近紅外光譜（NIRS）技術(shù)在茶葉領(lǐng)域研究中的應(yīng)用與展望

任廣鑫，范起業(yè)，何鑫,2，李文萃,2，唐小林*

（1.中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州 310016；2.浙江大學(xué)茶葉系，浙江杭州 310058）

近紅外光譜（NIRS）技術(shù)在茶葉領(lǐng)域研究中的應(yīng)用與展望

任廣鑫1，范起業(yè)1，何鑫1,2，李文萃1,2，唐小林1*

（1.中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州 310016；2.浙江大學(xué)茶葉系，浙江杭州 310058）

從傳統(tǒng)茶葉品質(zhì)檢測手段與評價方法的局限性著手，闡述了近紅外光譜技術(shù)的原理及其在茶葉品質(zhì)成分定量分析和茶葉定性識別領(lǐng)域中的研究概況，并對該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和國產(chǎn)近紅外光譜儀器的應(yīng)用前景進行了展望，為近紅外光譜技術(shù)在茶葉領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展提供參考依據(jù)。

近紅外光譜技術(shù)，茶葉，品質(zhì)，展望

中國茶葉加工 2013，（1）:20～24，29

目前，茶葉品質(zhì)檢測與評價方法主要依賴感官審評和理化分析。感官審評是利用訓(xùn)練有素的專業(yè)人員的視覺、嗅覺、味覺和觸覺等感覺器官，結(jié)合專業(yè)知識和經(jīng)驗，通過茶葉的外觀和內(nèi)質(zhì)來評判茶葉品質(zhì)的優(yōu)劣。然而，感官審評的結(jié)果易受經(jīng)驗、身體狀況、精神狀態(tài)等主觀因素及地域環(huán)境等客觀因素的干擾，從而影響評判結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性。理化分析是利用傳統(tǒng)化學(xué)分析方法檢測茶葉中理化成分的含量來評判茶葉品質(zhì)的方法，通常需要借助高效液相色譜（HPLC）[1,2]、氣相色譜（GC）[3]、毛細(xì)管電泳(CE)[4]及分光光度計[5]等儀器條件。從客觀上講，理化分析的結(jié)果可信度較高，但因理化成分含量和茶葉品質(zhì)專一屬性或內(nèi)在化學(xué)信息無法建立準(zhǔn)確的數(shù)量關(guān)系，且其操作復(fù)雜、需破壞樣品、檢測時間長、成本高，不利于茶葉加工過程中的在線監(jiān)測及流通中理化成分的快速無損檢測與品質(zhì)評估。因此，研究和開發(fā)一種既準(zhǔn)確、穩(wěn)定，又便捷、快速，能夠表征茶葉品質(zhì)專屬特征，適應(yīng)生產(chǎn)、加工、檢驗各環(huán)節(jié)的茶葉品質(zhì)檢測技術(shù)與評價方法顯得尤為重要。近紅外光譜（near-infrared spectroscopy,NIRS）分析技術(shù)是近年來新興的一種分析與研究手段，因具有分析速度快，產(chǎn)出多，不破壞樣品，適于產(chǎn)品的在線分析等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)[6]、食品[7,8]、醫(yī)藥[9,10]、石化[11]等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為有望彌補甚至替代傳統(tǒng)分析方法的一種測試技術(shù)。本文介紹了NIRS的原理，著重論述了NIRS在茶葉領(lǐng)域的研究進展及該技術(shù)的應(yīng)用前景，旨在為NIRS在我國茶葉品質(zhì)保真與成分分析中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 近紅外光譜技術(shù)的原理

近紅外（NIR）光譜區(qū)域作為人類最早探索出的非可見光譜區(qū)域，距今有200多年的歷史。它介于中紅外光區(qū)（MIR）與可見光區(qū)（VIS）之間，波數(shù)范圍為4000～14285cm-1[12]。近紅外光譜屬于分子振動光譜，是由于分子基頻振動能級的躍遷（同時伴隨轉(zhuǎn)動能級躍遷）而產(chǎn)生的，其核心部分是分子非諧振動的倍頻和組合頻信息。而非諧性最高的化學(xué)鍵是那些含有最輕原子即氫原子的化學(xué)鍵。因此，在近紅外光譜區(qū)域中與XHn（C-H、O-H、N-H等）官能團有關(guān)的吸收譜帶占主導(dǎo)地位[13]，近紅外反射光譜就是利用有機物中含有氫原子的C-H（甲基、亞甲基、甲氧基、羧基和芳基等）、N-H（伯胺、仲胺和叔胺）和O-H等化學(xué)鍵的振動或轉(zhuǎn)動，以漫反射方式獲得在近紅外區(qū)的吸收光譜。

應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)進行樣品的定量分析和定性識別的關(guān)鍵是在標(biāo)準(zhǔn)方法測得的理化指標(biāo)含量與采集的光譜吸光度（或其變換）之間建立一種定量的函數(shù)關(guān)系或根據(jù)光譜特征信息及相似程度建立一種定性的分類關(guān)系。依賴建立的定量或定性模型，通過采集未知樣品的光譜來實現(xiàn)對其相應(yīng)組分含量的快速檢測或其歸屬的判定。

2 近紅外光譜技術(shù)在茶葉上的研究進展

國際上，應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)在茶葉領(lǐng)域始于20世紀(jì)70年代，日本學(xué)者最早運用該技術(shù)于茶葉理化指標(biāo)含量的無損檢測分析，并開發(fā)了專用分析儀器，用于茶葉的品質(zhì)管理。1988年，英國學(xué)者運用近紅外分析技術(shù)定性識別了商業(yè)紅茶[14]。同年，Hall（英國）等[15]應(yīng)用近紅外技術(shù)分析紅茶的含水量和茶黃素的含量來評價紅茶的品質(zhì)。1999年，Schulz（德國）等[16]利用近紅外光譜技術(shù)建立了綠茶中茶多酚、氨基酸、咖啡堿和可可堿的定量分析模型。

我國將近紅外光譜技術(shù)用于茶葉的研究工作開始于20世紀(jì)80年代中后期。1987年，閻守和[17]首先將該技術(shù)應(yīng)用于茶葉中理化成分的分析，通過Van soest法和近紅外法檢測了31個中國標(biāo)準(zhǔn)茶樣的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量。結(jié)果表明，NIRS法具有準(zhǔn)確、快速、自動化程度高等優(yōu)點。1988年，夏賢明等[18]將近紅外光譜與多元回歸方法相結(jié)合建立了綠茶中全氮量的回歸模型，并經(jīng)t檢驗，近紅外法和標(biāo)準(zhǔn)法測定結(jié)果無顯著性差異，從而證明了近紅外光譜技術(shù)檢測綠茶全氮含量是可行的。1989年，丁寧等[19]運用該技術(shù)，檢測了綠茶咖啡堿的含量。同年，夏賢明等[20]又將該技術(shù)用于優(yōu)選綠茶品質(zhì)成分的特征吸收波長，建立了綠茶中游離氨基酸、茶多酚總量的定量模型。

近年來，隨著光學(xué)、計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)和化學(xué)計量學(xué)理論的發(fā)展及其在近紅外設(shè)備與技術(shù)上的應(yīng)用，使現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)得到迅速發(fā)展，其實用性和準(zhǔn)確性不斷提高，應(yīng)用范圍越來越廣。國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)于茶葉上的研究做了大量的工作，并取得了一定的進展。

2.1 茶葉成分的檢測分析

近紅外分析技術(shù)在茶葉成分無損檢測上的應(yīng)用已有大量文獻(xiàn)報道，涉及的內(nèi)容包括對茶葉中多酚類[21]、氨基酸[22]、咖啡堿[23]、水浸出物[24]、兒茶素組分[25]等成分及茶湯內(nèi)含物與滋味品質(zhì)的分析。如2009年，Chen Quansheng等[26]利用近紅外光譜結(jié)合多元校正方法建立了綠茶中兒茶素組分（EGC、EC、EGCG和ECG）的預(yù)測模型，得到實測值與預(yù)測值具有較高的線性相關(guān)性。結(jié)果表明，應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)可以快速、同步地檢測綠茶中多種兒茶素單體的含量。2011年，王玉霞等[27]以沖泡的方式建立了綠茶茶湯中水浸出物、茶多酚、氨基酸、可溶性糖和咖啡堿等11個品質(zhì)成分的校正模型。結(jié)果表明，除ECG和GA外，其余模型的決定系數(shù)均在95%以上，相對分析誤差（RPD）均大于3，模型具有較高的穩(wěn)定性和預(yù)測準(zhǔn)確性。同年，吳瑞梅等[28]將近紅外技術(shù)用于綠茶滋味品質(zhì)的快速檢測，采用聯(lián)合區(qū)間偏最小二乘法（siPLS）篩選特征子區(qū)間，利用遺傳算法（GA）在特征子區(qū)間內(nèi)優(yōu)選特征變量，得到模型預(yù)測集相關(guān)系數(shù)(Rp)為0.8908，預(yù)測均方根誤差（RMSEP）為4.66。研究表明，利用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合siPLS-GA算法檢測綠茶滋味品質(zhì)是可行的。

2.2 茶葉品種和產(chǎn)地識別

2007年，Chen Quansheng等[29]應(yīng)用NIRS技術(shù)結(jié)合支持向量機（SVM）判別方法對綠茶、紅茶和烏龍茶進行了鑒別的可行性研究，得到三類茶的識別準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上，有效地實現(xiàn)了對不同茶類的快速識別。2009年，廖步巖等[30]將近紅外光譜與化學(xué)計量學(xué)方法相結(jié)合對安徽省的炒青、汀溪蘭香、玉露銀峰和毛峰等4種茶葉進行了鑒別，獲得了較為滿意的結(jié)果。同年，周健等[31]利用近紅外光譜結(jié)合Fisher判定方法對成品茶的原料品種進行了識別分析，得到預(yù)測集樣本的識別準(zhǔn)確率達(dá)到93.5%，證實了利用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法識別成品茶原料品種的可行性。2010年，周健等[32]以近紅外分析技術(shù)為基礎(chǔ)，將PLS與歐式距離法組合實現(xiàn)了對茶葉特殊原料品種加工成茶葉的識別及成品茶的品種溯源。

2.3 茶葉真?zhèn)舞b別

應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)可以實現(xiàn)茶葉的真?zhèn)舞b別。2006年，陳全勝等[33]利用近紅外分析技術(shù)結(jié)合支持向量機（SVM）模式識別原理建立了碧螺春茶真?zhèn)舞b別模型，對訓(xùn)練集茶葉樣本的回判鑒別率達(dá)到93.48%，對預(yù)測集獨立樣本的預(yù)測鑒別率達(dá)到84.44%。2008年，周健[34]利用近紅外技術(shù)結(jié)合偏最小二乘法建立了定性模型，實現(xiàn)了對西湖龍井茶真?zhèn)蔚蔫b別。2009年，周健等[35]利用近紅外指紋圖譜分析了滇青、青餅和普洱茶（熟餅），采用主成分分析和系統(tǒng)聚類等分析方法實現(xiàn)了對三類茶的定性判別。2012年，Wei He等[36]將近紅外光譜數(shù)據(jù)與偏最小二乘分析及歐式距離方法相結(jié)合定性區(qū)分了西湖龍井、錢塘龍井、越州龍井和其他產(chǎn)地的龍井，對未知樣品的識別準(zhǔn)確率達(dá)到了96%以上。

2.4 茶葉等級評價

近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于茶葉等級評價的研究工作相對較少，閻守和是最早進行該方面研究工作的學(xué)者。2005年，閻守和[37]通過感官審評對上海茶葉進出口公司提供的48個國家出口標(biāo)準(zhǔn)樣及相應(yīng)的省級標(biāo)準(zhǔn)樣進行了等級評價。以國家標(biāo)準(zhǔn)樣作為訓(xùn)練集，建立回歸方程，對省級標(biāo)準(zhǔn)樣進行預(yù)測，得到相關(guān)系數(shù)為0.925，錯判樣品數(shù)為9.68%。2006年，閻守和[38]以日本的煎茶、玉露茶、布隆迪的紅碎茶和德國的紅茶為原料，嘗試運用NIRS技術(shù)評估了茶葉品質(zhì)和商品售價。結(jié)果顯示，NIRS技術(shù)得到的結(jié)果和審評者提供的審評結(jié)果以及茶葉市場售價之間存在較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.961。結(jié)果表明，利用近紅外光譜分析技術(shù)劃分茶葉等級和判定茶葉價格是可行的。

2.5 茶鮮葉原料的質(zhì)量檢測

日本是最早應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)于該方面研究的國家。1992年，後藤正利用NIRS法成功對茶鮮葉中的茶多酚、咖啡堿和氨基酸等成分含量進行了預(yù)測[34]。2006年，Smiechowska M（波蘭）等[39]經(jīng)過實驗證明了茶鮮葉質(zhì)量越好，其粗纖維含量越低。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究工作相對較少。2010年，王勝鵬等[40]采用偏最小二乘（PLS）算法，建立了茶鮮葉中含水量、粗纖維總量和全氮量的定量模型。提出了基于鮮葉含水量、粗纖維總量和全氮量的茶鮮葉原料的質(zhì)量系數(shù)方程，得出了鮮葉的質(zhì)量系數(shù)，并證明鮮葉質(zhì)量系數(shù)越大，其質(zhì)量越高。2011年，Zhang Zhengzhu等[41]應(yīng)用NIRS-PLS法于幼嫩芽葉組成性質(zhì)的評價與質(zhì)量評估，獲得了較好的結(jié)果。

2.6 茶葉深加工方面的應(yīng)用

茶葉深加工是茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。近年來，近紅外光譜技術(shù)在該方面（茶飲料、速溶茶粉）的研究報道屢見不鮮。2007年，Li Xiaoli等[42]運用近紅外光譜技術(shù)于茶飲料中可溶性固體含量的快速無損檢測，通過PLS法和多元線性回歸方法建立校正模型，得到的參考數(shù)據(jù)與近紅外數(shù)據(jù)之間具有較高的線性相關(guān)性和較低的交互驗證標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果表明，應(yīng)用NIRS技術(shù)可以實現(xiàn)對茶飲料中可溶性固體含量的快速無損檢測。2009年，Liu Fei等[43]利用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法對速溶奶茶進行了分類識別，并取得了較好的識別結(jié)果和精度。

3 近紅外光譜技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的展望

近紅外光譜技術(shù)是近年來發(fā)展迅猛的高新分析測試技術(shù)之一，憑借其獨有的特點，廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。目前，該方法已被國際谷物科技協(xié)會（International Association for Cereal Science and Technology,ICC）、美國谷物化學(xué)家協(xié)會（American Association of Cereal Chemists,AACC）、美國分析化學(xué)家協(xié)會（American Association of Official Analytical Chemists,AOAC）等協(xié)會納入為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在歐美發(fā)達(dá)國家藥典如美國藥典（United States Pharmacopoeia,USP）里均收錄有近紅外光譜法。然而，我國在近紅外光譜技術(shù)方面的應(yīng)用起步較晚。近年來，為適應(yīng)經(jīng)濟全球化與發(fā)展的需要，我國在谷物、糧油和飼料檢驗等領(lǐng)域相繼發(fā)布了近紅外法的國家、地方及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。隨著國產(chǎn)近紅外光譜儀的研制與生產(chǎn)，近紅外光譜技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究與制定范圍勢必越來越廣。

表1 近紅外光譜法的檢測標(biāo)準(zhǔn)Table1Standard methods for determination of NIR spectroscopy

4 國產(chǎn)近紅外光譜儀器的研制與應(yīng)用前景

我國近紅外光譜儀器的研制工作起步較晚，與歐美發(fā)達(dá)國家相比，發(fā)展速度較為緩慢。但近年來，國產(chǎn)近紅外光譜儀器及軟件開發(fā)已取得了一定的成績。2010年，張學(xué)鋒等[44]應(yīng)用聚光科技股份有限公司自主研發(fā)的近紅外漫反射光譜分析儀SupNIR-2700（圖1）建立了菜籽的含水量、蛋白質(zhì)、硫苷含量、含油量、脂肪酸以及菜粕含水量、蛋白質(zhì)和含油量等成分的預(yù)測模型。結(jié)果顯示，近紅外預(yù)測值與標(biāo)準(zhǔn)法檢測結(jié)果相關(guān)性好、準(zhǔn)確度高，國產(chǎn)化的近紅外分析儀可滿足油脂企業(yè)對菜籽和菜粕產(chǎn)品的質(zhì)量控制要求。2011年，王勝鵬等[40]提出了一款新型的茶鮮葉質(zhì)量近紅外分析儀（圖2），利用該儀器分析并建立加工中收購的茶鮮葉質(zhì)量系數(shù)與實際收購價格的關(guān)聯(lián)，進而獲得原料收購定價指標(biāo)體系，該儀器可用于茶鮮葉原料市場交易中的公平定價。隨著國產(chǎn)近紅外儀器整體性能的提升與發(fā)展，國內(nèi)各企業(yè)、學(xué)校及研究機構(gòu)不必再依賴造價昂貴的進口儀器。在未來，價廉物美的國產(chǎn)近紅外光譜儀器在各行業(yè)的實際應(yīng)用必將有著巨大的發(fā)展?jié)摿εc市場前景。

圖1 一種新型國產(chǎn)化的近紅外光譜分析儀Fig.1A novel domestic near-infrared spectrometer

圖2 一款新型的茶鮮葉質(zhì)量近紅外分析儀Fig.2A novel analyzer equipped with a NIR system for predicting the quality of tea materials

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Application and Prospect of Near-infrared Spectroscopy Technology in Tea Research

REN Guang-xin1,FAN Qi-ye1,HE Xin1,2,LI Wen-cui1,2,TANG Xiao-lin1*

(1.Hangzhou Tea Research Institute,CHINA COOP,Hangzhou 310016,China;2.Department of Tea Science,Zhejiang University, Hangzhou 310058,China)

Traditional methods of tea quality inspection and assessment have some limitations.This paper expounded the principles of near-infrared spectroscopy(NIRS)technology and its research advance on quantitative analysis and identification of tea.The promising applications of NIRS technology standardization and the domestic near infrared spectrometers were also prospected.The study provided reference for the application and development of NIRS technology in tea.

Near-infrared spectroscopy technology,Tea,Quality,Prospect

2012-11-05

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2011BAD01B03-4）

任廣鑫（1985-），男，遼寧丹東人，碩士，主要從事茶葉加工與化學(xué)及裝備技術(shù)方向的研究。

*通訊作者：dcshu@126.com