶湯的黃綠色色度加深，中茶108茶湯的亮度則明顯下降。最終認為電子舌和電子鼻等感官智能儀器能夠有效區(qū)分抗、感性品種的蟬害茶樣，辨別蟬害程度不一的茶樣。

電子舌；電子鼻；小貫小綠葉蟬；色香味；測色計

害蟲的為害可誘導(dǎo)植物釋放特異性揮發(fā)性成分，或者改變正常植物揮發(fā)物各組分含量之間的比例，特異性成分或揮發(fā)物組分含量比例的改變皆可吸引天敵前來捕食害蟲[1]。茶鮮葉遭受蟲害之后，其揮發(fā)物即香氣組成將會改變，但以蟲害茶梢加工成商品茶，其香氣變化情況少見報道。分別使用GC-MS和電子鼻定性分析茶尺蠖取食誘導(dǎo)的茶樹揮發(fā)物，發(fā)現(xiàn)香氣組成的差別不大；但二者對順-3-己烯醇、苯乙腈、吲哚和反-石竹烯 4種組分的相對定量分析則有一定差異；隨著蟲害程度加深，電子鼻測到的氣味物質(zhì)含量增加[2]。電子舌可區(qū)分含有活體的倉儲害蟲谷蠹的小麥、死亡谷蠹的小麥和不含谷蠹小麥，但區(qū)分不了蟲量多少和為害時間長短[3]。水稻受褐飛虱侵害15～36 h內(nèi)，使用電子鼻可區(qū)別水稻是否受到蟲害以及害蟲數(shù)量的大致范圍[4]。可見電子舌和電子鼻等智能化儀器可以對植物香氣、滋味和色彩做到一定程度的量化分析。

茶葉經(jīng)常遭受蟲害，尤其是小貫小綠葉蟬（Empoasca onukii Matsuda）。蟬害導(dǎo)致成品茶的滋味、香氣和湯色在一定程度上發(fā)生變化，但通常只憑感官審評作定性描述[5]，缺乏定量評價?？瓜x性不同的系列茶樹品種，其蟬害茶的色香味變化程度是否有差別，鮮見報道。為量化分析蟬害對茶葉的滋味香氣顏色的變化，選取對該葉蟬高抗、中抗和感性的紫鵑、中茶 108和烏牛早品種，將其蟬害葉片制成蒸青樣，分別以電子舌、電子鼻和測色計檢測其滋味香氣顏色的變化。

1 材料與方法

1.1 供試蟲源

2016年 9月于茶小綠葉蟬盛發(fā)期，從中國計量大學(xué)試驗茶園收集 5齡若蟲于缸栽茶樹上飼養(yǎng)。缸口直徑1.2 m，高1.0 m，茶樹高90 cm，品種為烏牛早。罩60目窗紗以防葉蟬逃逸，選生長發(fā)育為2日齡的成蟲為試蟲。

1.2 供試茶樣

選用試驗茶園中對該葉蟬分別呈高抗、中抗和感性的紫鵑、中茶108和烏牛早品種。剪健壯的一芽三葉茶枝于溫室內(nèi)水培，室溫25℃±2℃，相對濕度75%±5%，光照L﹕D=14﹕10。每茶枝接種3頭2日齡葉蟬成蟲，分別為害 0、12、24、36、48、60 h，各處理分別罩60目窗紗以防葉蟬出逃。剪取遭受不同為害時間的一芽三葉茶梢制成蒸青茶樣，密封后貯于－20℃冰箱中保存?zhèn)溆谩Ｃ總€處理重復(fù)3次。

1.3 電子舌檢測茶樣

電子舌型號為Astree II型，由法國Alpha MOS公司生產(chǎn)。Astree II型電子舌配備5#傳感器，該傳感器包括 7個化學(xué)傳感器和 1個Ag/AgCl參比電極。其7個化學(xué)傳感器可感知5種味道及2種復(fù)合味道：5種味道就是酸味（SRS，sourness）、甜味（SWS，sweetness）、苦味（BRS，bitterness）、咸味（STS，saltiness）和鮮味（UMS，umami）；每一種復(fù)合味道都是這 5種單味味道的組合。數(shù)據(jù)采集前，對Astree II系統(tǒng)執(zhí)行初始化、校準和診斷等程序，以獲得穩(wěn)定可靠的電子舌感應(yīng)信號。

調(diào)整好儀器即稱取各類供試蒸青茶樣3.00 g于錐形瓶中，加150 mL沸水，浸提5 min后過濾。待濾液溫度降至室溫，吸取100 mL茶湯注入燒杯中，插入化學(xué)傳感器檢測。每次數(shù)據(jù)采集時間為120 s，每秒攪拌1次。由于統(tǒng)計分析需要穩(wěn)定狀態(tài)下的信號數(shù)據(jù)，分別算得最后 20 s測量值的平均值作為傳感器的響應(yīng)值。采樣后及時清洗傳感器。每個樣品重復(fù)測定10次。

1.4 電子鼻檢測茶樣

電子鼻型號為 GEMINI，由法國 Alpha MOS公司制造。配有6個金屬氧化物傳感器，即 T70/2、PA/2、P30/1、P30/2、LY2/AA和LY2/gCT。數(shù)據(jù)采集前 24 h開機，打開載氣發(fā)生器引入氣流，緩緩促使傳感器達到平衡狀態(tài)。

稱取各類蒸青茶樣2.00 g于100 mL燒杯中，用保鮮膜密封，于50℃烘箱中靜置10 min再取出檢測。傳感器懸于茶樣上方1 cm，用頂空吸附法提取香氣。載氣為干燥潔凈空氣，載氣流速為 150 mL·min-1。每次數(shù)據(jù)采集時間為90 s，延遲時間為210 s，選用每個傳感器的最大響應(yīng)值作統(tǒng)計分析。每個樣品重復(fù)測5次。

1.5 測色計檢測茶樣

測色計型號為CM-3600A，由日本Konica Minolta公司生產(chǎn)。色空間選用絕對測量方式（L*a*b*色差系統(tǒng)）。注入待測茶湯于比色皿中，檢測亮度L、色度a和b。亮度L的值域為0～100，數(shù)值愈大則亮度愈高。對于數(shù)值a，“+”表示紅色成分，“–”表示綠色成分；對于數(shù)值 b，“+”表示黃色成分，“–”表示藍色成分。每個樣品重復(fù)測10次。

1.6 統(tǒng)計分析

對于電子舌測得的不同蟬害茶樣的每種味道響應(yīng)值做方差分析并測驗顯著性。

使用 DPS軟件，以及電子舌電子鼻自身配置的分析軟件分別對數(shù)據(jù)進行主成分分析（Principal component analysis，PCA）、軟獨立建模分類分析（Soft independent modeling of class analogy，SIMCA）。在PCA或SIMCA二維坐標系內(nèi)，以樣點代表檢測的蒸青茶樣的茶湯或香氣，依據(jù)樣點排列方式區(qū)分健康與蟬害茶樣、蟲害歷時不等的茶樣、不同品種茶樣。分析測色計測得的亮度和色度隨著蟬害時間的變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 蟬害對茶湯滋味指紋響應(yīng)值的影響

2.1.1 滋味指紋響應(yīng)值隨蟬害時間的變化

電子舌7個傳感器對3個品種蟬害蒸青茶樣茶湯滋味的響應(yīng)值如表1，可見每個數(shù)值的變異系數(shù)（標準差/平均值）都小于 10%，即各個響應(yīng)值的重現(xiàn)性很好。隨著為害時間延長：①每個品種的酸度值（SRS）和咸度值（STS）都顯著增加（P＜0.05）；②高抗品種紫鵑和中抗品種中茶108的苦度值（BRS）逐漸增大，烏牛早苦度值（BRS）則顯著減小（P＜0.05）；③紫鵑、烏牛早的鮮度值（UMS）呈顯著下降趨勢（P＜0.05），中茶 108的鮮度值（UMS）則呈顯著增加趨勢（P＜0.05）；④紫鵑、烏牛早的甜度值（SWS）顯著下降（P＜0.05），中茶108的則顯著增加（P＜0.05）；⑤紫鵑、烏牛早和中茶108復(fù)合傳感器1響應(yīng)值GPS顯著增加（P＜0.05）；⑥紫鵑、烏牛早復(fù)合傳感器2響應(yīng)值SPS顯著下降（P＜0.05），中茶108的SPS則顯著增加（P＜0.05）。

2.1.2 不同蟬害程度茶樣茶湯滋味差異及其相互影響分析

各茶湯滋味響應(yīng)值和蟬害時間的相關(guān)性見表2。從表中可以看出：（1）就抗性品種紫娟而言，蟬害時間與酸度值 SRS、咸度值STS和復(fù)合 1（GPS）極顯著正相關(guān)，與甜度值SWS和復(fù)合2（SPS）顯著負相關(guān)，與苦度值BRS正相關(guān)，與鮮度值UMS負相關(guān)；對于感性品種烏牛早，蟬害時間與酸度值SRS、咸度值 STS和 GPS極顯著正相關(guān)，與苦度值BRS、鮮度值UMS和SPS顯著或極顯著負相關(guān)，與甜度值 SWS負相關(guān)；就中抗品種中茶108而言，與酸度值SRS、苦度值BRS、咸度值STS、鮮度值UMS、甜度值SWS、復(fù)合味道響應(yīng)值 GPS顯著或極顯著正相關(guān)，與 SPS正相關(guān)；（2）7種滋味響應(yīng)值相互之間較多地存在顯著或極顯著相關(guān)性，表明各滋味之間有交互作用，相互影響；復(fù)合味道 GPS與酸度和咸度正相關(guān)，而SPS則與甜度、鮮度正相關(guān)。

表1 3個抗蟬性不等品種的茶湯滋味的電子舌響應(yīng)值Table 1 Values of electronic tongue to tea soups of three cultivars with different resistances

2.1.3 PCA和 SIMCA對不同品種及受害歷時蟬害茶的區(qū)分

對表1各樣品響應(yīng)值進行主成分分析（PCA），第I、II主成分貢獻率分別為96.18%和 2.09%，總貢獻為 98.27%，區(qū)分指數(shù)（Discrimination index）為91。一般地，當?shù)冖?、Ⅱ兩主成分累積貢獻率≥85%時，則主成分分析的排序就很成功；區(qū)分指數(shù)≥80時，則區(qū)分有效。

在PCA圖上，每個茶樣10個滋味樣點（即檢測時的10次重復(fù)）的離散度較小，各自組成1個小區(qū)域；每個品種就由這樣6個小區(qū)域（0、12、24、36、48、60 h的蟬害茶樣）組成1個線性條塊；以PCI為橫坐標軸（x軸）、PCII為縱坐標軸（y軸），計算每個小區(qū)域10個點的平均橫坐標值、平均縱坐標值，再以每個小區(qū)域10個點的平均橫坐標值、平均縱坐標為變量值，則算得紫鵑品種回歸式：y =－0.1699x + 0.0213，R2=0.9915 (P＜0.05)；同理，中茶108品種回歸式為：y =－0.0946x + 0.001，R2 = 0.993 (P＜0.05)；烏牛早品種回歸式為：y=0.477x－523.43，R2 = 0.99 (P＜0.05)。

這3個回歸式相關(guān)性都達到顯著水平。這3個品種以及每個品種不同蟬害時間茶樣的滋味差異皆可以被區(qū)分（圖1）。

表2 蟬害時間對茶湯滋味響應(yīng)值的影響及各滋味響應(yīng)值之間的相關(guān)性Table 2 Effect of leafhopper damaged duration on values of various sensors to tea soups as well as correlationship between values of various taste

用軟獨立建模分類法（SIMCA）分析表1響應(yīng)值，分別以3個品種未受害茶樣茶湯滋味為 CK，建立藍色模型區(qū)域（圖 2）。校正得分（Validation score）是衡量模型有效性的指標，此值愈接近100，愈有效。從圖2看出，3個品種蟬害茶滋味皆在藍色模型區(qū)域外，校正得分皆為100；距CK區(qū)域由近及遠依次是12、24、36、48、60 h蟬害樣，清晰可辨。

2.2 蟬害對茶葉香氣指紋響應(yīng)值的影響

對電子鼻傳感器獲得的響應(yīng)值作主成分分析，第Ⅰ、Ⅱ主成分上貢獻率分別為 98.61%和 0.93%，總貢獻為99.54%；區(qū)分指數(shù)為80，主成分分析很成功（圖 3）。每個蟬害茶 5次檢測的香氣樣點在二維坐標上離散度小，組成一個小區(qū)域。茶樣之間未重疊，即電子鼻可有效區(qū)分3個品種蟬害茶樣，以及每個品種不同受害歷時的茶樣。紫鵑品種的6個茶樣的位點在二維圖上呈線狀排列；除CK茶樣，中茶108品種各個茶樣位點也呈線狀排列，這兩個品種的每個茶樣香氣樣點都比較接近，即差別小；烏牛早品種各個茶樣的位點排列隨機，無規(guī)則。電子鼻依據(jù)其傳感器響應(yīng)值能有效區(qū)分3個品種蟬害茶，區(qū)分同一個品種不同蟬害時間的茶樣，其原因在于不同品種抗葉蟬的生理生化潛能不同。

再用軟獨立建模分類法對 3個品種蟬害茶進行分類，分別以3個品種未受害茶樣香氣作為參照，建立藍色模型區(qū)域（圖4）?？梢钥闯觯Ｕ梅址謩e為 97、93和 100，蟬害茶樣香氣皆在藍色模型區(qū)域之外，呈線狀分布，表明該方法也可有效區(qū)分3個品種蟬害茶樣、區(qū)分不同蟬害歷時的茶樣。

圖1 3個茶樹品種茶湯滋味電子舌響應(yīng)值的主成分分析圖Fig.1 PCA diagram of response values of electronic tongue to tea soups of three cultivars with different resistance against leafhopper

圖2 不同品種蟬害茶樣茶湯滋味電子舌響應(yīng)值的SIMCA分析圖Fig. 2 SIMCA diagram of values of electronic tongue to tea soups of three cultivars with different resistance against leafhopper

圖3 3個茶樹品種蟬害茶香氣的電子鼻響應(yīng)值的主成分分析圖Fig. 3 PCA diagram of values of electronic nose on aroma of three cultivars with different resistance against leafhopper

圖4 不同抗性茶樹品種茶樣香氣的電子鼻響應(yīng)值SIMCA圖Fig. 4 SIMCAdiagram of values of electronic nose on aroma of three cultivars with different resistance against leafhopper

2.3 蟬害對茶樣湯色的影響

3個品種蟬害茶樣茶湯色度值見表3。從表中可以看出，從未受蟬害到受蟬害60 h，中茶108茶湯的亮度L明顯下降；紫鵑、烏牛早茶湯的綠色和黃色色度明顯加深。

表3 3個品種蟬害茶樣茶湯色度值Table 3 Chroma parameters of tea soups of leafhopper damaged tea samples from three cultivars

3 討論

電子鼻技術(shù)可有效地用于評定茶葉品質(zhì)等級、判別產(chǎn)地等[6-8]，電子舌可對凍害程度不等的茶葉滋味進行區(qū)分[9]，是一類有效模擬人類感官的智能化分析儀器。本研究揭示電子舌和電子鼻可以明確區(qū)分 3個品種的蟬害茶樣，區(qū)分同一品種蟬害茶的不同受害程度茶樣，揭示了蟬害茶樣的滋味和香氣特征隨著蟬害歷時的延長而規(guī)則地變化。

無論高抗、中抗或感性品種，蟬害歷時都是與酸度值 SRS、咸度值 STS顯著正相關(guān)，可將酸度和咸度作為抗性的參考指標；隨著蟬害歷時延長，苦度值BRS、甜度值SWS和鮮度值UMS在各個品種中的表現(xiàn)不一致，反應(yīng)出不同品種抗蟲生理特性的差異。

電子舌數(shù)據(jù)分析的PCA圖上：高抗品種紫鵑、中抗品種中茶 108和感性品種烏牛早的蟬害茶樣各自形成一個線性區(qū)域（圖1），相互間距較大；并且，每個品種的 6個受害時間的蟬害樣之間的間距明顯，例如，紫鵑和中茶108受害24 h和36 h的蟬害茶之間間距達到最大；烏牛早未受害和受害 12 h的間距最大，受害 36、48、60 h的間距很小。在PCA坐標系內(nèi)，間距意味著蟬害茶樣茶湯滋味之間存在差別，圖 1的 3個品種茶湯滋味差距大，這樣的差距在一定程度上是由品種間抗性生理生化差異決定的。感性品種烏牛早蟬害茶的間距分布方式不同于高抗品種紫鵑和中抗品種中茶 108的，這些源于 3個品種抗蟬生理特性的差異。生理特性的不同決定了茶葉內(nèi)含物組成和含量不同，導(dǎo)致了傳感器響應(yīng)值的差異。電子鼻、比色計也測出了類似的結(jié)果。

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Analysis on Variation in Color, Aroma and Taste of Leafhopper Damaged Tea Samples Based on Sensory Organ Intelligent Analytical Instruments

ZHENG Yuting, HAN Shanjie, HAN Baoyu*

Zhejiang Provincial Key Laboratory of Biometrology and Inspection & Quarantine, College of Life Sciences of China Jiliang University, Hangzhou 310018,China

The tea shoots of cultivars Zijuan, Zhongcha 108 and Wuniuzao, with high, middle and low resistances to the tea green leafhopper were collected and cultured in water. Every tea shoot was introduced by 3 leafhoppers with 2 day old, and the shoots suffered for 0, 12, 24, 36, 48 and 60 h respectively. After being damaged, the tea shoots were plucked to produce the steamed tea samples. The taste, aroma and color of tea soup of the steamed tea samples were detected by electronic tongue, electronic nose and colorimeter respectively. The leafhopper-damaged duration was significantly and positively correlated with sourness value (SRS) and saltiness value (STS) of tea soups of three cultivars. The leafhopper-damaged duration on cultivar Zijuan was positively correlated with sourness value (BRS), and significantly negatively correlated with both umami value (UMS) and sweetness value (SWS). The leafhopper-damaged duration on cultivar Zhongcha 108 was positively correlated with BRS, and significantly positively correlated with both UMS and SWS. The leafhopper-damaged duration on cultivar Wuniuzaowas significantly and negatively correlated with BRS, UMS and SWS respectively. Data acquired by electronic tongue was analyzed by the principal component analysis (PCA) and the soft independent modeling of class analogy (SIMCA). In both PCA and SIMCA coordinate systems, the six leafhopper-damaged tea samples distributed linearly for each cultivar. Data by electronic nose was also analyzed by PCA and SIMCA, then by PCA or SIMCA coordinate system, the 6 leafhopper-damaged tea samples also distributed linearly for cultivars Zijuan and Zhongcha108, but not Wuniuzao. The colorimeter results revealed that during the time course of damage from 0 h to 60 h, the chroma of yellow-green of tea soups of cultivars Zijuan and Wuniuzao deepened, and the brightness of tea soup of cultivar Zhongcha 108 obviously fell. It was considered that electronic tougue and electronic nose may effectively discriminate resistant cultivar from susceptible cultivar, and differentiate damage degree in tea samples.

electronic tongue, electronic nose, Empoasca onukii Matsuda, taste and aroma and color, colorimeter

S571.1；S435.711

A

1000-369X(2017)05-449-09

2017-02-06

2017-05-22

浙江省自然科學(xué)基金項目（LY17C140002）、浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項目（2015R409052）

鄭雨婷，女，碩士研究生，主要從事茶樹病蟲防治研究，E-mail：llping401@163.com。*通訊作者