基于微型可見光譜儀的茶湯色差的研究

任凱　陳通　陸道禮　陳斌

摘要：旨在基于可見光譜技術建立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據，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行測定和分析。結果表明：（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，該點對應黃綠色溶液的特征吸收波長點，表明可應用于茶湯濃度的區分;（2）對茶湯原始透射率使用上述3種色差方法進行色差分析，經過對比發現，CIE 1976Lab色差標準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結合CIE 1976Lab色差標準方法可實現快速、準確評判速溶綠茶湯的顏色差異。

關鍵詞：速溶綠茶;可見光譜分析;色差分析;茶葉

中圖分類號：TS272.7

文獻標志碼： 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、農產品快速無損檢測研究。E-mail：rkgg233@163.com。

通信作者：陳 斌，博士，教授，主要從事食品與農產品快速無損檢測方法和應用機制的研究。E-mail：ncp@ujs.edu.cn。

我國是茶葉的故鄉，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易的大宗飲料原料之一[1]。隨著現代醫學與科學的發展，越來越多的研究表明，茶葉中含有的多酚類物質（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。在繼承傳統茶業的同時，隨著人們口感要求的提升和保健功效要求的提出，促進了茶飲料產業的快速發展。

與傳統的茶業不同，茶飲料更多是以經過茶葉浸泡的提取液濃縮液或速溶茶粉為原料，經加工、調配等工序制成茶湯飲料或調味茶飲料[4-5]。隨著現代工業的進步和市場需求的提高，如何保證不同批次產品品質相近或相同，特別是茶湯色澤一致性的控制，是目前企業生產中普遍存在的一個難題。而實際生產過程中使用的檢測方法仍然停留在感官評定上，即將待測產品與企業標準品相對比，進行簡易判定，該方法易受檢測人員的經驗、心理和生理穩定性等因素以及觀測環境條件等差異的影響，測量的準確度較低且重復性較差，不能適應現代工業化生產的要求[6-7]。因此，有必要開發一種客觀、可靠、可量化的茶飲料品質色澤的檢測方法，從而實現快速、準確判別茶湯色澤，保證各生產批次產品質量的一致性和穩定性。目前，關于茶的色差研究大多數停留在對各種茶葉的品質評定方面，鮮有關于速溶茶茶色的相關研究[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和行業推薦使用的CMC（l ∶c）等3種色差計算方法[13]對試驗樣品進行色差分析，以選取適合速溶綠茶茶湯色差分析的最優色差公式，達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（在生產線上隨機選取），每個樣品各取10 g，配制成試驗所需的待測樣濃度。

1.2 儀器與設備

N100T型微型光譜儀（濟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（宜興市譜析光學元件有限公司）;DK-8D型水浴鍋（鞏義市予華儀器有限責任公司）;FA1004B型電子天平（上海越平科學儀器有限公司，精度：±0.000 1 g）。

1.3 試驗方法

1.3.1 儀器參數的設置 N100T微型光譜儀由江蘇大學食品與生物工程學院與濟南海能儀器有限公司共同開發，核心部件采用濱松公司（Hamamatsu）生產的C10988MA微型可見光探測器，該探測器基于光柵式色散原理進行分光，同時整合了MEMS（micro-electro-mechanical system，微機電系統）技術和帶光接受狹縫的CMOS（complementary metal-oxide-semiconducto，互補金屬氧化物半導體）圖像傳感器技術，實現了光譜儀的微型化設計，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準為依據，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，獲取對應樣品的透射率光譜，每個樣品重復掃描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標準色差計算方法對相鄰2個梯度的待測樣品進行色差計算。

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

1.4 色差計算方法

在實際生產中，對于顏色的測量最主要的應用是檢測標準色樣和待測色樣之間的顏色差異（即色差）。實際生產中需要檢測兩者之間的色差來控制產品品質，如果色差超過規定的標準，則會影響最終的產品質量[14]。近年來，隨著工業生產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的色差計算公式，統一了檢測和計算標準，滿足了生產的要求。

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標準光源的光譜功率因數和CIE1964標準色度觀察者的三刺激值進行計算，得到相應的顏色三刺激值，然后根據均勻色空間公式，計算出CIELab均勻色空間的心理明度L*值、心理彩度坐標（紅/綠色品指數）a*值、心理彩度坐標（黃/藍色品指數）b*值、彩度C*ab值和色調角hab值，進而通過不同的色差計算標準進行色差分析[15]。

1.4.1 CIE 1976Lab CIE 1976Lab均勻顏色空間是從CIE 1931標準色度學系統發展而來，通過非線性變換得到的，目前已經成為世界各國正式采納、國際通用的測色標準。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個樣品顏色坐標點的距離來表示，即：

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

2 結果與分析

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行光譜采集，根據CIE色度學的基本原理，計算得到各濃度茶湯的L*、a*、b*坐標值。由圖3可以看出，L*值（即明亮度坐標）隨著茶湯濃度的增大呈逐漸減小的趨勢，符合人眼觀測結果，且N100T光譜儀的測量結果與HunterLab ColorQuest XE測色儀的測量結果一致，L*值均分布在60～75之間;b*值（即黃/藍色品坐標）隨著茶湯濃度的增大，出現了增大的趨勢，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，符合觀測結果，N100T光譜儀的測量結果在測量910 mg/L濃度茶湯時出現了明顯的異常值，產生該現象可能的原因是儀器光源預熱時間不足;a*值（即紅/綠色品坐標）基本為負值，符合茶湯實際顏色（呈偏綠色時，a值即為負值），個別出現大于0的情況，可能的原因是在試驗過程中，茶湯發生了氧化。以上結果表明，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一步分析CIE Lab均勻顏色空間中L*、a*、b*值3個顏色參數與不同茶湯濃度色差之間的相關性，本研究采用Duncans multiple range test方法在SPSS v16數據分析軟件中分別對L*、a*、b*值進行分析，部分濃度的茶湯色坐標值見表1。

將表1中的數據按照色差標準濃度范圍劃分為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a*，A、B、C這3組之間同樣也存在顯著差異;對于黃/藍色品指數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*等參數對不同濃度茶湯色差進行分析。隨著茶湯濃度增大，L*、a*等顏色參數之間會出現明顯差異，表明基于該顏色參數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的茶湯色澤作為標準色澤，用待測樣與之進行色差比較，超過標準色差范圍時，則視為不合格產品。

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

圖4是經過3種色差計算標準分析得到的41個不同濃度茶湯樣品色差。可以看出，以 1 000 mg/L 為標準色澤茶湯濃度，在低濃度一側，隨著茶湯濃度的減小，用3種色差標準計算得到的色差總體呈增大的趨勢;在高濃度一側，隨著茶湯濃度的增加，用3種色差計算標準得到的色差總體呈現增大的趨勢。

通過對3種色差公式的分析對比可知，CIE 1976Lab色差分析結果整體較大，其次分別是CMC（l ∶c）、CIE DE2000。在色差標準允許的范圍內，即濃度為950～1 050 mg/L的區間內（圖4中x=950、x=1 050這2條線所含區域），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準濃度茶湯色澤之間的總色差均大于0.416 3 NBS，表明該色差計算結果滿足標準色差的評定要求。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，進而影響產品的一致性。由CIE DE2000色差公式計算分析的結果看出，在標準濃度范圍中，ΔE*00均小于0.275 1 NBS;而在該標準濃度范圍外，均大于 0.275 1 NBS，同樣也滿足標準色差的評定要求。基于區分不同濃度茶湯色澤差異應該越大越好的原則，最終選擇CIE 1976Lab色差標準作為本研究中速溶綠茶湯色差的分析計算標準。

為了驗證茶湯色差分析方法的準確性，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位專業感官評定人員對該茶湯樣品色澤進行合格性評定，之后使用微型可見光譜儀對同樣的樣品進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%;而經微型可見光譜儀檢測分析判定，正確率高達90%，有且僅有1個茶湯樣品出現誤判情況，表明該方法相對于感官評定更為準確可靠。對上述茶湯樣品使用色差標準進行分析，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果呈相同的變化趨勢，而發生誤判的茶湯樣品出現在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果更加準確、穩定、可靠，可應用于實際生產中，同時也實現了茶湯色澤的數據量化和存儲，方便生產過程的管理及反饋指導。

3 結論

基于可見光譜分析技術對不同濃度的速溶綠茶湯進行光譜采集，根據CIE色度學基本原理，并根據相關色差計算公式分析發現，N100T微型光譜儀測量結果與HunterLab ColorQuest XE測色儀的測量結果一致，均符合人眼觀測結果，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、便攜等優點。

采用Duncans multiple range test方法進行單因素方差分析，分別設1 050、950 mg/L作為標準色差濃度的上、下限，結果表明，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a*值均表現出顯著差異。

對采集到的茶湯原始透光率采用CIE 1976Lab、CMC（l ∶c） 和CIE DE2000等3種色差計算標準進行分析，結果表明，在對該速溶綠茶茶湯色差的評價分析中，CIE1976Lab色差計算標準更符合實際生產過程中對于茶湯色差的評判標準，可實現客觀、可靠、可量化的產品判別，保證生產過程中產品品質的一致性。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于感官評定人員，因此，該技術穩定可靠，具有一定的價值和應用前景。

參考文獻：

[1]李連清. 中國近代茶業研究綜述[J]. 甘肅農業，2009（6）：71-73.

[2]王岳飛. 科學飲茶之談談茶保健功效：茶葉防輻射[J]. 茶博覽，2014（3）：80-81.

[3]藍雪銘，劉志彬，倪 莉. 烏龍茶保健功效的研究進展[J]. 中國食品學報，2014，14（2）：201-207.

[4]岳鵬翔，江春柳. 茶飲料發展對中國茶產業的推動作用[C]// 中國茶產業可持續發展戰略學術研討會.杭州，2010.

[5]郭 威. 中國茶飲料發展現狀及市場結構分析[J]. 經濟視野，2012（10）：211.

[6]徐吉祥，楚炎沛. 色差計在食品品質評價中的應用[J]. 現代面粉工業，2010（3）：43-45.

[7]袁 琨. 顏色測量儀器關鍵技術及其應用研究[D]. 杭州：浙江大學，2015.

[8]余書平，尹軍峰，袁海波，等. 小葉種紅茶發酵外觀色差及其主要品質成分相關性[J]. 食品安全質量檢測學報，2015，6（6）：2201-2208.

[9]劉洪林. 工夫紅茶品質客觀評價研究[D]. 重慶：西南大學，2015.

[10]吳瑞梅，趙杰文，陳全勝，等. 綠茶湯色品質感官評價的色差儀表征方法研究[J]. 河南農業科學，2014，43（1）：149-153.

[11]朱 麗. 茶湯色差與茶葉感官品質相關性研究[J]. 中外食品工業，2013（7）：3-4.

[12]董青華，孫威江，張孔碌，等. 基于茶湯色差和pH的烏龍茶產品判別[J]. 福建農林大學學報（自然科學版），2012，41（4）：470-475.

[13]León K，Mery D，Pedreschi F，et al. Color measurement in L*a*b* units from RGB digital images[J]. Food Research International，2006，39（10）：1084-1091.

[14]吳 瓊. 便攜式色差計的設計和研究[D]. 金華：浙江師范大學，2007.

[15]John A C. Publications briefly mentioned：CIE 142—2001，improvement to industrial colour-difference evaluation[J]. Color Research and Application，2002，27（1）：61.

[16]鄭元林，周世生，張林林，等. 基于印刷數據集CIELAB系列色差公式的評價研究[J]. 中國印刷與包裝研究，2010，2：60-64.

[17]劉 輝，張云生，張印輝，等. 均勻空間色差度量的矢量形態學圖像處理[J]. 中國圖象圖形學報，2011，16（12）：2145-2151.

[18]金肖克，張聲誠，李啟正，等. 色差公式的發展及其在織物顏色評價中的應用[J]. 絲綢，2013，50（5）：33-38.

[19]孫建明，周世生，周利國. 基于CIEDE2000色差公式的印刷品色差檢測研究[J]. 機械科學與技術，2011，30（4）：582-585.李曉鶯，張曦燕，閆亞美，等. 不同濃度水楊酸處理對枸杞鮮果采后生理及貯藏保鮮效果的影響[J]. 江蘇農業科學，2020，48（2）：207-209.