任凱　陳通　陸道禮　陳斌

摘要：旨在基于可見光譜技術(shù)建立1種茶湯色差的快速分析檢測方法。以大閩食品（漳州）有限公司提供的速溶綠茶樣品為研究對象，采用微型可見光譜儀采集樣品原始光譜數(shù)據(jù)，分別使用CIE（Commission Internationale de l′Eclairage，國際照明委員會）1976Lab、CMC（l ∶c）、CIE DE2000共3種色差計算方法，對被測樣品的色差進(jìn)行測定和分析。結(jié)果表明：（1）不同濃度茶湯之間的原始光譜在波長400 nm處有較為明顯的吸收差異，該點對應(yīng)黃綠色溶液的特征吸收波長點，表明可應(yīng)用于茶湯濃度的區(qū)分;（2）對茶湯原始透射率使用上述3種色差方法進(jìn)行色差分析，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，CIE 1976Lab色差標(biāo)準(zhǔn)較適用于分析評判綠茶湯的色差值。利用可見光譜分析技術(shù)結(jié)合CIE 1976Lab色差標(biāo)準(zhǔn)方法可實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確評判速溶綠茶湯的顏色差異。

關(guān)鍵詞：速溶綠茶;可見光譜分析;色差分析;茶葉

中圖分類號：TS272.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）02-0201-06

收稿日期：2018-11-12

作者簡介：任 凱（1994—），男，山西忻州人，碩士研究生，主要從事食品、農(nóng)產(chǎn)品快速無損檢測研究。E-mail：rkgg233@163.com。

通信作者：陳 斌，博士，教授，主要從事食品與農(nóng)產(chǎn)品快速無損檢測方法和應(yīng)用機(jī)制的研究。E-mail：ncp@ujs.edu.cn。

我國是茶葉的故鄉(xiāng)，茶道亦是我國悠久文化的代表項目之一，從古至今在人們的日常生活中都扮演著重要角色，茶葉也是我國對外貿(mào)易的大宗飲料原料之一[1]。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與科學(xué)的發(fā)展，越來越多的研究表明，茶葉中含有的多酚類物質(zhì)（如茶多酚、兒茶素、類黃酮等）對人體具有抗氧化、抗癌、抑制心血管疾病等功效[2-3]。因此，日常飲茶受到越來越多人的重視。在繼承傳統(tǒng)茶業(yè)的同時，隨著人們口感要求的提升和保健功效要求的提出，促進(jìn)了茶飲料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

與傳統(tǒng)的茶業(yè)不同，茶飲料更多是以經(jīng)過茶葉浸泡的提取液濃縮液或速溶茶粉為原料，經(jīng)加工、調(diào)配等工序制成茶湯飲料或調(diào)味茶飲料[4-5]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步和市場需求的提高，如何保證不同批次產(chǎn)品品質(zhì)相近或相同，特別是茶湯色澤一致性的控制，是目前企業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的一個難題。而實際生產(chǎn)過程中使用的檢測方法仍然停留在感官評定上，即將待測產(chǎn)品與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)品相對比，進(jìn)行簡易判定，該方法易受檢測人員的經(jīng)驗、心理和生理穩(wěn)定性等因素以及觀測環(huán)境條件等差異的影響，測量的準(zhǔn)確度較低且重復(fù)性較差，不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的要求[6-7]。因此，有必要開發(fā)一種客觀、可靠、可量化的茶飲料品質(zhì)色澤的檢測方法，從而實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確判別茶湯色澤，保證各生產(chǎn)批次產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。目前，關(guān)于茶的色差研究大多數(shù)停留在對各種茶葉的品質(zhì)評定方面，鮮有關(guān)于速溶茶茶色的相關(guān)研究[8-12]。

本研究通過使用微型可見光譜儀，對不同濃度的速溶綠茶茶湯進(jìn)行光譜采集，分別使用由國際照明委員會（Commission Internationale de l′Eclairage，簡稱CIE）推薦使用的CIE 1976Lab、CIE DE2000和行業(yè)推薦使用的CMC（l ∶c）等3種色差計算方法[13]對試驗樣品進(jìn)行色差分析，以選取適合速溶綠茶茶湯色差分析的最優(yōu)色差公式，達(dá)到快速評判茶湯色差的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用速溶綠茶粉樣品均由大閩食品（漳州）有限公司提供，共41個樣品（在生產(chǎn)線上隨機(jī)選取），每個樣品各取10 g，配制成試驗所需的待測樣濃度。

1.2 儀器與設(shè)備

N100T型微型光譜儀（濟(jì)南海能儀器有限公司）;HunterLab ColorQuest XE測色儀（HunterLab公司）;50 mm×14 mm×50 mm玻璃比色皿（宜興市譜析光學(xué)元件有限公司）;DK-8D型水浴鍋（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）;FA1004B型電子天平（上海越平科學(xué)儀器有限公司，精度：±0.000 1 g）。

1.3 試驗方法

1.3.1 儀器參數(shù)的設(shè)置 N100T微型光譜儀由江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院與濟(jì)南海能儀器有限公司共同開發(fā)，核心部件采用濱松公司（Hamamatsu）生產(chǎn)的C10988MA微型可見光探測器，該探測器基于光柵式色散原理進(jìn)行分光，同時整合了MEMS（micro-electro-mechanical system，微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)和帶光接受狹縫的CMOS（complementary metal-oxide-semiconducto，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器技術(shù)，實現(xiàn)了光譜儀的微型化設(shè)計，探測器外形及色差檢測儀器外形分別如圖1、圖2所示。該可見光譜儀的波長響應(yīng)范圍為340～780 nm，光譜分辨率為10 nm。

1.3.2 速溶綠茶湯樣品的制備 在設(shè)置水浴鍋恒定溫度為25 ℃的條件下，溶解綠茶粉，以待測樣品的速溶綠茶湯色差檢測標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，將采集的41個樣品分別按照10 mg/L濃度梯度配制成濃度為 800～1 200 mg/L的待測樣。

1.3.3 樣品的光譜掃描和色差分析 在環(huán)境溫度為25 ℃的條件下，以水作為參比，在扣除暗背景信號和參比信號后，使用N100T智能微型光譜儀逐一掃描配制好的41個待測樣，獲取對應(yīng)樣品的透射率光譜，每個樣品重復(fù)掃描3次，取其平均光譜作為樣品的最終測量值，分別使用CIE 1976Lab、CMC（l ∶c）、CIE DE2000標(biāo)準(zhǔn)色差計算方法對相鄰2個梯度的待測樣品進(jìn)行色差計算。

在對上述試樣進(jìn)行光譜采集的同時，采用HunterLab ColorQuest XE黃變儀對同批次的樣品進(jìn)行色度測量，用以對N100T微型光譜儀的分析結(jié)果進(jìn)行對比驗證。

1.4 色差計算方法

在實際生產(chǎn)中，對于顏色的測量最主要的應(yīng)用是檢測標(biāo)準(zhǔn)色樣和待測色樣之間的顏色差異（即色差）。實際生產(chǎn)中需要檢測兩者之間的色差來控制產(chǎn)品品質(zhì)，如果色差超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，則會影響最終的產(chǎn)品質(zhì)量[14]。近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)對顏色控制要求的不斷提高，國際照明委員會提出并推薦使用相應(yīng)的色差計算公式，統(tǒng)一了檢測和計算標(biāo)準(zhǔn)，滿足了生產(chǎn)的要求。

CIE推薦使用的色差計算方法有CIE 1976Lab、CMC（l ∶c） 及CIE DE2000等3種，所有色差的計算方法中都需要先將波長透射率依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜功率因數(shù)和CIE1964標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者的三刺激值進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的顏色三刺激值，然后根據(jù)均勻色空間公式，計算出CIELab均勻色空間的心理明度L*值、心理彩度坐標(biāo)（紅/綠色品指數(shù)）a*值、心理彩度坐標(biāo)（黃/藍(lán)色品指數(shù)）b*值、彩度C*ab值和色調(diào)角hab值，進(jìn)而通過不同的色差計算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行色差分析[15]。

1.4.1 CIE 1976Lab CIE 1976Lab均勻顏色空間是從CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)發(fā)展而來，通過非線性變換得到的，目前已經(jīng)成為世界各國正式采納、國際通用的測色標(biāo)準(zhǔn)。CIE 1976Lab均勻顏色空間適用于一切光源色或物體色的表示和計算，總色差可以用2個樣品顏色坐標(biāo)點的距離來表示，即：

在CIE給定的標(biāo)準(zhǔn)條件下，式（3）中：參數(shù)因子的kL=kC=kH=1，該參數(shù)是影響色差感覺的因素;RT為旋轉(zhuǎn)函數(shù)，用來校正藍(lán)色區(qū)域色分辨橢圓主軸方向的偏轉(zhuǎn)[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 N100T微型光譜儀色度的可靠性驗證

為了驗證N100T可見光譜儀的可靠性，分別使用N100T微型光譜儀和HunterLab ColorQuest XE測色儀對待測試樣進(jìn)行光譜采集，根據(jù)CIE色度學(xué)的基本原理，計算得到各濃度茶湯的L*、a*、b*坐標(biāo)值。由圖3可以看出，L*值（即明亮度坐標(biāo)）隨著茶湯濃度的增大呈逐漸減小的趨勢，符合人眼觀測結(jié)果，且N100T光譜儀的測量結(jié)果與HunterLab ColorQuest XE測色儀的測量結(jié)果一致，L*值均分布在60～75之間;b*值（即黃/藍(lán)色品坐標(biāo)）隨著茶湯濃度的增大，出現(xiàn)了增大的趨勢，從茶湯試樣的實際顏色角度考慮，綠茶茶湯呈黃綠色，而高濃度綠茶茶湯顏色偏黃色，符合觀測結(jié)果，N100T光譜儀的測量結(jié)果在測量910 mg/L濃度茶湯時出現(xiàn)了明顯的異常值，產(chǎn)生該現(xiàn)象可能的原因是儀器光源預(yù)熱時間不足;a*值（即紅/綠色品坐標(biāo)）基本為負(fù)值，符合茶湯實際顏色（呈偏綠色時，a值即為負(fù)值），個別出現(xiàn)大于0的情況，可能的原因是在試驗過程中，茶湯發(fā)生了氧化。以上結(jié)果表明，N100T可見光譜儀對于待測茶湯試樣色度測量具有一定的可靠性，可應(yīng)用于茶湯色差的檢測。

2.2 不同濃度速溶綠茶湯L*、a*、b*值的差異顯著性分析為了進(jìn)一步分析CIE Lab均勻顏色空間中L*、a*、b*值3個顏色參數(shù)與不同茶湯濃度色差之間的相關(guān)性，本研究采用Duncans multiple range test方法在SPSS v16數(shù)據(jù)分析軟件中分別對L*、a*、b*值進(jìn)行分析，部分濃度的茶湯色坐標(biāo)值見表1。

將表1中的數(shù)據(jù)按照色差標(biāo)準(zhǔn)濃度范圍劃分為A（濃度<950 mg/L）、B（950 mg/L≤濃度≤1 050 mg/L）、C（濃度>1 050 mg/L）共3類，對其L*、a*、b*值分別采用Duncans方法作單因素方差分析。

由表2可知， 當(dāng)顯著性水平為0.05時，對于明度值L*，A、B、C 3組之間具有顯著差異;對于紅/綠色品指數(shù)a*，A、B、C這3組之間同樣也存在顯著差異;對于黃/藍(lán)色品指數(shù)b*，A、B 2組之間不存在顯著差異，B、C 2組之間不存在顯著差異，而A、C 2組之間存在顯著差異。由此可見，不能單獨利用L*、a*、b*等參數(shù)對不同濃度茶湯色差進(jìn)行分析。隨著茶湯濃度增大，L*、a*等顏色參數(shù)之間會出現(xiàn)明顯差異，表明基于該顏色參數(shù)分析不同濃度茶湯色澤的方法具有可行性和有效性。

2.3 不同濃度速溶綠茶湯色差分析

本研究采用的色差分析方法如下：在200 mL、（25±5） ℃水中加入（0.2±0.01） g速溶綠茶粉溶解，即以濃度范圍為950～1 050 mg/L的茶湯色澤作為標(biāo)準(zhǔn)色澤，用待測樣與之進(jìn)行色差比較，超過標(biāo)準(zhǔn)色差范圍時，則視為不合格產(chǎn)品。

根據(jù)上述色差分析方法，以1 000 mg/L濃度的綠茶茶湯色澤為標(biāo)準(zhǔn)，基于采集的41個速溶綠茶湯樣品的原始光譜，利用3種色差計算標(biāo)準(zhǔn)分別計算不同濃度茶湯色澤與該標(biāo)準(zhǔn)色澤之間的色差。

圖4是經(jīng)過3種色差計算標(biāo)準(zhǔn)分析得到的41個不同濃度茶湯樣品色差?？梢钥闯?，以 1 000 mg/L 為標(biāo)準(zhǔn)色澤茶湯濃度，在低濃度一側(cè)，隨著茶湯濃度的減小，用3種色差標(biāo)準(zhǔn)計算得到的色差總體呈增大的趨勢;在高濃度一側(cè)，隨著茶湯濃度的增加，用3種色差計算標(biāo)準(zhǔn)得到的色差總體呈現(xiàn)增大的趨勢。

通過對3種色差公式的分析對比可知，CIE 1976Lab色差分析結(jié)果整體較大，其次分別是CMC（l ∶c）、CIE DE2000。在色差標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，即濃度為950～1 050 mg/L的區(qū)間內(nèi)（圖4中x=950、x=1 050這2條線所含區(qū)域），用CIE 1976Lab色差公式計算的總色差ΔE*ab均小于0.416 3 NBS（該色差值是濃度為950 mg/L的茶湯色澤與濃度為 1 000 mg/L 的茶湯色澤之間的色差，即下限），而在此濃度范圍外的各個濃度的茶湯色澤與標(biāo)準(zhǔn)濃度茶湯色澤之間的總色差均大于0.416 3 NBS，表明該色差計算結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)色差的評定要求。由CMC（l ∶c）色差公式計算的總色差ΔE*cmc在該濃度范圍之間和CIE 1976Lab色差分析的結(jié)果相近，均小于0.335 3 NBS，即小于色差值的下限。但在該濃度范圍以外，部分濃度樣品的茶湯色差同樣小于0.335 3 NBS（如940 mg/L濃度樣品），易造成色差誤判，進(jìn)而影響產(chǎn)品的一致性。由CIE DE2000色差公式計算分析的結(jié)果看出，在標(biāo)準(zhǔn)濃度范圍中，ΔE*00均小于0.275 1 NBS;而在該標(biāo)準(zhǔn)濃度范圍外，均大于 0.275 1 NBS，同樣也滿足標(biāo)準(zhǔn)色差的評定要求。基于區(qū)分不同濃度茶湯色澤差異應(yīng)該越大越好的原則，最終選擇CIE 1976Lab色差標(biāo)準(zhǔn)作為本研究中速溶綠茶湯色差的分析計算標(biāo)準(zhǔn)。

為了驗證茶湯色差分析方法的準(zhǔn)確性，由南京融點食品科技有限公司提供10個未知濃度樣品，首先由該公司的5位專業(yè)感官評定人員對該茶湯樣品色澤進(jìn)行合格性評定，之后使用微型可見光譜儀對同樣的樣品進(jìn)行色差分析并判定合格率。由表3可知，5位感官評定人員對于10個未知濃度樣品的合格判定正確率分別為80%、80%、70%、90%、70%，平均正確率為78%;而經(jīng)微型可見光譜儀檢測分析判定，正確率高達(dá)90%，有且僅有1個茶湯樣品出現(xiàn)誤判情況，表明該方法相對于感官評定更為準(zhǔn)確可靠。對上述茶湯樣品使用色差標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，由圖5可以看出，這批樣品的色差分布與41個茶湯試樣色差分布結(jié)果呈相同的變化趨勢，而發(fā)生誤判的茶湯樣品出現(xiàn)在1 050 mg/L（檢測邊緣）濃度附近。綜上可知，利用色差分析方法檢測未知濃度樣品色差較感官評定結(jié)果更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，可應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，同時也實現(xiàn)了茶湯色澤的數(shù)據(jù)量化和存儲，方便生產(chǎn)過程的管理及反饋指導(dǎo)。

3 結(jié)論

基于可見光譜分析技術(shù)對不同濃度的速溶綠茶湯進(jìn)行光譜采集，根據(jù)CIE色度學(xué)基本原理，并根據(jù)相關(guān)色差計算公式分析發(fā)現(xiàn)，N100T微型光譜儀測量結(jié)果與HunterLab ColorQuest XE測色儀的測量結(jié)果一致，均符合人眼觀測結(jié)果，表明該方法可以用來檢測不同濃度茶湯之間的顏色差異，測量結(jié)果具有一定的可靠性，且成本較臺式色差儀低，具有體積小、便攜等優(yōu)點。

采用Duncans multiple range test方法進(jìn)行單因素方差分析，分別設(shè)1 050、950 mg/L作為標(biāo)準(zhǔn)色差濃度的上、下限，結(jié)果表明，不同濃度速溶綠茶湯色澤之間對于明亮度L*值、紅/綠色品指數(shù)a*值均表現(xiàn)出顯著差異。

對采集到的茶湯原始透光率采用CIE 1976Lab、CMC（l ∶c） 和CIE DE2000等3種色差計算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在對該速溶綠茶茶湯色差的評價分析中，CIE1976Lab色差計算標(biāo)準(zhǔn)更符合實際生產(chǎn)過程中對于茶湯色差的評判標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)客觀、可靠、可量化的產(chǎn)品判別，保證生產(chǎn)過程中產(chǎn)品品質(zhì)的一致性。通過與感官評定方法相對比表明，采用微型可見光譜儀對于不同濃度茶湯合格判定的正確率優(yōu)于感官評定人員，因此，該技術(shù)穩(wěn)定可靠，具有一定的價值和應(yīng)用前景。

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