基于高光譜技術(shù)的紅茶茶多酚可視化研究

紅茶是一種全發(fā)酵茶葉，因其風(fēng)味獨(dú)特而受到消費(fèi)者青睞。有研究表明茶多酚是茶葉中主要功能性物質(zhì)，約占茶葉干質(zhì)量的18%~40%。還有研究表明茶多酚具有預(yù)防脂肪肝、抑菌、抗氧化等功效。

現(xiàn)如今通過(guò)化學(xué)方法測(cè)定紅茶中茶多酚含量已有多種方法，如氣相色譜-質(zhì)譜法、液相色譜-質(zhì)譜法以及高效液相色譜法等。這些方法雖然可以達(dá)到足夠高的精確度，但檢測(cè)工序會(huì)對(duì)試驗(yàn)樣本造成破壞，且需要在專業(yè)人員的監(jiān)管下進(jìn)行，且這些方法成本較高，步驟復(fù)雜。高光譜成像技術(shù)(HSI)作為一種快速無(wú)損的光譜檢測(cè)方法已廣泛應(yīng)用于食品檢測(cè)領(lǐng)域。該檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單，可在不破壞樣本的前提下快速獲得能反映被測(cè)物品質(zhì)參數(shù)的光譜，且能夠獲取近紅外光譜儀無(wú)法測(cè)得的樣本圖像數(shù)據(jù)。

1.高光譜圖像采集

茶葉樣本模仿流水線檢測(cè)方式，使其自然成堆地散落于可移動(dòng)載物臺(tái)之上，采用軟件ENVI4.8的確定感興趣區(qū)域(regionofinterest，ROI)處理系統(tǒng)分析高光譜圖像內(nèi)各個(gè)成像點(diǎn)，從而獲得紅茶光譜數(shù)據(jù)。由于茶葉葉片并不能完全平整，會(huì)導(dǎo)致鏡頭獲取不同高度的葉片數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生誤差，因此選取感興趣點(diǎn)提取葉片數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)避免選取顏色過(guò)暗的葉片，如圖2所示。

圖1 高光譜采集系統(tǒng)示意圖

圖2 提取光譜數(shù)據(jù)

2.光譜預(yù)處理

光譜相機(jī)掃描茶葉樣品獲得全波長(zhǎng)光譜數(shù)據(jù)，初始波長(zhǎng)以及末尾波長(zhǎng)由于設(shè)備、環(huán)境等原因噪音過(guò)大，數(shù)據(jù)失真，故將其剔除。在實(shí)際生產(chǎn)中，樣本在傳送帶上的分布是無(wú)序的，高低錯(cuò)落的，為模擬這一過(guò)程，實(shí)驗(yàn)中茶葉葉片錯(cuò)落分布于傳送板上，故茶葉高低錯(cuò)落不平，光譜數(shù)據(jù)反射率會(huì)受其影響，進(jìn)而呈現(xiàn)出整體性的提高或下降，因此本研究采用MSC預(yù)處理方法減小這種誤差干擾，其校正后光譜圖像如圖3所示。

圖 3 MSC預(yù)處理后光譜數(shù)據(jù)

3.波長(zhǎng)篩選

全光譜建模存在數(shù)據(jù)冗余、波段多等特點(diǎn)，會(huì)影響模型預(yù)測(cè)精度以及模型運(yùn)行速度，同樣會(huì)使得可視化圖像生成緩慢，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，缺乏檢測(cè)實(shí)時(shí)性。圖4表示的是英紅九號(hào)紅茶通過(guò)SPA尋優(yōu)特征變量的過(guò)程。14個(gè)波長(zhǎng)為1386、1419、1666、1571、1498、1447、1727、1856、1889、2174、2308、2051、1313、1199nm。茶多酚為酚類、酯類等有機(jī)物組成的混合物，其含有的官能團(tuán)較多且復(fù)雜，但其主要官能團(tuán)苯環(huán)骨架、酯基、羥基在光譜信息上表達(dá)特性的區(qū)域?yàn)?400~1900nm，故特征波長(zhǎng)點(diǎn)大多出自此處是符合茶多酚中各物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的。

圖4 SPA篩選特征光譜變量過(guò)程圖

圖5 PSO-LSSVR預(yù)測(cè)紅茶種茶多酚含量值與真實(shí)值對(duì)比圖

4.可視化結(jié)果

將茶葉光譜數(shù)據(jù)代入PSO-LSSVR模型，對(duì)高光譜圖像各個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行茶多酚含量預(yù)測(cè)，可視化效果如圖6所示。A圖紅茶編號(hào)為H86，其茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)由化學(xué)法測(cè)得為22.31%，可視化圖像中茶葉表面整體呈橙色，但可以看出部分茶尖呈紅色。B圖紅茶編號(hào)為H13，其茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)由化學(xué)測(cè)量法測(cè)得為14.36%，可視化圖像中茶葉表面整體呈黃綠色，但也可以看出部分茶尖呈橙紅色。C圖紅茶編號(hào)為H40，其茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)由化學(xué)測(cè)量法測(cè)得為8.96%，可視化圖像中茶葉表面整體呈現(xiàn)淺藍(lán)色。

通過(guò)高光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)茶多酚含量可視化，且通過(guò)色彩梯度圖可直觀看出茶葉中茶多酚含量高低及其分布情況，在茶葉分級(jí)過(guò)程中可以作為一個(gè)步驟，使操作人員快速直觀地判別茶葉等級(jí)，并將其挑選分類。

注:A~C3種茶編號(hào)及其所含茶多酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為H86號(hào):22.31%，H13號(hào):14.36%，H40號(hào):8.96%。圖6茶多酚含量可視化

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