近紅外光譜分析(NIR)無(wú)損快速檢測(cè)茶葉中咖啡堿含量模型研究

周昌海， 吳 暢， 林其斌， 葛 浩

(1.滁州學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，四川 重慶 400054)

咖啡堿是一種生物堿類(lèi)物質(zhì)，它在茶葉中的含量一般為(2%～5%)?？扇苡谒?，刺激大腦神經(jīng)，起到提神、醒腦作用[1]。不同種茶葉所含有的咖啡堿含量有所不同。比較經(jīng)典的測(cè)定方法有比色滴定法、氣相色譜法和高效液相色譜法[2-3]等。其中色譜法是一種分析和分離方法，以高效液相色譜法較為常用，但設(shè)備昂貴。紫外分光光度法可根據(jù)咖啡堿的吸收峰進(jìn)行定量分析[4-7]。這種方法雖然較簡(jiǎn)單，但是操作復(fù)雜費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近紅外光譜技術(shù)利用氫氧基團(tuán)的倍頻和合頻吸收，結(jié)合現(xiàn)代化學(xué)計(jì)量法,能夠?qū)崿F(xiàn)咖啡堿濃度和特征吸收峰模型建立，據(jù)此可以對(duì)該化學(xué)物質(zhì)成分以及性質(zhì)進(jìn)行定量分析。韓立蘋(píng)等通過(guò)多元回歸分析法對(duì)多組綠茶樣品成分進(jìn)行分析，分別對(duì)茶氨酸、含氮量、茶多酚以及咖啡堿成分模型進(jìn)行定量分析[8]。根據(jù)成分濃度和特征吸收峰建立各成分模型的相關(guān)系數(shù)和預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差。其中咖啡堿(r=0.917，s=1.29)、茶多酚(r=0.998，s=0.146)并經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，近紅外法和化學(xué)法測(cè)定結(jié)果無(wú)明顯差異。邵美麗等人通過(guò)變量篩選方法在近紅外波段測(cè)量茶葉中咖啡堿含量并且建立咖啡堿定量分析模型，取得了很好的效果[9]。王毅等利用光譜預(yù)處理方法結(jié)合最小二乘法和遺傳算法將光譜區(qū)間分為40個(gè)子區(qū)間，建立了咖啡堿預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)和均方根誤差分別為0.978、0.22[10]。本文采用近紅外光譜檢測(cè)法，通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)平滑處理前后,優(yōu)化和進(jìn)行比較茶葉光譜，以期建立低成本、無(wú)損且快速準(zhǔn)確的近紅外檢測(cè)。

1 材料與方法

1.1 供試儀器和材料

電子天平(PPT-A500天津利朗稱(chēng)重設(shè)備科技有限公司)、數(shù)顯恒溫水浴鍋(單孔HH-1深圳鼎鑫宜實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、電熱鼓風(fēng)干燥箱(XMTA-7000P重慶銀河實(shí)驗(yàn)儀器)、循環(huán)水式多用真空泵(SHZ-D鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)、蒸餾儀(SHZ32-400 上海析域儀器設(shè)備有限公司)、紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(TU-1901北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)、N2S分光光度計(jì)(上海儀電分析儀器有限公司)。

乙酸鉛溶液(20 g/L 天津市鼎盛鑫化工有限公司)，供試茶葉樣品(來(lái)自四川蒙山一帶的碧螺春)由重慶市進(jìn)出口檢驗(yàn)檢疫局和重慶市茶葉研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

表1 20組不同濃度的咖啡堿

供試茶葉樣品在使用前密封,將其放置室溫下2 h，待溫度穩(wěn)定時(shí)，稱(chēng)取樣品2 g，共10組，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8303-2002的規(guī)定，將樣品磨碎為150 μm粉末，粉末顆粒直徑大小基本保持一致。化學(xué)值濃度嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)GB/T8313-2002方法測(cè)定，并且對(duì)每組樣品重復(fù)測(cè)量5次，取平均值，20組不同濃度的咖啡堿含量(表1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜數(shù)據(jù)處理

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1 800～2 500 nm左右，它是近紅外光譜的合頻譜區(qū)，在這個(gè)波段建立的模型較為精確，因此，試驗(yàn)選擇在這個(gè)波段下建立茶葉品質(zhì)分析的數(shù)學(xué)模型。由此得到不同種茶葉不同成分的近紅外光譜圖，但在2 300～2 500 nm的光譜曲線趨于平緩，故試驗(yàn)最后選取1 800～2 300 nm波段的光譜曲線進(jìn)行分析(圖1)。

圖1 光譜預(yù)處理前的咖啡堿近紅外光譜吸收?qǐng)D

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)噪聲、光程差、表面散射等因素對(duì)各成分的特征吸收峰有一定的干擾，擬采用一階導(dǎo)數(shù)、SNV以及五點(diǎn)三次平滑[10]等處理方法對(duì)各成分光譜進(jìn)行預(yù)處理，其中以五點(diǎn)三次平滑處理最優(yōu)(圖2)。

圖2 不同濃度的咖啡堿三次平滑處理后的近紅外光譜吸收?qǐng)D

經(jīng)過(guò)圖1和圖2預(yù)處理前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用五點(diǎn)三次平滑處理后的咖啡堿光譜的特征吸收峰較明顯，光譜較為平滑。預(yù)處理前后各成分含量與吸收度基于PLS[11]所建立的模型的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差(表2)。

表2 未作處理和不同預(yù)處理的光譜模型相關(guān)系數(shù)和均方根誤差對(duì)比

由表2可知，采用五點(diǎn)三次平滑預(yù)處理方法建立的茶葉咖啡堿近紅外光譜模型相關(guān)系數(shù)和均方根誤差效果更佳[12]。茶葉中的水分子的O-H基團(tuán)的倍頻和基頻吸收區(qū)域位于近紅外波段，據(jù)資料顯示其特征吸收峰位于1 935～2 081 nm處 ，這完全避免了水分子對(duì)咖啡堿特征吸收峰的影響[13]。由圖2并結(jié)合matlab軟件導(dǎo)出咖啡堿在1 900 nm和2 212 nm處有明顯的特征吸收峰，避開(kāi)了水分子吸收峰的干擾，圖3和圖4分別茶葉中咖啡堿含量在1 900 nm和2 212 nm處的預(yù)測(cè)模型。

圖3 1 900 nm處咖啡堿含量預(yù)測(cè)模型

2.2 結(jié)果分析

通過(guò)matlab軟件分析在2 212 nm處建立的預(yù)測(cè)模型(相關(guān)系數(shù)：0.986 4，均方根誤差：0.002 08)較1 900 nm處的咖啡堿預(yù)測(cè)模型(相關(guān)系數(shù)：0.931 7,均方根誤差：0.074 89)最優(yōu)。圖5可直觀反映出咖啡堿含量的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的相關(guān)關(guān)系。

圖5 咖啡堿含量預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的相關(guān)關(guān)系圖

3 結(jié)論與討論

由試驗(yàn)可知，在1 800～2 500 nm波段時(shí)茶多酚與咖啡堿才有明顯的光譜信息和吸收峰，采用五點(diǎn)三次平滑處理的預(yù)處理方法對(duì)茶葉的近紅外光譜吸收?qǐng)D進(jìn)行去噪，可使得茶多酚與咖啡堿的光譜吸收?qǐng)D變得更加平滑，并且吸收峰變得更加明顯[14]。通過(guò)運(yùn)用分光光度計(jì)和Matlab軟件分析相結(jié)合處理咖啡堿特征吸收峰，實(shí)現(xiàn)了對(duì)茶葉成分的定量分析，可在此基礎(chǔ)上建立茶葉成分咖啡堿與其光譜吸收強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型。

當(dāng)今社會(huì)人們對(duì)各個(gè)檢測(cè)行業(yè)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，茶葉品質(zhì)也不例外，咖啡堿作為茶葉主成分之一，它能夠刺激人的大腦神經(jīng)，起到提神醒腦的作用。本文提出一種無(wú)損快速有效的茶葉成分檢測(cè)方法，并結(jié)合化學(xué)計(jì)量法建立其咖啡堿光譜吸收峰和成分含量預(yù)測(cè)模型，以期為茶葉行業(yè)的品質(zhì)檢測(cè)提供理論依據(jù)。