《固态速溶茶中水分、茶多酚、咖啡碱含量的近红外光谱》编制说明

1固态速溶茶中水分、茶多酚、咖啡碱含量的近红外光谱快速测定法行业标准编制说明固态速溶茶中水分、茶多酚、咖啡碱含量的近红外光谱快速测定法行业标准是根据中华全国供销合作总社关于下达2013年度（第三批）供销合作行业标准制修订项目计划的通知（供销科标便字201330号）文件精神，由中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院牵头承担固态速溶茶中水分、茶多酚、咖啡碱含量的近红外光谱快速测定法行业标准的起草和制定工作，标准制定的计划编号为2013GH3004。杭州谱育科技发展有限公司、江苏大学、美町宝植物科技（中国）有限公司、大闽食品漳州有限公司、云南天士力帝泊洱生物茶集团有限公司等技术研究单位和速溶茶生产企业参与了本标准的起草和制定工作。一、标准制定的指导思想固态速溶茶中水分、茶多酚、咖啡碱等指标的国标测定方法不仅要用到价格昂贵的高效液相色谱仪、分光光度计、烘箱等，各个指标需要用不同的测定方法，费时费钱费力，操作人员要经过系统培训后才能上岗操作。采用近红外光谱技术可以快速测定固态速溶茶中水分、茶多酚、咖啡碱等理化指标，省时省力省钱节能，并能在短时间内快速测定固态速溶茶的各项指标。标准起草小组根据GB/T112009标准化工作导则第1部分标准的结构和编写规则要求编制了本标准。本标准可用于固态苏速溶茶生产企业对固态速溶茶产品的内部质量控制测定。二、标准起草和征求意见过程标准起草小组通过企业调研、样品采集、资料查询、指标测定、数据分析比较、盲样验证等过程，采用近红外光谱技术测定固态速溶茶中水分、茶多酚、咖啡碱等理化指标开展了研究，按标准制定的科学性、合理性、实用性、可操作性的要求，起草、编制了固态速溶茶中水分、茶多酚、咖啡碱含量的近红外光谱快速测定法行业标准（征求意见稿）。三、标准制订的主要内容1标准的结构、技术要素及表述规则根据GB/T112009标准化工作导则第1部分标准的结构和编写规则要求进行编制。2标准适用范围21本标准规定了固态速溶茶中水分、茶多酚、咖啡碱含量的近红外光谱快速测定方法的原理、术2语和定义、仪器、定标模型验证及评价、测定、结果处理和表示、异常样品的确认和处理等。22本标准适用于近红外光谱仪快速测定各种固态速溶茶中水分、茶多酚、咖啡碱含量。23本标准不适用于仲裁检验。对于仲裁检验应以国家标准方法为准。3测定案例31样品采集样品收集主要包括两个阶段，其中首批针对全国速溶茶企业共采集到固态速溶绿茶、固态速溶红茶样品82份；第二批针对龙头企业进行样品采集，其中A企业56份样品（固态速溶红茶42份、固态速溶绿茶14份），B企业50份样品（固态速溶红茶20份、固态速溶绿茶30份），另外为样品数据库的广泛性考虑，采集了企业C的固态速溶黑茶样品42份。32样品光谱采集首批全国性样品采用瑞士BUCHIN200傅里叶变换近红外光谱仪采集光谱，二批次定点采集的企业样品采用谱育科技EXPEC1330型近红外分析仪进行光谱扫描，速溶黑茶样品采用布鲁克MPA傅立叶变换近红外光谱仪进行采谱。建模及模型验证工作均采用谱育科技仪器配套的化学计量学软件RIMP。BUCHIN200傅里叶变换近红外光谱仪参数光谱采集范围400010000CM1，光谱分辨率2CM1，扫描速度78次/MIN，噪音水平RMS4105。EXPEC1330仪器参数波长范围10001800NM，波长准确性02NM，波长重复性005NM，工作温度040，检测器铟镓砷。取点间隔1NM，扫描次数30。布鲁克MPA参数光谱采集范围400010000CM1，光谱分辨率4CM1，扫描次数32次。扫描前仪器均充分预热半小时以上，扫描过程中保持仪器台面水平稳定，实验室温湿度在仪器工作温湿度范围内并维持一致，按照仪器装样要求进行装样，对每个样品进行两次装样扫描，取两次扫描的平均光谱作为样品最终分析光谱。33定量校正方法RIMP软件中提供了偏最小二乘（PLS）和人工神经网络（ANN）两种定量校正方法，其中ANN较适用于对大样本的分析，因此本实验采用了PLS在全谱区对速溶茶样品中水分、咖啡碱及茶多酚建立定量校正模型。34光谱预处理方法为了去除噪音、基线和样品不均匀等影响，利用RIMP软件对采集的光谱数据进行必要的光谱预处理，预处理方法为标准正态变量变换SNV、去趋势校正DT、SAVITZKYGOLAY平滑、SAVITZKYGOLAY导数、均值中心化。335固态速溶茶样品理化成分测定固态速溶茶中水分、咖啡碱和茶多酚采用GBT3174012015中规定的方法进行理化值检测分析。企业检测和标准要求精度见表1。表1采样企业理化指标测定值精度比较项目企业A企业B企业C国标精度要求水分平行两次测定值之差018平行两次测定值之差015平行两次测定值之差01平行两次测定值每100G不超过02G咖啡碱06551295茶多酚0662098536固态速溶茶样品近红外光谱采集与理化指标分布图11全国速溶茶样品近红外光谱图图12A企业固态速溶茶近红外光谱图图13B企业固态速溶茶近红外光谱图图14C企业固态速溶黑茶近红外光谱图图1固态速溶茶样品近红外光谱图上图分别为四批固态速溶茶的近红外光谱图，按茶多酚含量梯度分别将全国范围内采集的茶多酚制品82个样品分为校正集（74个）和验证集（8个），A企业分为校正集（49个）和验证集（44个），B企业50个样品分为校正集（45个）和验证集（5个）,固态速溶黑茶42个样品分为校正集（36个）和验证集（6个），样本分集和理化指标信息见表2。表2样本分集及理化指标值分布37建模结果与评价采用13中的方法分别应用两家企业校正集数据进行建模，预测验证集数据，模型参数如下。模型指标中SEC/SEP为标准分析误差，表示样品近红外法测定值与参考方法测定值间残差的标准差，对于校正样品用SEC表示，验证样品用SEP表示，表达式见公式（1），SEC越小说明近红外分析结果与化学分析结果越吻合。SEC/SEP（）（1）SECV为交叉验证标准偏差，是校正过程中进行交叉验证时得到的近红外法测定值与参考方法测定值间残差的标准差，通过SECV可以大致评估模型的准确度，SECV越小模型效果越好，表达式见公式（2）。SECV（）（2）BIAS为平均偏差，即偏差之和除以样品数，表达式见公式（3）。BIAS（YY）（3）上述公式中Y表示验证样品I的组分近红外法测定值；Y表示验证样品I的组分参考方法测定值；N表示样品数；样品来源统计项目检测项目校正集验证集样品数/只最小值/最大值/平均值/方差样品数/只最小值/最大值/平均值/方差全国性样品水分7421610364521618237554379121咖啡碱7402812426072248461776598108茶多酚742164945240410098237397725391191A企业样品水分493315484000544400502432048咖啡碱1528875466183234866850816茶多酚1411336223289034119360025081137B企业样品水分4517857321105259581364132咖啡碱4559987661056286734096茶多酚4516369923873137451741537436741474C企业样品水分363113256772406358851564193咖啡碱36238132992821565811056830195茶多酚3611748125699846119429258711855表3全国范围固态速溶茶样品数据模型参数（BUCHIN200）性质名称SECRCSECVSEPBIAS/主因子样本个数性质范围/水分036096043024006569216,887咖啡碱036099043055007772028,1242茶多酚1590982110970376641005,4945表4A企业固态速溶茶样品模型参数（EXPEC1330）性质名称SECRCSECVSEPBIAS/主因子样本个数性质范围/水分041067044039005548331,548表5B企业固态速溶茶样品模型参数（EXPEC1330）性质名称SECRCSECVSEPBIAS/主因子样本个数性质范围/水分033095038026012442178,57咖啡碱03009604203601454359,92茶多酚135099165237024644163,6992表6C企业固态速溶黑茶模型参数（布鲁克MPA）性质名称SECRCSECVSEPBIAS/主因子样本个数性质范围/水分04109805503501053431,1127咖啡碱046098062075015636238,1329茶多酚162099189157045536117,481观察上述数据可以看出B企业数据所建立模型效果较好，两家企业样品数据均采用EXPEC1330采集光谱，综合两家校正集数据同样按照13中方法建立模型，预测验证集共9个数据，预测结果和固态速溶茶综合模型如下其中茶多酚含量预测结果除去了一个异常结果。表7固态速溶茶模型预测验证集结果水分/咖啡碱/茶多酚/样本名称真实值预测值偏差真实值预测值偏差真实值预测值偏差A0440038801234832402411901047143B20170916U0139840600878073804217412069328AMPC2520350246104169319402194254B20170421M0558151007175073901127272051676AMPC5120542539702866333003594294A0640046506566863203636003289311B20171024L0229429200266060405637793584195B20170707A0229030601662064702747484641107B20170815Y0125929003186086600653745392018BIAS004019017SEP040029246表8固态速溶茶综合模型参数（EXPEC1330）性质名称SECRCSECVSEPBIAS/主因子样本个数性质范围/水分048084050040004693178,57咖啡碱03609804402901975928,926茶多酚228099258246017759113,699238重复性实验选取4个样品使用EXPEC1330进行重装样操作。每个样品采集10条光谱，采谱前保证仪器充分预热，完成每个样品采谱之后充分清洁样品杯。使用表8的模型预测上述所采集光谱，详细数据见表9，其中重复性以一组数据的标准差计算。表9样品重复性实验结果样品编号水分/茶多酚/咖啡碱/样品编号水分/茶多酚/咖啡碱/样品编号水分/茶多酚/咖啡碱/样品编号水分/茶多酚/咖啡碱/固态速溶红茶151526579固态速溶绿茶12784133706固态速溶红茶23491301317固态速溶绿茶2386423669851626257922784129706348127631638742337517262379327741477053481299318387422270151726457922774149706347132431838542776995182627793276415570834812863143864277015192616794277415270834813293133854264699521262179727741417093471308315385427269952326147982764134707348129731538642826995262628032764154709348131231738543752826368072764155713481332323387423569939模型比较与近红外精度将上述五个模型的SECV和SEP值统计在一起分析，详细数据见表10。表10不同近红外仪器对固态速溶茶样品模型的准确度比较指标名称SECVSEP指标名称SECVSEP指标名称SECVSEP全国样品BUCHIN200模型水分043024咖啡碱043055茶多酚211097A企业EXPEC1330模型044039B企业EXPEC1330模型038026042036165237A、B混合样品EXPEC1330模型0504044029258246黑茶布鲁克MPA模型05503506