基于光学传感器技术的红茶通氧发酵过程在线监测研究

摘要

发酵是红茶制作中最重要的一道工艺，其本质是以茶多酚为核心的生理生化反应，并伴随着叶片表面色泽的显著变化，形成独具风格的色香味等特征品质，也是决定红茶质量的关键。目前大部分红茶加工企业仍然依靠有经验的制茶师傅通过“一看二闻”来判断发酵是否适度。但此法易受环境因素干扰、主观性大、效率低，无法做到红茶加工过程中的自动化和连续性，难以保证红茶品质的稳定性。基于此，本论文展开了基于光学传感器技术的红茶通氧发酵过程在线监测研究。主要研究内容与结论如下：
　　1．红茶通氧发酵过程在线监测系统的设计。在现有的红茶通氧发酵设备的基础上，设计开发了两套在线监测设备，分别用于监测通氧发酵过程中叶片表面色泽和内部茶多酚含量的改变，均包括硬件和软件系统。硬件主要包含SD1220和集成近红外光谱仪、光源、积分球、光纤、样品杯、蓝牙模块以及上位机。其中，SD1220和集成近红外光谱仪的有效波长范围分别为300~1000 nm、900~1700nm；光源是卤钨灯；积分球为反射式；直通光纤的材质是石英；样品杯为定制的圆型、无盖、底部1mm厚的石英；蓝牙模块的型号包括HC-06和CC2564MODN；上位机为Android智能机。软件主要包括蓝牙通信、光谱数据处理和结果显示以及客户端界面设计模块。其中，蓝牙通信模块主要包含查找光谱仪设备，并连接通讯；光谱数据处理和结果显示模块主要包括前处理、计算L*a*b值或茶多酚含量以及显示模型判别结果；客户端界面设计模块主要包括一些操作按钮与图形显示界面，用于连接蓝牙、采集光谱、计算结果及保存显示等功能。这两套在线监测系统分别用于红茶通氧发酵过程中的可见与近红外光谱的采集，并计算叶片的L*a*b值和茶多酚含量。
　　2．红茶通氧发酵过程中叶片色度值的在线监测研究。研究应用可见漫反射光谱技术在线监测红茶通氧发酵过程中叶片外部的色泽，并依据L*a*b值的改变实时评判叶片的发酵程度。首先，对发酵茶样的原始反射光谱进行处理，拟合运算以获取380~780nm下的整波长数值。结合GB/T3979-2008的测色原理，采用等波长间隔法计算XYZ三刺激值，并换算成L*a*b值。其次，对该仪器的测色准确性进行验证。以杭州茶叶研究所提供的三种不同等级红茶标品为样本，利用该系统和标准色差计同时测量，所得L*a*b值回归方程的相关系数均高于0.9，表明此仪器的精度与稳定性较高。然后，构建发酵适度的色泽评判模型。收集经感官评审小组确定的发酵适度时间节点下的60个样本，计算L*a*b值并建立判别模型。最后，验证此模型用于在线监测红茶通氧发酵程度的可行性。以60个不同发酵程度的红茶为验证样品，利用本监测系统进行检测，同时结合人工评审结果，正确判别率为85%。研究结果证明，基于叶片颜色值在线监测评判红茶通氧发酵程度是可以的。
　　3．红茶通氧发酵过程中茶多酚含量的在线监测研究。研究利用近红外光谱技术在线监测红茶通氧发酵过程中叶片的茶多酚含量，并依据其值变动实时评判叶片的发酵程度。首先，处理原始光谱并构建红茶通氧发酵过程中茶多酚总量的定量回测模型。以不同时间节点的发酵叶片为样本，采集其反射光谱，再根据GB/T8313-2008第二法检测茶多酚总量。随后利用SNV进行前处理后，分别采用全波段、联合区间（SI）、遗传算法（GA）、连续投影算法（SPA）和蚁群算法（ACO）结合PLS进行变量筛选与建模分析。结果表明，相比于全光谱模型，其余四类变量筛选方法均可有效提高模型预测性能，并且ACO-PLS模型预测效果与稳定性最好，该模型的有效变量为19个，Rp=0.8317，RMSEP=1.15。因而，选取ACO-PLS作为茶多酚含量的最佳回测模型。其次，建立发酵适度的茶多酚含量评判标准。采集经感官评审小组确认的发酵适度时间节点下的60个样本，使用国标测定茶多酚总量并制订判别标准。最后，验证该模型用于在线监测红茶通氧发酵过程的可行性。以60个不同发酵程度的红茶叶片为验证样本，利用本监测系统进行测定，并结合人工评审结果，正确判别率为81.67%。研究结果证明，基于叶片茶多酚含量变化在线监测评判红茶通氧发酵程度是可行的。

目录

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缩略词索引

第一章 绪论

1.1 我国传统红茶生产加工现状

1.2 红茶发酵程度的评判方法

1.3 可见和近红外光谱技术在检测红茶品质中的应用

1.4 本研究的主要目的和方法

1.5 本章小结

第二章 红茶通氧发酵过程在线监测系统的设计

2.1 引言

2.2 Android与蓝牙通信技术

2.3 基于Android手机蓝牙通讯的发酵叶片色泽在线监测系统设计

2.4 基于Android手机蓝牙通讯的发酵叶片茶多酚含量在线监测系统设计

2.5 本章小结

第三章 红茶通氧发酵过程中叶片色度值的在线监测研究

3.1 引言

3.2 试验材料与方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 红茶通氧发酵过程中茶多酚含量的在线监测研究

4.1 引言

4.2 试验材料与方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1论文的主要结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

在研期间发表的论文

在研期间申报的专利和软件著作权

在研期间参与的科研项目

在研期间获得的荣誉证书

附录