顆粒形綠茶的物理特性與外形品質(zhì)關(guān)聯(lián)性

郭 麗，余方林，趙 鋒，張 悅，朱 蔭，戴偉東，董春旺，林 智,

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，浙江 杭州 310008；2.福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建 福州 350002；3.浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

外形品質(zhì)是茶葉感官質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要因子，可以直觀地反映茶葉品質(zhì)的優(yōu)劣，尤其是名優(yōu)綠茶。名優(yōu)綠茶外形品質(zhì)通常采用人工感官審評(píng)，考察其嫩度、形態(tài)、色澤、凈雜、整碎情況等[1]，而儀器分析評(píng)價(jià)多選擇形狀、色澤、容重等參數(shù)作為評(píng)判綠茶加工技術(shù)可行性的重要指標(biāo)[2-6]，以及展示綠茶外形品質(zhì)的主要物理特性[7-9]。隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在茶葉生產(chǎn)中應(yīng)用的深入，目前條形綠茶、針芽形綠茶、卷曲形綠茶等的外形特征均可采用數(shù)字化信息技術(shù)分析，研究者也將其與人工評(píng)審?fù)庑纹焚|(zhì)總分作關(guān)聯(lián)性研究，并取得較好的效果。然而，綜合評(píng)分畢竟是一種整體性描述，在茶葉生產(chǎn)智能化過程中，茶產(chǎn)品的物理特征需要細(xì)化才更具有可操作性。若將其與人工審評(píng)總分進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，研究結(jié)果對(duì)生產(chǎn)技術(shù)和智能機(jī)械性能優(yōu)化的指導(dǎo)意義不大?；诖?，本研究以顆粒形綠茶為材料，針對(duì)茶產(chǎn)品的物理特性及其外形品質(zhì)細(xì)化指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性作進(jìn)一步研究。

顆粒形綠茶是一類馳名中外的中國(guó)綠茶，其制茶歷史悠久，既有以內(nèi)銷為主的顆粒形名優(yōu)綠茶，又有以外銷為主的大宗珠茶。其中顆粒形名優(yōu)綠茶具有獨(dú)特的外形，緊結(jié)重實(shí)成顆粒狀，呈勾曲形、盤花形、腰圓形等[10]，如此外形的綠茶主要有‘平水日鑄’、‘泉崗輝白’、‘羊巖勾青’、‘涌溪火青’、‘黟縣石墨’、‘金龍玉珠’、‘黃山松蘿’和‘貴州綠寶石’等。目前，顆粒形綠茶是機(jī)采鮮葉的適制茶類[11]，已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化加工，但還未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、連續(xù)化生產(chǎn)水平。制約的瓶頸即在造型上，因?yàn)橹破返暮?、色澤、嫩度、整齊度等指標(biāo)都會(huì)影響顆粒形綠茶的外形品質(zhì)。

然而，至今鮮見有關(guān)顆粒形綠茶物理特性的研究報(bào)道，這不利于推進(jìn)綠茶產(chǎn)區(qū)采制技術(shù)的智能化加工進(jìn)程。為此，本實(shí)驗(yàn)以顆粒形綠茶為材料，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、質(zhì)構(gòu)儀等研究其物理特性，運(yùn)用多元逐步回歸分析（multiple stepwise regression analysis，MSRA）法分析各參數(shù)與外形感官品質(zhì)因子的關(guān)聯(lián)性，查明影響顆粒形綠茶外形品質(zhì)的關(guān)鍵因子，以期為顆粒形綠茶的機(jī)械化加工及品質(zhì)提升提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而加快無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料

根據(jù)鮮葉成熟度及其成茶外形品質(zhì)，篩選出具有典型顆粒形綠茶的代表茶樣8 份，代表性卷曲形綠茶茶樣1 份（‘碧螺春’作為對(duì)照）。所選機(jī)制綠茶樣分別來自浙江、貴州、安徽和江蘇等省的主產(chǎn)地。詳細(xì)信息見表1。

表1 綠茶樣品的鮮葉成熟度及產(chǎn)地Table 1 Tea leaf maturities and geographical origins of green tea samples

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1.2 儀器與設(shè)備

EOS 5D數(shù)碼相機(jī) 日本佳能有限公司；T4900計(jì)算機(jī) 聯(lián)想集團(tuán)股份有限公司；TA-XT Plus物性測(cè)試儀英國(guó)Stable Micro Systems公司；茶葉圖像采集裝置為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所自制。

1.3 方法

1.3.1 茶樣的感官品質(zhì)審評(píng)

參考GB/T 23776—2018《茶葉感官審評(píng)方法》[12]，對(duì)茶樣進(jìn)行感官審評(píng)。其中，綠茶外形品質(zhì)的評(píng)價(jià)設(shè)置形狀、整齊度、色澤等評(píng)價(jià)因子，采用評(píng)語(yǔ)與評(píng)分相結(jié)合的方式審評(píng)。形狀、整齊度、色澤品質(zhì)因子的總分為100 分，各占外形品質(zhì)總分的1/3。因此，外形品質(zhì)（總分）＝1/3（形狀品質(zhì)評(píng)分+整齊度評(píng)分+色澤品質(zhì)評(píng)分）。

1.3.2 茶樣的圖像采集

為了減少外界環(huán)境對(duì)拍照過程的干擾，獲得較為穩(wěn)定的光源，自制了帶有內(nèi)部光源的暗箱（圖1）：長(zhǎng)×寬×高為32 cm×19 cm×23 cm，光源的功率為12 W。稱取茶葉（15.0±0.5）g，均勻平鋪在樣品池中（直徑為75 mm），使其緊密排列。數(shù)碼相機(jī)置于暗箱上方的觀測(cè)孔上。打開暗箱光源，調(diào)節(jié)攝像頭的光圈、焦距到合適位置，使茶葉成像清晰。最后采用白平衡自動(dòng)功能對(duì)攝像頭成像進(jìn)行標(biāo)定。每個(gè)茶樣成像后（3 次重復(fù)），將獲取的圖像特征導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖1 茶葉圖像采集裝置Fig. 1 Schematic of the tea image acquisition system

1.3.3 茶樣的圖像特征分析

茶樣成像為RGB彩色圖像，尺寸為3 888×2 592像素點(diǎn)（pt）。為便于后續(xù)圖像特征的提取，利用茶葉外形品質(zhì)分析軟件（軟件著作權(quán)：2013R11L181900）和茶葉視覺圖像采集分析軟件（軟件著作權(quán)：2013R11L181986）采集原始圖像中代表性區(qū)域的圖像特征參數(shù)，所用的選取工具是ROI。Red（R）、Green（G）、Blue（B）、色調(diào)Hue（H）、亮度（I）和飽和度（S）等為顏色特征參數(shù)。其中，R為紅色通道值，G為綠色通道值，B為藍(lán)色通道值，H描述顏色的特性，I描述顏色的明亮度，S描述顏色的飽和度；形狀特征指標(biāo)主要有面積、周長(zhǎng)、圓形度和形狀指數(shù)等。

1.3.4 茶樣的容重與百粒質(zhì)量分析

以容重與百粒質(zhì)量來衡量顆粒形和卷曲形綠茶的緊實(shí)度。容重的測(cè)量參考文獻(xiàn)[13]的方法，即將茶葉加入量筒，對(duì)茶樣進(jìn)行輕壓以減少縫隙，并撫平茶葉表面，使其與量筒刻度線齊平，先記錄茶樣的體積V，再稱取茶葉質(zhì)量m，后按式（1）計(jì)算茶葉的容重。每個(gè)樣本進(jìn)行3 次重復(fù)。

式中：γ為容重/（g/cm3）；m為茶葉質(zhì)量/g；V為茶葉體積/cm3。

1.3.5 茶樣的彈性與塑性測(cè)定

稱?。?0.0±0.5）g干茶樣品放入內(nèi)徑為50 mm透明圓筒容器中，稍微抖動(dòng)使干茶樣品表面齊平，然后置于質(zhì)構(gòu)儀的載物臺(tái)上，采用直徑45 mm的圓柱擠壓探頭進(jìn)行全質(zhì)構(gòu)測(cè)試。參數(shù)設(shè)定：第1次用0.15 N的力壓到A點(diǎn)，測(cè)定樣品的原始高度；第2次用4.9 N的力壓到B點(diǎn)，得樣品的最低高度；第3次探頭回到起始位置等60 s后，用0.15 N的力壓到C點(diǎn)，測(cè)定樣品的恢復(fù)高度。每個(gè)樣品重復(fù)3 次。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

顆粒形綠茶的物理特性指標(biāo)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示；采用Excel 2000軟件中的T-test法分析不同綠茶的顏色特征參數(shù)差異，采用軟件SPSS 20軟件中的MSRA法分析顆粒形綠茶的物性參數(shù)與外形品質(zhì)的關(guān)聯(lián)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠茶的外形感官品質(zhì)分析結(jié)果

表2 不同綠茶樣品的感官品質(zhì)Table 2 Sensory quality of different green tea samples

從表2可見，造型不同的綠茶樣，外形品質(zhì)存在明顯差異，僅‘碧螺春’不是顆粒形綠茶。從總分方面看，85 分以上的顆粒形綠茶多呈盤花形，以‘勾青’1得分最高，比最低得分的‘勾青’3高6.3 分；從形狀方面分析，發(fā)現(xiàn)緊實(shí)度、茶梗是綠茶形狀品質(zhì)的主要影響因素，如綠茶2號(hào)、‘勾青’1和‘碧螺春’等緊實(shí)度較高且無(wú)梗；從整齊度上看，影響色澤均勻性的因素主要有黃塊、黃片、白毫及爆點(diǎn)等。成品茶有銀毫，說明綠茶原料成熟度較低，干茶品質(zhì)較好，如‘勾青’1和‘碧螺春’。黃片、黃塊會(huì)降低茶葉的整齊度，如‘綠寶石’、綠茶1號(hào)、‘松螺’、‘平水日鑄’等即出現(xiàn)該情況；從色澤方面看，同等嫩度的茶樣不會(huì)因所屬色系不同而影響色澤品質(zhì)，如‘勾青’1和‘碧螺春’。明亮度對(duì)色澤品質(zhì)的影響也較明顯，如“黃綠暗”的評(píng)分比“黃綠”的低10 分。由此可見，供試顆粒形綠茶中‘勾青’的外形感官品質(zhì)優(yōu)于卷曲形綠茶，主要表現(xiàn)在形狀和整齊度上，且隨原料成熟度的增加而下降。

2.2 綠茶的物理特性分析結(jié)果

2.2.1 顏色特征

表3 不同綠茶樣品的顏色特征Table 3 Color characteristics of different green tea samples

由表3可見，顆粒形綠茶與卷曲形綠茶的顏色成像特征明顯不同，不同成熟度的顆粒形綠茶顏色特征也有明顯差異。顆粒形綠茶圖像的紅色通道值、綠色通道值、藍(lán)色通道值和亮度的平均值較卷曲形綠茶低，但色調(diào)值與飽和度比其高。T-test檢測(cè)結(jié)果表明，‘勾青’3的紅色通道值、綠色通道值、藍(lán)色通道值、色調(diào)值、亮度、飽和度與卷曲形綠茶的差異達(dá)到極顯著水平；‘勾青’2的色澤指標(biāo)中除飽和度外都與卷曲形綠茶存在極顯著差異；‘勾青’1的綠色通道值、色調(diào)值與卷曲形綠茶的差異也達(dá)到極顯著水平。顆粒形綠茶的紅色通道值、綠色通道值、藍(lán)色通道值、亮度等指標(biāo)由高到低是‘勾青’1＞‘勾青’2＞‘勾青’3，即隨原料成熟度增加而呈減小的趨勢(shì)；色調(diào)的大小順序?yàn)椤辞唷?＞‘勾青’2＞‘勾青’1，即隨原料成熟度增加而增加?！辞唷?的紅色通道值、綠色通道值、藍(lán)色通道值、亮度分別比‘勾青’1低34.7%、33.3%、30.1%和30.3%，并且紅色通道值、綠色通道值也低于卷曲形綠茶。由此可見，顆粒形綠茶的顏色較卷曲形綠茶深，隨原料成熟度的降低而變淺。

2.2.2 形狀特征

顆粒形綠茶與卷曲形綠茶的形狀成像特征明顯不同，不同嫩度間也有差異（圖2）。顆粒形綠茶的圓形度較卷曲形綠茶大，周長(zhǎng)和形狀指數(shù)較其小。相同嫩度的綠茶相比，‘勾青’1的圓形度比卷曲形綠茶升高257.7%，形狀指數(shù)較其降低84.4%。嫩度不同的顆粒形綠茶相比，面積和周長(zhǎng)的大小順序?yàn)椤辞唷?＞‘勾青’3＞‘勾青’2；圓形度與形狀指數(shù)的大小順序則為‘勾青’3＞‘勾青’2＞‘勾青’1。綜合來看，顆粒形綠茶的形狀趨于圓形，圓形度與形狀指數(shù)與原料嫩度有關(guān)，即原料越粗老，圓形度與形狀指數(shù)的數(shù)值越大。

圖2 不同綠茶樣的形狀特征Fig. 2 Shape characteristics of different green tea samples

2.2.3 容重與百粒質(zhì)量

顆粒形綠茶的容重與百粒質(zhì)量明顯有別于卷曲形綠茶（圖3）。顆粒形綠茶的容重平均值為2.0 g/cm3，比卷曲形綠茶提高22.0%，且以‘勾青’1的容重最高；‘勾青’1的容重分別比‘勾青’2和‘勾青’3提高10.8%和3.6%。顆粒形綠茶的百粒質(zhì)量平均值為27.1 g，是卷曲形綠茶的2.1 倍。百粒質(zhì)量較高的茶樣是‘勾青’3，分別比‘勾青’2和‘勾青’1提高22.8%和56.2%。由此可見，綠茶的容重與百粒質(zhì)量受其形狀和原料成熟度的影響，即原料越嫩，容重越高，百粒質(zhì)量越低。

圖3 不同綠茶的容重與百粒質(zhì)量Fig. 3 Bulk density and hundred-grain mass of different green tea samples

2.2.4 彈性與塑性

顆粒形綠茶的彈性平均值為46.7%，與卷曲形綠茶相近。但在原料嫩度相同的情況下，‘勾青’1的彈性比卷曲形綠茶高4.7%。顆粒形綠茶中‘勾青’3的彈性最大（圖4），與其塑性之比大于1.0?！辞唷?和‘勾青’2的原料嫩度優(yōu)于‘勾青’3，但其彈性較差。茶樣塑性與彈性的變化有所不同?！辞唷?的塑性最大，與其彈性之比等于1.5，遠(yuǎn)大于‘勾青’3和‘勾青’1。由此可見，綠茶的彈性與塑性指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，均受其形狀和原料成熟度的影響。

圖4 不同綠茶的彈性值和塑性值Fig. 4 Elasticity and plasticity of different green tea samples

2.3 顆粒形綠茶的物性參數(shù)與外形品質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果

顆粒形綠茶的外形品質(zhì)包含色澤、整齊度、形狀等品質(zhì)因子，不同品質(zhì)因子的相關(guān)性存在差異（表4）。

表4 顆粒形綠茶的物理特性與外形品質(zhì)相關(guān)性Table 4 Correlation between physical properties and appearance quality of granular green tea

紅色通道值、綠色通道值、藍(lán)色通道值、亮度等顏色特征指標(biāo)與外形品質(zhì)呈顯著正相關(guān)，與整齊度的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，并且藍(lán)色通道值與色澤品質(zhì)、形狀品質(zhì)的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平；但色調(diào)值與外形品質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)小于-0.8；飽和度與外形品質(zhì)的相關(guān)系數(shù)較小，彈性、塑性也如此。容重、百粒質(zhì)量與色澤品質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，與整齊度呈極顯著負(fù)相關(guān)。面積、周長(zhǎng)與色澤品質(zhì)、形狀品質(zhì)的相關(guān)性都可達(dá)到顯著水平，圓形度與整齊度、形狀品質(zhì)呈顯著正相關(guān)，形狀指數(shù)與色澤品質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)。

進(jìn)一步采用MSRA法分析它們之間的關(guān)系，建立外形品質(zhì)與各物理參數(shù)的回歸方程，如式（2）～（4）所示。

對(duì)方程進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)及顯著性檢驗(yàn)擬合度檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每組方程的調(diào)整R2大于0.9。同時(shí)，F(xiàn)變換值的相伴概率值均小于0.05，達(dá)到顯著水平，說明方程中引入的自變量對(duì)因變量的貢獻(xiàn)較顯著。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明各方程的F值均大于100，說明自變量造成因變量的變動(dòng)遠(yuǎn)大于隨機(jī)因素對(duì)因變量造成的影響。由于F統(tǒng)計(jì)量服從F分布，因此對(duì)應(yīng)的相伴概率值小于0.05，說明存在顯著的線性關(guān)系。

由方程（2）～（4）可知，顆粒形綠茶的外形品質(zhì)主要受藍(lán)色通道值、色調(diào)、彈性、塑性、圓形度等參數(shù)的影響。色調(diào)、彈性、塑性等指標(biāo)的數(shù)值越大，形狀品質(zhì)和色澤品質(zhì)越差。色調(diào)值和圓形度越高，顆粒形綠茶的外形品質(zhì)越好。其他物理參數(shù)對(duì)顆粒形綠茶外形品質(zhì)的影響均未達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。因此，藍(lán)色通道值、色調(diào)、彈性、塑性、圓形度等指標(biāo)對(duì)顆粒形綠茶外形品質(zhì)起著決定性作用。

3 討 論

3.1 顆粒形綠茶的外形品質(zhì)特征

供試顆粒形綠茶以盤花形為主，‘勾青’茶的外形品質(zhì)較優(yōu)。原料嫩度不同的‘勾青’茶外形品質(zhì)有明顯差異，總分都在85 分以上，并且‘勾青’1的品質(zhì)優(yōu)于碧螺春，說明‘勾青’茶可視作顆粒形綠茶的典型代表。采用GB/T 23776—2018[12]方法對(duì)綠茶外形品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要綜合考慮形狀、嫩度、色澤、整碎、凈度的影響，因而對(duì)茶樣品質(zhì)的評(píng)判是綜合性的，而非單因子評(píng)價(jià)。此法可以高效、系統(tǒng)地分析茶葉感官品質(zhì)，但對(duì)茶葉色、香、味、形等單項(xiàng)品質(zhì)因子進(jìn)行考察時(shí)，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化更有利于發(fā)現(xiàn)品質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)。目前單項(xiàng)指標(biāo)細(xì)化的分析方法已在食品科學(xué)研究領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[14]，其在茶葉滋味[15-17]與香氣[18-19]化學(xué)研究領(lǐng)域也取得較好的進(jìn)展，但是較少應(yīng)用于茶葉外形品質(zhì)的儀器分析與判定，不利于推進(jìn)機(jī)制綠茶的精細(xì)化加工。

3.2 顆粒形綠茶的主要物理特性

‘勾青’茶隨原料成熟度的增加，成茶色澤由嫩綠轉(zhuǎn)黃綠，再到深綠，即顏色在不斷加深，這與計(jì)算機(jī)視覺特征指標(biāo)色調(diào)值的變化趨勢(shì)是一致的。色調(diào)值可用來判定番茄成熟度的等級(jí)[20]，可否作為茶葉原料成熟度的無(wú)損檢測(cè)指標(biāo)，尚待進(jìn)一步檢驗(yàn)。茶葉外形的紋理特征可鑒定其等級(jí)[21]，本研究的顆粒形綠茶形狀趨于圓形，圓形度與原料成熟度的變化是同步的，進(jìn)而說明圓形度、形狀指數(shù)也可作判定茶葉類型與等級(jí)的指標(biāo)[22-24]。

綠茶制品的容重隨加工進(jìn)程的推進(jìn)而不斷地增大[12]，因而成品茶的容重最大，條索也較緊實(shí)。原料嫩度相同的情況下，顆粒形綠茶的容重高于卷曲形綠茶，表明綠茶的容重與其外形有關(guān)[12,25]。原料嫩度不同的顆粒形綠茶，產(chǎn)品等級(jí)不同，容重也有差異，此與王同和[26]的研究結(jié)論一致。相對(duì)于容重而言，茶學(xué)研究中百粒質(zhì)量很少作為茶葉物性指標(biāo)出現(xiàn)，通常以顆?；驐l索的重實(shí)度或緊實(shí)度來描述茶葉特性，但不宜數(shù)量化。鑒于顆粒形綠茶的外形與農(nóng)作物的種子等有相似性，建議把百粒質(zhì)量作為顆粒形綠茶的物性指標(biāo)。

3.3 顆粒形綠茶的主要物理特性與外形品質(zhì)的關(guān)聯(lián)性

綠茶外形品質(zhì)的展現(xiàn)與其理化特性關(guān)系密切，其中形狀特征、顏色特征、紋理特征等是儀器評(píng)價(jià)外形品質(zhì)的常用指標(biāo)。針對(duì)顆粒形綠茶，不同物性參數(shù)與單項(xiàng)外形因子的相關(guān)性有明顯的差異。除藍(lán)色通道值、色調(diào)值、圓形度等指標(biāo)外，顆粒形綠茶的彈性與塑性也與其外形品質(zhì)存在相關(guān)性，但彈性指標(biāo)只與形狀品質(zhì)、色澤品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，塑性指標(biāo)僅與色澤品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)。茶制品的彈性在萎凋過程中呈先下降后增加的趨勢(shì)[27-28]，與揉捻時(shí)間呈線性正相關(guān)[12]，而決定其外形的干燥工藝影響尚不清楚。然而物料的塑性與彈性呈負(fù)相關(guān)[29-30]，在萎凋過程中呈下降趨勢(shì)[28]，而在干燥過程中的變化尚未明確。因此，要從工藝角度闡明塑性、彈性指標(biāo)與顆粒形綠茶成形質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性，尚需進(jìn)一步開展與綠茶成形相關(guān)的科學(xué)研究。