CN111707728A - 基于hs-ptr-tof-ms的不同等级白牡丹茶鉴别方法 - Google Patents

基于hs-ptr-tof-ms的不同等级白牡丹茶鉴别方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于HS‑PTR‑TOF‑MS的不同等级白牡丹茶鉴别方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：制备待检白牡丹茶样品；S2：利用HS‑PTR‑TOF‑MS检测得到待检白牡丹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 ；S3：获取待检白牡丹茶样品的Fisher的线性函数判别模型D1（一级白牡丹茶）、D2（二级白牡丹茶）、D3（三级白牡丹茶）；S4：根据判别式函数计算D1、D2、D3得分，得分最高函数即为茶样等级。与现有技术相比，本发明能够很好地实现对不同等级白牡丹茶一级、二级、三级标准鉴别，较好地消除了不同鉴别人员间的判别结果误差，提高了鉴别不同产地的白牡丹茶稳定性和一致性。

Description

基于HS-PTR-TOF-MS的不同等级白牡丹茶鉴别方法
技术领域
本发明涉及食品工程领域，尤其涉及一种基于HS-PTR-TOF-MS的不同等级白牡丹茶鉴别方法。
背景技术
白牡丹属白茶类，通常采用福鼎大白茶、福鼎大毫茶、福安大白茶、政和大白茶等大白茶或福建水仙茶树品种一芽一叶、二叶嫩梢制成。因其绿叶夹银色白毫芽形似花朵，冲泡之后绿叶托着嫩芽，宛若蓓蕾初开，故名“白牡丹”。
传统上香气等级评价需要依靠审评员的“感官”完成，不但审评周期较长，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品质，因此有必要寻找一种标准化且易操作的手段实现白牡丹茶等级的稳定判别。
质子传递反应-飞行时间质谱(PTR-TOF-MS)是近几年发展迅速的痕量挥发性有机物（VOCs）检测是由Werner Lindinger及其课题组成员结合化学电离源技术与流动漂移管模型技术于20世纪90年代首次提出。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，具有快速、灵敏度高、无需样品前处理、操作简单等优点，可以实现VOCs的实时在线监测，目前已被广泛应用与环境检测、医疗诊断、大气监测、食品科学等各领域中。顶空自动进样-质子转移反应-飞行时间质谱仪（HS-PTR-TOF-MS）是在PTR-TOF-MS的基础上链接上一台顶空自动进样器，可以实现更加快速、灵敏、便捷的检测样品。
发明内容
本发明旨在提出一种基于HS-PTR-TOF-MS的不同等级白牡丹茶鉴别方法，利用数学建模方法在HS-PTR-TOF-MS检测数据和评价人员的感官分析结果之间建立起数学关系，使其在一定程度上能够代替人工方法，实现对白牡丹茶品质的快速感官判别。其采用的Fisher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，相对于常用的距离判别法等没有考虑到每个分类出现的先验概率及错判的损失的方案，具有较为明显的优势。
本发明方案主要可以归纳为以下步骤：S1：制备待检白牡丹茶样品；S2：利用HS-PTR-TOF-MS（顶空自动进样-质子转移反应-飞行时间质谱仪）检测得到待检白牡丹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 ；S3：获取待检白牡丹茶样品的Fisher的线性函数判别模型D1（一级白牡丹茶）、D2（二级白牡丹茶）、D3（三级白牡丹茶）；S4：根据判别式函数计算D1、D2、D3得分，得分最高函数即为茶样等级。与现有技术相比，本发明能够很好地实现对不同等级白牡丹茶一级、二级、三级标准鉴别，较好地消除了不同鉴别人员间的判别结果误差，提高了鉴别不同产地的白牡丹茶稳定性和一致性。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于HS-PTR-TOF-MS的不同等级白牡丹茶鉴别方法，其特征在于：
采用判别模型：
D1=0.002X48+0.007X72-0.009X83+0.028X105-0.025X143-0.007X147+0.037X155-0.011X156-798.563
D2=0.001X48+0.007X72+0.019X83-0.015X105+0.004X143+0.015X147+0.002X155-684X156+455
D3=0.001X48+0.038X72-0.001X83-0.013X105-0.011X143-0.007X147-0.008X155-0.162X156-1393.546；
其中，Xi分别代表白牡丹茶样品通过HS-PTR-TOF-MS得到的不同最优质荷比i对应的质量峰的信号强度；
最优质荷比i的取值分别为：48、72、83、105、143、147、155、156m/z；
当所述白牡丹茶样品的D1值最大时，鉴别为一级白牡丹茶；D2值最大时，鉴别为二级白牡丹茶；D3值最大时，鉴别为三级白牡丹茶。
优选地，所述白牡丹茶样品通过以下步骤进行制备：
称取设定重量的待检白牡丹茶于检测瓶中，顶空自动进样器平衡温度设置为80℃，在孵化器中预热30min。
优选地，所述白牡丹茶样品通过HS-PTR-TOF-MS得到统计分析质谱数据，并通过多组统计分析质谱数据求均值，计算获得最优质荷比对应的质量峰的信号强度。
优选地，所述统计分析质谱数据的具体获得过程为：
在相同的工作条件下，HS-PTR-TOF-MS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。
优选地，所述HS-PTR-TOF-MS的工作条件为：
顶空自动进样器HS的测试条件：称取1.00g白牡丹茶样品置于20mL顶空瓶中，用硅橡胶隔垫密封压紧，铝盖封口，当孵化器温度为80℃时，顶空瓶放在孵化器中预热30min，然后取1.0mL顶空气体，进行PTR-TOF-MS分析；
PTR-TOF-MS测试条件：漂移管电压640V，漂移管温度80°C，漂移管压力225pa，电场强度160Td，漂移管中气体流量45pa.m3/s，扫描m/z范围30-350。
与现有技术相比，本发明及其优选方案具有以下优点：
1、本发明的HS-PTR-TOF-MS检测不同等级白牡丹茶方法，利用HS-PTR-TOF-MS仪器鉴别一级、二级、三级白牡丹茶，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，提高了鉴别不同产地的白牡丹茶稳定性和一致性；
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95%，因此该判别结果具有很好的实用价值，能够很好地实现对不同等级白牡丹茶标准鉴别，该鉴别方法具有一致性、客观性和通用性，对于维护白牡丹茶质量安全信誉、保障消费者安全具有重大意义，为白牡丹茶品质评价及销售流通扫清障碍。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1是本发明实施例方法整体流程示意图；
图2是本发明实施例不同等级白牡丹茶分类判别函数的分类示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
本实施例利用HS-PTR-TOF-MS对一级白牡丹茶、二级白牡丹茶、三级白牡丹茶进行质谱检测，并在已知白牡丹茶样品的基础上，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1.0g待检白牡丹茶样品（一级白牡丹茶、二级白牡丹茶、三级白牡丹茶）于20mL检测瓶中备用；
采集检测信息：顶空自动进样器（HS）测试条件：称取1.00g白牡丹茶样品置于20mL顶空瓶中，用硅橡胶隔垫密封压紧，铝盖封口，当孵化器温度为80℃时，顶空瓶放在孵化器中预热30min，然后取1.0mL顶空气体，进行PTR-TOF-MS分析；PTR-TOF-MS测试条件：漂移管电压640V，漂移管温度80℃，漂移管压力225pa，电场强度160Td，漂移管中气体流量45pa.m3/s，扫描m/z范围30-350。每个样品以每秒一张全谱图的采集速率测量60秒，测量顺序随机。每个样品连续扫描7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7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HS-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。
在本实施例中，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，顶空自动进样器（HS）采用安捷伦公司生产的相应产品。
（2）数据分析：将获得的白牡丹茶挥发性物质的HS-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个不同等级白牡丹茶样品的顶空挥发性化合物进行分析，
（3）确定对不同等级白牡丹茶影响较大的挥发性组分的质荷比。运用正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）找出贡献度最大（VIP值大于1）的质荷比m/z：48、72、83、105、143、147、155、156m/z。
（4）判别函数建立：利用由已知白牡丹茶样品的挥发性物质，采用逐步判别方法引入依次加入了48、72、83、105、143、147、155、156m/z的变量进行判别分析且每一步的Wilks’Lambda检验都极显著，说明每一步加入的质荷比对正确判断都是有极显著作用的。
表1 不同等级白牡丹茶逐步判别的变量筛选过程
Figure 232098DEST_PATH_IMAGE001
（5）采用Fisher的线性函数逐步判别分析建立判别模型如下：
D1(一级白牡丹茶)=0.002X48+0.007X72-0.009X83+0.028X105-0.025X143-0.007X147+0.037X155-0.011X156-798.563
D2(二级白牡丹茶)=0.001X48+0.007X72+0.019X83-0.015X105+0.004X143+0.015X147+0.002X155-684X156+455
D3(三级白牡丹茶)=0.001X48+0.038X72-0.001X83-0.013X105-0.011X143-0.007X147-0.008X155-0.162X156-1393.546
（6）根据Fisher的线性函数判别模型，基于白牡丹茶分类判别函数判断待检白牡丹茶样品的类别。
就此，将白牡丹茶检测数据质荷比为48、72、83、105、143、147、155、156m/z的值代入上述S3三个模型计算得分：
若：D1>D2>D3或D1>D3>D2，则待检白牡丹茶样品的类别为一级白牡丹茶；
若：D2>D1>D3或D2>D2>D1，则待检白牡丹茶样品的类别为二级白牡丹茶；
若：D3>D1>D2或D3>D2>D1，则待检白牡丹茶样品的类别为三级白牡丹茶。
即，得分最高函数即为茶样等级。
通过回代判别和交叉验证后输出可知，回代判别中一级白牡丹茶的正判率为100%，二级白牡丹茶正判率为100%，三级白牡丹茶的正判率为100.00%，总回代判别正确率为100%，交叉验证总正判率为100%。具有较高的回代正判率和交叉验证正判率，能实现一级白牡丹茶、三级白牡丹茶、二级白牡丹茶的有效区分。另取一批未知源白牡丹茶样品进行验证，验证效率高达且正确率高达98.5%。
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HS-PTR-TOF-MS的白牡丹茶等级鉴别方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：制备待检白牡丹茶样品：称取设定重量的待检白牡丹茶样品于检测瓶中。
S2：利用HS-PTR-TOF-MS得到待检白牡丹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：48、72、83、105、143、147、155、156m/z。
其中，得到统计分析质谱数据的过程具体为：
利用HS-PTR-TOF-MS对待检白牡丹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HS-PTR-TOF-MS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。
其中，顶空自动进样器（HS）测试条件：称取1.00g白牡丹茶样品置于20mL顶空瓶中，用硅橡胶隔垫密封压紧，铝盖封口，当孵化器温度为80℃时，顶空瓶放在孵化器中预热30min，然后取1.0mL顶空气体，进行PTR-TOF-MS分析；PTR-TOF-MS测试条件：漂移管电压640V，漂移管温度80℃，漂移管压力225pa，电场强度160Td，漂移管中气体流量45pa.m3/s，扫描m/z范围30-350
S3：采用Fisher的线性函数逐步判别分析建立判别模型如下：
D1(一级白牡丹茶)=0.002X48+0.007X72-0.009X83+0.028X105-0.025X143-0.007X147+0.037X155-0.011X156-798.563
D2(二级白牡丹茶)=0.001X48+0.007X72+0.019X83-0.015X105+0.004X143+0.015X147+0.002X155-684X156+455
D3(三级白牡丹茶)=0.001X48+0.038X72-0.001X83-0.013X105-0.011X143-0.007X147-0.008X155-0.162X156-1393.546
S4：如图2所示，根据Fisher的线性函数判别模型，基于白牡丹茶分类判别函数判断待检白牡丹茶样品的类别。
将白牡丹茶检测数据质荷比为48、72、83、105、143、147、155、156m/z的值代入上述S3三个模型计算得分：
若：D1>D2>D3或D1>D3>D2，则待检白牡丹茶样品的类别为一级白牡丹茶；
若：D2>D1>D3或D2>D2>D1，则待检白牡丹茶样品的类别为二级白牡丹茶；
若：D3>D1>D2或D3>D2>D1，则待检白牡丹茶样品的类别为三级白牡丹茶。
即，得分最高函数即为茶样等级。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于HS-PTR-TOF-MS的不同等级白牡丹茶鉴别方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于HS-PTR-TOF-MS的不同等级白牡丹茶鉴别方法，其特征在于：
采用判别模型：
D1=0.002X48+0.007X72-0.009X83+0.028X105-0.025X143-0.007X147+0.037X155-0.011X156-798.563
D2=0.001X48+0.007X72+0.019X83-0.015X105+0.004X143+0.015X147+0.002X155-684X156+455
D3=0.001X48+0.038X72-0.001X83-0.013X105-0.011X143-0.007X147-0.008X155-0.162X156-1393.546；
其中，Xi分别代表白牡丹茶样品通过HS-PTR-TOF-MS得到的不同最优质荷比i对应的质量峰的信号强度；
最优质荷比i的取值分别为：48、72、83、105、143、147、155、156m/z；
当所述白牡丹茶样品的D1值最大时，鉴别为一级白牡丹茶；D2值最大时，鉴别为二级白牡丹茶；D3值最大时，鉴别为三级白牡丹茶。
2.根据权利要求1所述的基于HS-PTR-TOF-MS的不同等级白牡丹茶鉴别方法，其特征在于：所述白牡丹茶样品通过以下步骤进行制备：
称取设定重量的待检白牡丹茶于检测瓶中，顶空自动进样器平衡温度设置为80℃，在孵化器中预热30min。
3.根据权利要求1所述的基于HS-PTR-TOF-MS的不同等级白牡丹茶鉴别方法，其特征在于：所述白牡丹茶样品通过HS-PTR-TOF-MS得到统计分析质谱数据，并通过多组统计分析质谱数据求均值，计算获得最优质荷比对应的质量峰的信号强度。
4.根据权利要求3所述的基于HS-PTR-TOF-MS的不同等级白牡丹茶鉴别方法，其特征在于：所述统计分析质谱数据的具体获得过程为：
在相同的工作条件下，HS-PTR-TOF-MS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所述的基于HS-PTR-TOF-MS的不同等级白牡丹茶鉴别方法，其特征在于：所述HS-PTR-TOF-MS的工作条件为：
顶空自动进样器HS的测试条件：称取1.00g白牡丹茶样品置于20mL顶空瓶中，用硅橡胶隔垫密封压紧，铝盖封口，当孵化器温度为80℃时，顶空瓶放在孵化器中预热30min，然后取1.0mL顶空气体，进行PTR-TOF-MS分析；
PTR-TOF-MS测试条件：漂移管电压640V，漂移管温度80°C，漂移管压力225pa，电场强度160Td，漂移管中气体流量45pa.m3/s，扫描m/z范围30-350。
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