利用色度儀棉糖分級與定量檢測方法研究

李 帥，買合布熱提古麗·艾尼瓦爾, 劉 瑞，賈麗霞，賈 冬

(1. 新疆大學，新疆 烏魯木齊 830046; 2. 新疆維吾爾自治區(qū)纖維檢驗局，新疆 烏魯木齊 830026)

1 引 言

棉糖是指棉花含有的可溶性糖分總量，其中包括自身含有的生化性糖(內糖)和附在纖維表面的外源物質糖類(外糖)。棉糖的種類與數量雖然不是棉花強制檢測項目，但由于在一定程度上影響棉花公檢質量與紡紗性能等問題，早已受到棉花種植以及紡織生產部門的重視[1]。目前，國內外已有多套有關棉花纖維含糖雜質的定性或定量檢測方法，但方便快捷、準確穩(wěn)定、容易實現的儀器檢驗方法相對匱乏[2～4]。針對目前國內常用的色卡比色法(SN/T 0311.2—2010)[5]以及分光定量法(GB/T 13785—2008)，本文擬采用紡織印染業(yè)常用的色度儀，旨在建立數字化的棉糖比色卡，以及多個色度參數與標準D果糖的對應關系，并探討這種棉糖的色度分級法(chromatic grading testing method，CGTM)以及色度定量法(chromatic quantitative testing method，CQTM)的可行性[6]。

2 實驗方法

2.1 CGTM

參照SN/T 0311.2—2010《進出口棉纖維含糖量檢驗方法 第2部分:色卡比色法》中棉樣準備、顯色液選擇、分級方法等[5];CGTM與色卡比色法的差別是：評定等級依據不是標準比色卡，而是色度儀測定的混合糖標準溶液顯色液(D果糖與葡萄糖混配)或棉樣顯色液的色度參數。除脂肪酸烷醇酰胺為工業(yè)級外，其他試劑均為化學純。

2.2 CQTM

參照GB/T 16258—2008《棉纖維含糖試驗方法 定量法》中原棉回潮率、空白溶液與D果糖標準溶液配置、棉樣溶液的提取、試樣含糖率的計算等[7]；CQTM與定量法的差別是：定量依據不是分光光度計在425 nm處測定的吸光度A，而是色度儀測定的空白溶液、D果糖標準溶液、棉樣溶液的色度參數。

2.3 色度參數的測定

根據GB 8424.1—2001《紡織品顏色和色差的測定方法》，在測色配色儀UltraScan PRO(美國Hunter Lab公司)上測定空白溶液、D果糖標準溶液、混合糖標準溶液顯色液的色度參數，包括顏色三刺激值：X、Y與Z；色品坐標：a*與b*；顏色屬性：飽和度C*、明度L*、色相角h*；以及透射率T、色差dE*、染色深度K/S值等[8]。

2.4 數據處理與分析。

采用SPSS(Statistical Product and Service Solutions)21.0軟件以及Origin8.0軟件進行色度參數的處理與分析[9,10]。

3 結果與討論

3.1 CGTM

3.1.1 色相角與標準含糖量關系

圖1 色相角h*與混合糖量質量濃度的關系Fig.1 Relationship between h* and mixed sugar content

色卡比色法利用棉糖或水解棉糖所具有的還原性，會使顯色劑溶液中的Cu2+還原成Cu+，生成絡合物與氧化亞銅沉淀。圖1為以混合糖標準溶液顯色液的糖質量濃度C為橫坐標，以色相角h*為縱坐標繪制的關系圖。由圖1可以看出：隨著混合糖質量濃度的增加，色相角h*逐步從第三象限變?yōu)榈谝幌笙?，說明混合糖標準溶液顯色液的色相發(fā)生了變化。

3.1.2 色品坐標與標準含糖量關系

圖2為一定質量濃度的混合糖標準溶液的色品坐標a*-b*圖，相應的色品坐標的擬合和方差分析結果見表1、表2?？梢钥闯觯弘S著混合糖質量濃度的增加，色品坐標a*與b*的關系呈現一定的規(guī)律，坐標a*<0，b*與a*基本呈線性關系，R2為0.996 73，方差分析結果顯示擬合效果顯著；隨著b*的增加，其與a*的線性關系很差，R2僅為0.038 75，方差分析結果顯示擬合效果不顯著[11，12]。綜合考慮，本文選取色相角h*、色品坐標a*與b*對定性比色方法進行數字化描述。

圖2 混合糖標準顯色液的色品坐標Fig.2 Chromaticity coordinates of the standard color solution with mixed sugar

3.1.3 CGTM評級標準的確定

綜合考慮，確定用色度法比色評級的依據見表3，即在糖質量濃度小于0.200 mg/mL時，與SN/T 0311.2—2010相比，一是可用a*、b*與h*等色度參數對定性顏色(藍～橙紅)進行數字化描述;二是可取消比色樣卡的使用;三是可根據測定的含糖量對應出相應的定性等級。在實際應用中，可平行評定3～5個棉樣，然后按平均級數進行描述。

3.2 CQTM

3.2.1 色度法換算吸光度擬合

針對2個批次D果糖標準溶液，圖3(a)是按照GB/T 16258—2008繪制的標準工作曲線；圖3(b)是通過色度儀測定的相應顯色液的透過率，換算成吸光度A′所做的線性擬合方程。可以看出：與分光光度法相比，色度法的吸光度也與含糖量成線性關系；但在擬合方程的數據分析顯示斜率、截距與相關系數均有偏差，而且不同批次測定波動也較大，同批次的誤差略小，不同批次的差異相對更大。因此，為減少誤差，本文放棄間接換算A′等參數。

表1 色品坐標a*,b*的擬合結果Tab.1 Fitting results of chromatic coordinates a*, b*

表2 方差分析結果Tab.2 The results of analysis of variance

表3 CGTM評級標準Tab.3 Colorimetric grating standard on CGTM

圖3 色度法換算吸光度擬合結果Fig.3 The linear fitting results of colorimetric conversion of absorbance

3.2.2 其它色度參數擬合

圖4～圖6分別為K/S、L*、C*和色差dE*的線性擬合結果。由圖看出具有與圖2或圖3同樣的規(guī)律：相應的色度參數與一定濃度范圍內的含糖量呈線性關系；單一色度參數的線性擬合有波動，會對擬合結果產生影響。經判斷，能夠與含糖量呈良好線性關系的色度參數包括K/S、L*、C*、dE*。

3.2.3 空白溶液對擬合的影響

選擇線性擬合程度相對較弱的黃度b*，了解空白溶液對其色度參數數值的影響以及對擬合方程的影響，見圖7。由圖7可以看出：無論是直接測量還是扣除空白，同批次線性擬合方程的斜率相同，差別在于截距有差異。因此，在進行色度法檢驗棉糖含量的研究中，也要充分考慮空白溶液對色度參數的影響，但在進行快速檢驗時，可略去空白溶液的影響。

圖4 色深值K/S的線性擬合結果Fig.4 The linear fitting results of K/S value

圖5 明度L*的線性擬合結果Fig.5 The linear fitting results of lightness L*

圖6 飽和度C*與色差dE*的線性擬合結果Fig.6 The linear fitting results of C* and dE*

圖7 黃度b*的線性擬合結果Fig.7 The linear fitting results of yellowness b*

3.3 棉花樣本檢驗實證

3.3.1 CGTM的實證

表4為根據表3判定棉樣的分級結果，根據表4的測定結果，對比表3色度法比色評定標準， 綜合評定3個棉樣等級為1.3級，相當于含糖量小于0.10 mg/mL或小于0.50%。在后繼的研究中還需要通過大量的棉樣重復驗證以及標準的修訂以增加比色方法的適用性。

3.3.2 CQTM的實證

表5是3個平行棉樣通過色度參數描述的含糖量，包括A′、L*、C*、b*、K/S、dE*等，其中A′是通過色度儀測定的透射率T進行換算的吸光度。通過比較可知：雖然色度參數可以用以評價棉糖含量，但同批次不同色度參數的擬合數據存在較大的波動。此外通過誤差方差等同性的Levene檢驗，由于顯著性檢驗的Sig[顯著性(單側)]值小于0.10，所以在0.01的顯著水平上，認為5種擬合方法的方差對含糖率有顯著性的差異；通過主體間效應檢驗的Sig值，認為擬合方法、含糖濃度、擬合方法與含糖質量濃度的交互作用，對棉花含糖率的影響都是顯著的。

表4 根據表3判定棉樣的分級結果Tab.4 Results of grading of cotton samples according to table 3

4 結 論

(1) CGTM能夠通過色度儀將標準SN/T 0311.2—2010中的含糖1～5級的藍色、綠色、草綠、土黃、橙紅用色度參數(a*，b*，h*)進行描述，并建立起含糖等級1～5與色度參數的對應關系，可以實現基于色度參數的數字比色與分級，為棉糖的數字化的描述、比對與傳輸提供了可能。

(2) CQTM能通過色度儀測定標準GB/T 16258—2008中的3,5-二羥基甲苯-硫酸標準顯色液色度參數，并用A′，L*，C*，b*，K/S，dE*等色度參數表征棉花含糖量，可以實現基于色度參數的棉糖定量檢驗；但與分光定量法類似，同樣存在不同色度參數與標準糖溶液的線性擬合波動性大或一致性差等問題，在今后的研究中需要加以改進。

表5 色度法擬合的棉糖含量Tab.5 The content of cotton sugar by chromatic method