基于近红外光谱技术(NIRS)对工夫红茶含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分评价研究

刘洪林

(1.重庆第二师范学院旅游与服务管理系,重庆 400065;2.西南大学,重庆 400715)



基于近红外光谱技术(NIRS)对工夫红茶含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分评价研究

刘洪林1,2

(1.重庆第二师范学院旅游与服务管理系,重庆 400065;2.西南大学,重庆 400715)

目的:提出一种利用近红外光谱技术无损快速检测工夫红茶含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质的新方法。方法:实验样品共计240个,手动选择180个样品作为校正级,剩余60个样品作为预测集;利用OPUS 7.0软件优化出各模型最佳波数段和最佳预处理方法,平滑点数17,维数1,结合含水率、游离态氨基酸、茶多酚含量建立预测模型,分析预测模型的预测性能。结果:各预测模型预测精准度高,均可用于工夫红茶含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质预测。其中,各模型校正相关系数(Rc)为92.76%～99.28%,校正均方根误差(RMSEC)为0.016～0.0437;预测相关系数(Rp)为97.41%～98.46%,预测均方根误差(RMSEP)为0.00915～0.0168。各模型校正集和预测集均有较高的拟合度,模型预测性能游离态氨基酸>含水率>茶多酚。结论:近红外光谱图结合含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质含量建立的各预测模型预测性能优,适合工夫红茶品质评价。

工夫红茶,近红外光谱技术,含水率,游离态氨基酸,茶多酚,预测模型

茶叶被誉为“世界三大饮料之首”,富含多种药理活性成分,有很强的保健功效[1]。工夫红茶是我国特有的红茶品种,也是我国传统出口商品[2],目前已成为我国传统茶叶中最受消费者喜爱的茶类之一。含水率是茶叶中所有化学成分含量检测的基础数据[3]。茶多酚是茶叶中的主要生理活性物质,占茶叶干重的18%～36%,是红茶中苦涩滋味形成的重要成分[4]。氨基酸的含量是鉴定茶叶品质的重要指标,是红茶中甜醇滋味形成的主要成分[5]。同时,茶多酚和氨基酸都是茶叶中重要的药理活性成分[6]。

近红外光谱(NIRS)是一种介于可见光谱区和中红外光谱区的电磁波,波长在780～2526 nm(12820～2959 cm-1)范围内[7]。由于近红外光谱分析技术具有速度快、效率高、成本低、测试重现性好、测量方便、客观等特点[8-13],近年来国内外利用近红外光谱技术对茶叶种类的识别[14]和真假茶的鉴别[15]等研究成为热点之一。目前对含水率、茶多酚、游离态氨基酸定量分析方法主要是干燥法、分光光度法,此方法精准度不高。但目前利用近红外光谱技术评价工夫红茶含水率、茶多酚、游离态氨基酸品质成分还鲜有报道。

因此,本研究以2013年随机抽取的240个工夫红茶茶样为原料,利用OPUS 7.0软件将工夫红茶近红外光谱图谱和含水率、茶多酚、游离态氨基酸品质成分化学方法测定结果结合，建立定量分析预测模型,探讨近红外光谱客观评价技术与化学方法测定结果的一致性,以期为无损快速测量工夫红茶含水率、茶多酚、氨基酸品质成分提供一种新方法。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

240个工夫红茶茶样2013年随机抽取的240个工夫红茶茶样,分别从安徽、福建、广东、广西、贵州、湖北、湖南、江苏、江西、山东、陕西、四川、云南、浙江和斯里兰卡地区抽取2、5、4、11、4、3、4、1、3、3、4、8、1、6、1个红茶品种,每个品种4个茶样(含特级、一级、二级、三级四个等级)。

布鲁克MPA型傅立叶变换近红外光谱仪BRUKER公司;FA2004A型分析天平海津天电子仪器有限公司;HH-8型数显恒温水浴锅金坛市富华仪器有限公司;DFT-200型200 g手提式粉碎机温岭市林大机械有限公司;TU 1900型双光束紫外可见分光光度计北京普析通用仪器有限责任公司。

1.2实验方法

1.2.1工夫红茶样品近红外光谱图采集方法参照周小芬[16]方法,本实验采用完整茶样进行实验。实验条件为:扫描范围:800～2500 nm(波数12500～4000 cm-1)[17],扫描次数:32次,分辨率:8 cm-1。测试前,将97 mm自动旋转式样品杯擦拭干净,确保样品杯中装入2/3以上茶叶[18],样品杯中装入20 g工夫红茶样品,通过OPUS软件控制光谱仪扫描,每个样品扫描3次,取平均谱作为该样品的近红外光谱。

1.2.2含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分测定方法含水率测定用参照国标GB/T 8304-2013 120 ℃快速烘干法[19];茶多酚测定方法参照国标GB/T 8313-2008[20];游离氨基酸总量的测定参照国标GB/T 8314-2013[21]。

1.2.3工夫红茶茶样波数选择和近红外光谱图预处理方法实验对240个工夫红茶茶样结合含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量利用0PUS 7.0软件进行建模,通过软件剔除高频区和低频区的无效光谱,采用无光谱预处理、一阶导数(FD)、二阶导数(SD)、消除常数偏移量、矢量归一化(SNV)、减去一条直线、最小-最大归一化、多元散射校正(MSC)、一阶导数(FD)+减去一条直线、一阶导数(FD)+矢量归一化(SNV)、一阶导数(FD)+多元散射校正(MSC)等光谱预处理方法进行光谱预处理[22]。同时实验通过OPUS 7.0软件进行方法优化选择建模最佳波数段和最佳预处理方式,以总样本均方根误差RMSEC总作为衡量标准(RMSEC总越小,效果越好)。

1.2.4基于近红外光谱图对含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量的建模方法实验样品共计240个,样品集分为校正集(定标集)和预测集(验证集)二者样品数约为2∶1～3∶1[16]。预测集的选择方式有两种:即随机选择和手动选择。为了避免随机选择中可能存在同一等级茶样品集中被选中,从而影响模型的定标范围和定标精准度,因此本实验利用手动选择方式选择预测集样品。方法为:对样品含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量进行高低排序,从上而下每隔3个校正集样品选择一个预测集样品。因此本实验的校正集样品数为180个,预测集样品数为60个。在最佳波数段利用最佳预处理方法对原始光谱曲线进行有效信息提取,并对预处理后的光谱曲线结合含水率、游离态氨基酸、茶多酚含量建立预测分析模型。

1.2.5数据统计分析各实验至少重复3次以上,采用OPUS 7.0软件及其软件自带的偏最小二乘法(PLS)分析方法,将近红外光谱图结合含水率、游离态氨基酸、茶多酚含量进行建模分析[23]。

建模结果表示方式以校正相关系数(Rc)、校正均方根误差(RMSEC)、预测相关系数(Rp)、预测均方根误差(RMSEP)表示[24]。

2　结果与分析

2.1近红外光谱图的采集

工夫红茶的近红外光谱图是其内在品质的反映。茶叶无论品种、产地等是否相同,近红外光谱图都带有很多相似信息,这是由于近红外光谱吸收的都是茶叶中的C-H和N-H基团,这些基团的周围环境发生变化时,会导致峰位的变化,但变化幅度并不大;决定近红外光谱峰位和峰强度的是样品中存在的成分含量[25]。而不同的工夫红茶中的成分含量都不一致,也就出现了不同的光谱图。240个工夫红茶近红外光谱扫描曲线如图1所示。

图1　工夫红茶茶样近红外光谱图Fig.1　Averaged NIR reflectance spectraafter Congou black tea samples

从图1中可以看出,不同的工夫红茶的光谱曲线有明显区别,具有一定的特征性和指纹性[25],这一区别为不同工夫红茶含水率、游离态氨基酸、茶多酚含量评价奠定了数学建模基础。其中大于10000 cm-1和小于4000 cm-1主要贡献噪声,4000～10000 cm-1波数段为有效信息集中段[16]。

2.2工夫红茶含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量测定结果

表1是240个工夫红茶茶样含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量测定结果,其中含水率为4.35%～7.39%,游离态氨基酸为0.81%～2.95%,茶多酚为8.65%～21.86%。

表1　240个工夫红茶茶样含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量(n=3)

2.3波数选择和光谱预处理

实验对茶样4000～10000 cm-1波数段结合含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量利用OPUS软件进行建模,同时选择建模最佳波数段和最佳预处理方式,表2为RMSEC总最小时对应的波数和预处理方法,分别为建模的最佳波数和预处理方法,平滑点数17,维数1[26-27]。

表2　含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分模型波数和光谱预处理方法选择

2.4基于近红外光谱技术的工夫红茶含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量快速预测

提取工夫红茶光谱图谱信息,建立能充分反映光谱特征与茶叶含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量专有属性关系的定量预测分析模型,找出被众多错综复杂的共性所掩盖着的专属特征,定量地描述不同样品谱图间的相似程度,这是近红外光谱技术可以用于评判茶叶品质专有属性的原因所在[28]。工夫红茶近红外光谱结合含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量如表3所示。

实验利用工夫红茶近红外光谱图结合含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量建立了工夫红茶茶样含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量定量预测模型,并运用OPUS 7.0软件中自带的偏最小二乘法对结果进行分析,结果如表3所示。由表3可知,工夫红茶茶样的Rc和Rp均在90%以上,模型定标效果较好,可用于工夫红茶品质预测,其中游离态氨基酸模型预测精准度较高,Rc和Rp值都达到了98%以上。研究表明[24],所建立的定量模型精准度由预测集的Rp和RMSEP反映。当Rp值>90%时,表明所建模型是比较好的模型,Rp值越接近100%表明模型越好;RMSEP越小,RMSEP以接近0为最好,模型预测性能越优。按照含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量的预测模型相关系数Rp分别为97.58%、98.46%、97.41%;所对应的RMSEP分别为0.0168、0.00915、0.0148,各模型预测精准度均较高,预测性能较优,是一种客观快速评价工夫红茶含水率、茶多酚、氨基酸品质成分提供一种新方法。

表3　工夫红茶茶样含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分校正集与预测集模型的建模结果

注:Rc和Rp越接近100%越好,RMSEC和RMSEP越接近0越好。

从模型看出,其中游离态氨基酸模型的Rc最高且RMSEC最低(分别为99.28%和0.016),说明该模型校正集样品拟合度最高;且游离态氨基酸模型的Rp最高且RMSEP最低(分别为98.46%和0.00915),说明该模型预测集样品拟合度最高,预测性能最优。三种品质成分近红外光谱定量预测模型预测性能由高到低为:游离态氨基酸>含水率>茶多酚。

3　结论

240个工夫红茶茶样含水率含量为4.35%～7.39%,游离态氨基酸为0.81%～2.95%,茶多酚为8.65%～21.86%。;同时手动选择180个样品作为校正级,剩余60个样品作为预测集;利用OPUS7.0软件优化出各模型最佳波数段和最佳预处理方法,平滑点数17,维数1,结合含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量建立预测模型。

各模型预测精准度高,均可用于工夫红茶含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量预测。其中,各模型校正相关系数(Rc)为92.76%～99.28%,校正均方根误差(RMSEC)为0.016～0.0437;预测相关系数(Rp)为97.41%～98.46%,预测均方根误差(RMSEP)为0.00915～0.0168。各模型校正集和预测集均有较高的拟合度,模型预测性能游离态氨基酸>含水率>茶多酚。

总的来说,近红外光谱图结合含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量建立预测模型预测性能优,适合工夫红茶含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量评价预测,为快速无损客观精准测量工夫红茶含水率、游离态氨基酸、茶多酚品质成分含量品质提供了一种新方法。今后可利用近红外光谱技术结合其它技术(如机器视觉技术)对工夫红茶品质评价建立优性能预测模型,进一步实现茶叶品质评价的快速性、准确性和客观性。

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Research to moisture content,free form amino acids,polyphenols quality ingredients of Congou black tea by near infrared spectroscopy

LIU Hong-lin1,2

(1.School of Tourism and Service Management,Chongqing University of Education,Chongqing 400065,China;2.Southwest University,Chongqing 400715,China)

Objective:This paper gave a new method about detecting the moisture content,free form amino acids,polyphenols quality of Congou black tea by near infrared spectroscopy. Methods:There were 240 test samples,180 samples of them used to be a correction stage as the remaining 60 samples a prediction set. Each model is optimized,the best waves of the number of segments and best pretreatment method for modeling use to establish the quantitative prediction model by OPUS 7.0 software. The smooth points were 17 and dimension was 1. Results:The models predicted a high accuracy which can be used to predict the moisture content,free form amino acids,polyphenols quality of Congou black tea. The calibration correlation coefficients(Rc)were 92.76%～99.28%,correcting root mean square errors(RMSEC)were 0.016～0.0437,predictive correlation coefficient(Rp)was 97.41%～98.46%,and the RMSEP was 0.00915～0.0168. Each model calibration set and prediction set had a higher degree of fit,the prediction performance model of free form amino acids>moisture>polyphenols. Conclusion:The combination of near-infrared spectra of each prediction model to predict the performance had an excellent organoleptic results which established for Congou black tea quality evaluation.

Congou black tea;near infrared spectroscopy;moisture content;free form amino acids;polyphenols;prediction model

2015-11-12

刘洪林(1991-)，男，硕士，助教，研究方向：茶学，E-mail：475844900@qq.com。

重庆第二师范学院校级科研项目(KY201546C)。

TS207.3

A

1002-0306(2016)12-0067-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.004