基于近红外光谱技术与模式识别的乌龙茶产地溯源

林兆祥，詹伟强，刘思琪，樊　燚

(中南民族大学 电子信息工程学院，激光光谱应用实验室，武汉 430074)

乌龙茶属于半发酵茶，是我国著名的茶类之一，主要品种包括了铁观音、大红袍和凤凰单枞等.乌龙茶的品质差异较大，产地的差异是一个重要原因，如不同产地铁观音因口感和营养成分存在差异，其价格甚至可以相差100倍.目前，尚无快速、便捷、客观的乌龙茶产地溯源的检测方法，更缺乏专用检测设备，仅凭评茶员的感官品评判断乌龙茶产地，存在较大的主观性[1, 2].

近年来，食品的产地溯源技术随着检测手段的丰富和分析方法的发展，取得了许多成果[3, 4]，如Portarena S等运用稳定同位素分析技术(IRMS)实现意大利橄榄油的产地溯源[5]；王洁等运用稳定同位素分析技术(IRMS)实现扁形茶的产地溯源[6]；Martin A E等通过电感耦合等离子发射光谱(ICP-MS)和电感耦合等离子体质谱(ICP-AES)联用实现了澳大利亚葡萄酒的产地溯源[7]；刘沭华等利用近红外光谱分析技术(NIR)实现不同产地中草药白芷和丹参的产地溯源[8].虽然现有的产地溯源技术探测手段多种多样，但是其技术基础通常依靠检测样品中特定成分(矿物元素含量、同位素比率或专属有机物)的差异来分析其产地信息.

这些产地溯源方法中，以检测同位素或矿物元素差异为基础的分析方法通常用于检测产地距离跨度远的样品，对于产地比较集中的样品不太适用.乌龙茶产地主要分布于我国的福建、广东和台湾，相同品种乌龙茶大多集中分布在相邻的几个县市，如铁观音主要产自安溪县及其附近县市，经纬度差异小，土壤成分和气候差异不明显，所以IRMS、ICP-MS以及ICP-AES等检测技术都不适用于乌龙茶的产地溯源研究.由于近红外光谱分析能精确检测有机物含氢价键的振动信息，可以判别特定营养成分的微小差异，本文尝试运用近红外光谱技术结合模式识别方法，以产地相毗邻的铁观音为样品，开展乌龙茶产地溯源研究.

1　材料与方法

1.1　材料

选用福建省安溪县西坪镇(XP)、华安县仙都镇(XD)、永定县高头乡(GT)三地的铁观音茶叶作为样品，采自树龄相似、同季采摘、正炒加工[9]，毛茶经过精拣后分别随机采样250g，每个产地分别取3个样品，标记为西坪：XP-1,2,3；仙都：XD-1,2,3；高头：GT-1,2,3.样品产地信息如表1所示.

表1　铁观音样品产地信息Tab.1　The origins of the Tieguanyin tea samples

1.2　方法

样品经270W的红外灯照射至恒重，用美的公司MJ-BL25B1粉碎机粉碎5min，保证粉碎后各样品颗粒系分布曲线相似，样品粉末过200目筛，筛出样品粉末50g；按四分法随机取样5g；压片机压成10个均匀薄片.采用美国Perkin Elmer公司生产的Lambda750 S型(UV/Vis/NIR)光谱仪进行测量，测量波长范围为1000～2500nm，光谱分辨率为2nm,扫描次数为32次.每个样品分别做10次透射近红外光谱测量，所得光谱求平均，待用.

1.3　数据处理

将上述原始光谱数据导入Matlab2014b软件中，结合MathWork公司提供的函数库编程，依次实现光谱预处理、主成分分析和聚类分析.

2　结果与分析

图1是不同产地铁观音样品的原始光谱，从1000～2500nm吸光值呈上升趋势，在1400～1900nm附近光谱变化较大，光谱呈阶梯状上升.根据茶叶中含氢基团(—OH、—CH、—NH、—SH、—PH等)的振动、弯曲和伸缩信息,1000～1340nm主要表现为二级倍频区，光谱信号较弱；1340～1820nm为一级倍频区，光谱信号较强；1820～2500nm为合频谱区，光谱信号相比于1000～1820nm都来得强[12].从图1中可以看出，各谱线之间都存在着不同程度的基线漂移现象，因此在光谱数据处理需要首先剔除其影响.光谱在2500nm附近存在比较强烈的抖动，其主要原因是检测设备在此附近产生较大的仪器噪声，因此在光谱分析中应避免选择此处作为分析.

图1　不同产地乌龙茶样品的原始近红外光谱图Fig.1　Near infrared spectra of Oolong tea from different geographical origins

对原始光谱进行数据预处理，然后进行一阶求导和矢量归一化，结果如图2所示.从图中可以看出，经过预处理后，光谱数据确实有效的消除了基线漂移、随机噪声等因素的影响.各谱线之间的相关性很高(>99.4%)，仅在某些波段(如1500nm、2160nm附近等)不同样品的光谱斜率存在微小差异，反映出不同产地铁观音样品中含氢化合物的差异，这些微小的差异可以作为乌龙茶产地溯源的特征信息.

为了有效地提取不同产地样品的特征差异，排除水分子O—H键在2200nm附近的影响，排除仪器噪声在2300～2500nm之间的影响，选择光谱差异较为显著的1450～1626nm和2150～2198nm波段数据分别进行主成分分析，前5个维度的累计解释方差都大于98%.其中1450～1626nm的第一主成分方差为89.3%，第二主成分方差为8.7%；2150～2198nm的第一主成分方差为83.4%，第二主成分方差为7.4%.两个波段的前两个主成分都包含了大部分的光谱差异信息.

图3　不同产地乌龙茶样品第1和第2主成分得分分布图Fig.3　Score plots of 1st and 2nd principal component for spectra of Oolong tea from different geographical origins

1450～1626nm主成分分析的第一主分和第二主分的分布如图3(a)所示，西坪镇、仙都镇和高头乡3个产地的样品分别形成较为独立的分布区域，具有较好的区分性.对主成分分析结果进行聚类分析，在0.01～0.015之间实现了3个产地的准确聚类.2150～2198nm主成分分析的第一主分和第二主分的分布如图3(b)所示，西坪镇、仙都镇和高头乡3个产地的样品分别形成较为独立的分布区域，具有良好的区分性.对主成分分析结果进行聚类分析，在0.01～0.018之间实现了3个产地的准确聚类.说明了主成分分析对不同产地乌龙茶样品具有很好的聚类效果.

3　结论

根据不同产地铁观音样品近红外光谱实验数据表明，不同产地近红外原始吸收光谱差异不明显.选择表征茶多酚、多糖价键的波段进行主成分分析，其主成分分布具有很好的产地差异性.对主成分分析后的光谱进行聚类分析，能够准确地实现不同样品的产地聚类.研究结果表明，近红外光谱技术与模式识别技术相结合能有效地实现乌龙茶的产地溯源，加上近红外光谱技术快速、无损的检测特点，相关的算法和数据处理手段可以直接应用于乌龙茶产地溯源专用设备的开发.本文的研究方法还可以用于其它茶叶或植物食品的产地溯源技术的研发.

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