Чай и БИК-спектроскопия

Правильное происхождение чая имеет большое значение. В наше время технологии легко заимствуются, и внешний вид, вкус и аромат знаменитых чаёв воспроизводится в других, не «родных» для них регионах – но лишь в общих чертах. Особенности терруара – климата, почвы, биологического окружения и т.д. – не перенесёшь с места на место. Кроме того, правильная география – это во многих случаях ещё и правильная ботаника (поскольку для многих известных сортов эталонными источниками сырья являются местные разновидности чайных растений), и точная в своих нюансах, отработанная в течение длительного времени технология. Всё это сказывается, в конечном итоге, на свойствах чая, и не случайно так много усилий в последнее время направляется на географическую защиту сортов чая: уточняются списки населённых пунктов и границы районов, в которых разрешено делать чай под определёнными названиями, используется специальная упаковка с QR-кодами и голографическими наклейками, и т.д. Но до решения проблемы ещё далеко. Даже высококвалифицированный дегустатор может столкнуться с трудностями при попытке отличить тайваньский улун от вьетнамского, или утёсный чай от южнофуцзяньского аналога, или Чжэншань Сяочжун от похожего по стилистике красного чая из-за пределов района Тунму. О менее опытных любителях чая нечего и говорить.

Другая схожая проблема – ботаническая аутентификация чая. Далеко не всегда можно с уверенностью определить, из сырья с какого культивара сделан чай, по форме и цвету листьев и особенностям вкуса и аромата. А это может иметь значение, например, в тех случаях, когда стоимость чая из сырья с разных культиваров заметно различается. Всё мог бы расставить по местам генетический анализ, но несмотря на колоссальные успехи в этой области в последнее время, это всё ещё слишком сложный, долгий и дорогой процесс для того, чтобы стать рутинным методом контроля на чайном рынке.

Наконец, даже если точно известна география и ботаника, уровень качества чая и соответствующую ему цену не всегда легко определить на глаз и на вкус. Профессиональные дегустаторы способны точно расставить десятки образцов чая по качеству и цене с шагом буквально 10-20 юаней за цзинь, но и в их работе нельзя исключить элемент субъективности. Рядовому потребителю гораздо сложнее, а надёжной единой системы обозначения уровней качества не существует – на все «А», «АА», «ААА», «ААААА», «Эр Цзи», «И Цзи», «Тэ Цзи» и т.д. можно ориентироваться лишь у одного производителя или продавца. Стоит перейти к другому – и то, что у первого было «АА», там может считаться «ААААА» или вовсе «В». Это даже конкурсных чаёв касается: на разных конкурсах разный уровень участников, и чай, завоёвывающий на одном конкурсе золотую медаль, на другом может не потянуть даже на награду низшего ранга.

Что, если я скажу вам, что существует способ с высокой точностью (от 90% и выше) определить и географическое, и ботаническое происхождение чая, и уровень его качества, и его цену? Способ полностью объективный, инструментальный, так что влияние квалификации оценщика и/или его предвзятость исключены, и притом простой и быстрый. Просто кладёшь чай в прибор – и через несколько минут получаешь ответ. Звучит как фантастика, правда?

БИК-спектроскопия как метод исследования основана на изучении поглощения веществами и объектами ближнего инфракрасного излучения (длины волн 780-2526 нм), располагающегося между красной полосой видимого света и средним инфракрасным излучением. Первые спектроскопы и спектрометры появились ещё в XIX веке, однако развитие спектроскопии и в особенности БИК-спектроскопии шло довольно медленно. Наиболее заметные полосы поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне дают связи водорода с углеродом, азотом, кислородом и серой, что делает БИК-спектрометрию исключительно ценной при исследовании органических веществ и продуктов. С её помощью можно как определять содержание какого-либо органического вещества в образце, не прибегая к химическому анализу, так и получать индивидуальные спектры образцов – нечто вроде их отпечатков пальцев. Но если полосы поглощения в среднем инфракрасном диапазоне интерпретировать легко, то спектры ближнего инфракрасного диапазона гораздо сложнее поддаются расшифровке из-за перекрывающихся обертонов и комбинированных полос – условно говоря, отпечаток получается слишком неразборчивым, из него ещё надо суметь извлечь требуемую информацию. Поэтому возможности эффективного применения БИК-спектроскопии возникли в последние десятилетия, с развитием компьютерных технологий и совершенствованием математических и статистических методов анализа больших массивов данных (так называемой хемометрики).

Давайте посмотрим, как можно использовать БИК-спектроскопию в чайном деле.

Группа учёных из Ключевой лаборатории биометрологии, инспекции и карантина провинции Чжэцзян исследовала 570 образцов Те Гуаньинь – 450 из тридцати районов уезда Аньси и ещё 120 из других регионов: из Юнчуня, Хуааня, Сяньду и Синью (Фуцзянь), Уюаня и Ичуня (Цзянси) и Даляншаня (Сычуань), всё это был весенний чай одного и того же сезона (см. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4099165/ ). Образцы без какой-либо предварительной обработки помещались в кварцевые кюветы, спектры поглощения снимались при помощи датчика из сульфида свинца (сульфид свинца является высокочувствительным детектором БИК-излучения). В необработанном виде часть спектров неаньсийской Те Гуаньинь была похожа на спектры аньсийской Те Гуаньинь, и их было трудно различить невооружённым глазом (см. рис. 1, 2). Поэтому был проведён многоэтапный математический анализ полученных данных при помощи оценки Стахела-Донохо (SDE, на этом этапе были исключены образцы, дающие спектры с резкими отклонениями, но их было немного – 19 аньсийских и 5 неаньсийских), метода частичных наименьших квадратов (PLSDA), преобразования стандартного нормального распределения (SNV transformation) и др. В результате были получены чётко различающиеся спектры аньсийских и неаньсийских Те Гуаньинь (см. рис. 3). Затем образцы были разделены на «обучающий» и «прогнозный» наборы с помощью алгоритма Кеннарда-Стоуна, и при применении к «прогнозному» набору системы, откалиброванной по «обучающему» набору, чувствительность достигла 93,1%, а специфичность – 100%. Немного упрощая, можно сказать, что после такой предварительной калибровки более 90% новых образцов можно однозначно и безошибочно отнести к аньсийской или неаньсийской Те Гуаньинь. При этом спектроскопия образца занимает около минуты, а математическая обработка спектра – несколько секунд.

В другой похожей работе (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25208385/ ) исследовались возможности разграничения посредством БИК-спектроскопии Те Гуаньинь, Хуан Цзинь Гуй, Бэнь Шань Улуна, Мао Се и Мэй Чжань. Использовался другой набор математических инструментов – метод главных компонент (PCA), мультипликативная коррекция рассеяния (MSC) и др., но в целом дизайн исследования схож – образцы разделялись на «калибровочный» и «прогнозный» набор, и точность классифицирования чая в «прогнозном» наборе достигла 90%. Задумайтесь, насколько это надёжнее, чем попытки российских титестеров угадать, сообразуясь со своими личными представлениями о вкусе и аромате Те Гуаньинь, она ли перед ними, или какой-то другой южнофуцзяньский улун, который пытаются выдать за неё.

Ещё одна похожая работа — https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17112026/ , Лун Цзин, Би Ло Чунь, Мао Фэн, Те Гуаньинь, метод главных компонент, расстояние Махаланобиса, мультипликативная коррекция рассеяния. Точность идентификации образцов в «прогнозном» наборе – 95%.

Снова о географическом происхождении — https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19155188/ , зелёные чаи из провинций Аньхой, Хэнань, Чжэцзян и Цзянсу, БИК-спектроскопия с преобразованием Фурье и методом главных компонент. Точность определения географического происхождения образцов – 100% (!).

А вот о качестве — https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17973445/ , японский зелёный чай, ранжированный по качеству на соответствующем чайном конкурсе, БИК-спектроскопия с преобразованием Фурье, методом главных компонент и методом частичных наименьших квадратов для скрытых структур. Область поглощения 1800-1925 нм имеет высокую корреляцию с качеством.

Можно найти и другие аналогичные публикации.

Конечно же, чайной индустрией возможности применения БИК-спектроскопии не ограничиваются. Например, для растительных лекарственных средств ботаническое и географическое происхождение сырья не менее важно. Вот работы о женьшене — https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30172878/ и о родиоле — https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29925045/ , а вот хороший обзор спектроскопической аутентификации географического происхождения лекарственных трав — https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5762236/ .


Рис. 1. Необработанные спектры поглощения аньсийских образцов Те Гуаньинь в БИК-области.


Рис. 2. Необработанные спектры поглощения неаньсийских образцов Те Гуаньинь в БИК-области.


Рис. 3. Обработанные спектры поглощения аньсийских (ATT) и неаньсийских (NATT) образцов Те Гуаньинь.


Рис. 4. Так выглядит ИК-спектрометр.

31 октября 2020 г.
Источник: Самая домашняя чайная «Сова и Панда» https://vk.com/club47905050
Антон Дмитращук https://vk.com/id183549038


Понравилась статья? Поделись с друзьями!


Обсуждение закрыто.