馮呈艷 ， 余志 ， 陳玉瓊 ， 李琛 ， 倪德江 *

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430070；2.園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070）

茶葉的光學(xué)特性包括反射、吸收、透光和色差等。國(guó)內(nèi)外利用光學(xué)特性無(wú)損檢測(cè)茶葉的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛，主要集中在茶葉種類(lèi)的識(shí)別和分類(lèi)、組分含量的測(cè)定等方面。最早人們應(yīng)用光譜技術(shù)在茶葉種類(lèi)的識(shí)別和分類(lèi)上。如BUDINOVA等[1]以茶葉為研究對(duì)象，根據(jù)其在中紅外區(qū)域的反射光譜特性，對(duì)茶葉進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)。茶葉色差分析始于上世紀(jì)70年代的日本，其應(yīng)用研究大多集中在色澤與品質(zhì)的定性描述及色澤與內(nèi)含成分葉綠素的相關(guān)性分析中[2-5]。賴(lài)國(guó)亮等[4]研究采用CR-100型色彩色差計(jì)對(duì)炒青茶的干茶外觀色澤、粉末色澤、茶湯色澤進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)測(cè)色技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)炒青茶品質(zhì)的管理。陸建良等[6]研究了綠茶、紅茶、烏龍茶的色差參數(shù) L*（明亮度）、a*（紅綠度）、b*（黃藍(lán)度）值。 結(jié)果分析表明，各茶類(lèi)茶湯的 L*、a*、b*值存在明顯差異，色差值與感官品質(zhì)之間存在較高的相關(guān)性。近些年，光譜技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到對(duì)茶鮮葉成分方面測(cè)定。陳斌[7]初步探討了茶鮮葉的反射光譜特性及其與葉綠素含量的關(guān)系。單瑞峰等[8]以日照市主要茶產(chǎn)區(qū)60個(gè)茶園的茶鮮葉為對(duì)象，使用近紅外光譜技術(shù)并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立優(yōu)化快速測(cè)定茶多酚的方法。張?jiān)，揫9]在其研究中針對(duì)茶多酚這一品質(zhì)指標(biāo)，采用光譜技術(shù)探明了茶多酚在鮮葉中的分布以及加工中的變化。戴春霞等[10]對(duì)茶鮮葉高光譜圖像進(jìn)行提取，并使用4種算法對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，并建立三種模型對(duì)比，充分驗(yàn)證了光譜技術(shù)可用于茶鮮葉含水率的測(cè)定。吳偉斌等[11]采用高光譜技術(shù)及圖像處理技術(shù)、Matlab等對(duì)茶葉進(jìn)行采樣分析，驗(yàn)證分析證明了含水量與反射率間的向光性非常接近強(qiáng)相關(guān)性。

實(shí)踐表明，鮮葉質(zhì)量對(duì)制茶品質(zhì)有較大影響。由于勞動(dòng)力的緊缺，機(jī)械采茶代替人工采摘是必然趨勢(shì)，但機(jī)械采摘存在大小不整齊的問(wèn)題，影響后續(xù)的制茶工藝，對(duì)機(jī)采鮮葉的分級(jí)處理就顯得十分必要。然而，目前我國(guó)鮮葉分選設(shè)備以篩分機(jī)為主，使用過(guò)程中易出現(xiàn)掛葉、紅變等問(wèn)題，如何開(kāi)發(fā)性能良好的鮮葉分級(jí)設(shè)備尤為重要。文章探討了不同品種、不同葉位、不同含水率茶鮮葉光譜學(xué)特性的影響，以期為茶鮮葉分級(jí)提供新的思路和方法。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)茶學(xué)實(shí)踐基地，選取生長(zhǎng)健康、無(wú)病害、無(wú)破損的茶樹(shù)鮮葉。供試茶品種有福鼎大白、黃旦、烏牛早、福鼎大毫、迎霜，供試葉位有從新梢頂部向下的芽頭、第一葉、第二葉、第三葉、第四葉、第五葉及成熟老葉。

1.2 方法

1.2.1 鮮葉反射光譜采集及測(cè)定方法

測(cè)試裝置為ASD FieldSpec 3型地物光譜儀（美國(guó)ASD公司），光譜儀的波段范圍為350～2500 nm，光譜采樣間隔為 1.4 nm，分辨率為3 nm。將采后鮮葉置于冰盒內(nèi)，以避免過(guò)多失水，每個(gè)處理設(shè)10次重復(fù)，總樣本數(shù)為300個(gè)。為保證所測(cè)數(shù)據(jù)的可比性，選擇晴朗、無(wú)云、無(wú)風(fēng)、能見(jiàn)度好的天氣，測(cè)定時(shí)間為 10∶00～14∶00[12]。 測(cè)定前，調(diào)整光譜儀視場(chǎng)角為5°，用參考板對(duì)光譜進(jìn)行校正。將鮮葉放在反射率近似為零的黑色絨布上，鮮葉基部到尖部的方向和光源的照射方向一致。光譜儀探頭垂直向下，正對(duì)待測(cè)鮮葉中部較寬的部分，探頭避免直接對(duì)著葉脈[13]。受到茶鮮葉寬度的限制，在測(cè)第一、二葉時(shí)，確定探頭垂直于鮮葉上方2 cm，在測(cè)第三、四、五葉和老葉時(shí)，確定探頭垂直于鮮葉上方10 cm，測(cè)定時(shí)需慢慢移動(dòng)探頭，以保證測(cè)定范圍落在鮮葉上。光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理采用ASD ViewSpec Pro 5.6軟件將所有采集到的反射光譜進(jìn)行有效性檢查，剔除誤差比較大的數(shù)據(jù)。采用掃描平均法多次掃描光譜。試驗(yàn)中掃描10次，取平均值作為鮮葉樣本的光譜測(cè)量值。由于光譜儀采集的離散型的數(shù)據(jù)，用微分技術(shù)能減弱背景的干擾，并能反映出作物光譜的變化特征，所以在這里采用光譜反射率的一階微分光譜變化來(lái)描述葉片的光譜變化特征[14]，數(shù)據(jù)的計(jì)算公式：

式中R′為反射率的一階微分光譜；R為反射率；λ為波長(zhǎng)；i為光譜通道。

1.2.2 色差的測(cè)定

采用CM-5型色彩色差計(jì) （日本KONICA MINOLTA公司）測(cè)定鮮葉色差。將采摘的鮮葉洗凈，擦干后立即測(cè)定。測(cè)定位置為鮮葉上表皮的中部（從葉基到葉尖的50%～60%處），避開(kāi)主脈[6]。每個(gè)葉片掃描三次，取平均值作為鮮葉樣本的色差值。每個(gè)處理設(shè)10次重復(fù)，總共樣本數(shù)為300個(gè)。

1.2.3 鮮葉色選分級(jí)試驗(yàn)

利用3CCD攝像式色彩選別機(jī) （日本株式會(huì)社服部製作所）對(duì)鮮葉進(jìn)行色選。圖1顯示了參數(shù)設(shè)定圖，由于該色選機(jī)是針對(duì)毛茶設(shè)置的參數(shù)，鮮葉色選時(shí)，需要重新調(diào)試參數(shù)。當(dāng)沒(méi)有確定合適的參數(shù)時(shí)，先設(shè)置為0，然后根據(jù)實(shí)際色選結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。色選機(jī)色選原理示意圖所示如圖2，參數(shù)是用于設(shè)定區(qū)分被選物料色度的門(mén)限值，即被選物料中色度大于該門(mén)限值的物體被剔除。鮮葉物料色選流程圖如圖3所示，鮮葉原料從頂部進(jìn)入色選機(jī)后，經(jīng)過(guò)兩次分選，將原料分為3種等級(jí)，一次剔除物，二次成品，二次剔除物。對(duì)3個(gè)出口的的雜質(zhì)數(shù)，觀察分選效果。

圖1 色選機(jī)參數(shù)設(shè)定圖Fig.1 Parameter setting diagram of the color sorter

圖2 色選機(jī)色選原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the color sorter

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

采用SPSS軟件（PASW Statistics 18.0）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，單向方差分析法（One-way Analysis of Variance）用于單因素方差分析，處理間的多重比較采用Duncan法。p＜0.05表示處理間有顯著性差異，p＜0.01表示處理間有極顯著差異。制圖采用Excel 2010和 Origin 8。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶鮮葉反射光譜測(cè)定結(jié)果

2.1.1 不同品種茶鮮葉反射光譜

圖3 鮮葉物料色選流程圖Fig.3 The color selection flow diagram of tea leaf material

圖4為不同品種茶鮮葉的光譜反射曲線(xiàn)，如圖4所示，在可見(jiàn)光綠光波段550 nm附近有一強(qiáng)反射峰，不同品種其峰值存在顯著差別，這可能與茶鮮葉中葉綠素含量的多少有關(guān)[15-16]。在電磁波譜中，紅邊是由于植被在紅光波段強(qiáng)烈地吸收與近紅外光譜波段強(qiáng)烈地反射造成的[10]。在近紅外區(qū)域760～930 nm波段范圍內(nèi)，鮮葉的反射率急劇上升，形成了所謂的紅邊。反射率急劇上升后出現(xiàn)一個(gè)“近紅外反射平臺(tái)”，不同品種的反射率大小依次為：福鼎大毫≥黃旦≥福鼎大白≥烏牛早≥迎霜。福鼎大毫葉片的反射率明顯大于黃旦、迎霜、烏牛早、福鼎大白的葉片反射率。由圖5的一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線(xiàn)所示，不同品種間茶鮮葉的一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線(xiàn)基本重合，表明不同品種鮮葉的反射光譜趨勢(shì)是相同的，光譜在可見(jiàn)光區(qū)域形成“兩谷一峰”（藍(lán)紫谷、紅谷和綠峰）。

2.1.2 新梢不同部位茶鮮葉的反射光譜

以福鼎大白為例分析不同葉位鮮葉的反射光譜特征，光譜反射曲線(xiàn)和一階導(dǎo)數(shù)光譜分別如圖6和圖7所示。成熟老葉以及第五葉與嫩葉相比，其紅邊部分（反射率一階導(dǎo)數(shù)變化較大部分）向長(zhǎng)波段方向移動(dòng)，呈現(xiàn)紅移現(xiàn)象（圖7），這是因?yàn)槌墒炖先~中的葉綠素含量要高于較嫩鮮葉。在可見(jiàn)光區(qū)域，光譜形成“兩谷一峰”（藍(lán)紫谷、紅谷和綠峰），在綠光波段有強(qiáng)反射峰。從新梢頂部向下的第一葉、第二葉到成熟老葉，綠峰值逐漸減小，即在綠光區(qū)域反射率大小依次為第一葉≥第二葉≥第三葉≥第四葉≥第五葉≥成熟老葉，這是由于鮮葉受到葉綠素等色素吸收作用的影響[13]。在近紅外700～950 nm區(qū)域，茶鮮葉的反射光譜出現(xiàn)“近紅外反射平臺(tái)”。從新梢頂部向下的第一葉、第二葉到成熟老葉，隨著鮮葉成熟度降低，光譜反射率呈增加趨勢(shì)，即第一葉≤第二葉≤第三葉≤第四葉≤第五葉≤成熟老葉。

2.1.3 不同含水率茶鮮葉的反射光譜

前人的研究表明[10-11]，茶鮮葉含水量與其在高光譜的反射率有關(guān)。以福鼎大白品種鮮葉為材料，測(cè)定不同含水率鮮葉反射光譜，結(jié)果見(jiàn)圖8。整個(gè)光譜段存在明顯的吸收谷和反射峰：540～570 nm（反射峰），660～700 nm（吸收谷），700～1200 nm（反射峰和反射吸收平臺(tái)）。在近紅外1200～2500 nm區(qū)域，反射率的大小主要受茶鮮葉含水率的影響。如圖8所示，含水率為73.68%的鮮葉的反射率明顯低于含水率為66.35%的鮮葉。分析表明，茶鮮葉對(duì)入射光的吸收程度和含水率呈負(fù)相關(guān)性，即隨著鮮葉含水率減小，近紅外區(qū)域的反射率反而明顯增加。鮮葉的光譜反射率和含水率之間有很明顯的相關(guān)性（R2≥0.8000）。由此，可以通過(guò)測(cè)定鮮葉的反射率來(lái)反映鮮葉的含水率狀況。

圖4不同品種茶鮮葉的光譜反射曲線(xiàn)Fig.4 The spectral reflection curve of different varieties

圖5不同品種鮮葉一階導(dǎo)數(shù)光譜Fig.5 First derivative curves of the reflectance of different varieties

圖6 新梢不同部位茶鮮葉的光譜反射曲線(xiàn)Fig.6 The spectral reflection curve of different leaf position

圖7 新梢不同部位茶鮮葉的一階導(dǎo)數(shù)光譜Fig.7 First derivative curves of the reflectance of tea leaves with different position

圖8不同含水率鮮葉的反射光譜Fig.8 The spectral reflection curve of different moisture content

2.2 茶鮮葉色差參數(shù)分析

2.2.1 茶鮮葉色差參數(shù)L*、a*、b*值的基本范圍

以5個(gè)茶樹(shù)品種福鼎大白、黃旦、烏牛早、福鼎大毫、迎霜從新梢頂部芽向下的第一葉、第二葉，到成熟老葉為試驗(yàn)材料，測(cè)定其 L*、a*、b*值，分析確定其變化范圍。其中，第一葉的L*值最大，為49.20，成熟老葉的L*值最小，為28.33。茶鮮葉的 L*值范圍在 28.33～49.20之間，a*值范圍為-12.27～-3.14 之間，b*值范圍在 4.76～35.82 之間。

2.2.2 不同品種鮮葉色差值的變化

以茶樹(shù)新梢頂部向下的第二葉為例，分析福鼎大白、黃旦、烏牛早、福鼎大毫、迎霜5個(gè)品種色差值的變化規(guī)律。

由表1茶鮮葉不同品種的各色差參數(shù)值所示，L*值以迎霜最小。色差參數(shù)L*值表示茶鮮葉的亮度，反映鮮葉的反光程度、光亮程度。這表明，與其他品種相比，迎霜光澤性最差。a*值5個(gè)品種差異不大，沒(méi)有顯著性差異。色差參數(shù)a*值表示顏色的紅綠程度，a*值越大說(shuō)明顏色越紅，a*值越小表示顏色越綠。色差參數(shù)b*值表示顏色藍(lán)黃的程度。b*值越大，鮮葉黃色程度越深。統(tǒng)計(jì)分析表明，除迎霜外的其他各品種之間的各色差值均無(wú)顯著差異，即不同品種對(duì)茶鮮葉的的L*、a*、b*值無(wú)顯著影響。

表1 茶鮮葉不同品種的各色差參數(shù)值Table 1 Chromatic values of different varieties of fresh tea leaves

2.2.3 新梢不同部位鮮葉色差參數(shù)的變化

色差參數(shù)L*值表示茶鮮葉的亮度，反映鮮葉的反光程度、光亮程度。一方面說(shuō)明茶鮮葉對(duì)光的吸收程度，同時(shí)還說(shuō)明鮮葉顏色的深淺。如圖9新梢不同部位茶鮮葉L*值的變化所示，從新梢頂部芽向下的第一葉、第二葉，到成熟老葉，隨著鮮葉嫩度的降低L*值減小。第一葉的L*值最大，成熟老葉L*值最小。分析表明第一葉的葉面較光滑，對(duì)光吸收少，葉綠素含量低，顏色最淺。因此表現(xiàn)為葉色較淡的L*值較大。隨著葉片的成熟，葉色加深，葉綠素含量增加，光合作用也相應(yīng)的加強(qiáng)。

由圖10新梢不同部位茶鮮葉a*值的變化所示，從新梢頂部芽向下的第一葉、第二葉到第五葉，a*值的絕對(duì)值以第一葉最小，表明其綠色程度相對(duì)第二、三、四、五葉較低。一般而言，嫩度越高，葉綠素含量越低，綠色程度也會(huì)相應(yīng)的降低。成熟老葉a*值相比其他部位的葉片增幅較大，這可能是因?yàn)殡S著鮮葉的老化，花青苷含量增加，鮮葉紅色程度加深。

圖9 新梢不同部位茶鮮葉L*值的變化Fig.9 Change of L*value with different tea leaf positions

由圖11新梢不同部位茶鮮葉b*值的變化所示，從新梢頂部芽向下的第一葉、第二葉，到成熟老葉，b*值均為正值，說(shuō)明不同部位的茶鮮葉均偏向黃色，但程度不同。隨著鮮葉嫩度的下降，b*值呈減小的趨勢(shì)，說(shuō)明葉色加深。第一葉b*值最大，黃色程度相對(duì)高于其他部位的鮮葉，結(jié)合L*值和a*值，新梢頂芽更偏向嫩綠色。

圖10 新梢不同部位茶鮮葉a*值的變化Fig.10 Change of a*value with different tea leaf positions

圖11 新梢不同部位茶鮮葉b*值的變化Fig.11 Change of b*value with different tea leaf positions

2.3 茶鮮葉色選分選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于色選機(jī)是針對(duì)毛茶設(shè)置的參數(shù)，對(duì)茶鮮葉進(jìn)行色選需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)試。首先設(shè)置為0，然后依次增大參數(shù)值，根據(jù)實(shí)際色選結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，如表2所示設(shè)置參數(shù)，成品出口的茶鮮葉占鮮葉總量的90%，一次剔除物出口和二次剔除物出口的鮮葉占鮮葉總量10%。成品出口和二次剔除物出口均為較嫩的茶鮮葉，無(wú)紅葉、莖梗和老葉。一次剔除物出口有大量的紅葉、莖梗、老葉。分析表明，在表2所示的參數(shù)設(shè)置下，色選機(jī)的分選效果最好，能夠很好的剔除茶鮮葉中紅葉、莖梗、老葉，三個(gè)等級(jí)的鮮葉原料間界限明顯。

表2 茶鮮葉色選參數(shù)Table 2 The parameter of the color selection for fresh leaf

在表2所示的參數(shù)設(shè)置下，對(duì)色選效果進(jìn)一步驗(yàn)證。由表3可知，經(jīng)過(guò)第一次色選剔除的雜質(zhì)（梗、紅葉、老葉、黃片）最多，兩次色選處理后除雜率達(dá)到90.89%，基本達(dá)到鮮葉除雜的目的。但是色選過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題。因?yàn)樯x機(jī)均是以毛茶為色選對(duì)象，鮮葉的流動(dòng)性差，下料不均勻，下料中不同葉片相互重疊，均會(huì)造成色選誤差，而且噴閥裝置對(duì)鮮葉組織造成一定的破壞，經(jīng)過(guò)色選的鮮葉出現(xiàn)萎蔫和破碎的現(xiàn)象。

表3 色選后各出口的雜質(zhì)數(shù)量Table 3 Amount of impurities of three exports after color selection

3 討論

茶鮮葉原料差異引起反射光譜的變化。新梢不同部位茶鮮葉的一階導(dǎo)數(shù)光譜曲線(xiàn)基本重合，而在紅邊位置有微小差異。與嫩葉相比，老葉的紅邊位置λred呈紅移現(xiàn)象，這是因?yàn)槌墒炖先~中葉綠素含量高于較嫩的葉片。在可見(jiàn)光區(qū)域，光譜形成“兩谷一峰”（藍(lán)紫谷、紅谷和綠峰），在綠光波段有強(qiáng)反射峰。從新梢頂部向下的第一葉、第二葉到成熟老葉，綠峰值逐漸減小，這可能是由于鮮葉受到葉綠素等色素吸收作用的影響[17-18]。近紅外700～950 nm附近，茶鮮葉的反射光譜出現(xiàn)“近紅外反射平臺(tái)”。隨著鮮葉成熟度降低，光譜反射率呈增加趨勢(shì)。在紅邊區(qū)域，大葉種福鼎大毫葉片的反射率明顯大于中小葉種黃旦、迎霜、烏牛早的葉片反射率，可能原因是不同的作物品種細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，從而造成不同品種之間反射光譜的差異。近紅外區(qū)域茶鮮葉對(duì)入射光的吸收程度和含水率呈負(fù)相關(guān)性，即鮮葉含水率減小，反射率反而明顯增加。由此，可以通過(guò)測(cè)定鮮葉的反射率來(lái)反映鮮葉的含水率狀況。

茶鮮葉原料差異同樣引起色差的變化。分析表明，不同葉位（嫩度）鮮葉的色差值間有顯著差異，但品種間無(wú)顯著差異。從新梢頂部芽向下的第一葉、第二葉，到成熟老葉，隨著鮮葉嫩度的降低L*值減小，這和凈光合速率Pn、葉綠素含量的變化有關(guān)[19]。分析表明第一葉的葉面較光滑，對(duì)光的吸收程度小，葉綠素含量低，顏色最淺，因此表現(xiàn)為葉色較淡的L*值較大。隨著葉片的成熟，葉色加深，葉綠素含量增加，光合作用也相應(yīng)的加強(qiáng)，導(dǎo)致L*值減小；從新梢頂部芽向下的第一葉、第二葉到第五葉，a*值的絕對(duì)值以第一葉最小，表明其綠色程度相對(duì)第二、三、四、五葉較低。一般而言，嫩度越高，葉綠素含量越低，綠色程度也會(huì)相應(yīng)的降低。成熟老葉a*值最大，這可能是因?yàn)殡S著鮮葉的老化，花青苷含量增加，鮮葉變紅；隨著鮮葉嫩度的下降，b*值呈減小的趨勢(shì)，說(shuō)明葉色加深。第一葉b*值最大，黃色程度相對(duì)高于其他部位的鮮葉。因此，根據(jù)茶鮮葉色差參數(shù)的變化規(guī)律能夠有效的區(qū)別于其他植物葉片，為實(shí)現(xiàn)鮮葉分選和色選機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和可靠的參數(shù)。