近红外光谱分析技术在茶叶中的应用

1近红外光谱分析技术的原理

近红外光谱（简称NIRS）是介于中红外光谱和可见光谱之间的光谱，其波长范围一般指800-2500纳米. 近红外光谱吸收带是有机物质中X-H键（主要是C-H、O-H、N-H）基频吸收的倍频、合频和差频吸收的叠加。不同基团产生的光谱在吸收峰位置和强度上有所不同，根据朗伯-比尔定律，随着样品组成或者结构的变化，其光谱特征也将发生变化。这是近红外光谱分析技术的理论基础。物质对近红外光吸收相对较弱，光子能透射到物质的一定深度，部分光子被物质吸收，部分重新反射回来，还有的可能透过物质。与物质相互作用后的反射光和透射光就携带了物质的成分信息。通过接收反射光谱或透射光谱，并以现代化学计量学方法对其进行解析，建立定标模型，可实现多种有机物及其混合物的定性和定量分析。

2近红外光谱分析技术的特点

近红外光谱分析技术是20世纪90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术之一，其相对于其他分析技术有以下主要优点：分析成本低、分析速度快、分析效率高、重现性好、适用的样品范围广、样品测量一般无需预处理、便于在线分析、对样品无损伤、对操作人员的要求不苛刻等。但作为一种间接分析技术，近红外光谱技术也有其缺点：测试灵敏度相对较低、分析结果的准确性依赖于所建模型的质量、需要用标样进行校正对比，很多情况下仅是一种间接的分析技术、建模工作难度大，需要有丰富的有代表性的样品，配备精确的理化检测手段，并要求有经验的专业人员操作建模、由于样品本身的代表性以及光谱采集方法各异，每一种模型只能适应一定的时间和空间，需要不断对模型进行维护。

3近红外光谱分析技术在茶叶中的应用

20世纪80年代以前，近红外光谱分析技术的研究应用领域主要集中在农产品的品质分析，而目前其应用范围已迅速向食品工业和生物学研究的其他领域扩展。分析的对象包括茶叶、饮料、乳制品、肉鱼蛋类、水果蔬菜等。近红外光谱分析技术在茶叶和茶制品中被广泛应用，可用来检测茶叶中水分、全氮量、儿茶素、茶多酚、咖啡碱和氨基酸等主要成分的含量。随着高性能近红外光谱分析仪器的出现以及光纤在交互传递模式中的应用，采用近红外光谱分析技术快速检测茶叶和茶制品中的主要成分，现已相当普遍。

3.1近红外光谱分析技术在成茶品质分析中的应用

近红外光谱分析技术在成茶成分的检测应用最为广泛，日本和欧洲在该方面处于领先地位。日本是最早将近红外光谱技术运用于茶叶品质成分的快速检测，并研发专用仪器，用于茶叶的品质管理。吉川聪一郎等用近红外光谱测定了绿茶、煎茶、乌龙茶等不同茶叶中的全氮量、氨基酸、咖啡碱和茶多酚的含量，结果表明：近红外光谱分析法与化学分析方法存在很好的相关性；在茶叶不粉碎的情况下，也能获得理想的分析结果，显示了近红外光谱分析法具有很好的可靠性。在此基础上，日本静冈制株成功研制了近红外茶成分分析仪，能快速检测陈茶中水分、全氮量、粗纤维、茶多酚、咖啡碱、氨基酸等主要成分，成功地运用于茶叶生产加工过程中的品质管理。

近红外光谱分析法在成茶方面的研究，国内也发展迅速。1991年，夏贤明等利用近红外光谱分析法测定了绿茶中全氮量、游离氨基酸、咖啡碱和茶多酚的含量,对磨碎茶叶进行近红外光扫描和多元回归处理，最终确认近红外光谱分析法可用于绿茶的品质检验。孙耀国等直接取茶叶完整叶进行近红外光谱分析测定绿茶中氨基酸、咖啡碱和茶多酚的含量，获得了较好的近红外光谱分析模型。罗一帆等应用人工神经网络方法，建立了近红外光谱测定茶叶中茶多酚和茶多糖的模型，可准确预测其含量。目前来看，近红外光谱分析技术在成茶品质检测方面的研究大多建立在以国外生产的通用型近红外光谱仪的基础上。其中，傅立叶变换近红外光谱仪的应用最为广泛，这类仪器结构复杂、价格昂贵、常采用全波长建模，因此具有一定的局限性。国内尚未有专用型近红外分析仪。我国虽然在该方面的研究起步较晚，但发展迅速，某些方面也达到了国际先进水平。

3.2近红外光谱分析技术在茶鲜叶中的应用

除了将近红外光谱分析技术用于成茶成分分析外，也可用于茶鲜叶成分的定量快速检测。但从目前的相关报道来看，日本是唯一做过该方面研究的国家。1992年，后藤正利用近红外光谱分析法对茶鲜叶中的水分、全氮量、茶多酚、咖啡因、氨基酸、粗纤维等成分的含量进行了检测，预测结果具有较高的准确性。研究结果表明，运用近红外分析技术对茶鲜叶中各种成分的分析检测是可行的。之后，后藤正将近红外光谱分析法又用于茶鲜叶品质的管理，也得到了令人满意的结果。

3.3近红外光谱分析技术在茶汤中的应用

近红外光谱分析技术在茶汤中的应用，国外尚未见相关报道。在国内，1991年浙江大学梁月荣等率先采集了龙井茶等12种浙江名茶茶汤的光谱，建立了有关茶汤的光谱分析模型。从研究结果看，在400纳米和440纳米处的透光率分别与茶汤的成分呈显著和极显著的正相关，通过茶汤的光谱分析明茶茶汤的部分测定指标可以基本反映出茶汤品质的优劣，因此该方法可作为一种辅助的手段来鉴定茶叶的品质，为近红外光谱分析技术在茶叶鉴定方面的应用又提供了一个新的研究思路。

3.4近红外光谱分析技术在茶提取物中的应用

在茶提取物成分的检测方面，近红外光谱分析技术主要用于茶多酚中各种成分含量的定量分析。茶多酚是从茶叶中提取的由多种儿茶素单体及少量咖啡碱等其他物质组成的混合物。国内在该方面已经有了很完善的研究。陈华才等采用偏最小二乘法、人工神经网络、径向基函数神经网络等不同方法建立了茶多酚中总儿茶素、儿茶素单体和咖啡碱含量的定量分析模型，经研究表明：近红外光谱分析法不仅能够快速检测茶多酚中总儿茶素和咖啡碱的含量，还对多种儿茶素单体，如表儿茶素、表儿茶素没食子酸酯、表没食子儿茶素没食子酸酯等的快速定量分析也是十分可靠的。

3.5近红外光谱分析技术在茶叶鉴别中的应用

除了用于茶叶及茶制品成分的检测分析以外，近红外光谱分析技术还可用于茶叶品质和种类的鉴别。陈全胜等曾以碧螺春茶为研究对象，利用近红外光谱分析技术结合支持向量机模式识别原理建立了碧螺春茶真伪鉴别模型。结果显示，该模型能基本正确识别其真伪。陈全胜等又采用近红外光谱分析技术结合SIMCA模式的方法对茶叶种类进行鉴别和分类，分别对龙井、碧螺春、祁红和铁观音四类茶建立了模型，模型的识别准确率都在80%以上。该方法为快速准确鉴别茶叶提供了一种新的方法。

4结语

综上研究结果可以看出，利用近红外光谱法进行茶叶品质成分的定量分析和茶叶总类的定性鉴别都是可行的。但以上研究大多是建立在以国外生产的通用型近红外光谱仪基础上的，目前国内还尚未研制成功专用型的茶叶近红外品质成分分析仪。因此，今后国内的研究重点应由方法的研究转向实用型光谱仪的研发，并应用于茶叶生产和加工过程的质量控制，使近红外光谱分析技术的优势转化为现实生产力。我国近红外光谱在茶叶方面的应用研究虽起步较晚，但也在某些方面已具国际领先水平。并且，随着近红外光谱技术、化学计量学方法和计算机软硬件技术的不断改良和发展，以及人们对近红外光谱分析技术特点和仪器性能有更深的了解和认识，该项技术在茶叶行业中的应用前景将更为广阔。