颗粒形绿茶的物理特性与外形品质关联性

郭 丽，余方林，赵 锋，张 悦，朱 荫，戴伟东，董春旺，林 智,

（1.中国农业科学院茶叶研究所，浙江 杭州 310008；2.福建农林大学园艺学院，福建 福州 350002；3.浙江工商大学食品与生物工程学院，浙江 杭州 310018）

外形品质是茶叶感官质量评价的主要因子，可以直观地反映茶叶品质的优劣，尤其是名优绿茶。名优绿茶外形品质通常采用人工感官审评，考察其嫩度、形态、色泽、净杂、整碎情况等[1]，而仪器分析评价多选择形状、色泽、容重等参数作为评判绿茶加工技术可行性的重要指标[2-6]，以及展示绿茶外形品质的主要物理特性[7-9]。随着计算机视觉技术在茶叶生产中应用的深入，目前条形绿茶、针芽形绿茶、卷曲形绿茶等的外形特征均可采用数字化信息技术分析，研究者也将其与人工评审外形品质总分作关联性研究，并取得较好的效果。然而，综合评分毕竟是一种整体性描述，在茶叶生产智能化过程中，茶产品的物理特征需要细化才更具有可操作性。若将其与人工审评总分进行关联性分析，研究结果对生产技术和智能机械性能优化的指导意义不大。基于此，本研究以颗粒形绿茶为材料，针对茶产品的物理特性及其外形品质细化指标的关联性作进一步研究。

颗粒形绿茶是一类驰名中外的中国绿茶，其制茶历史悠久，既有以内销为主的颗粒形名优绿茶，又有以外销为主的大宗珠茶。其中颗粒形名优绿茶具有独特的外形，紧结重实成颗粒状，呈勾曲形、盘花形、腰圆形等[10]，如此外形的绿茶主要有‘平水日铸’、‘泉岗辉白’、‘羊岩勾青’、‘涌溪火青’、‘黟县石墨’、‘金龙玉珠’、‘黄山松萝’和‘贵州绿宝石’等。目前，颗粒形绿茶是机采鲜叶的适制茶类[11]，已实现机械化加工，但还未达到标准化、连续化生产水平。制约的瓶颈即在造型上，因为制品的含水率、色泽、嫩度、整齐度等指标都会影响颗粒形绿茶的外形品质。

然而，至今鲜见有关颗粒形绿茶物理特性的研究报道，这不利于推进绿茶产区采制技术的智能化加工进程。为此，本实验以颗粒形绿茶为材料，利用计算机视觉技术、质构仪等研究其物理特性，运用多元逐步回归分析（multiple stepwise regression analysis，MSRA）法分析各参数与外形感官品质因子的关联性，查明影响颗粒形绿茶外形品质的关键因子，以期为颗粒形绿茶的机械化加工及品质提升提供科学依据，进而加快无损检测技术的推广应用。

1 材料与方法

1.1 材料

根据鲜叶成熟度及其成茶外形品质，筛选出具有典型颗粒形绿茶的代表茶样8 份，代表性卷曲形绿茶茶样1 份（‘碧螺春’作为对照）。所选机制绿茶样分别来自浙江、贵州、安徽和江苏等省的主产地。详细信息见表1。

表1 绿茶样品的鲜叶成熟度及产地Table 1 Tea leaf maturities and geographical origins of green tea samples

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1.2 仪器与设备

EOS 5D数码相机 日本佳能有限公司；T4900计算机 联想集团股份有限公司；TA-XT Plus物性测试仪英国Stable Micro Systems公司；茶叶图像采集装置为中国农业科学院茶叶研究所自制。

1.3 方法

1.3.1 茶样的感官品质审评

参考GB/T 23776—2018《茶叶感官审评方法》[12]，对茶样进行感官审评。其中，绿茶外形品质的评价设置形状、整齐度、色泽等评价因子，采用评语与评分相结合的方式审评。形状、整齐度、色泽品质因子的总分为100 分，各占外形品质总分的1/3。因此，外形品质（总分）＝1/3（形状品质评分+整齐度评分+色泽品质评分）。

1.3.2 茶样的图像采集

为了减少外界环境对拍照过程的干扰，获得较为稳定的光源，自制了带有内部光源的暗箱（图1）：长×宽×高为32 cm×19 cm×23 cm，光源的功率为12 W。称取茶叶（15.0±0.5）g，均匀平铺在样品池中（直径为75 mm），使其紧密排列。数码相机置于暗箱上方的观测孔上。打开暗箱光源，调节摄像头的光圈、焦距到合适位置，使茶叶成像清晰。最后采用白平衡自动功能对摄像头成像进行标定。每个茶样成像后（3 次重复），将获取的图像特征导入计算机进行数据分析。

图1 茶叶图像采集装置Fig. 1 Schematic of the tea image acquisition system

1.3.3 茶样的图像特征分析

茶样成像为RGB彩色图像，尺寸为3 888×2 592像素点（pt）。为便于后续图像特征的提取，利用茶叶外形品质分析软件（软件著作权：2013R11L181900）和茶叶视觉图像采集分析软件（软件著作权：2013R11L181986）采集原始图像中代表性区域的图像特征参数，所用的选取工具是ROI。Red（R）、Green（G）、Blue（B）、色调Hue（H）、亮度（I）和饱和度（S）等为颜色特征参数。其中，R为红色通道值，G为绿色通道值，B为蓝色通道值，H描述颜色的特性，I描述颜色的明亮度，S描述颜色的饱和度；形状特征指标主要有面积、周长、圆形度和形状指数等。

1.3.4 茶样的容重与百粒质量分析

以容重与百粒质量来衡量颗粒形和卷曲形绿茶的紧实度。容重的测量参考文献[13]的方法，即将茶叶加入量筒，对茶样进行轻压以减少缝隙，并抚平茶叶表面，使其与量筒刻度线齐平，先记录茶样的体积V，再称取茶叶质量m，后按式（1）计算茶叶的容重。每个样本进行3 次重复。

式中：γ为容重/（g/cm3）；m为茶叶质量/g；V为茶叶体积/cm3。

1.3.5 茶样的弹性与塑性测定

称取（20.0±0.5）g干茶样品放入内径为50 mm透明圆筒容器中，稍微抖动使干茶样品表面齐平，然后置于质构仪的载物台上，采用直径45 mm的圆柱挤压探头进行全质构测试。参数设定：第1次用0.15 N的力压到A点，测定样品的原始高度；第2次用4.9 N的力压到B点，得样品的最低高度；第3次探头回到起始位置等60 s后，用0.15 N的力压到C点，测定样品的恢复高度。每个样品重复3 次。

1.4 数据处理与分析

颗粒形绿茶的物理特性指标以平均值±标准误表示；采用Excel 2000软件中的T-test法分析不同绿茶的颜色特征参数差异，采用软件SPSS 20软件中的MSRA法分析颗粒形绿茶的物性参数与外形品质的关联性。

2 结果与分析

2.1 绿茶的外形感官品质分析结果

表2 不同绿茶样品的感官品质Table 2 Sensory quality of different green tea samples

从表2可见，造型不同的绿茶样，外形品质存在明显差异，仅‘碧螺春’不是颗粒形绿茶。从总分方面看，85 分以上的颗粒形绿茶多呈盘花形，以‘勾青’1得分最高，比最低得分的‘勾青’3高6.3 分；从形状方面分析，发现紧实度、茶梗是绿茶形状品质的主要影响因素，如绿茶2号、‘勾青’1和‘碧螺春’等紧实度较高且无梗；从整齐度上看，影响色泽均匀性的因素主要有黄块、黄片、白毫及爆点等。成品茶有银毫，说明绿茶原料成熟度较低，干茶品质较好，如‘勾青’1和‘碧螺春’。黄片、黄块会降低茶叶的整齐度，如‘绿宝石’、绿茶1号、‘松螺’、‘平水日铸’等即出现该情况；从色泽方面看，同等嫩度的茶样不会因所属色系不同而影响色泽品质，如‘勾青’1和‘碧螺春’。明亮度对色泽品质的影响也较明显，如“黄绿暗”的评分比“黄绿”的低10 分。由此可见，供试颗粒形绿茶中‘勾青’的外形感官品质优于卷曲形绿茶，主要表现在形状和整齐度上，且随原料成熟度的增加而下降。

2.2 绿茶的物理特性分析结果

2.2.1 颜色特征

表3 不同绿茶样品的颜色特征Table 3 Color characteristics of different green tea samples

由表3可见，颗粒形绿茶与卷曲形绿茶的颜色成像特征明显不同，不同成熟度的颗粒形绿茶颜色特征也有明显差异。颗粒形绿茶图像的红色通道值、绿色通道值、蓝色通道值和亮度的平均值较卷曲形绿茶低，但色调值与饱和度比其高。T-test检测结果表明，‘勾青’3的红色通道值、绿色通道值、蓝色通道值、色调值、亮度、饱和度与卷曲形绿茶的差异达到极显著水平；‘勾青’2的色泽指标中除饱和度外都与卷曲形绿茶存在极显著差异；‘勾青’1的绿色通道值、色调值与卷曲形绿茶的差异也达到极显著水平。颗粒形绿茶的红色通道值、绿色通道值、蓝色通道值、亮度等指标由高到低是‘勾青’1＞‘勾青’2＞‘勾青’3，即随原料成熟度增加而呈减小的趋势；色调的大小顺序为‘勾青’3＞‘勾青’2＞‘勾青’1，即随原料成熟度增加而增加。‘勾青’3的红色通道值、绿色通道值、蓝色通道值、亮度分别比‘勾青’1低34.7%、33.3%、30.1%和30.3%，并且红色通道值、绿色通道值也低于卷曲形绿茶。由此可见，颗粒形绿茶的颜色较卷曲形绿茶深，随原料成熟度的降低而变浅。

2.2.2 形状特征

颗粒形绿茶与卷曲形绿茶的形状成像特征明显不同，不同嫩度间也有差异（图2）。颗粒形绿茶的圆形度较卷曲形绿茶大，周长和形状指数较其小。相同嫩度的绿茶相比，‘勾青’1的圆形度比卷曲形绿茶升高257.7%，形状指数较其降低84.4%。嫩度不同的颗粒形绿茶相比，面积和周长的大小顺序为‘勾青’1＞‘勾青’3＞‘勾青’2；圆形度与形状指数的大小顺序则为‘勾青’3＞‘勾青’2＞‘勾青’1。综合来看，颗粒形绿茶的形状趋于圆形，圆形度与形状指数与原料嫩度有关，即原料越粗老，圆形度与形状指数的数值越大。

图2 不同绿茶样的形状特征Fig. 2 Shape characteristics of different green tea samples

2.2.3 容重与百粒质量

颗粒形绿茶的容重与百粒质量明显有别于卷曲形绿茶（图3）。颗粒形绿茶的容重平均值为2.0 g/cm3，比卷曲形绿茶提高22.0%，且以‘勾青’1的容重最高；‘勾青’1的容重分别比‘勾青’2和‘勾青’3提高10.8%和3.6%。颗粒形绿茶的百粒质量平均值为27.1 g，是卷曲形绿茶的2.1 倍。百粒质量较高的茶样是‘勾青’3，分别比‘勾青’2和‘勾青’1提高22.8%和56.2%。由此可见，绿茶的容重与百粒质量受其形状和原料成熟度的影响，即原料越嫩，容重越高，百粒质量越低。

图3 不同绿茶的容重与百粒质量Fig. 3 Bulk density and hundred-grain mass of different green tea samples

2.2.4 弹性与塑性

颗粒形绿茶的弹性平均值为46.7%，与卷曲形绿茶相近。但在原料嫩度相同的情况下，‘勾青’1的弹性比卷曲形绿茶高4.7%。颗粒形绿茶中‘勾青’3的弹性最大（图4），与其塑性之比大于1.0。‘勾青’1和‘勾青’2的原料嫩度优于‘勾青’3，但其弹性较差。茶样塑性与弹性的变化有所不同。‘勾青’2的塑性最大，与其弹性之比等于1.5，远大于‘勾青’3和‘勾青’1。由此可见，绿茶的弹性与塑性指标呈负相关，均受其形状和原料成熟度的影响。

图4 不同绿茶的弹性值和塑性值Fig. 4 Elasticity and plasticity of different green tea samples

2.3 颗粒形绿茶的物性参数与外形品质的相关性分析结果

颗粒形绿茶的外形品质包含色泽、整齐度、形状等品质因子，不同品质因子的相关性存在差异（表4）。

表4 颗粒形绿茶的物理特性与外形品质相关性Table 4 Correlation between physical properties and appearance quality of granular green tea

红色通道值、绿色通道值、蓝色通道值、亮度等颜色特征指标与外形品质呈显著正相关，与整齐度的相关性达到极显著水平，并且蓝色通道值与色泽品质、形状品质的相关性均达到极显著水平；但色调值与外形品质呈极显著负相关，相关系数小于-0.8；饱和度与外形品质的相关系数较小，弹性、塑性也如此。容重、百粒质量与色泽品质呈显著负相关，与整齐度呈极显著负相关。面积、周长与色泽品质、形状品质的相关性都可达到显著水平，圆形度与整齐度、形状品质呈显著正相关，形状指数与色泽品质呈极显著负相关。

进一步采用MSRA法分析它们之间的关系，建立外形品质与各物理参数的回归方程，如式（2）～（4）所示。

对方程进行拟合度检验及显著性检验拟合度检验，发现每组方程的调整R2大于0.9。同时，F变换值的相伴概率值均小于0.05，达到显著水平，说明方程中引入的自变量对因变量的贡献较显著。显著性检验结果表明各方程的F值均大于100，说明自变量造成因变量的变动远大于随机因素对因变量造成的影响。由于F统计量服从F分布，因此对应的相伴概率值小于0.05，说明存在显著的线性关系。

由方程（2）～（4）可知，颗粒形绿茶的外形品质主要受蓝色通道值、色调、弹性、塑性、圆形度等参数的影响。色调、弹性、塑性等指标的数值越大，形状品质和色泽品质越差。色调值和圆形度越高，颗粒形绿茶的外形品质越好。其他物理参数对颗粒形绿茶外形品质的影响均未达到显著水平（P＜0.05）。因此，蓝色通道值、色调、弹性、塑性、圆形度等指标对颗粒形绿茶外形品质起着决定性作用。

3 讨 论

3.1 颗粒形绿茶的外形品质特征

供试颗粒形绿茶以盘花形为主，‘勾青’茶的外形品质较优。原料嫩度不同的‘勾青’茶外形品质有明显差异，总分都在85 分以上，并且‘勾青’1的品质优于碧螺春，说明‘勾青’茶可视作颗粒形绿茶的典型代表。采用GB/T 23776—2018[12]方法对绿茶外形品质进行评价，需要综合考虑形状、嫩度、色泽、整碎、净度的影响，因而对茶样品质的评判是综合性的，而非单因子评价。此法可以高效、系统地分析茶叶感官品质，但对茶叶色、香、味、形等单项品质因子进行考察时，对指标进行细化更有利于发现品质的优缺点。目前单项指标细化的分析方法已在食品科学研究领域中广泛应用[14]，其在茶叶滋味[15-17]与香气[18-19]化学研究领域也取得较好的进展，但是较少应用于茶叶外形品质的仪器分析与判定，不利于推进机制绿茶的精细化加工。

3.2 颗粒形绿茶的主要物理特性

‘勾青’茶随原料成熟度的增加，成茶色泽由嫩绿转黄绿，再到深绿，即颜色在不断加深，这与计算机视觉特征指标色调值的变化趋势是一致的。色调值可用来判定番茄成熟度的等级[20]，可否作为茶叶原料成熟度的无损检测指标，尚待进一步检验。茶叶外形的纹理特征可鉴定其等级[21]，本研究的颗粒形绿茶形状趋于圆形，圆形度与原料成熟度的变化是同步的，进而说明圆形度、形状指数也可作判定茶叶类型与等级的指标[22-24]。

绿茶制品的容重随加工进程的推进而不断地增大[12]，因而成品茶的容重最大，条索也较紧实。原料嫩度相同的情况下，颗粒形绿茶的容重高于卷曲形绿茶，表明绿茶的容重与其外形有关[12,25]。原料嫩度不同的颗粒形绿茶，产品等级不同，容重也有差异，此与王同和[26]的研究结论一致。相对于容重而言，茶学研究中百粒质量很少作为茶叶物性指标出现，通常以颗粒或条索的重实度或紧实度来描述茶叶特性，但不宜数量化。鉴于颗粒形绿茶的外形与农作物的种子等有相似性，建议把百粒质量作为颗粒形绿茶的物性指标。

3.3 颗粒形绿茶的主要物理特性与外形品质的关联性

绿茶外形品质的展现与其理化特性关系密切，其中形状特征、颜色特征、纹理特征等是仪器评价外形品质的常用指标。针对颗粒形绿茶，不同物性参数与单项外形因子的相关性有明显的差异。除蓝色通道值、色调值、圆形度等指标外，颗粒形绿茶的弹性与塑性也与其外形品质存在相关性，但弹性指标只与形状品质、色泽品质呈负相关，塑性指标仅与色泽品质呈负相关。茶制品的弹性在萎凋过程中呈先下降后增加的趋势[27-28]，与揉捻时间呈线性正相关[12]，而决定其外形的干燥工艺影响尚不清楚。然而物料的塑性与弹性呈负相关[29-30]，在萎凋过程中呈下降趋势[28]，而在干燥过程中的变化尚未明确。因此，要从工艺角度阐明塑性、弹性指标与颗粒形绿茶成形质量的关联性，尚需进一步开展与绿茶成形相关的科学研究。