CN106932463A

CN106932463A - 一种快速、无损的茶叶产地鉴定方法

Info

Publication number: CN106932463A
Application number: CN201710164063.4A
Authority: CN
Inventors: 李小晶; 张丹丹; 韦航; 蔡春平
Original assignee: Inspection and Quarantine Technology Center of Fujian Entry Exit Inspection and Quarsntine Bureau
Current assignee: Inspection and Quarantine Technology Center of Fujian Entry Exit Inspection and Quarsntine Bureau
Priority date: 2017-03-20
Filing date: 2017-03-20
Publication date: 2017-07-07

Abstract

本发明公开了一种快速、无损的茶叶产地鉴定方法，其是以不同产地来源的茶叶为标准样品，采用质子转移反应‑飞行时间质谱仪（PTR‑TOF‑MS）对其进行分析，然后对获得的质谱数据进行主成分分析，建立特征质谱数据库，再结合K最近邻分类算法或偏最小二乘判别分析法进行分析，建立识别模型，用于待测茶叶的产地鉴定。本发明方法无需样品预处理，具有分析速度快、灵敏度高、准确性好、对茶叶样品无损伤等优点，为茶叶产地溯源提供了新方法。

Description

一种快速、无损的茶叶产地鉴定方法

技术领域

本发明属于分析化学技术领域，具体涉及一种快速、无损的茶叶产地鉴定方法。

背景技术

茶叶是世界三大饮料作物之一，是人们广泛使用的保健饮品，近年来，假冒地方特色茶产品的事件时有发生，但鉴于同一茶叶品种的外形与加工工艺大致相同，人们难以用感官审评直接识别其产地来源。因此，如何防止闽北水仙等著名品牌茶叶被假冒一直是相关管理部门及茶叶生产者所关注的问题，亟须研发产地溯源与鉴别的方法以保护产地品牌。

传统的方法是通过茶叶的色、香、味的不同进行判别，这种方法依赖于人们的经验，易受主观因素影响。为了能客观地对茶叶进行分析和鉴别，近年来，采用茶叶香气指纹图谱对茶叶进行产地溯源已日益为人们所关注，常用技术有气相色谱（gaschromatography，GC）和气相色谱-质谱联用技术（gas chromatography-massspectrometry，GC-MS），近年来电子鼻法也逐渐运用于茶叶产地、等级、年份等判别，但随着科学技术的进步，GC及GC-MS、电子鼻的分析方法也逐渐暴露出它们在茶叶香气分析中的局限性，如GC及GC-MS灵敏度低、检测速度慢、具有破坏性、预处理过程复杂等问题，而电子鼻也存在的灵敏度低、稳定性差、不能检测到茶叶具体香气成分等问题，为克服这些局限性，开发和验证非破坏性和高度灵敏的方法的是十分必要的。

质子转移反应-飞行时间质谱仪（ProtonTransfer Reaction-Time of Flight-Mass Spectrometry，PTR-TOF-MS）是近年来兴起的一种痕量挥发性有机物在线检测技术，同GC、GC-MS、电子鼻等其他检测技术相比，PTR-TOF-MS具有检测时间短（秒量级）、检测灵敏度高（ng/L级）、有机物电离为单一离子，极少碎片离子，易于质谱识别、绝对量测定，无需样品预处理、超高分辨率，可以区分分子量极其接近的化合物等优势。目前已经广泛应用于大气环境污染监测、医学诊断、植物代谢、公共安全（爆炸、化学武器的使用）、食品成分和质量检验、产品分类和原产地判别等领域对痕量有机物的检测。如PiotrMarek Ku等采用PTR-MS直接检测蜂蜜样品的挥发性化合物，成功区分了六种不同花香源的蜂蜜样品。ValentinaAcierno等采用PTR-TOF-MS对巧克力样品进行检测，对不同可可豆的植物、不同产地、不同品牌的巧克力的挥发性有机化合物的成分进行了研究，并结合化学计量学方法成功实现巧克力样品的品种、产地、品牌的溯源。但将PTR-TOF-MS应用于茶叶分析的文章仅见由Sine Yener等采用PTR-TOF-MS检测来自4个不同国家的绿茶和红茶干茶和茶汤的香气成分，并利用其香气指纹图谱结合PCA分析成功区分绿茶和红茶。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速、无损的茶叶产地鉴定方法，其具有分析速度快、灵敏度高、准确性好、对茶叶样品无损伤等优点，可实现不同产地茶叶的快速鉴定。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种快速、无损的茶叶产地鉴定方法，其是以若干不同产地来源的茶叶为标准样品，采用PTR-TOF-MS对其进行分析，然后对获得的质谱数据进行主成分分析，建立不同产地来源茶叶的特征质谱数据库，再结合K最近邻分类算法或偏最小二乘判别分析法进行数学统计分析，建立识别模型，用于待测茶叶的产地鉴定；其具体包括以下步骤：

1）取10份以上不同产地来源的干茶各3g，放入顶空瓶中，70℃恒温水浴5min，然后将玻璃瓶体与PTR-TOF-MS的进样口瓶盖相连接，采用PTR-TOF-MS进行顶空进样分析，获得不同产地茶叶的香气成分质谱数据，包括各离子峰的质荷比及相应的质量峰强度；

2）以各离子峰的质荷比的整数值为自变量，质量峰强度为因变量进行主成分分析，建立特征质谱数据库，以获得不同产地茶叶的分区；

3）采用K最近邻分类算法或偏最小二乘判别分析法对特征质谱数据库中的数据进行数学统计分析，建立识别模型；

4）将待测茶叶样品按步骤1）进行处理后，根据特征质谱数据库提取待测样品的质谱数据，再采用K最近邻分类算法或偏最小二乘判别分析法进行模式识别，从而确定待测样品的产地。

其中，PTR-TOF-MS的分析条件为：漂移管电压640 V，漂移管温度60℃，漂移管压力225 Pa，电场强度E/N 140Td，漂移管中气体流量40 Pa×m³/s，扫描范围为m/z 13-500。

本发明的显著优点在于：本发明首次利用PTR-TOF-MS技术结合K最近邻分类算法或偏最小二乘判别分析法的分类模式，建立了一种茶叶产地的鉴别方法，其具有分析速度快、灵敏度高、准确性好、对茶叶样品无损伤等优点，适用于闽北水仙、西湖龙井、武夷大红袍、福鼎白茶等具地方特色茶产品的不同产地鉴别，其正确率可达95%以上，且样品无需预处理，为茶叶产地溯源提供了新方法。

附图说明

图1为不同产地闽北水仙香气成分的典型质谱图，其中A为空气，B为武夷水仙，C为建阳水仙，D为建瓯水仙。

图2为校正集闽北水仙经PCA分析的质谱矩阵得分图。

具体实施方式

闽北水仙是福建省的著名地方特色茶产品，根据产地分为武夷水仙、建阳水仙和建瓯水仙。为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面以“闽北水仙”对本发明所述的技术方案做进一步的说明。

质子转移反应飞行时间质谱（PTR-TOF-MS1000）(奥地利Ionicon有限公司)，EL104型电子分析天平（上海梅特勒-托利多仪器有限公司)。

样品采集

依照GB/T 30357.4-2015“乌龙茶第四部分：水仙”采集2015年春茶113个样品，分别为武夷水仙33个，编号为：Y1T1、Y1T2、Y1T3、Y101~Y130；建阳水仙40个，编号为：201~240；建瓯水仙40个，编号为：401~440，作为校正集；另依照上述标准在市场购买闽北水仙样品75个（武夷水仙、建阳水仙、建瓯水仙各25个）作为预测集（样品信息详见表1）。

样品用复合铝箔袋密封，保存于25℃的样品储藏室中待用。

表1 供试样品信息

2 实验方法

准确称取3g的干茶样品（未经过任何前处理），于60 mL的顶空瓶中，在70℃恒温水浴锅中水浴5min，使顶空瓶上部香气挥发物保持平衡后，将玻璃瓶体与PTR-TOF-MS的进样口瓶盖相连接，让其香气挥发物漂移至PTR-TOF-MS仪器进行检测。

仪器条件设置如下：PTR-TOF-MS的漂移管电压640 V，漂移管温度60℃，漂移管压力225 Pa，电场强度E/N 140Td（1Td=10^-17V·cm^-2），漂移管中气体流量40 Pa×m³/s，扫描范围为m/z 13-500。每个样品以每秒一张全谱图的采集速率测量30秒，测量顺序随机。每个样品连续扫描5次，取中间3次扫描质谱数据进行平均，得到样品平均值。另取一空瓶，在相同的条件下连续扫描5次，取后3次扫描质谱数据进行平均，得空白平均值。样品平均值减去空白平均值即得到PTR-TOF-MS的质谱数据。

数据分析

茶叶样品直接顶空进样分析得到的数据集减去空白小瓶的数据集后，共检测得到495个质量峰，范围在m/z 13-495内。在消除干扰离子（O₂ ⁺，NO⁺和水族离子）及其同位素之后，对剩余的438个质量峰进行进一步分析和初步识别。

采用SPSS 21.0软件( IBM SPSS statistics)进行方差分析，计算不同产地闽北水仙茶香气差异。运用Chemmind Pattern 2017进行主成分分析( Principal componentanalysis，PCA)、软独立建模分类法（Soft independent modeling class analogy，SIMCA）、K最邻近结点算法( K-nearest neighbors，KNN)、偏最小二乘判别分析(Partialleast squares-discriminant analysis，PLS-DA)进行建模及模式识别。

实验结果

4.1 不同产地闽北水仙的香气成分分析

采集的3个不同产地(武夷山、建阳、建瓯)闽北水仙香气成分的典型质谱图如图1所示（其中A为空气，B为武夷水仙，C为建阳水仙，D为建瓯水仙）。由图1可见，不同产地闽北水仙的PTR-TOF-MS谱图既有相同之处，也有明显的差异。在所有谱图中，m/z 13～150之间产生的质谱峰较多，在m/z＞200处，质谱峰较少，说明闽北水仙中所含质荷比在m/z 13～150之间的香气成分居多。

在PTR-TOF-MS分析得到的质谱数据的基础上，通过对检测获得的精确离子质量、信号强度、实际成分等方面进行比较，进一步对闽北水仙主要香气成分进行初步鉴定，其中，化合物定性相对明确且在茶叶中常见的、相对含量排名在前40名的香气成分的质荷比检测值与理论值、主要含量等情况见表2。

表2 不同产地闽北水仙的主要香气成分情况表

由表2可见，虽然上述40种香气成分在武夷山、建阳、建瓯3个产地的闽北水仙茶样中均被检测到，但差别较大（特别是含量较高的组分），40个香气化合物中共有37个化合物具有极显著差异(p<0.01)，说明不同产地的闽北水仙在香气成分含量上具有极显著的差异。

4.2 基于PTR-TOF-MS的闽北水仙茶产地识别

4.2.1不同产地闽北水仙茶的PCA（主成分）分析

以m/z 整数值为自变量，质量峰强度为因变量，利用Chemmind Pattern 2017软件对采集的武夷山、建阳、建瓯3个不同产地的113个闽北水仙样品的香气成分进行PCA分析。

图2为校正集闽北水仙的质谱矩阵得分图，其中，PC1、PC2和PC3分别代表了变量总方差的70.4%、8.1%和6.1%，累积方差贡献率约84.661％，空间上的投影得分值就是空间坐标，能够直观地反映样本间的相似或差异性。由图2可见，3个产地的茶叶基本可以分开，其中建阳水仙与建瓯水仙相近，有些许重叠。

4.2.2 不同产地闽北水仙茶的分类模式识别

分别选用软独立建模分类法（SIMCA）、K最近邻分类算法（KNN）、偏最小二乘法判别分析（PLS-DA）对采集的3个不同产地的闽北水仙进行数学统计分析，建立其识别模型，其结果见表3。

表3 校正集闽北水仙香气成分的SIMCA、KNN及PLS-DA判别统计结果

从表3可知，在SIMCA法中，当主成分数是3时，有3个武夷水仙被错判为建瓯水仙，5个武夷水仙未识别、1个建阳水仙未被识别、3个建瓯水仙未被识别，校正集判别正确率达89.38%；在KNN模式中，当主成分数为3，k为1的时候，校正集判别正确率达到100%；PLS-DA模式中，同样提取前3个主成分建立模型，校正集判别正确率达到了100%。

进一步地，分别选用SIMCA、KNN、PLS-DA对购买的3个不同产地的闽北水仙进行模式分析，其结果见表4。

表4 预测集闽北水仙香气成分的SIMCA、KNN及PLS-DA判别结果

由表4可见，在SIMCA法中，预测集的判别正确率达83.18%；在KNN模式中，预测集的判别正确率为96.46%；在PLS-DA模式中，预测集的判别正确率达到95.57%。

综上可见，三个模型的校正集判别正确率均达到了85%以上，预测集的判别正确率均达到80%以上，其中KNN识别模式及PLS-DA的判别准确率较高，说明其具有较好的实际预测效果和应用价值。

上述结果表明，采用PTR-TOF-MS结合K最近邻分类算法或偏最小二乘判别分析法可以有效区分不同产地茶叶样品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种快速、无损的茶叶产地鉴定方法，其特征在于：以若干不同产地来源的茶叶为标准样品，采用PTR-TOF-MS对其进行分析，然后对获得的质谱数据进行主成分分析，建立不同产地来源茶叶的特征质谱数据库，再结合K最近邻分类算法或偏最小二乘判别分析法进行分析，建立识别模型，用于待测茶叶的产地鉴定。

2.根据权利要求1所述的茶叶产地鉴定方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

1）取若干不同产地来源的干茶各3g，放入顶空瓶中，70℃恒温水浴5min，然后将玻璃瓶体与PTR-TOF-MS的进样口瓶盖相连接，采用PTR-TOF-MS进行顶空进样分析，获得不同产地茶叶的香气成分质谱数据，包括各离子峰的质荷比及相应的质量峰强度；

3）采用K最近邻分类算法或偏最小二乘判别分析法对特征质谱数据库中的数据进行分析，建立识别模型；

3. 根据权利要求2所述的茶叶产地鉴定方法，其特征在于：PTR-TOF-MS的分析条件为：漂移管电压640 V，漂移管温度60℃，漂移管压力225 Pa，电场强度E/N 140Td，漂移管中气体流量40 Pa×m³/s，扫描范围为m/z 13-500。