响应面分析法优化茯砖茶感官定量描述分析条件

李欢欢，王超，傅冬和，罗理勇,3，曾亮,3*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(湖南农业大学 园艺园林学院， 湖南 长沙，410128) 3(西南大学 茶叶研究所，重庆，400715)

茯砖茶属黑茶的一种，是以三、四级的黑毛茶为原料，经过筛分、汽蒸、渥堆、压制、发花和干燥等工序加工而成的，并因其独特的“发花”工序形成了汤色橙黄，香气纯正，并且带有独特的菌花香的品质风格，已经逐渐成为茶叶市场上的新亮点[1]。茶叶感官审评是通过人的感觉器官鉴定茶叶品质的一种实用性技术，是判断茶叶品质优劣和品质特征的重要手段与方法，香气和滋味则是衡量各类茶叶品质的主要指标[2]。定量描述分析(quantitative descriptive analysis, QDA)是一种非常有效的描述型感官分析方法，在茶叶感官审评中已应用于绿茶、乌龙茶、红茶等其他茶类的感官审评及品质分析[3-5]。QDA法是一种具备剖析与描述功能的综合性感官分析方法，但目前对茯砖茶的定量描述分析研究尚缺乏，将QDA法应用于茯砖茶品质评价将是茯砖茶感官评定的一种有益方式。

QDA偏向于人的主观感受，由于个体之间感觉的差异、环境和身体条件的不同，人们可能做出不同的判断，因此必须使评估结果数量化，并对评价员进行培训、校正、能力评估，然后再进行统计分析，才能客观地比较样品之间的差异[6]。同一款茶叶，不同的冲泡条件会影响其品质表达[7-9]，而不同的品质表现则可能会影响评价员重复评价结果的稳定性。由于评价小组良好的稳定性是样品感官分析结果可靠、有效的前提[6]，因此本文开展不同评价条件对评价小组稳定性影响的研究，从而为茯砖茶的感官评价提供一种更优的样品评价方式。

1材料与方法

1.1 材料与试剂

茯砖茶样品：市售湘益茯茶，2016年金花茯砖茶叶清心系列；盐酸二水奎宁(分析纯)，上海泰坦科技股份有限公司；明矾、柠檬酸(分析纯)，重庆滴水实验有限公司；蔗糖、味精、桂圆(食品级)，购于当地永辉超市；苦丁，购于当地药店；晒干桑葚及干稻草，购于当地农家；桶装水(食品级)，重庆中梁山矿泉水有限公司。

1.2 仪器与设备

MY-35E恒温加热器，佛山市顺德区名友电器有限公司；电热烧水壶，广东天际电器股份有限公司；FA2004A电子天平，上海精天电子仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品准备

依据茯砖茶的冲泡习惯，本试验不考虑冲泡温度对品质的影响而直接采用沸水冲泡茯砖茶。

依据2.3.1中响应面法优化茯砖茶评价条件的实施方案(表3)，样品准备方式为：按照设定的茶水比加沸水冲泡1.00 min后沥出茶汤，二次注入沸水浸泡至设定的时间后出汤，将第二次沥出的茶汤盛入恒温加热器中并设定恒定的温度待用。审评时以随机顺序将茶汤分入品茗杯中作为样品送呈，先评定香气，为保证滋味评定时温度一致且保持在设定温度，在品茗杯中重新注入茶汤样品评定滋味。每个样品评价完后休息5 min再对下一样品进行评价。

1.3.2 筛选评价员

按照食品感官分析评价员的选拔、训练标准[10-13]对招募的26名西南大学学生进行感官能力考核，最终12人(4男，8女)通过评价员初步筛选考核。初步筛选考核内容包括味觉识别测试、差异测试、香气识别测试，对样品的感受进行交流和描述的基本能力测试，根据考核结果以及面试交流筛选出合格评价员。

上述12个合格评价员经评估测试，筛选出优秀评价员10人，组成茯砖茶感官评价小组，参与评价工作。

1.3.3 茯砖茶风味及香气感官描述语的建立

评价员对提供的茯砖茶样品的香气及滋味特征进行描述。采用群体决策法[14]，建立茯砖茶品质感官属性描述语，并确定其定义和参照物。

1.3.4 茯砖茶感官评价小组培训及其表现评估

培训过程在标准的感官评定实验室进行[15]，采用蛛网定量描述分析方法、5点(0～5)标度法对茯砖茶的香气和滋味特征进行描述性分析。由12个合格评价员组成的评价小组经过阶段性的培训和评估测试后(如表1所示)，给出较为客观、准确的茯砖茶品质特征的定量描述性分析数据。

表1 评价小组培训及其表现评估的流程Table 1 Workflow of panel training and performance analysis

1.3.5 响应面法优化茯砖茶评价条件

影响茶汤品质表达的感官评价条件主要包括茶水比，冲泡温度，冲泡时间[16]，除此之外入口温度也会对味觉(如涩感)产生影响[17]，因不考虑冲泡温度对茶汤品质的影响，故仅从茶水比、冲泡时间以及入口温度3个因素上优化茯砖茶评价条件。根据GB/T 23776—2009《茶叶感官审评方法》[18]及相关文献[19]，各因素的水平设定如下：茶水比1∶100～1∶20，冲泡时间2.00～8.00 min，入口温度25～75 ℃。采用响应面中心组合设计法(central composite design, CCD)设计试验，根据试验设计的实施方案准备样品并送呈给感官评价人员进行定量描述分析，每个样品重复审评3次，将3次评价结果的标准差作为评判评价人员稳定性的相应指标。

1.4 数据处理

使用Panel Check 1.4.0软件，分析评价小组表现、对评价结果进行主成分分析。使用Design-Expert软件进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 茯砖茶品质属性、定义、评价方法的确定

12人组成的茯砖茶感官评定小组经讨论后一致决定保留如下的11个茯砖茶茶汤品质感官描述语：滋味整体、酸、甜、苦、鲜、涩、香气整体、稻草香、苦丁香、桑葚香以及桂圆香。除滋味及香气整体外，其他描述语的定义及参照样如表2所示。

2.2 评价小组及评价员表现评估

在定量描述性感官分析中，经过培训的评价小组比未经培训的评价小组获得的评价结果更为准确，培训是得到一个产品可靠感官数据的关键步骤[20]。评价小组经过培训后，对小组表现作进一步评估是进行样品差异分析的首要和必经步骤，而评价小组的一致性、评价员良好的样品区分能力和重复性是保证样品测试数据准确可靠的3个关键要素[21]。

本试验在上述确定的样品品质属性基础上，采用Panel Check 1.4.0软件从一致性、区分能力和重复性3个方面对评价小组的表现作进一步评估。

表2 茯砖茶茶汤品质感官描述语、定义及参照样Table 2 Sensory description terms of Fuzhuan brick-tea′s quality properties with definition and reference

2.2.1 一致性评估

Panel Check软件中Tucker-1的方法能反映出评价小组整体在评价某个属性时的表现是否一致，如Tomic等人便以此法来评估过评价小组整体的一致性[22]。在Tucker-1属性图中，每张图代表一个属性，每个点代表一个评价员，图上的点越靠近外椭圆，则表示该点所代表的评价员对样品该属性的区分能力越强，所有的点越聚拢则表示评价小组在该属性的评价上一致性越高。

此评估依据第四阶段的实验数据，并采用Tucker-1的方法来评估经过阶段培训后评价小组的一致性，结果如图1所示。由图1可知，滋味整体、酸、甜、苦、涩及香气整体所对应的方框中点的聚拢效果最好，其次是桂圆香、苦丁香、桑葚味，而鲜味、稻草香所对应的方框中各点的位置相对较分散，尤其是稻草香，表明评价小组在评价这两个属性时一致性相对较差。总体来说，经过阶段性培训后的评价小组在绝大部分属性的评价上都具有较好的一致性，尤其是在对滋味整体、酸、甜、苦、涩味以及香气整体的评价上一致性非常高，只有对稻草香这一属性的评价表现出很差的一致性。这表明，经过培训后的评价小组在评价茯砖茶品质时整个评价小组的一致性较好，评价小组中不同评价员个体之间的差异被缩小，能够保证评价小组所给出的评价结果具有一定的可靠性。

图1 评价小组一致性Tucker-1分析Fig.1 Tucker-1 analysis of panel consistency注：方框中的每个紫红色点代表一位评价员，共12位。

2.2.2 区分样品能力和重复性评估

Panel Check软件中的F值和MSE值常用来评估评价员对样品的区分能力和重复性。F值为组间差异与组内差异的比值，其值越大说明评价员对相关属性的区分能力越好；MSE值代表组内方差，其值越小说明评价员重复评价同一样品的差异越小，稳定性和重复性越好。MSE值很小的另一原因也可能是评价员并没有将样品区分开来，所以采用MSE值方法评估评价员重复性时应结合F值，在评价员能够将样品区分开来的基础上再讨论评价员的重复性[23]。

该评估依据第四阶段所得到的感官分析数据，结合F值和MSE值来评估培训后评价员对样品的区分能力以及重复性，分析结果如图2所示。图2-a中每条线代表一个属性，除了评价员HTB和CC的区分能力较弱，F值都处在5%显著水平以下外，其他评价员的大部分属性的F值都高于或接近5%显著水平，这说明培训后绝大多数评价员的区分能力都达到了较好的水平。图2-b中每条线代表一个属性，在评价员能够较好地区分样品的基础上，图中仅评价员TY的鲜味以及评价员NXY的稻草香的MSE值相对较大，这表明培训后每个评价员的重复性都较好。

综上所诉，当评价员具有较高的F值及较低的MSE值时，表明该评价员具备良好的评估样品的能力。图2表明培训后绝大部分评价员都具备较好的评估样品的能力，尤其是评价员TJC，不仅区分样品的能力最强，重复性及稳定性也较好。而在此次评估测试中，评价员HTB、CC区分样品的能力稍差，重复性也较差，表明该评价员还不具备良好的评估样品的能力。经过评价小组及评价员表现评估测试后，筛选出优秀评价员10人组成茯砖茶感官评价小组(排除HTB和CC)，参与后续响应面法优化茯砖茶评价条件的试验以探究感官评定条件对审评小组稳定性的影响。

图2 评价员区分样品的能力(a)和重复性(b)Fig.2 Panelists’ discrimination ability (a) and repeatability (b)

2.3 响应面法优化茯砖茶审评评价条件

2.3.1 茯砖茶样品制备和定量描述分析

利用Design Export软件优化茯砖茶审评评价条件，其具体的实施方案如表3所示。根据实施方案准备样品，并呈给感官评价人员进行定量描述分析，评价小组3次评价结果的标准差见表4。

表3 响应面法优化茯砖茶评价条件的实施方案及结果Table 3 The implementation and results of response surface method used to optimize the evaluation conditions of Fuzhuan brick-tea

注：编号a：样品按照茯砖茶汉语拼音首字母大写“F”加上阿拉伯数字进行编号；Yb标准差：作为相应面分析的响应指标，其值为评价小组3次评价结果的标准差；例如方案中编号F1的茶水比为1∶100、冲泡时间为5.00 mim、入口温度为50 ℃，即表示称取5.00 g茯砖茶，加入500 mL沸水冲泡1.00 min后弃去滤出的茶汤，再加入500 mL沸水继续冲泡4.00 min后滤出茶汤备用，恒定茶汤温度在50℃时，将样品送呈给评价员评价。

表4 评价小组3次评价结果的标准差Table 4 The standard deviation of the results of three evaluations

2.3.2 响应指标Y值的计算

标准差是反映一组数据离散程度最常用的一种量化形式，标准差越小，代表该组数据的离散程度越小，稳定性越高。通过对定量描述分析的结果进行主成分分析及对评价小组的属性区分能力进行评估，从而进一步确定出能够区分样品差异的重要属性，以减少因评价指标过多难以衡量以及无效打分结果影响稳定性评判所造成的困扰。因此，本试验将重要属性的3次定量描述分析结果的标准差作为响应面分析的相应指标。

图3 主成分分析结果Fig.3 The results of principal component analysis

主成分分析结果，如图3。PC1和PC2两个主成分解释了94.6%的总变异，说明前两个主成分能解释原变量的绝大部分信息[24]。第一主成分(79.7%)主要描述了样品间滋味整体、甜、酸、苦、涩的差异，第二主成分则主要描述了香气整体以及苦丁香的差异。参考文献得到当属性与主成分相关系数在0.6以上时可将该属性视为是该主成分的特征属性，能够作为区分样品差异的重要属性[6,25]，而本文中以上提到的属性与主成分相关系数均在0.6以上，其高度相关性表明该7个属性是区分不同评价条件下茯砖茶品质差异的重要属性。评价小组的属性区分能力的评估结果，如图4所示。小组中80%的评价员能够显著区分滋味整体、酸、甜、苦、涩等5个属性，而60%的评价员能够区分的属性除上述5个属性外，还包括香气整体和苦丁香。

图4 评价小组区分属性的能力Fig.4 The ability of the evaluation group to distinguish attributes

小组中80%的评价员能够显著区分的5个属性(滋味整体、甜、酸、苦、涩)，也是主成分分析中第一主成分的代表属性，是区分茶样品质差异最重要的属性。小组中60%的评价员能够显著区分的另外2个属性(香气整体和苦丁香)，是主成分分析中第二主成分的代表属性，也属于区分茶样品质差异的重要属性。根据主成分分析及评价小组属性区分能力的评估结果，滋味整体、酸、甜、苦、涩、香气整体以及苦丁香等7个属性被认为是能够被评价小组绝大部分评价员显著区分，同时也是能够区分不同评价条件下茶样差异的重要属性。因此，评价小组对该7种属性3次评价结果的标准差即可作为评估审评条件对评价小组稳定性影响的重要指标。根据能够区分茶样差异的属性的重要程度确定各属性的权重，如第一主成分的代表属性的权重为第一主成分的变异程度与第一、第二主成分的总变异程度的比值，由图3主成分分析结果图可知，第一主成分即PC1的变异程度为79.7%，第二主成分即PC2的变异程度为14.9%，因此第一主成分的代表属性的权重即为79.7%/(79.7%+14.9%)=84.3%，第二主成分的代表属性的权重即为14.9%/(79.7%+14.9%)=15.8%。

响应面法分析不同评价条件对评价小组稳定性影响的相应指标Y值的计算，即为评价小组对样品各重要属性3次评价结果的标准差与其相应权重乘积之和。相应指标Y的计算结果，见表2，其具体计算公式如下：

Y=84.3%×(滋味整体+酸+甜+苦+涩的3次评价结果的标准差)+15.8%×(香气整体+苦丁香的3次评价结果的标准差)

(1)

2.3.3 响应面法优化评价条件

利用响应面法优化茯砖茶评价条件时，通常在0.05水平上不显著的项应从回归方程中剔除，但在响应面分析检验中，方差分析可能会因为误差(剩余)自由度偏小而影响了检验的精确度，因此显著水平可放宽到0.25[24]，方差分析结果，如表5所示。根据实验结果所建立的数学模型为：

表5 方差分析结果Table 5 The result of variance analysis

注：A-茶水比，(g∶mL)；B-冲泡温度，℃。

R=0.101 1+46.962 8A+0.044 6B-700.826 7A2

(2)

式中：R，响应指标，值为评价小组3次评价结果的标准差；A，茶水比(g∶mL)；B，冲泡时间，min。

由方差分析结果以及所建立的数学模型可知，在所选取的各因素中，茶水比和冲泡时间对评价小组稳定性的影响显著，而入口温度的影响不显著，影响效果如图5所示。由图5可知，在茶水比较小、冲泡时间较短的条件下，响应指标R值较低，即此条件下评价小组评价样品的稳定性相对较好。

图5 作用因素对评价小组稳定性的影响(入口温度：50℃)Fig.5 The influences of influencing factors on the stability of evaluation group

2.3.4 评价条件的确定

通过软件Design Expert求解方程，给出了茯砖茶最优评价条件为：茶水比1∶100(g∶mL)，冲泡时间为2.05 min，入口温度为50 ℃，此时响应指标为0.60。此结果与上述分析的结果一致，即在茶水比较低、冲泡时间较短的条件下评价小组重复评价样品的稳定性较好。对比优化后的评价条件，具体实施方案中编号为F1(1∶100、5.00 min、50 ℃)的响应指标为0.66，与软件给出的最优组合(1∶100, 2.05 min, 50 ℃)的响应指标0.60最接近。虽然软件给出的最优组合的响应指标值更低，意味着评价小组重复评价样品的稳定性越好，但考虑到样品被感知的综合强度不宜太弱，因此，仍选用试验组中的条件组合，即茶水比1∶100，冲泡时间5.00 min，入口温度为50 ℃作为后续进一步开展茯砖茶感官实验的样品评价条件。

3 结论

通过对评价小组进行培训和评估测试，建立的茯砖茶感官评价小组一致性较好、评价员区分样品的能力和重复性较好，能够客观、准确地对不同品质的茯砖茶样品进行感官评价。对茯砖茶样品进行定量描述分析，由描述结果的主成分分析及方差分析结果可知，第一主成分主要包括滋味属性中的滋味整体、酸、甜、苦、涩，第二主成分主要包括香气属性中的香气整体、苦丁香，这些属性是有效区分茯砖茶样品感观差异的主要描述词，共同构成了茯砖茶样品的品质特性。

根据响应面法优化茯砖茶评价条件，结果表明茶水比、冲泡时间是影响评价小组稳定性的主要因素，而入口温度的影响不显著。并且，在茶水比较低、冲泡时间较短的条件下响应指标值较小，即此条件下评价小组评价该样品时稳定性较好。但综合对样品被感知强度的考量，仍将试验组中的评价条件即茶水比1∶100，冲泡时间5.00 min，入口温度为50 ℃确定为后续进一步开展感官实验的样品评价条件。