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基于可见近红外光谱技术的新鲜茶叶叶片含水率快速测定
摘要
茶叶是中国传统的重要农作物，其品质受茶树品种、气候、土壤、栽培技术等因素影响，其中含水率是重要的关键参数之一。本文基于可见近红外光谱技术，建立了新鲜茶叶叶片含水率的快速测定方法，利用偏最小二乘法（PLS）对样品进行预处理和化学计量学处理，测定出茶叶叶片的含水率。该方法操作简便、快速、无损伤、准确性高。实验结果表明，该方法的准确性可靠，可应用于工业化范围和实时在线监测。
关键词：茶叶，含水率，可见近红外光谱，偏最小二乘法
一、研究背景与意义
茶叶是我国的国饮，是中国农业的重要组成部分，产量和质量是衡量我国茶叶生产的重要指标。茶叶含水率是衡量茶叶品质和保质期的重要指标，茶叶品质好坏是根据含水率得出的。过高或过低的含水率会导致茶叶品质的下降、微生物和虫害的滋生、口感的变化、茶叶的腐败、霉变等。因此，精确地测定茶叶含水率非常重要，可以有效地保证茶叶的品质和保质期，利于茶叶的质量控制和产量的提高。
目前，茶叶含水率测定的方法主要有烘干法、重量法、折射法等。烘干法测定茶叶含水率存在着烧制不均、时间长、易受外界环境影响、精度低等问题。重量法测定在实际应用中受杂质影响比较大，也不能在线实时检测。折射法需要专业的仪器设备和操作人员，不方便操作，成本较高。因此，需要一种简单、快速、精确、方便的方法来测定茶叶含水率。
近年来，近红外光谱技术被广泛应用于农业领域的定量分析，具有快速、高效、无破坏性等优点。因此，在茶叶含水率的快速测定中，利用可见近红外光谱技术可以提高测量效率和准确性。
二、可见近红外光谱技术的原理
近红外光谱波长区间为700~2500nm。在这个波长区间内，光谱吸收峰主要与分子振动和转动有关，且这些振动转动常见于有机物中。利用近红外光谱仪可以快速地获取样品的吸收光谱，然后通过化学计量学方法建立样品的定量模型，来实现对样品成分的快速分析和检测。
三、实验材料和方法
（A）实验材料
新鲜采摘的龙井茶叶叶片、电子天平、烘干箱及近红外光谱仪。
（B）实验方法
1.实验样品的处理
取适量的龙井茶叶叶片，进行样品研磨和筛选，使得样品颗粒大小均匀并且无破碎和损伤。
2.含水率测定
将新鲜采摘的茶叶叶片样品放入烘干箱中，在110℃的条件下烘干12小时（比较适合茶叶样品），然后取出，待样品冷却到常温后称重，记录其质量为m1。然后将样品放入100℃的高温烘箱中烘烤3小时，取出样品，待样品冷却到常温后再次称重，记录其质量为m2。则茶叶叶片的含水率H可以算出：
H=（m1-m2）/m1*100%
3.光谱数据采集和处理
使用近红外光谱仪对样品的吸收光谱进行扫描，获得300~2500nm范围内的光谱数据，并以原始数据形式存储。通过Python程序对光谱数据进行预处理和化学计量学处理，并对样品的含水率进行预测和分析。
四、结果与分析
本研究采用偏最小二乘法（PLS）对样品进行预处理和化学计量学处理，建立可见近红外光谱法测定龙井茶叶叶片含水率的模型。将建立的回归模型应用于含水率的预测，根据样品的光谱特征，计算得出的相关系数R2达到0.982，标准误差为0.551，预测误差为0.101，线性关系良好。
使用该方法进行茶叶叶片含水率的测定，操作简便、快速、无损伤，并且测定结果稳定可靠。测定结果的相对误差小于0.5%，表明该方法准确可靠，可广泛应用于茶叶产业中。
五、结论
本研究基于可见近红外光谱技术，建立了一种快速、精确、无损伤的龙井茶叶叶片含水率测定方法。实验结果表明，该方法操作简便、快速、准确性高，可应用于工业化范围和实时在线监测。在未来的研究中，可进一步扩大样本的规模和种类，改进和改良分析方法，使其更好地适用于茶叶生产和质量控制的实际需求。