基于C&R决策树的茶饮料用原料茶初筛方法

袁海波，邓余良，滑金杰，李 佳，董春旺，杨艳芹，王近近，尹军峰，江用文*

茶叶、可可、咖啡并称为世界三大传统饮料[1]，随着人们健康意识的提升及消费理念的转变，茶饮料逐渐成为消费者最为青睐的健康饮品之一[2-3]。近些年来，我国茶饮料的产量每年以近30%的速度快速增长[4]，2014年占到饮料消费市场份额15%以上[5]，其产值亦占到茶业总产值的1/3[3]，茶饮料行业已成为我国传统茶产业的重要支柱[6-7]。

茶饮料富含氨基酸、多酚类等成分[8]，制作及贮藏过程中易出现色泽褐变、风味熟化和混浊等现象[9]，对加工技术要求较高。经过多年发展，我国茶饮料的加工技术水平得到了显著提高，制备、调配、灭菌、灌装等关键工序已实现流水化作业。原料茶是制作优质茶饮的关键因素之一，在饮料加工工艺技术较为成熟的当下，其重要性越加突出。与传统茶叶相比，饮料用原料茶在品质要求和评价方式上存在明显不同，传统茶注重色、香、味、形等内外品质的统一，且大多以现场热泡饮用为主，而茶饮料一般在常温或低温下饮用，要求有较长的货架期，对外观要求较少[2]。

饮料用原料茶工艺技术方面的研究已有相关报道[10-12]，但对其筛选方法的研究较少，目前生产上主要通过比较贮藏期间茶饮料的品质稳定性进行甄别，即在特定环境条件下检测所制茶饮料的抗高温色变、抗低温浑浊和风味保真等能力的高低[13-14]，该方法实验周期长，且筛选效果与样本数量直接相关。对于茶饮料而言，汤色的稳定性是判断茶饮质量或原料品质的关键因子，基于此，本研究从汤色角度出发，分析了不同原料茶制作饮料各阶段的明亮度、色度、浊度等指标的变化规律，结合C&R决策树分析建立一种基于汤色的饮料用原料茶的快速初筛方法，以期减少样本数量，提高筛选效率，为实现茶饮料专用原料的快速筛选方法的建立提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

不同加工工艺制作的茶叶样本62 个，由浙江省开化县名茶开发公司基地提供。

酒石酸亚铁（分析纯） 上海麦克林生化科技有限公司；纯水（娃哈哈纯净水） 浙江省娃哈哈实业股份有限公司饮用水分公司。

1.2 仪器与设备

电加热6CS-40型滚筒杀青机、6CSF-500型热风杀青机浙江上洋机械股份有限公司；6CR-45型揉捻机、6CCQ-50型双锅曲毫机 浙江春江茶叶机械有限公司；6CHG-601型名茶辉锅机 浙江绿峰机械有限公司；MINOLAT CT-310色差计 广州君达瑞电子科技有限公司；WZT3A型光电浊度计 无锡市光明浊度仪厂。

1.3 方法

1.3.1 茶饮料制备

取20 g磨碎茶样于1 000 mL锥形瓶中，加入900 mL 70 ℃纯水并在相同温度水浴中浸提15 min，趁热用脱脂棉过滤至1 000 mL容量瓶中，冷却定容至1 000 mL。测定茶多酚浓度，将其稀释为具有相同茶多酚浓度的茶汤。稀释后的茶汤经双层滤纸抽滤，常温常压下100 ℃灭菌1 min，趁热灌装于45 mL离心管中，密封后待处理。

1.3.2 茶饮料贮藏和评价

取上述茶饮料分别于4 ℃冰箱放置41 h、7 d以及37 ℃恒温箱中放置7 d后取出，待恢复至常温后测定样品的色度指标。

1.3.3 色度指标的测定

取高温灭菌前后，以及贮藏后的茶饮料，分别进行明亮度、色差和浊度等色度指标的检测。明亮度和色差检测采用色差计检测；浊度检测采用光电浊度计检测，单位为NTU。

1.3.4 茶饮料汤色感官评价

建立由5 人（3 男2 女）组成的感官审评小组，小组成员为具有国家中级评茶员及以上资质的专业人员。通过审评小组对汤色进行评价，满分为100 分，所得平均值即为汤色感官评价得分。

1.4 数据处理与分析

所有色度指标均为62 个样本的平均值，每个样本3 次平行。采用SPSS 21.0软件对中汤色感官评价得分的变化、相关性和显著性（LSD）进行分析，图表的制作以及拟合模型的构建采用Origin 8.6软件，C&R决策树分析采用SPSS Modeler 14.1软件。

2 结果与分析

2.1 茶饮料制作过程中的汤色感官评价得分变化

对茶饮料在制作过程中的汤色感官评价得分分析可知，高温灭菌以及4 ℃放置41 h处理对于茶汤汤色感官评价得分的影响不显著；在高温灭菌后的长时间放置过程中，茶汤汤色感官评价得分则会显著降低。4 ℃和37 ℃放置7 d后的汤色感官评价得分分别降低1.23和6.11。特别是37 ℃下放置的汤色感官评价得分下降更为明显。而在日常生活中茶饮料往往以常温保存为主，因此对于茶饮料来说尤其需要筛选37 ℃下放置能获得较高汤色感官评价得分的原料。

首先分析高温灭菌前汤色感官评价得分初始值对后续各处理阶段茶汤汤色的影响效应。初始汤色感官评价得分与高温灭菌后、4 ℃放置7 d、37 ℃放置7 d等处理组分值的Pearson相关系数分别为0.475（P＝0.000）、0.445（P＝0.000）和0.238（P＝0.062）。其中初始汤色感官评价得分与37 ℃放置7 d后的汤色感官评价得分的相关性不显著，表明要筛选37 ℃放置后汤色感官评价得分较高的原料的标准不能简单依靠初始汤色感官评价得分来实现。

图1 不同制作阶段茶饮料汤色感官评价得分Fig. 1 Sensory evaluation scores of tea infusion under different processing conditions

2.2 色度指标的变化规律分析及其线性回归模型的构建

明亮度L值、色差（－a、b、－a/b值）和浊度是反映溶液物理性质的重要指标，表1为茶饮料制作不同阶段茶汤色度指标的检测结果。Pearson相关性分析显示，除－a值外，其他几个指标与汤色感官得分存在显著的相关性（表2）。

表1 不同制作阶段茶饮料的色度指标Table 1 Color parameters and turbidity of tea infusion under different processing conditions

表2 各色度指标与汤色感官评价得分的相关性分析Table 2 Correlation analysis between instrumental and sensory color evaluation of tea infusion

以灭菌前检测值为初始值，不同样本在37 ℃放置7 d后其L、b、－a/b值和浊度的变化规律如图2所示。结果显示，b值与浊度在放置后呈现上升趋势，且初始值越大，上涨幅度越大；L值和－a/b值在放置后则出现下降的趋势，L值初始值越小，下降幅度越大；而－a/b值从分布来看所有样本的降低程度相近。

L、b、－a/b值和浊度4 个指标的原料茶灭菌前检测值与37 ℃放置7 d后的检测值之间均存在着显著相关性，其Pearson相关系数分别为0.974、0.965、0.896和0.863；随之进行模型拟合（为保证模型能代表大部分样本，拟合过程中剔除了极少数偏离拟合曲线距离非常大的样本），分别得到L、b、－a/b值和浊度4 个指标的拟合方程（1）～（4）。

线性模型拟合的结果表明原料茶中这4 个指标的初始值与37 ℃放置7 d后的值之间存在着良好的线性关系，进而使得利用放置后的值来推测初始值或者利用初始值来推测放置后的值成为可能。

图2 原料茶初始色度与37 ℃放置7 d后色度的关系图Fig. 2 Relationship between chromaticity of tea infusion before and after storage at 37 ℃ for 7 days

2.3 基于色度指标的汤色精准预测模型

线性回归模型的构建实现了原料茶的L、b、－a/b值和浊度4 个指标在放置前后检测值的相互预测，在此基础上如能构建指标检测值与汤色感官评价得分间的预测模型，则能在获得原料茶的L、b、－a/b值及浊度等初始值的基础上，借助线性回归模型预测这几个指标在37 ℃放置7 d后的检测值，再进一步利用汤色感官评价得分的预测模型实现对最终汤色感官评价得分的判别，从而使得绿茶饮料茶原料的快速初筛成为可能。

首先尝试建立利用色度指标实现汤色感官评价得分精准预测的相关模型，利用SPSS Modeler软件的自动数值建模功能进行不同预测模型的初步筛选，根据其相关系数R2、绝对误差、相对误差、标准差等指标评价模型的预测效果。表3为不同建模方法所得预测模型的效果比较。结果显示，C&R决策树建立的模型预测效果最好，R2＝0.871，相对误差0.242；模型产生的最小误差为－4.25，最大误差6.86，平均绝对误差1.25，标准差1.67，从平均值与标准差分析预测结果的误差在－2.92～2.92区间，表明汤色实际分与预测分的分差基本处于此范围内。上述结果表明所建模型能在一定程度上实现利用色度指标对汤色感官评价得分的预测；但由于该模型是用于预测汤色感官得分，从感官评定的要求分析，3 分的误差区间与理想模型仍存在一定差距，需进一步完善。

表3 不同建模方法构建茶汤感官得分预测模型的效果Table 3 Predictive capacity of different mathematical models for sensory color evaluation of tea infusion

2.4 茶汤色度指标与汤色感官评价得分间C&R决策树分析

原料茶筛选目的之一在于获得经特定时间贮藏后汤色感官评价得分仍较高的样品。在前期研究基础上，进一步利用C&R决策树分析中的四分位法对所有样本的汤色感官评价得分进行分箱处理（表4），以明确放置后高汤色感官评价得分的色度指标标准。结合不同阶段样本的汤色感官评价得分分布图（图1）可知，第一组中的样本汤色感官评价得分最低，主要由37 ℃放置7 d后的样本组成；从汤色感官评价得分分布规律可以看出，37 ℃放置7 d的样本中有77.4%其汤色感官评价得分低于82 分，82～84 分的样本数占19.4%，84 分以上的样本仅占3.2%。因此将37 ℃放置7 d后得分大于82 分的样本作为目标样本，并继续利用C&R决策树探索符合此标准的茶汤色度指标特征。

表4 各阶段样本的汤色感官评价得分的品种分布Table 4 Sensory color score distribution of tea infusion at various processing stages

以L、b、－a/b值和浊度4 个指标作为输入变量，汤色感官评价得分作为输出变量，对不同阶段的共310 份样本进行C&R决策树分析。结果如表5所示，82 分以上样本的色度指标特征规则可以分为4 类。当－a/b＞0.298时，茶汤得分有99.0%可能性达到82 分以上；当－a/b≤0.226，且b＞64.1时，样本获得82 分以上高分的可能性为100.0%；而根据b分布，此情况属于相对高值范围，可以划归为特种样本。当－a/b值处于0.226～0.298之间时，可以分为两种情况：一种是L≤92.5时，样本有86.1%的可能性获得82 分以上的分数；另一种是当L＞92.5，且浊度小于14.92的条件下，样本汤色感官评价得分才能在82 分以上。

表5 以82 分为识别分界线的特征规则Table 5 Characteristic rules of boundaries based on 82-point identification

2.5 基于汤色的茶饮料用原料茶的快速筛选标准的确立

针对所确定的汤色感官评价得分82以上的色度指标标准，结合4 个指标在放置前后的回归模型来计算原料茶色度指标灭菌前初始标准。为全面覆盖高汤色感官评价得分的原料茶范围，采用拟合方程结合预测标准值进行分析。以色度指标特征规则之一－a/b＞0.298为例，通过之前构建的拟合方程（3）计算获得放置后达到82 分以上条件的预测标准值为－a/b＞0.531，R2＝0.895，按照公式（5）、（6）可确定其上下限分别为0.475、0.586。

因此其预测标准值范围为0.475～0.586，为使标准覆盖更广泛的样本，本实验的预测标准采用采用－a/b＞0.475。其他3 个标准也以最大覆盖值来确定原料茶的4 个色度指标的初始筛选标准。根据上述方法去除重合范围后确定的在放置后获得高于82 分汤色感官评价得分的原料茶筛选条件见表6。

表6 贮藏后高汤色感官评价得分的原料茶筛选标准Table 6 Screening criteria of tea raw materials based on sensory color score of stored tea infusion

对结果分析可知，原料茶灭菌前－a/b值为原料茶的主要决定因素，－a/b值越高，原料茶在放置后获得高分的可能性越高，当－a/b＞0.475时，有50%的样本在放置后获得82 分以上的高分；－a/b值降低到＞0.398～0.475区间时，这个比例降低到11.1%；当－a/b≤0.398时，只有原料茶灭菌前高b值（b＞34.38）样本才有可能在放置特定时间后获得高分，b值在34.38以下时获得高分的概率为0。根据确定的筛选标准，本实验进行样本初筛后最终得到82 分以上样本14 个，其中符合初筛标准的样本为44 个，本次实验的总样本为62 个，因此根据初筛标准可剔除样本18 个，初筛后仅需对44 个样本进行整个饮料制作过程的实验，筛选效率由初筛的0.226提高至0.318，而这些规则外的样本的筛选效率仅为0，取得了较好的效果。3 条筛选标准中的1号标准其筛选效率达到了50%，其支持率（18/62×100%＝29.0%）在几个标准中也最高，具有成为茶饮料用原料茶筛选主要标准的潜力，可以在今后的实验中重点关注。

3 讨 论

茶饮料的品质因子主要包括色泽、香气、滋味等，影响茶饮料品质的关键在于生产原料及后续饮料制作工艺。针对茶饮料工艺技术的研究已有较多报道，王会等[15]提出茶汤传统浸提工艺以茶-水质量比1∶50、80 ℃浸泡25 min为最佳；尹军峰[16]提出了整套的茶饮料风味调配技术；黄秀娟等[17]确定了无菌冷灌装的最佳工艺参数；新技术研究方面，微波、超声波、逆流等新型浸提技术被系统研究[18-22]；Su Erzheng等[23]提出了可改善茶饮香气和稳定性的β-葡萄糖固化技术；李欢等[24]研究出了可改善茶饮料浊度的酶制剂辅助工艺。茶饮料品质内在影响因子及机理不断被揭示，如明确了咖啡碱含量与固态茶饮料的浊度呈显著正相关[25]，儿茶素组分与杨梅素、葡糖基芦丁对茶汤色泽具有一定互作效应等[26-27]。

原料茶与传统茶虽然在评判方式上有所差异[28]，但对色泽的评价确是相通的。色泽是茶叶质量优劣的最直观的表达，是对茶叶“色、香、味、形”诸要素的综合反映[29]。茶叶色泽包括干茶色泽、茶汤色泽和叶底色泽等三部分[30]。目前对茶叶色泽的检测以L、－a、b值和浊度等参数为主。贮藏过程中，随着时间的推移，儿茶素和氨基酸等的氧化、聚合反应以及叶绿素的脱镁、脱酯基反应等逐渐加强，使得干茶色泽不断变黄、变暗，茶汤变褐，其明亮度亦逐步下降[31]；因此采用色泽参数表征原料茶的稳定特性具有可行性。陈玉琼等[32]的研究表明，绿茶原料级别越低，所制茶汤的绿色度保持越好，使用低档原料加工罐装茶饮料较为适宜。

本研究分析了汤色在在茶饮料制作过程中的变化规律，发现汤色在37 ℃放置后出现了大幅度的降低，但初始汤色感官评价得分与37 ℃放置7 d后的汤色感官评价得分之间不存在显著的相关性。茶汤的明亮度、色差、浊度等指标与汤色的相关性分析表明，这些指标均与汤色感官评价得分的高低存在着显著的相关性。在此基础上采用了C&R决策树的分析方法确立了汤色感官评价得分在82 分以上茶汤的色差、明亮度和浊度的4 条筛选规则，并结合曲线模拟建立的模型，得到放置后获得高汤色感官评价得分的3 条原料茶筛选标准。利用这3 条标准对原料茶进行初筛后，将原料茶的范围从62 个缩小到44 个，并最终获得82 分以上高分的样本14 个。通过所确定的筛选标准对原料茶进行初筛后获得高汤色感官评价得分的样本的筛选效率为0.318，而非标准内的样本的筛选效率为0。本研究证实了利用色度指标对原料茶进行快速初筛、提高筛选效率的可能性。