基于红外光谱双指标序列法判断绿茶采收的时间顺序

张燕飞，金慧君，徐芸芸，鹿建伟

（黄山学院 信息工程学院，安徽 黄山 245041）

现代医学研究证明绿茶含有茶多酚、氨基酸、咖啡碱等成分，具有提神醒脑、去腻降火、清热解毒、醒酒等功效[1].然而市场上绿茶的质量参差不齐，所以如何快速鉴别绿茶质量是否合格就显得至关重要[2].绿茶的市场价格随着采摘时间而变化：采摘越早的绿茶，其市场价格越高.部分不法商人经常利用这一点，以晚充早，导致绿茶的市场价格混乱.因此对绿茶采摘时间的判断有重要的意义.红外光谱检测可以反映物质的结构成分信息，如物质的化学键或官能团，具有很强的重复性和快速性[3]，在许多领域有着广泛的应用，比如药品的分类及质量检测、果蔬农药残留检测、食品安全检测等[4-5].

本实验采用傅里叶变换红外光谱仪，以2018年清明前后采集的4批次的黄山市屯溪区平顶山绿茶茶叶为样品，测试其红外光谱图，建立多维共有峰率和变异峰率的双指标序列分析法[6-7]，从共性和异性两个方面对绿茶进行全面分析，以判断绿茶的采摘时间顺序.

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

仪器：FTIR-850红外光谱仪、DF-4压片机、HW-3A温控红外烘箱、GZX-9030MBE电热鼓风干燥箱.

溴化钾（光谱纯），纯净水（实验用水），黄山绿茶样品.

1.2 样本制作

2018年清明前后在黄山市屯溪区平顶山4次采集绿茶茶叶（Camellia sinensis（L.）o.Kuntze），其标记如表1所示.

表1 绿茶样品信息表

1.3 红外光谱测试

待测茶叶样品在真空干燥箱50°C下烘干至恒重，再放入玛瑙研磨钵，在红外灯照射条件下研磨4～5min，过100目筛收集，收集后的粉末再次放入真空干燥箱40°C烘干至恒重，密封保存.

4种样品各取5 mg分别与900 mg干燥后的溴化钾粉末一起放入玛瑙研钵里，在红外灯照射条件下混合研磨5 min，称取150 mg混合粉末均匀放入压片模具内，将模具放在压片机上，正确固定后加压10 t，保持1 min，制成圆片状透明样本，将样品片置于红外光谱仪中扫描32次以获得样品的红外光谱.

2 结果与讨论

2.1 4种不同采收期绿茶的红外光谱数据

从如图1可以看出：4种绿茶样品的红外光谱非常相似.这是因为4个样品来源于同一植物，只是采摘的时间稍微有所不同.由图1可知：3500～3400 cm-1主要是纤维素、茶多酚和茶多糖的O—H及蛋白质和氨基酸的N—H伸缩振动吸收峰；3000～2800 cm-1主要为亚甲基的饱和碳氢伸缩振动；1700 cm-1主要为CO的伸缩振动；多糖的平面弯曲振动出现在800 cm-1附近；糖类的C—O伸缩振动出现于1060 cm-1附近.具体谱图数据见表2.

图1 茶叶样品的红外光谱图

表2 4个茶叶样品的红外吸收峰

2.2 红外光谱图的共有峰率、变异峰率、双指标序列

红外光谱图共有峰率和变异峰率[12]计算公式如下：

变异峰率：1个IR图谱中变异峰数与共有峰数的比值.即a的变异峰率为的变异峰率为

计算不同样品之间红外光谱图的共有峰率和变异峰率，具体见表3.在比较序列中，P为2个比较样品的共有峰率，Pva为前者相对于后者的变异峰率；Pvb为后者相对于前者的变异峰率.列出绿茶样品的n维双指标分析序列，从共同性和差异性两方面分析.当它们的共有峰率越大时，表明这两个图谱的共性越大；共有峰率越小，共性就越小.同理，两个图谱的变异峰率越大，说明两种样品差异越大；变异峰率越小，样品之间的差异性也越小，即样品的种类或者某些性质相近.

表3 绿茶双指标序列的比较

2.3 实验分析

2.3.1 横向分析

样品K1波峰多集中在500～2000cm-1范围内，在2000～4000cm-1内有少数峰，无明显的单峰.

样品K3波峰多集中在500～2000cm-1范围内，并且在2250～2500cm-1范围内有一个小的单峰.

样品K2和样品K4波形走势和波峰分布同绿茶K1无明显差别.

2.3.2 纵向分析

4种绿茶在3000～4000 cm-1之间有一个宽峰，而K3在2000～2500 cm-1之间有一个小的单峰，可以分辨出与K1、K2、K4的不同.除此之外，K3的波形走势和波峰分布与K1、K2、K4几乎相同.

2.3.3 双指标分析

1）第1组：K1K2(88.2；0.0,13.3)、K1K3 (83.3；0.0,20.0)、K1K4 (82.4；7.1,14.3)

实验结果显示K1与K2、K3、K4之间共有峰率都在82.4%以上，说明K1与K2、K3、K4之间物质成分性质相似、关系相近.K1K2、K1K3和K1K4之间的共有峰率从88.2%降低到82.4%，表明K2、K3、K4与K1亲疏关系上依次降低，可能说明采摘时间上K2离K1最近，K4离K1最远.这与4种样品的实际采摘时间顺序是吻合的.

从K1与K2的变异峰率上看，K1的变异峰率为0.0%，K2的变异峰率为13.3%；K1与K3相比，K1的变异峰率为0.0%，K3的变异峰率为20.0%；K1与K4比较，K1的变异峰率为7.1%，K4的变异峰率为14.3%.所以可以得出K1与K4的差异最大，K1与K3的差异稍大，K1与K2的差异最小.这表明K1和K4的采摘间隔最大，K1和K2的采摘间隔最小.这与4种样品的实际采摘时间间隔是吻合的.

2）第2组：K2K3(94.4；0.0,5.9)、K2K4(94.4；6.3,0.0)

实验结果显示K2与K3和K4的共有峰率为94.4%以上，样品之间差异较小.K2与K3之间，K2的变异峰率为0.0%，K3的变异峰率为5.9%；K2与K4之间，K2的变异峰率为6.3%，K4的变异峰率为0.0%.由此可知K2和K3的变异峰率小于K2和K4.这表明K3与K4的采摘间隔比K2和K4的采摘间隔大，说明三者的采摘顺序可能为K2、K3、K4.这与实际的采摘时间顺序吻合.

3）第3组：K3K4(94.1； 0.0,6.3)

实验结果显示K3与K4之间共有峰率为94.1%，K3的变异峰率为0.0%，K4的变异峰率为6.3%.这说明K3、K4结构成分非常相似，差别极其微小，K3和K4的采收时间相差不大.

3 结论

通过对实验结果的分析可得出：利用共有峰率、变异峰率的双指标序列法对绿茶的红外光谱进行分析，可以判断出黄山平顶山所采摘的4种绿茶的采收时间顺序.本论文的研究拓展了红外光谱法和双指标序列分析法在茶叶采收顺序判断方面的应用，也为其他植物样本的采收时间判断提供了有益的借鉴.