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傅里葉變換近紅外光譜分析技術(shù)在茶葉中的應(yīng)用

2011-05-25

                                           傅里葉變換近紅外光譜分析技術(shù)在茶葉中的應(yīng)用
    近紅外光譜分析技術(shù)近年來(lái)巳成功應(yīng)用于食品、煙草、藥品及化工等諸多行業(yè)產(chǎn)品的分析測(cè)定，特別在農(nóng)副產(chǎn)品的品性分析上，因其快速、無(wú)需前灶理、非破壞性及多組分同時(shí)定量分析等優(yōu)勢(shì)而得到更為廣泛的應(yīng)用。日本早在70年代就已將近紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)用于茶葉多種組分的定量分析，如茶多酚、咖啡堿、全氮量、粗纖維等的定量分析，并取得了良好的效果。國(guó)內(nèi)應(yīng)用近紅外光譜測(cè)定茶葉中的成分也有報(bào)道，但局限在傳統(tǒng)的運(yùn)用特定波長(zhǎng)確定某種成分的多元回歸方程的研究階段。目前，隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，近紅外光譜分析已轉(zhuǎn)向以分析弱信號(hào)和多組分多元信息處理為基礎(chǔ)的階段。特別是隨著80年代傅里葉變換在近紅外光譜儀中的應(yīng)用，增加光通量，提高了信噪比，使所得譜線平滑，從而使近紅外技術(shù)有效地應(yīng)用于大量樣品的高精度快速分析。本文通過(guò)運(yùn)用德國(guó)Bruker公司的FT-NIR光譜儀(IFS 28／N型)和隨機(jī)配送的OPUS QUANT-2定量和IDENT 定性分析軟件對(duì)茶樹活體(葉片)、茶葉及茶制品的近紅外光譜進(jìn)行掃描和分析，并結(jié)合傅里葉變換近紅外光譜儀在其他諸多行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討它在茶葉領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的特點(diǎn)及前景．

一、應(yīng)用原理及特點(diǎn)
1.應(yīng)用原理

   近紅外光譜區(qū)介于可見光區(qū)與中紅外光區(qū)之間，波長(zhǎng)范圍為0.75～2.5μm， 渡數(shù)范圍為4000～13330/cm。由于近紅外光譜區(qū)與有機(jī)分子中含氫基團(tuán)(C-H、O-H、N-H)振動(dòng)的合頻與各級(jí)倍頻的吸收一致，因此通過(guò)掃描樣品的近紅外光譜，可得到樣品中有機(jī)分子古氫基團(tuán)的特征振動(dòng)信息 茶葉中的大多數(shù)有機(jī)化合物如茶多酚、氨基酸、蛋白質(zhì)、咖啡堿、還原糖、多糖(纖維素、半纖維素、淀粉、果膠)等都含有各種含氫基團(tuán)， 所 通過(guò)對(duì)茶葉的近紅外光譜分析可“ 測(cè)定這些成分的含量。而茶葉的品質(zhì)或品性與它所含有的各種化學(xué)成分直接相關(guān)。如纖維素、半纖維素的吉量決定了茶葉的老嫩度，氨基酸、茶多酚、咖啡堿含量及比例決定了茶沖泡后的口感。由此看出，通過(guò)分析茶葉的近紅外光譜， 不僅可 得到各種化學(xué)成分的含量，還能以此為依據(jù)，進(jìn)一步建立關(guān)于茶葉優(yōu)劣、級(jí)別、真假識(shí)別“及品種鑒定等一系列快速分析模型，從而可以從根本上避免現(xiàn)在茶葉化學(xué)測(cè)定的繁瑣和人工審評(píng)中因個(gè)人好惡帶來(lái)的誤差。
傅里葉變換近紅外光譜儀所運(yùn)用的傅里葉變換技術(shù)是通過(guò)機(jī)內(nèi)的邁克爾遜干涉儀動(dòng)鏡的勻速運(yùn)動(dòng)把待分析光變成干涉光(干涉圖)，干涉圖是分析光的干涉強(qiáng)度隨光程度變化的函數(shù)，也是干涉強(qiáng)度隨時(shí)問(wèn)變化的函數(shù)。機(jī)內(nèi)的計(jì)算機(jī)采集干涉圖的數(shù)據(jù)，通過(guò)傅里葉變換(多次的數(shù)值積分)，把干涉圖變換成光譜圖。由于干涉光提供了很高波長(zhǎng)分辨率的全光譜，因此傅里葉變換后的信號(hào)提供了較其他類型儀器通常所能達(dá)到的更高信噪比。傅里葉變換技術(shù)是信號(hào)姓理和渡譜解析的有力手段，利用傅里葉變換可從數(shù)據(jù)中提取更多的有用信息，即 傅里葉級(jí)數(shù)擬合原光譜曲線，用較少項(xiàng)的級(jí)數(shù)就可獲得與原光譜良好的近似，從而使所得譜線平滑，消除了部分噪音。因此傅里葉變換技術(shù)能使近紅外光譜儀有效地應(yīng)用于大量樣品的高精度快速分析。

2． 應(yīng)用的方法和特點(diǎn)

(1)茶葉近紅外光譜法測(cè)定步驟
    運(yùn)用近紅外光譜鍘定茶葉樣品中所含的某種化學(xué)成分， 首先要建立光譜特征與該成分含量之間的數(shù)字模型。具體過(guò)程如下：① 選擇一定數(shù)量(60份以上)具有代表性的茶葉樣品(又稱標(biāo)準(zhǔn)樣品集) 2.用其他測(cè)試儀器或化學(xué)方法準(zhǔn)確測(cè)定各份茶葉中要預(yù)測(cè)成分的含量，作為真實(shí)值；3.用傅里葉變換蚯紅外光譜儀掃描標(biāo)準(zhǔn)樣品．集中各份茶葉的近紅外光譜圖；④ 運(yùn)用隨機(jī)軟件(0PUS QUANT-2定量分析軟件)中的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法、偏小二乘法(PLS)在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立茶葉近紅外光譜圖和化學(xué)成分真實(shí)值之間的對(duì)應(yīng)模型；5.在以后運(yùn)用該模型進(jìn)行性速測(cè)定時(shí)還可以不斷地進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)。多組分測(cè)定時(shí)，只須對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品集中各份茶葉進(jìn)行多組分測(cè)定， 建立各組分和茶葉蚯紅外光譜圖對(duì)應(yīng)的模型即可。
    測(cè)定時(shí)只需掃描待測(cè)茶葉樣品的近紅外光譜，通過(guò)欲測(cè)成分的對(duì)應(yīng)模型就可以得到樣品中該成分的含量。所以說(shuō)傅里葉變換近紅外光譜儀不同于液相色譜、氣相色譜等大型測(cè)試儀器，它測(cè)定樣品成分含量的方法是建立在化學(xué)測(cè)定法或其他儀器測(cè)定基礎(chǔ)之上的，可以稱之為“再生”的測(cè)定方法。

(2)特點(diǎn)

    傅里葉變換近紅外光譜法在建立模型時(shí)，需要挑選有代表性的標(biāo)準(zhǔn)樣品集并進(jìn)行大量的化學(xué)測(cè)定，是一項(xiàng)耗時(shí)長(zhǎng)且相當(dāng)繁瑣的工作 而且模型將來(lái)對(duì)未知樣品預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度完全取決于模型韌建時(shí)化學(xué)測(cè)定的精確與否，這就要求化學(xué)測(cè)定一定要精確可靠。否則模型的可靠性就會(huì)降低。但只要模型準(zhǔn)確建立，在進(jìn)行茶葉樣品組分測(cè)定時(shí)，樣品盂需進(jìn)行任何前處理(如提取、消化等)就可 直接進(jìn)行近紅外圖譜掃描，做到無(wú)損檢測(cè)。并快速而準(zhǔn)確地測(cè)得組分含量，掃描后的樣品還可以挪作他用。
    傅里葉變換近紅外光譜法還特別適合茶葉樣品的多組分快速測(cè)定，測(cè)定時(shí)只要對(duì)樣品進(jìn)行一趺近紅外圖譜掃描。通過(guò)各組分的數(shù)學(xué)模型可以在短時(shí)間內(nèi)一次性同時(shí)測(cè)定束知樣品多種組分的含量。
另外，數(shù)學(xué)模型一經(jīng)建立，可以棱拷貝人任一帶相同分析軟件的傅里葉變換近紅外光譜儀使用(叉稱作模型轉(zhuǎn)移)，無(wú)需任何修正。過(guò)是因?yàn)楦道锶~變換近紅外光譜儀不同于普通的光柵型近紅外光譜儀， 它是采用儀器內(nèi)部氨氖激光作為波長(zhǎng)校準(zhǔn)．儀器穩(wěn)定性高，模型轉(zhuǎn)移性能好。
傅里葉變換近紅外光譜儀帶有很多的檢測(cè)接口和附件．因此它可用于多種茶及茶制品的常規(guī)和在線檢測(cè)，如積分球可用于掃描干茶以及茶濃縮乳濁藏的漫反射光譜， 變溫池可用于茶水及茶飲料的恒溫檢測(cè)，固體光纖可用于速溶茶、粉茶及活體試驗(yàn)的常規(guī)檢測(cè)和制荼、茶飲料及濃縮茶生產(chǎn)工藝中的在線檢測(cè)等

二、傅里葉變換近紅外光譜分析技術(shù)在茶葉中的應(yīng)用前景
    筆者在傅里葉變換近紅外光譜儀上，分別采用變溫池、灌體光纖、積分球漫反射、固體光纖等作圖譜掃描．對(duì)烏龍茶、紅茶、綠茶、茶橙出液、速溶茶、超微綠茶粉、茶飲料、濃縮茶等茶制品以及茶樹活體進(jìn)行掃描分析，都得到了清晰的光譜圖。可見，只要把茶葉領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)學(xué)模型一一建立起來(lái)，近紅外光譜在該領(lǐng)域的應(yīng)用是大有作為的。

1 茶葉化學(xué)成分的多組丹快速測(cè)定
    由于傅里葉變換近紅外光譜具有無(wú)需前處理、快速、無(wú)損、多組分同時(shí)測(cè)定等請(qǐng)多優(yōu)點(diǎn)．所以它適合對(duì)干茶作多組分快速測(cè)定，在茶葉水分、茶多酚、咖啡堿、粗纖維、全氯量等方面的測(cè)定中得到應(yīng)用=就目前筆者利用Bruker公司的IFS 28／N 型FT NIR光譜儀在炒青綠茶漫反射光譜中巳作的初步研究來(lái)看，茶葉的含水率、茶多酚含量、全氮量都可以利用傅里葉變換近紅外光譜儀來(lái)測(cè)定，數(shù)學(xué)模型中的化學(xué)測(cè)定真實(shí)值和近紅外光譜預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)r≥0.90。通過(guò)傅里葉變換近紅外光譜在其他行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，可以預(yù)見傅里葉變換近紅外光譜在茶葉蛋白質(zhì)、氨基酸總量、氨基酸組分、總糖、還原糖、兒茶索包量等諸多項(xiàng)目的測(cè)定中的應(yīng)用將得到進(jìn)一步地拓展。

2． 建立茶葉智能化初審橫型
    人工對(duì)茶葉的感官審評(píng)主要通過(guò)人的視覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)和味覺(jué)分別對(duì)茶葉外形、湯色、香氣、滋味和葉底進(jìn)行評(píng)審，從而判斷茶葉品質(zhì)的優(yōu)劣。評(píng)茶人員要經(jīng)過(guò)多年的培訓(xùn)和長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累才能擁有高超的評(píng)茶技藝，而且還常常受到情緒、喜好、健康狀況的影響．所以說(shuō)茶葉人工感官審評(píng)有很多偶然因素，另外優(yōu)秀的評(píng)茶員也十分難得 固為茶葉品質(zhì)的優(yōu)劣與其內(nèi)質(zhì)直接相關(guān)，如茶多酚、咖啡堿的含量及比例，氨基酸及各組分含量．葉綠索、纖維素的含量等等，而這些信息在傅里葉變換近紅外光譜上都有一定程度的反映，這樣只要建立茶葉近紅外光譜與感官審評(píng)各因子得分之間的數(shù)學(xué)模型， 就可以得到茶葉智能他計(jì)算機(jī)審評(píng)模型。當(dāng)然茶葉品質(zhì)的優(yōu)劣還和制茶技術(shù)相關(guān)，同樣的鮮葉經(jīng)不同的人制作，茶葉品質(zhì)相差懸殊。所以該模型只能作為茶葉的初審，而不可能完全代替人工感官審評(píng)。盡管如此，由于傅里葉變換近紅外光譜儀在快速、無(wú)損等方面的優(yōu)勢(shì)， 它仍可在茶葉等級(jí)的快速評(píng)定和茶葉的一般性審評(píng)中有所應(yīng)用。

3． 茶樹育種
    傅里葉變換近紅外光譜儀在譜多領(lǐng)域的應(yīng)用中，育種應(yīng)是應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)方面，在茶葉上也是如此。倒如在選育低咖啡堿、高咖啡堿及高茶多酚等特殊茶株時(shí)，建立的茶樹活體(鮮葉)傅里葉變換近紅外光譜和化學(xué)成分之間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)固體光纖可以做到無(wú)損檢測(cè)，得到欲知成分的含量，防止以往測(cè)定中對(duì)植株的損傷和破壞；特別是在茶樹品種選育時(shí)，解決了既可得知種子的品性又不對(duì)種子進(jìn)行破壞性檢測(cè)的問(wèn)題。
    另外，OPUS IDENT 定性分析軟件中還帶有震糞分析軟件，可在茶樹育種中的親緣關(guān)系鑒別上發(fā)揮作用。它利用不同茶樹活體傅里葉變換近紅外光譜的相似性比例對(duì)樣品進(jìn)行逐步歸類，并給出譜系圖，由此來(lái)判別樣品親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近，這可用于茶樹品種的識(shí)別和鑒定。

4． 茶樹栽培
    在茶樹栽培中，經(jīng)常要檢驗(yàn)不同的施肥方式、比例和茶樹的施肥效果，或者是通過(guò)茶樹缺某種肥料時(shí)的表征來(lái)決定施什么肥等。這些方面電可以利用傅里葉變換近紅外光譜儀做些工作。因?yàn)楦道锶~變換近紅外光譜儀不但可以建立茶樹活體和化學(xué)成分之間的數(shù)學(xué)模型，還可以建立土壤近紅外光譜和化學(xué)成分之間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模型對(duì)茶村活體和土壤所含有效成分(如氨、磷、鉀等)進(jìn)行快速檢測(cè)，特別是對(duì)同一活體組織(葉片)的跟蹤連續(xù)檢測(cè)，從而可以對(duì)施肥效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，也可以通過(guò)對(duì)茶樹活體所含成分(如全氮量)多少的檢測(cè)，確定在土壤中的旄肥方式和比例。

5． 茶制品大生產(chǎn)中的在線分析與控制
   目前，茶制品大生產(chǎn)中主要通過(guò)化學(xué)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)品質(zhì)控制，費(fèi)時(shí)長(zhǎng)、步驟繁，難以適應(yīng)工廠化生產(chǎn)的需要。而應(yīng)用傅里葉變換近紅外光譜儀，只要建立茶制品近紅外光譜與化學(xué)成分之間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)儀器中的固體光纖和嬗體光纖就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的在線檢測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控，如茶飲料生產(chǎn)中茶湯濃度的調(diào)配可以通過(guò)近紅外光譜來(lái)控制茶敢料中茶多酚的含量，速溶茶或濃縮茶的生產(chǎn)中也可以通過(guò)近紅外光譜控制茶多酚總量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)茶球縮望點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

6． 茶葉真假、偽劣識(shí)別
   通過(guò)傅里葉變換近紅外光譜儀和定量、聚類分析，軟件還可對(duì)茶葉進(jìn)行真假、偽劣的快速識(shí)別。茶葉中茶多酚和咖啡堿的高含量廈比例關(guān)系是茶葉所特有的，此為根據(jù)，通過(guò)茶葉榮多酚和咖啡堿的近紅外光譜數(shù)學(xué)模型就可以央速識(shí)別茶葉真假．通過(guò)對(duì)不同類別、級(jí)別茶葉樣品傅里葉變換近紅外光譜的掃描， 再掃描預(yù)測(cè)樣品的光譜，通過(guò)聚類分析軟件得出譜系圖，就可快速得出預(yù)測(cè)樣品的級(jí)別和優(yōu)劣。
   傅里葉變換近紅外光譜儀在茶葉中的應(yīng)用極為廣泛，目前某些方面已經(jīng)得到應(yīng)用，特別是樣品的成分測(cè)定方面，但仍限于單組分的涮定，多組分同時(shí)測(cè)定模型和許多其他方面的應(yīng)用模型還亟待建立。雖然傅里葉變換近紅外光譜的模型建立需要 大量的化學(xué)測(cè)定為基礎(chǔ)，是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的工作，但由于它具有許多化學(xué)及其他儀器測(cè)定無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)。所以隨著茶葉及茶制品領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的不斷開發(fā)，傅里葉變換近紅外光譜儀在茶葉及茶制品領(lǐng)域中的諸多應(yīng)用必將得實(shí)現(xiàn)和拓展。