一种基于偏最小二乘构建龙井绿茶品质判别模型的方法与流程

[0001]
本发明具体涉及一种基于偏最小二乘构建龙井绿茶品质判别模型的方法，属于食品技术领域。


背景技术：

[0002]
绿茶作为世界三大无醇饮料之一，在全球流行。据中国农业信息网2018年的数据显示，我国绿茶年产量达到166.2万吨，占全国六大茶类总产量的61.0％，绿茶出口量占各茶类出口总量的83％，是产生经济效益的主要茶类。近年来，关于绿茶的研究主要集中在其抗氧化、降血糖、降血脂、抗癌抗辐射、神经性衰退疾病等功能研究。
[0003]
绿茶贮藏过程中的品质劣变，直接影响其商品价值和营养价值，是阻碍产业发展的关键因素，若没有有效判别绿茶品质变化的量化模型，难以评估绿茶在贮藏过程中的品质变化。因此，开展绿茶品质判别模型研究，建立有效的判别模型，利用判别模型对贮藏过程中的绿茶进行品质评价，对贮藏保鲜技术的发展，提高绿茶质量效益，具有重要的意义。


技术实现要素：

[0004]
本发明基于偏最小二乘判别分析法建立一种龙井绿茶品质判别模型，对不同等级龙井绿茶的品质变化规律进行研究，明确传统方法确定的感官评分与理化指标和智能感官分析结果的关联性，通过统计学方法(相关性分析、主成分分析)确定与绿茶感官品质相关的有效成分，提取特征变量，从而建立有效的绿茶品质判别模型，为规范化、标准化和数字化的判别绿茶品质提供参考。本发明建立一种pls-da模型，讨论不同品种绿茶对判别模型的适应性，建立一种精度高、准确度好的品质判别模型。
[0005]
本发明的第一个目的是提供一种建立龙井绿茶品质判别模型的方法，所述方法包括如下步骤：
[0006]
(1)测定龙井绿茶的理化指标，获得龙井绿茶的数据信息，然后采用主成分分析(pca)处理所得数据信息，剔除部分对绿茶品质贡献不大或冗余的信息，提取有效的主成分；采用测定感官审评评分对相应龙井绿茶进行等级评分；
[0007]
(2)将经处理后的龙井绿茶的理化指标测定的数据信息与相应龙井绿茶进行等级评分进行关联，建立龙井绿茶品质判别pls-da模型。
[0008]
在本发明的一种实施方式中，所述龙井绿茶的理化指标包括：茶多酚、游离氨基酸、抗坏血酸、儿茶素、叶绿素、色差值和香气成分。
[0009]
对步骤1)获得的结果通过皮尔逊(pearson)相关性分析初步探究与绿茶感官品质相关的评价指标，然后采用主成分分析(pca)剔除部分对绿茶品质贡献不大或冗余的信息，提取有效的主成分。
[0010]
所述方法具体包括下列步骤：
[0011]
在本发明的一种实施方式中，所述龙井绿茶的茶样采集分别在三个公司购买不同等级(特级、一级、二级、三级、四级和五级)的龙井绿茶，每个公司取每个等级茶样各10组，
共180个茶样用于实验。
[0012]
在本发明的一种实施方式中，采集钱塘产区三个企业的不同等级龙井绿茶，共180个样品，对每个样品的感官审评评分、理化成分和智能感官分析进行系统研究。
[0013]
在本发明的一种实施方式中，所述龙井绿茶的感官评审过程如下：
[0014]
对不同等级的龙井绿茶的外形、汤色、香气、滋味、叶底进行感官评分并对结果进行单因素分析。将茶样随机编号，由10位经过评茶员培训的专业审评人员根据其感觉与标准样品的比照打分，先于白底托盘中评定绿茶的形状、整碎、净度和色泽，准确称量每个茶样3.0g(精确到0.01g)，倒入150ml沸水，盖上杯盖冲泡4min后，出汤，评定香气、汤色、滋味和叶底。每个品质因子按总分100分打分，茶样审评的得分为各个因子的单项得分乘以评分系数之和。
[0015]
在本发明的一种实施方式中，所述测定龙井绿茶的理化指标的方法包括：分别对不同等级(特级、一级、二级、三级、四级和五级)的六种龙井绿茶，进行茶多酚、游离氨基酸、抗坏血酸、儿茶素、叶绿素、色差值和香气成分等理化指标进行测定。
[0016]
在本发明的一种实施方式中，所述理化指标测定时的样品前处理方法包括：准确称取0.2g(精确到0.001g)茶样于10ml离心管中，加入5ml预热的70％甲醇溶液，搅拌均匀后，立即移入70℃，水浴10min(水浴5min后摇匀一次)，冷却后3500rpm离心10min，残渣重复以上操作，上清液移入10ml容量瓶定容，用0.45μm有机膜过滤，获得样品待测母液。
[0017]
在本发明的一种实施方式中，所述茶多酚含量的测定方法包括：
[0018]
将母液稀释100倍后，取1ml，加5.0ml 10％福林酚试剂摇匀，反应5min，加入4.0ml7.5％na2co3溶液，室温下放置60min后，测定765nm处的吸光度。以空白试剂为参比测定吸光度后对比标准曲线(没食子酸)得出茶多酚的含量。
[0019]
在本发明的一种实施方式中，所述游离氨基酸含量的测定方法包括：
[0020]
取0.3g(精确到0.001g)茶样于50ml锥形瓶中，加入45ml沸水，进行沸水浴45min(每隔10min搅拌摇匀一次)，趁热减压过滤，残渣水洗2～3次，移入50ml容量瓶中定容，得待测液。取1ml待测液注入25ml比色管，加入0.5ml ph 8.0磷酸缓冲溶液和0.5ml 2％茚三酮溶液，沸水浴加热15min，待冷却后加水定容至25ml。放置10min后，于570nm处，以空白试剂为参比测定吸光度后对比标准曲线(谷氨酸)得出茶叶中游离氨基酸的含量。
[0021]
在本发明的一种实施方式中，所述抗坏血酸含量的测定方法包括：
[0022]
称取茶样0.2g(精确到0.001g)于15ml离心管中，加入5ml 20g/l偏磷酸溶液，摇匀超声5min后4000rpm离心5min，取上清液过0.45μm水相滤膜，滤液待测用hplc进行测定，流动相流速为0.7ml/min，柱温：25℃，检测波长：245nm，进样量20μl。
[0023]
在本发明的一种实施方式中，所述儿茶素含量的测定方法包括：
[0024]
母液稀释5倍后，过0.45μm有机膜，采用hplc进行测定；流动相流速为1ml/min，柱温：35℃，检测波长：278nm，进样量10μl；
[0025]
相应洗脱条件：
[0026][0027]
在本发明的一种实施方式中，所述叶绿素含量的测定方法包括：
[0028]
试样中叶绿素用无水乙醇和丙酮1:1(v:v)混合液提取，试液分别测定645nm和663nm处吸光度值，利用arnon公式计算叶绿素含量。
[0029]
在本发明的一种实施方式中，所述色度值的测定方法包括：
[0030]
准确称量每个茶样3.0g(精确到0.01g)，倒入150ml沸水，盖上杯盖冲泡4min后，出汤，经滤纸过滤后待测。本研究采用美国hunterlab公司的高精度测色仪，波长范围为350nm～1050nm(精度0.1nm)，测试前应先用黑白板和参比液在透射模式(ttran-total transmission)下进行校正，并用玻璃皿装水扣除背景影响后，再进行茶汤汤色测定。
[0031]
在本发明的一种实施方式中，所述香气成分的测定方法包括：
[0032]
每个样品的茶汤制备后(同2.2.1.2感官审评中的方法)，取5.0ml茶汤于20ml顶空进样瓶中，进行电子鼻分析。顶空取样，测量程序由计算机程序控制。测量阶段持续60s，足以使传感器达到稳定值。数据收集的间隔为1s。计算机每秒记录一次电子鼻的响应。完成测量后，清洁阶段持续70s，以清洁电路并将传感器返回到其基线，结束后在系统中进行pca和dfa数据处理。
[0033]
气相色谱(gc)条件：色谱柱为db-wax毛细管柱(30m
×
0.25mm，0.25μm)。
[0034]
程序升温条件：初始温度为40℃，保持2min；以1℃/s速率升至80℃后，再以2℃/s升至250℃保持1min；柱箱温度：50℃，进样口温度：200℃。
[0035]
在本发明的一种实施方式中，所述建立品质判别模型的过程：
[0036]
将所有数据单位换算成mg/g。电子鼻数据处理由仪器系统自带的软件处理。单因素方差分析、显著性分析、相关性分析，主成分分析，利用spss统计分析软件进行数据统计与分析。pls-da模型建立，利用matlab 2017软件进行分析。采用origin 8.5作图。
[0037]
本发明有益效果：
[0038]
本发明利用龙井绿茶中茶多酚、游离氨基酸、抗坏血酸、儿茶素、叶绿素、色差值和香气成分等理化指标作为特征值进行分析，结合相关性分析、主成分分析，确定与绿茶感官品质相关的有效成分，提取特征变量，并讨论不同品种绿茶对判别模型的适应性，建立一种精度高、准确度好的品质判别模型。
附图说明
[0039]
图1为实施例1构建的龙井绿茶的pls-da模型。
[0040]
图2为实施例1构建的pls-da模型对龙井绿茶进行品质判别。
[0041]
图3为不同指标与绿茶感官评分相关性分析图。
[0042]
图4为茶多酚、游离氨基酸、酚氨比、粗多糖和抗坏血酸的相关性分析图。
[0043]
图5为儿茶素的相关性分析图。
[0044]
图6为色度值与评分等级的相关性分析。
[0045]
图7为香气成分主成分分析与等级分类的关联分析。
具体实施方式
[0046]
本发明涉及的仪器、样品及试剂：
[0047]
仪器：
[0048]
el204电子天平(上海梅特勒-托利多仪器有限公司)；dk-s14电热恒温数显水浴锅(上海森信实验仪器有限公司)；heracles ii快速气相色谱电子鼻(法国alpha mos s.a.有限公司)；ultrascan pro1166型高精度分光测色仪(美国hunterlab公司)；uv-1800型紫外分光光度计(日本岛津公司)；hplc-高效液相色谱(美国安捷伦科技有限公司)；高速组织捣碎机(德国ika公司)；tdl-16g台式高速离心机(上海安亭科学仪器厂)。
[0049]
样品及试剂：
[0050]
龙井绿茶(产于杭州钱塘区，品种为龙井43#，购于杭州萧富农业开发有限公司、杭州富阳茶叶有限公司、杭州御峰茶业有限公司)，安吉白茶(浙江省宋茗白茶有限公司)，碧螺春(江苏省苏州金庭茶庄)。
[0051]
谷氨酸标准品、没食子酸标准品、儿茶素标准品(c、ec、egc、egcg、ecg)、抗坏血酸标准品均为hplc色谱纯，纯度≥99％，购于梯希爱(上海)仁成工业发展有限公司(tci)公司。色谱级甲醇购于国药集团。碳酸钠、福林酚、偏磷酸、茚三酮、丙酮、无水乙醇、硫酸、苯酚等常用化学试剂均为分析纯，购于国药集团。
[0052]
实施例1绿茶品质判别模型的构建
[0053]
采集分别在三个公司购买不同等级(特级、一级、二级、三级、四级和五级)的龙井绿茶，每个公司取每个等级茶样各10组，共180个茶样用于实验。对每个样品的感官审评评分、理化成分和智能感官分析进行系统研究。
[0054]
(1)感官评审结果及单因素分析结果
[0055]
对不同等级的龙井绿茶的外形、汤色、香气、滋味、叶底进行感官评分并对结果进行单因素分析。将茶样随机编号，由10位经过评茶员培训的专业审评人员根据其感觉与标准样品的比照打分，先于白底托盘中评定绿茶的形状、整碎、净度和色泽，准确称量每个茶样3.0g(精确到0.01g)，倒入150ml沸水，盖上杯盖冲泡4min后，出汤，评定香气、汤色、滋味和叶底。每个品质因子按总分100分打分，茶样审评的得分为各个因子的单项得分乘以评分系数之和。结果如表1和表2所示。
[0056]
表1不同等级的龙井绿茶的感官评审结果
[0057][0058]
注：*代表纵向具有显著差异(p<0.05)；**极显著性差异(p<0.01)，各等级样本数为30，共180个茶样，10名评茶员。
[0059]
表2不同等级的龙井绿茶的单因素分析结果
[0060][0061][0062]
在专业评茶员的审评下，不同等级绿茶的外形、汤色、香气、滋味、叶底和总分都具有极显著差异(p<0.01)，且总分在标准的评分范围内。因此，这180个样品可作为品质判别分析的已知类别(六类)，并由这些茶样所获得的数据与感官评分建立判别函数，用于龙井绿茶品质判别。
[0063]
(2)因子分析与特征变量的提取：
[0064]
龙井绿茶样品前处理：准确称取0.2g(精确到0.001g)茶样于10ml离心管中，加入5ml预热的70％甲醇溶液，搅拌均匀后，立即移入70℃，水浴10min(水浴5min后摇匀一次)，冷却后3500rpm离心10min，残渣重复以上操作，上清液移入10ml容量瓶定容，用0.45μm有机膜过滤，获得样品待测母液。
[0065]
茶多酚含量的测定：将母液稀释100倍后，取1ml，加5.0ml 10％福林酚试剂摇匀，反应5min，加入4.0ml 7.5％na2co3溶液，室温下放置60min后，测定765nm处的吸光度。以空
白试剂为参比测定吸光度后对比标准曲线(没食子酸)得出茶多酚的含量。
[0066]
游离氨基酸含量的测定：取0.3g(精确到0.001g)茶样于50ml锥形瓶中，加入45ml沸水，进行沸水浴45min(每隔10min搅拌摇匀一次)，趁热减压过滤，残渣水洗2～3次，移入50ml容量瓶中定容，得待测液。取1ml待测液注入25ml比色管，加入0.5ml ph 8.0磷酸缓冲溶液和0.5ml 2％茚三酮溶液，沸水浴加热15min，待冷却后加水定容至25ml。放置10min后，于570nm处，以空白试剂为参比测定吸光度后对比标准曲线(谷氨酸)得出茶叶中游离氨基酸的含量。
[0067]
抗坏血酸含量的测定：称取茶样0.2g(精确到0.001g)于15ml离心管中，加入5ml 20g/l偏磷酸溶液，摇匀超声5min后4000rpm离心5min，取上清液过0.45μm水相滤膜，滤液待测用hplc进行测定，流动相流速为0.7ml/min，柱温：25℃，检测波长：245nm，进样量20μl。
[0068]
儿茶素含量的测定：母液稀释5倍后，过0.45μm有机膜，采用hplc进行测定；流动相流速为1ml/min，柱温：35℃，检测波长：278nm，进样量10μl；
[0069]
相应洗脱条件：
[0070][0071]
叶绿素含量的测定：
[0072]
试样中叶绿素用无水乙醇和丙酮1:1(v:v)混合液提取，试液分别测定645nm和663nm处吸光度值，利用arnon公式计算叶绿素含量。
[0073]
色度值的测定：准确称量每个茶样3.0g(精确到0.01g)，倒入150ml沸水，盖上杯盖冲泡4min后，出汤，经滤纸过滤后待测。本研究采用美国hunterlab公司的高精度测色仪，波长范围为350nm～1050nm(精度0.1nm)，测试前应先用黑白板和参比液在透射模式(ttran-total transmission)下进行校正，并用玻璃皿装水扣除背景影响后，再进行茶汤汤色测定。
[0074]
香气成分的测定：每个样品的茶汤制备后(同感官审评中的方法)，取5.0ml茶汤于20ml顶空进样瓶中，进行电子鼻分析。顶空取样，测量程序由计算机程序控制。测量阶段持续60s，足以使传感器达到稳定值。数据收集的间隔为1s。计算机每秒记录一次电子鼻的响应。完成测量后，清洁阶段持续70s，以清洁电路并将传感器返回到其基线，结束后在系统中进行pca和dfa数据处理。
[0075]
气相色谱(gc)条件：色谱柱为db-wax毛细管柱(30m
×
0.25mm，0.25μm)。
[0076]
程序升温条件：初始温度为40℃，保持2min；以1℃/s速率升至80℃后，再以2℃/s升至250℃保持1min；柱箱温度：50℃，进样口温度：200℃。
[0077]
在对原始数据进行建模前，需将180个茶样的理化成分和色差值数据进行归一化(标准化)处理，处理后进行主成分分析提取有效主成分。结果表明，根据主成分分析可提取6个主成分，其中第一主成分的特征根为7.317，解释总变异的37.47％，第二主成分的特征
根为3.315，解释总变异的21.47％，6个主成分的特征根均大于1，且累计贡献率为97.95％。具体结果见表3。
[0078]
表3主成分分析结果
[0079][0080]
结合皮尔逊相关性(图3)分析可知，茶多酚、游离氨基酸、酚氨比、抗坏血酸、酯型儿茶素与非酯型儿茶素之比以及色度值中的b/a值与绿茶总分呈显著相关性，是绿茶综合得分的主要物质。
[0081]
(3)pls-da模型的建立
[0082]
pls-da是先根据采集茶样的等级，先进行分组后，再进行等级判别，获得的结果为等级。由图1可知，pls-da模型的相关系数大于0.95，且预测集样本非常接近45
°
线，表明这种模型能有效预测绿茶品质。
[0083]
且结合图2可知，用pls-da模型预测的各样本的预测误差均在0～0.5以内(误差超过0.5即为判错)，由此可知，pls-da模型用于预测绿茶品质效果很好，因此本实施例采用pls-da模型对龙井绿茶进行品质判别。
[0084]
实施例2多种理化成分的测定结果及与评分的相关性分析探究
[0085]
(1)茶多酚、游离氨基酸、酚氨比、粗多糖和抗坏血酸的相关性：
[0086]
结合图4可以发现：随着等级的降低，茶多酚和游离氨基酸的含量没有呈现显著的规律性，但存在显著性差异(p<0.05)，酚氨比的规律显著，且随着等级的降低酚氨比不断增加。酚氨比茶多酚和游离氨基酸两个单一指标的含量更能反应绿茶品质。
[0087]
随着等级降低，抗坏血酸含量也显著下降，反映了绿茶的品质等级。
[0088]
叶绿素在各等级之间没有显著性规律，但特级、一级与其他等级的含量存在显著性差异(p<0.05)。
[0089]
粗多糖的含量分析随着等级降低有下降趋势，每个等级之间存在显著性差异(p<0.05)。
[0090]
通过表4中感官审评评分与各理化成分相关性分析可知，茶多酚、游离氨基酸、酚氨比、粗多糖和抗坏血酸与感官总分间均有显著相关性，其中抗坏血酸的相关性最为显著(r＝0.9550)。
[0091]
表4感官审评评分与各理化成分相关性分析
[0092][0093]
(2)儿茶素的测定结果及与评分的相关性分析：
[0094]
非酯型儿茶素在儿茶素中所占比例较小，但各等级之间都有显著性差异(p<0.05)，对龙井绿茶的感官品质具有一定贡献。结合图5，非酯型儿茶素在绿茶中占比较小，酯型儿茶素是绿茶儿茶素的主体，是龙井绿茶样品中的主要成分，尤其egcg在儿茶素中含量最高。酯型儿茶素是绿茶收敛性和苦涩味的主要呈味物质，但其含量与等级之间的规律性并不显著。这表明单一的酯型儿茶素含量或是非酯型儿茶素含量并不能直接表征绿茶品质的好坏。但酯型儿茶素与非酯型儿茶素之比，随着等级降低，其比值也显著下降。表明酯型儿茶素与非酯型儿茶素的比例在绿茶感官方面至关重要，适当的酯型儿茶素与非酯型儿茶素之比，能呈现更好的绿茶滋味。儿茶素的总量与非酯型儿茶素一样，未见显著性趋势。
[0095]
,通过表5中绿茶评分与各类儿茶素相关性分析可知，非酯型儿茶素中ec和c与绿茶感官的各项评分没有显著相关性，egc与感官各项评分具有显著负相关，酯型儿茶素中egcg和ecg与感官评分均有显著相关性，且各项相关系数一致(r＝-0.5290)，总儿茶素与感官评分也有显著相关性，但其中相关系数最高的是酯型儿茶素与非酯型儿茶素之比，与感官评分总分的相关系数为-0.9120，因此，酯型儿茶素与非酯型儿茶素的比值比单一的儿茶素指标在一定程度上能更好地反映绿茶品质。
[0096]
表5绿茶评分与各类儿茶素相关性分析
[0097][0098][0099]
(3)色度值的测定结果及其与评分的相关性分析：
[0100]
根据图6可知，随着等级的降低，l、a、b和δe值，各等级之间没有显著性差异。但随着等级的下降，b/a显著下降(绿色变淡)，表明茶汤不断由偏绿向偏黄转变，能反映各等级
之间的品质关系。
[0101]
对180个茶样的色度值与感官审评中的汤色、香气、滋味和总分进行相关性分析(表6)发现，a值和b/a与汤色、香气、滋味和总分均有显著相关性，其中a与各感官因子呈显著正相关(r＝0.323)，具有显著差异的b/a呈显著负相关(r＝-0.304)，即随着b/a的值越大，感官评分越低，这表明绿茶中的某些色素成分同样可能是影响绿茶香气、滋味的重要因子，尤其是在绿茶茶汤呈黄色的物质会对茶汤感官各方面引起负效应，这为本研究将测色仪所得数据或处理后的数据与理化指标、电子鼻数据等相结合，为建立品质判别分析技术提供了数据支持。
[0102]
表6色度值与感官审评中的汤色、香气、滋味和总分进行相关性分析
[0103][0104]
(4)香气成分的测定结果及与评分的相关性分析：
[0105]
对绿茶的香气成分分析，利用电子鼻自带的pca和dfa处理数据，对不同等级绿茶的香气进行主成分分析。结果如图7所示。
[0106]
以初始值为特征值进行分析，pca所得的特级和一级、二级和三级、四级和五级均有部分龙井绿茶重叠，不能较好地区分不同等级，但pc1与pc2的贡献率分别为92.49％、4.21％，累计解释了方差的96.70％，说明提取的主成分是贡献率较大的成分。
[0107]
因此可按等级分类后进行因子判别分析，进行判别分析后，df1与df2的贡献率分别为93.80％、5.92％，累计解释了方差的99.72％，各等级之间的绿茶区分度显著提高，但二、三级的龙井绿茶的区分效果一般。
[0108]
对比例1不同品种绿茶pls-da模型判别效果
[0109]
用pls-da模型预测安吉白茶和碧螺春的各样本的预测值中有13个样本预测误差的绝对值超过0.5(误差超过0.5即为判错，见中虚线标志)，预测误差绝对值在0～0.5以内的判别率为56.67％，因此，pls-da模型对于这两种绿茶的效果较差，这与绿茶品种、工艺和产地等各方面因素相关。