基于11个特征波长快速无损检测茶叶干物质含量的方法

摘要

本发明公开了一种基于11个特征波长快速无损检测茶叶干物质含量的方法，包括以下步骤：获取茶叶样本在11个特征波长处的漫反射光谱反射率，所述11个特征波长包括404nm、409nm、421nm、461nm、676nm、695nm、710nm、733nm、755nm、972nm和1036nm；将漫反射光谱反射率转换成吸光度，得到茶叶样本在11个特征波长处的吸光度值，由此计算得到所述茶叶样本的干物质含量。本发明方法可快速有效地监测茶叶加工过程中干物质含量的动态变化，实现茶叶加工过程中干物质的快速、无损、低成本检测。

说明书

技术领域

本发明属于茶叶加工检测领域，具体涉及茶叶干物质含量的无损、快速 检测方法。

背景技术

新鲜的茶叶中干物质含量约为20-25％，其中包括维生素类、蛋白质、 氨基酸、类脂类、糖类及矿物质元素类，它们对人体有较高的营养价值； 此外还包括对人体有保健和药效作用的成分，如茶多酚、咖啡碱、多糖等。 而目前茶叶干物质含量的准确测量都是采用电热恒温箱加热除去水分至恒 重，然后称量来实现的。这种测量方法耗费长，一般需要4-6小时，而且高 温烘干过程破坏了茶叶的营养成分，导致了测试样本不能再食用，无法满 足茶叶加工过程实时检测的需要。

发明内容

本发明提供了一种基于11个特征波长快速无损检测茶叶干物质含量的 方法，可快速有效地监测茶叶加工过程中干物质含量的动态变化，实现茶 叶加工过程中干物质的快速、无损、低成本检测。

一种基于11个特征波长快速无损检测茶叶干物质含量的方法，包括以 下步骤：

(1)获取茶叶样本在11个特征波长处的漫反射光谱反射率，所述11 个特征波长包括404nm、409nm、421nm、461nm、676nm、695nm、710nm、 733nm、755nm、972nm和1036nm；

(2)基于公式A＝log(1/R)将所述茶叶样本在11个特征波长处的漫反 射光谱反射率转换成吸光度，得到所述茶叶样本在11个特征波长处的吸光 度值，其中，A为吸光度，R为漫反射光谱反射率；

(3)把所述茶叶样本在11个特征波长处的吸光度值代入公式(I)，计 算得到所述茶叶样本的干物质含量：

Y_干物质＝1.083-1.794λ₄₀₄+1.079λ₄₀₉+1.415λ₄₂₁-1.684λ₄₆₁+1.384λ₆₇₆- 2.548λ₆₉₅+4.910λ₇₁₀-10.245λ₇₃₃+10.905λ₇₅₅-11.692λ₉₇₂+7.987λ₁₀₃₆(I)

式(I)中，Y_干物质为茶叶样本的干物质含量的检测值，λ₄₀₄为茶叶样本在 波长404nm处的吸光度，λ₄₀₉为茶叶样本在波长409nm处的吸光度，λ₄₂₁为 茶叶样本在波长421nm处的吸光度，λ₄₆₁为茶叶样本在波长461nm处的吸 光度，λ₆₇₆为茶叶样本在波长676nm处的吸光度，λ₆₉₅为茶叶样本在波长 695nm处的吸光度，λ₇₁₀为茶叶样本在波长710nm处的吸光度，λ₇₃₃为茶叶 样本在波长733nm处的吸光度，λ₇₅₅为茶叶样本在波长755nm处的吸光度， λ₉₇₂为茶叶样本在波长972nm处的吸光度，λ₁₀₃₆为茶叶样本在波长1036nm 处的吸光度。

本发明中，所述茶叶样本为鲜叶、加工过程中原料叶或加工后茶叶成品。

本发明中，用于茶叶干物质测量的11个特征吸收波长，是基于大量创 造性劳动，通过运用连续投影算法和显著性检验分析等发现的。这11个特 征吸收波长是茶叶中蛋白质、多酚类、多糖类等的特征吸收谱带。其中 755nm是酚类物质中O-H键的伸缩振动基频的三级倍频特征吸收谱带， 972nm是酚类物质中O-H键的伸缩振动基频的二级倍频特征吸收谱带， 1036nm接近蛋白类物质中N-H的伸缩振动基频的二级倍频特征吸收谱带。 本发明还进一步以这些波长处茶叶漫反射光谱的吸光度作为自变量，茶叶 的干物质含量作为因变量，建立了多元线性回归模型，从而实现茶叶中干 物质含量的无损、快速检测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

①快速，近红外光谱扫描速度快，可在1s内完成整个红外波段范围的 扫描。而且本发明方法是基于11个特征波段处的光谱反射率来实现的，所 以相对于全波段光谱测量法检测时间更短。

②简单，本发明方法检测步骤少、操作简单，避免了传统烘干法的漫长 加热过程，和繁琐的多次称量过程。

③低成本，本发明方法仅采用11个特征波段实现检测，所以基于本发 明方法的仪器结构和原理比较简单，体积较小，故对应的仪器价格相对便 宜，维护的成本也低。

④具有良好的经济效益，传统的测量手段在取样、制样、测定等方面需 要耗费大量的人力、财力、物力，本发明方法因步骤简单、使用方便，可 以快速、准确的检测茶叶的干物质含量，故具有良好的经济效益。

附图说明

图1为实施例中建模集样本的干物质含量的检测值与实际值的散点分 布图。

图2为实施例中预测集样本的干物质含量的检测值与实际值的散点分 布图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

一种基于11个特征波长快速无损检测茶叶干物质含量的方法，包括以 下步骤：

(1)收集茶叶样本：

收集具有代表性的多种茶叶样本共736个，包括五个品种鲜叶样本，如 表1所示；七个等级茶叶样本，如表2所示；八类绿茶初制工艺中原料样本， 如表3所示。

表1.五个品种鲜叶样本的干物质含量

表2.七个等级茶叶样本的干物质含量

表3.绿茶初制工艺中八类样本的干物质含量

(2)获取上述各茶叶样本在11个特征波长处的漫反射光谱反射率：

在室温下测定各茶叶样本在404nm、409nm、421nm、461nm、676nm、 695nm、710nm、733nm、755nm、972nm和1036nm处的漫反射光谱反射 率，该光谱由美国ASD公司的Handheld Field Spec光谱仪扫描得到，光源 是与光谱仪配套的14.5V卤素灯。另外用该光谱仪自带的软件ASD View Spec Pro来采集光谱数据。

(3)把上述各茶叶样本的漫反射光谱反射率转换成吸光度：

基于所获取的茶叶样本的漫反射光谱反射率，依据公式A＝log(1/R)， 即可得到茶叶样本在这11个特征波长处的吸光度值。其中，A为吸光度， R为漫反射光谱反射率。

(4)把上述各茶叶样本在11个特征波长处的吸光度值代入式(I)，计 算得到上述各茶叶样本的干物质含量：

Y_干物质＝1.083-1.794λ₄₀₄+1.079λ₄₀₉+1.415λ₄₂₁-1.684λ₄₆₁+1.384λ₆₇₆- 2.548λ₆₉₅+4.910λ₇₁₀-10.245λ₇₃₃+10.905λ₇₅₅-11.692λ₉₇₂+7.987λ₁₀₃₆(I)

式(I)中，Y_干物质为茶叶样本的干物质含量的检测值，λ₄₀₄为茶叶样本在 波长404nm处的吸光度，λ₄₀₉为茶叶样本在波长409nm处的吸光度，λ₄₂₁为 茶叶样本在波长421nm处的吸光度，λ₄₆₁为茶叶样本在波长461nm处的吸 光度，λ₆₇₆为茶叶样本在波长676nm处的吸光度，λ₆₉₅为茶叶样本在波长 695nm处的吸光度，λ₇₁₀为茶叶样本在波长710nm处的吸光度，λ₇₃₃为茶叶 样本在波长733nm处的吸光度，λ₇₅₅为茶叶样本在波长755nm处的吸光度， λ₉₇₂为茶叶样本在波长972nm处的吸光度，λ₁₀₃₆为茶叶样本在波长1036nm 处的吸光度。

上述式(I)为以这11个特征波长处的吸光度值作为自变量，干物质含 量作为因变量建立的多元线性回归模型。

为了验证上述检测方法的有效性和可靠性，把上述的736个样本分成由 490个样本组成的建模集和余下246个样本组成的预测集。建模集和预测集 的划分方法如下：首先按照干物质含量的高低对各个类型样本进行排序， 然后按照2∶1的比例，依次取出样本分别作为建模集样本和预测集样本。

采用上述方法分别对建模集样本和预测集样本的干物质含量进行检测， 得到检测值；同时，获取建模集样本和预测集样本的干物质含量的实际值。 以上获取的检测值和实际值均记录在图1和图2中。

图1中，每个点代表建模集中的一个样本，横坐标代表建模集样本的干 物质含量实际值，纵坐标代表采用上述方法得到的建模集样本的干物质含 量检测值。从图1可以看出，采用上述方法得到的建模集样本的干物质含 量检测值与实际值呈明显的线性关系，且相关系数高达0.964，表明上述方 法是可靠的。图2中，每个点代表预测集中的一个样本，横坐标代表预测 集样本的干物质含量实际值，纵坐标代表采用上述方法得到的预测集样本 的干物质含量检测值。从图2可以看出，采用上述方法得到的预测集样本 的干物质含量检测值与实际值呈明显的线性关系，且相关系数高达0.945， 表明上述方法是可靠的。

以上验证结果的各参数如表4所示，建模集样本验证和预测集样本验证 的相关系数都大于0.94，均方根误差都小于0.085，表明上述的基于11个 特征波长检测茶叶干物质含量的方法是可行的。

表4.建模集样本验证和预测集样本验证结果