CN108414611A - 一种快速鉴定白茶储藏年份的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速鉴定白茶储藏年份的方法。该方法是在室温下利用质子转移反应‑飞行时间质谱仪检测不同储藏年份的白茶的挥发性有机物，实现对白茶储藏年份的识别。本发明提供的鉴定方法，样品的前处理简单；整个实验过程无有机溶剂，安全性高；检测速度快；鉴别准确率高，且仪器可以连续作业，更适合连续、实时检测，便于大规模推广应用；本发明操作简单，实现了挥发性有机物作为指标对不同储藏年份白茶进行快速定性定量分析，为白茶年份的鉴别提供了一种新型、客观、准确的方法。
Description
技术领域
本发明属于食品技术领域，涉及一种快速鉴定白茶储藏年份的方法，尤其是涉及一种基于质子传递反应-飞行时间质谱检测的白茶鉴别方法。
背景技术
白茶，我国六大茶类之一，主产于福鼎、政和、建阳、松溪等地，传统产品有白毫银针、白牡丹、贡眉、寿眉等不同花色品种。白茶以清凉祛暑等功效和清新自然的风格，深受国内外广大消费者喜爱，现代科学研究已初步揭示了白茶的保健机理：白茶具降火清热避暑、利尿解毒、抗过敏反应、养目、保护心血管系统、增强免疫力、养肝、护肝、防止呼吸道损伤、抗氧化、抗肿瘤、抗辐射等功效。近年来有很多关于茶叶“越陈越好”的文献报道，例如普洱茶香气会随着储藏年限的增长变得更好。陈年老白茶具有比当年白茶更好的保健功效。白茶在贮藏过程中，其品质发生了变化，自古以来，白茶素有“一年茶、三年药、七年宝”的美誉，因其具有独特风味、保健功效和收藏价值，近年来引起越来越多消费者的青睐和科研工作者的关注。
传统上鉴别不同年份白茶主要依靠“感官”完成，不但需要鉴别者丰富的鉴别经验，鉴别周期较长，而且容易受到各种主观和外界因素的干扰，数据的“一致性”和“量化性”都不足，难以客观且稳定地表征其实际情况，因此有必要寻找一种标准化且易操作的手段实现不同年份白茶的鉴别。
质子传递反应-飞行时间质谱(PTR-TOF-MS) 是近年来兴起的一种衡量挥发性有机物在线检测技术，由高纯水挥发的水蒸汽通过电离源区域时，经空心阴极放电产生大量的H3O+离子，与挥发性有机化合物碰撞，发生质子转移，这些质子化的样品分子通过质谱检测得到有机物的分子量，并可利用化学反应动力学原理给出有机物浓度信息。PTR-TOF-MS无需样品预处理和色谱分离，可在秒量级的时间内获得PPT量级的检测灵敏度。 PTR-TOF-MS是一种非常软的化学电离方法，这就使得大部分的离子碎片都被抑制了，得到的质谱图非常清楚，易于鉴别，不需对照品，可进行绝对量测定。近年来，这种技术己被用于进行奶酷蔬菜、谷物食品等表征属性的鉴别研究，并取得了良好效果。
统计学对该分类预测类问题的分析方法有很多，常见的解决方案主要有：“判别分析法”。判别分析是根据观测到的某些指标对所研究的对象进行分类的一种多元统计分析方法，常用的判别方法主要有：Fisher（费希尔）判别、Bayes（贝叶斯）判别和距离判别，判别中变量引进的方法主要有：一起输入自变量判别和逐步判别方法两种。Fisher判别法和Bayes判别法在考虑各分类出现先验概率的同时，对错判概率进行统计，而距离判别法没有考虑到每个分类出现的先验概率及错判的损失。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速鉴定白茶储藏年份的方法，该方法能够很好地实现对不同储藏年份白茶的鉴别，较好地消除了不同鉴别人员间的判别结果误差，提高了鉴别不同储藏年份的白茶稳定性和一致性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种快速鉴定白茶储藏年份的方法，包括如下步骤：
S1：制备待检白茶样品；
S2：利用质子转移反应-飞行时间质谱仪得到待检白茶样品的统计分析质谱数据，由统计分析质谱数据得到各最优质荷比i对应的质量峰的信号强度X i ，其中，最优质荷比i的取值分别为：87、89、119、123、157、197 m/z；
S3：获取待检白茶样品的判别式函数系数X、Y，满足以下公式：
X=-2.024X87-2.002X89+3.128X119+4.681X123+1.025X157+4.181 X197
Y=1.656X87-1.163X89-0.452X119-3.82014年 X123+5.691X157- 0.454X197；
S4：根据判别式函数系数X、Y，基于白茶分类判别函数判断待检白茶样品的类别。
在本发明一实施例中，所述白茶分类判别函数具体为：
若(X-2.676)2+(Y-0.152)2≤2.680，则待检白茶样品的类别为2016年白茶；
若(X+1.24)2+( Y+1.583)2≤2.011，则待检白茶样品的类别为2015年白茶；
若(X +1.704)2+( Y-1.415)2≤2.215，则待检白茶样品的类别为2014年白茶；
若(X +1.202)2+( Y-1.213)2≤2.112，则待检白茶样品的类别为2013年白茶。
在本发明一实施例中，所述步骤S1具体为：称取设定重量的待检白茶样品于检测瓶中，将检测瓶置于70℃烘箱下平衡一定时间后备用。
在本发明一实施例中，所述步骤S2中得到统计分析质谱数据的过程具体为：
利用质子转移反应-飞行时间质谱仪对待检白茶样品进行多次扫描并求均值得到样品质谱数据平均值；
在相同的工作条件下，利用质子转移反应-飞行时间质谱仪对空瓶进行多次扫描并求均值得到空白质谱数据平均值；
将样品质谱数据平均值减去空白质谱数据平均值得到统计分析质谱数据。
在本发明一实施例中，所述步骤S2中，通过多次试验得到多组的统计分析质谱数据，再对多组的统计分析质谱数据求均值后用于质量峰的信号强度Xi的计算。
在本发明一实施例中，所述步骤S2中质子转移反应-飞行时间质谱仪的工作条件为：漂移管电压640 V，漂移管温度60 °C，漂移管压力225 pa，电场强度140 Td，漂移管中气体流量40 pa.m3/s，扫描m/z范围30-250。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的基于质子传递反应-飞行时间质谱检测信息的2016年、2015年、2014年及2013年白茶鉴别方法，利用PTR-TOF-MS仪器鉴别2016年、2015年、2014年及2013年白茶，其数学实质即是对质子传递反应-飞行时间质谱所获得的“指纹数据”进行分类预测，有效解决了“人工鉴别”的需要鉴别人员丰富经验、鉴别的“感官疲劳”而不能长时间进行等问题；
2、判别标准的相对固定性，较好地消除了不同鉴别人员间的判别结果误差，提高了鉴别不同储藏年份的白茶稳定性和一致性；
3、鉴别全过程方便快捷，消耗时间短，制备好的样品完成判别的全过程小于3min；
4、函数分析结果表明判别函数具有良好的稳定性，与实际结果的一致性也高于90%，因此该判别结果具有很好的实用价值，能够很好地实现对2016年、2015年、2014年及2013年白茶的标准鉴别，该鉴别方法具有一致性、客观性和通用性，对于维护白茶质量安全信誉、保障消费者安全具有重大意义，为白茶品质评价及销售流通扫清障碍。
附图说明
图1为白茶产地判别函数的分类示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种快速鉴定白茶储藏年份的方法，包括如下步骤：
S1：制备待检白茶样品；
S2：利用质子转移反应-飞行时间质谱仪得到待检白茶样品的统计分析质谱数据，由统计分析质谱数据得到各最优质荷比i对应的质量峰的信号强度X i ，其中，最优质荷比i的取值分别为：87、89、119、123、157、197 m/z；
S3：获取待检白茶样品的判别式函数系数X、Y，满足以下公式：
X=-2.024X87-2.002X89+3.128X119+4.681X123+1.025X157+4.181 X197
Y=1.656X87-1.163X89-0.452X119-3.82014年 X123+5.691X157- 0.454X197；
S4：根据判别式函数系数X、Y，基于白茶分类判别函数判断待检白茶样品的类别。
所述白茶分类判别函数具体为：
若(X-2.676)2+(Y-0.152)2≤2.680，则待检白茶样品的类别为2016年白茶；
若(X+1.24)2+( Y+1.583)2≤2.011，则待检白茶样品的类别为2015年白茶；
若(X +1.704)2+( Y-1.415)2≤2.215，则待检白茶样品的类别为2014年白茶；
若(X +1.202)2+( Y-1.213)2≤2.112，则待检白茶样品的类别为2013年白茶。
所述步骤S1具体为：称取设定重量的待检白茶样品于检测瓶中，将检测瓶置于70℃烘箱下平衡一定时间后备用。
所述步骤S2中得到统计分析质谱数据的过程具体为：
利用质子转移反应-飞行时间质谱仪对待检白茶样品进行多次扫描并求均值得到样品质谱数据平均值；
在相同的工作条件下，利用质子转移反应-飞行时间质谱仪对空瓶进行多次扫描并求均值得到空白质谱数据平均值；
将样品质谱数据平均值减去空白质谱数据平均值得到统计分析质谱数据。
所述步骤S2中，通过多次试验得到多组的统计分析质谱数据，再对多组的统计分析质谱数据求均值后用于质量峰的信号强度Xi的计算。
所述步骤S2中质子转移反应-飞行时间质谱仪的工作条件为：漂移管电压640 V，漂移管温度60 °C，漂移管压力225 pa，电场强度140 Td，漂移管中气体流量40 pa.m3/s，扫描m/z范围30-250。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明利用质子转移反应-飞行时间质谱仪对2016年白茶、2014年白茶、2015年白茶进行质谱检测，并在已知白茶样品的基础上，对质谱数据进行主成分分析，进而建立判别函数。具体分析和建立过程如下：
（1）样品制备：称取3.0g待检白茶样品（不同年份（2016年、2015年、2014年、2013年））于检测瓶中，置于60℃烘箱下平衡10min，备用；
（2）采集检测信息：采用PTR-TOF-MS进行检测，PTR-TOF-MS仪器条件如下：漂移管电压640V，漂移管温度80°C，漂移管压力225pa，电场强度E/N (Electric field strength/gasnumber density) 140 Townsend (Td，1 Td = 10-17 V.cm2)，漂移管中气体流量40 pa.m3/s，扫描m/z范围30-250。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。取一空瓶，在相同的条件下进行检测，连续扫描空气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进行统计分析的PTR-TOF-MS质谱数据，每个样品独立进行3次试验，取平均值，以提高数据的精准度。PTR-TOF-MS采用奥地利Ionicon有限公司所产PTR-TOF-MS1000质子传递反应-飞行时间质谱仪。
（3）数据分析：将获得的白茶挥发性物质的PTR-TOF-MS检测图谱，经PTR-TOF-MS自带软件计算得到m/z（质荷比）整数值。以m/z整数值为自变量，质量峰的信号强度为因变量，对所采集到的3个不同储藏年份的白茶样品的顶空挥发性化合物的指纹图谱进行主成分分析（PCA分析）确定对不同储藏年份的白茶影响较大的挥发性组分的质荷比。其中，前3个主成分的，累积方差贡献率约89.82％（大于85%）。从主成分的特征向量中可以看出，第1主成分代表了变量总方差的39.02%，主要综合了挥发性成分的质荷比m/z：87、89、119、123、157、195、197 m/z m/z。
（4）判别函数建立：利用由已知白茶样品的挥发性物质，采用逐步判别方法引入87、89、119、123、157、195、197 m/z m/z的变量进行Bayes综合判别分析。
进一步建立基于PTR-TOF-MS指纹图谱区分2016年白茶、2015年白茶、2014年白茶、2013年白茶的标准化的典型判别式函数系数：
X=-2.024X87-2.002X89+3.128X119+4.681X123+1.025X157+4.181 X197
Y=1.656X87-1.163X89-0.452X119-3.82014年 X123+5.691X157- 0.454X197；
X87、X89、X119、X123、X157、X197分别表示：检测白茶样品的质荷比在87、89、119、123、157、197 m/z m/z 的响应值，即质量峰的信号强度变量。根据判别式函数系数对白茶类别进行分类，得到对应的判别式函数为：
2016年白茶：(X-2.676)2+(Y-0.152)2≤2.680；
2015年白茶：(X+1.24)2+( Y+1.583)2≤2.011；
2014年白茶：(X +1.704)2+( Y-1.415)2≤2.215；
2013年白茶：(X +1.202)2+( Y-1.213)2≤2.112。
通过回代判别和交叉验证后输出可知，回代判别中2016年白茶的正判率为90.9%，2015年白茶正判率为91.7%，2014年白茶的正判率为92.7%，2013年白茶的正判率为90.7%总回代判别正确率为90.6%，验证总正判率为90.2%。具有较高的回代正判率和交叉验证正判率，能实现2016年白茶、2015年白茶、2014年白茶、2013年白茶的有效区分。另取一批未知源白茶样品进行验证，验证效率高且正确率高达90.1%。
通过上述数据分析与判断函数建立，本发明提出了一种基于质子传递反应-飞行时间质谱检测的白茶鉴别方法，包括以下步骤：
S1：制备待检白茶样品：称取设定重量的待检白茶样品于检测瓶中，将检测瓶置于70℃烘箱下平衡一定时间后备用。
S2：利用质子转移反应-飞行时间质谱仪得到待检白茶样品的统计分析质谱数据，由统计分析质谱数据得到各最优质荷比i对应的质量峰的信号强度Xi，其中，最优质荷比i的取值分别为：87、89、119、123、157、197 m/z 。
其中，得到统计分析质谱数据的过程具体为：
利用质子转移反应-飞行时间质谱仪对待检白茶样品进行多次扫描并求均值得到样品质谱数据平均值；
在相同的工作条件下，利用质子转移反应-飞行时间质谱仪对空瓶进行多次扫描并求均值得到空白质谱数据平均值；
将样品质谱数据平均值减去空白质谱数据平均值得到统计分析质谱数据。同时，还可以通过多次试验得到多组的统计分析质谱数据，再对多组的统计分析质谱数据求均值后用于质量峰的信号强度X i 的计算。
质子转移反应-飞行时间质谱仪的工作条件为：漂移管电压640 V，漂移管温度60°C，漂移管压力225 pa，电场强度140 Td，漂移管中气体流量40 pa.m3/s，扫描m/z范围30-250。
S3：获取待检白茶样品的判别式函数系数X、Y，满足以下公式：
X=-2.024X87-2.002X89+3.128X119+4.681X123+1.025X157+4.181 X197
Y=1.656X87-1.163X89-0.452X119-3.82014年 X123+5.691X157- 0.454X197；
S4：根据判别式函数系数X、Y，基于白茶分类判别函数判断待检白茶样品的类别（图1所示为白茶产地判别函数的分类示意图），其中白茶分类判别函数具体为：
若(X-2.676)2+(Y-0.152)2≤2.680，则待检白茶样品的类别为2016年白茶；
若(X+1.24)2+( Y+1.583)2≤2.011，则待检白茶样品的类别为2015年白茶；
若(X +1.704)2+( Y-1.415)2≤2.215，则待检白茶样品的类别为2014年白茶；
若(X +1.202)2+( Y-1.213)2≤2.112，则待检白茶样品的类别为2013年白茶。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种快速鉴定白茶储藏年份的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：制备待检白茶样品；
S2：利用质子转移反应-飞行时间质谱仪得到待检白茶样品的统计分析质谱数据，由统计分析质谱数据得到各最优质荷比i对应的质量峰的信号强度X i ，其中，最优质荷比i的取值分别为：87、89、119、123、157、197 m/z；
S3：获取待检白茶样品的判别式函数系数X、Y，满足以下公式：
X=-2.024X87-2.002X89+3.128X119+4.681X123+1.025X157+4.181 X197
Y=1.656X87-1.163X89-0.452X119-3.82014年 X123+5.691X157- 0.454X197；
S4：根据判别式函数系数X、Y，基于白茶分类判别函数判断待检白茶样品的类别。
2.根据权利要求1所述的一种快速鉴定白茶储藏年份的方法，其特征在于，所述白茶分类判别函数具体为：
若(X-2.676)2+(Y-0.152)2≤2.680，则待检白茶样品的类别为2016年白茶；
若(X+1.24)2+( Y+1.583)2≤2.011，则待检白茶样品的类别为2015年白茶；
若(X +1.704)2+( Y-1.415)2≤2.215，则待检白茶样品的类别为2014年白茶；
若(X +1.202)2+( Y-1.213)2≤2.112，则待检白茶样品的类别为2013年白茶。
3.根据权利要求1所述的一种快速鉴定白茶储藏年份的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：称取设定重量的待检白茶样品于检测瓶中，将检测瓶置于70℃烘箱下平衡一定时间后备用。
4.根据权利要求1所述的一种快速鉴定白茶储藏年份的方法，其特征在于，所述步骤S2中得到统计分析质谱数据的过程具体为：
利用质子转移反应-飞行时间质谱仪对待检白茶样品进行多次扫描并求均值得到样品质谱数据平均值；
在相同的工作条件下，利用质子转移反应-飞行时间质谱仪对空瓶进行多次扫描并求均值得到空白质谱数据平均值；
将样品质谱数据平均值减去空白质谱数据平均值得到统计分析质谱数据。
5.根据权利要求1所述的一种快速鉴定白茶储藏年份的方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过多次试验得到多组的统计分析质谱数据，再对多组的统计分析质谱数据求均值后用于质量峰的信号强度Xi的计算。
6.根据权利要求1所述的一种快速鉴定白茶储藏年份的方法，其特征在于，所述步骤S2中质子转移反应-飞行时间质谱仪的工作条件为：漂移管电压640 V，漂移管温度60 °C，漂移管压力225 pa，电场强度140 Td，漂移管中气体流量40 pa.m3/s，扫描m/z范围30-250。
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