一种高光谱耦合纳米化比色传感器监测红茶发酵程度的方法技术

本发明专利技术涉及茶叶品质监测技术领域，具体涉及一种高光谱耦合纳米化比色传感器监测红茶发酵程度的方法；利用纳米化比色传感阵列捕获红茶发酵过程中挥发性物质，并应用高光谱图像技术结合主成分分析、线性判别分析等降维算法，高效提取比色阵列特征信息，采用偏最小二乘判别、多元线性判别、支持向量机、极限学习机、人工神经网络、深度信念网络等算法建立鲁棒性强、准确性高的信息融合判别模型，实现对红茶发酵程度的快速准确判别。本发明专利技术具有分析速度快、灵敏度高、成本低、样品无需预处理且便于在线无损检测的特点。于在线无损检测的特点。于在线无损检测的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种高光谱耦合纳米化比色传感器监测红茶发酵程度的方法


[0001]本专利技术涉及茶叶品质监测
，具体涉及一种高光谱耦合纳米化比色传感器监测红茶发酵程度的方法。

技术介绍

[0002]红茶是世界上产量和销量最高的茶类，其加工工序包括萎凋、揉捻、发酵和干燥。发酵作为红茶加工的关键工序，对红茶香气、色泽、滋味品质的形成有重要影响，发酵不足和过度发酵都不利于红茶品质。们目前，茶叶品质的评价方法主要依赖感官审评和化学分析方法。传统红茶生产中，对发酵程度的掌握主要依赖有经验的制茶师傅进行感官评判。然而，对发酵叶的感官评判易受现场情况，审评员的健康状况、知识水平以及经验等影响。同时，描述性的感官审评结果难以量化，在客观性、准确性等方面有所欠缺，难以适应目前茶叶行业加工过程品质评判的需求。化学分析法能够准确对茶叶各种理化成分进行定量，但分析过程繁杂、费时费力，且只能分析单项内含物指标，不能够在线衡量红茶发酵质量，不适用于茶叶加工过程中的在线检测和快速评价。
[0003]随着发酵程度的加深，在制品香气品质转变十分明显，这与发酵过程中关键香气组分的动态变化有关。总体来说，随着发酵的进程，挥发性有机物(VOC)种类大致呈现先增加后减少的趋势。顺
‑
己酸
‑3‑
己烯酯、顺
‑3‑
壬烯
‑1‑
醇等具有青草气和粗青气的香气成分减少；同时，具有花果香的芳香挥发性代谢物，如水杨酸甲酯、香叶醇、苯乙醇、苯乙醛等在红茶发酵过程中变化显著。然而，目前对于这些特征VOC的检测依赖气质联用(GC
‑
MS)等化学分析方法，整个分析过程费时费力，检测结果具有严重的滞后性，无法满足红茶发酵过程原位监测的需求。综上，开发快速无损、准确可靠的发酵在制品香气数字化评价方法，对于实现红茶发酵品质的原位监测具有重要意义。
[0004]目前，电子鼻仿生传感器被广泛应用于茶叶品质的评判中。与传统人工嗅觉系统相比，比色传感器选用疏水性气敏阵列染料和基底，环境湿度的变化几乎不会对传感器产生影响，这一特点让嗅感图像化技术成为茶叶品质评价的有力嗅觉监测手段。然而，普适性气敏材料对VOC响应灵敏度低、选择性弱限制了其对动态变化的红茶发酵香气特征识别。且目前多数嗅觉传感器是基于RGB三通道获取色差向量进行统计和定量分析，这三个被检测的通道是高度相关的，并包含相对较高的噪声，基于近红外光谱可以获得嗅觉传感阵列更丰富的特征信息，有利于提高相似目标件的区分能力。
[0005]鉴于上述缺陷，本专利技术创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决目前的红茶发酵程度监测方法相应灵敏度低、选择性弱，且获取色差向量进行统计和定量分析的RGB三通道是高度相关的，监测结果不准确的问题，提供了一种高光谱耦合纳米化比色传感器监测红茶发酵程度的方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术公开了一种高光谱耦合纳米化比色传感器监测红茶发
酵程度的方法，包括以下步骤：
[0008]S1：代表性样品采集及感官审评：采集不同发酵时间的红茶茶样，从发酵开始起至发酵5h每隔30min采集一次样品，每次取20个发酵茶样，共220个样品，根据GB/T23776
‑
2018中工夫红茶审评因子的评分系数，由专业茶叶审评小组对收集的发酵茶样的发酵程度进行感官评价；
[0009]S2：气敏传感器阵列材料选择：基于气敏材料与红茶发酵样品的特征响应值筛选出响应高、稳定性强的气敏材料；
[0010]S3：纳米化比色传感器构建：利用辅助自组装法将筛选出的气敏材料进行纳米化制备，利用表面活性剂聚乙二醇600辅助气敏材料的纳米化自组装，将制得的纳米化气敏材料分散液，并将分散液固定至C2反相硅胶板基底上得到纳米化比色传感器；
[0011]S4：反应参数优化：通过计算RGB三维空间中反应前后两点之间的绝对距离，利用欧氏距离法分析嗅觉传感系统响应差值，对反应时间、茶叶样本量和反应室体积进行优化；
[0012]S5：传感信息获取与特征提取：使用基于可见/近红外光谱仪的高光谱图像系统及配套采集和分析软件，对阵列的高光谱图像进行采集，对所获取的信息进行去噪、阈值分割及特征提取；
[0013]S6：发酵程度可视化呈现：在数据矩阵层面，将与红茶VOC反应后的阵列图像减去反应前的阵列图像，得到颜色变量差值矩阵，利用该矩阵生成得到差值图像，用颜色可视化呈现气敏传感阵列对红茶发酵香气的响应；
[0014]S7：发酵程度判别模型的构建与优化：基于主成分分析、线性判别分析等降维算法高效提取特征信息，比较偏最小二乘判别、多元线性判别、支持向量机、极限学习机、人工神经网络，深度信念网络等算法，选择最优的算法建立鲁棒性强、准确性高的发酵程度评价模型，利用独立样本对模型进行验证，进一步修正和优化模型。
[0015]所述步骤S2中筛选气敏材料时，提取并计算气敏材料与红茶发酵样品相应的RGB特征值的欧式距离，以欧式距离均值＞12.22，误差＜2.44为标准筛选气敏材料。
[0016]所述步骤S2中筛选出的气敏材料为5,10,15,20
‑
四(五氟苯基)卟啉氯化铁、四甲氧基苯基卟啉钴、5,10,15,20
‑
四苯基
‑
21H,23H
‑
卟吩铜(II)、四苯基卟啉锌、5,10,15,20
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四苯基卟啉、四苯基卟啉铁、四对甲氧苯基卟啉铁、5,10,15,20
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四苯基
‑
21H,23H
‑
卟吩氯化锰中的任意一种。
[0017]所述步骤S3中构建纳米化比色传感器的具体过程如下：称取一定量筛选出的气敏材料，超声溶解于N
‑
N
‑
二甲基乙酰胺中，得到气敏材料溶液，将聚乙二醇600与气敏材料溶液混合，超声得到混合液，50℃恒温搅拌15min制得纳米化气敏材料分散液，并将分散液固定至C2反相硅胶板基底上，形成大小为Ф3mm的阵列点，通风干燥15min，制得2*4的纳米化比色传感器阵列。
[0018]所述步骤S3中自组装法制备时，聚乙二醇600与气敏材料溶液的体积比为1:9。
[0019]所述步骤S4中以欧式距离法优化得到的最优参为：反应时间22min，茶叶样本量3g，反应室体积50cm3。
[0020]所述步骤S5中传感信息获取与特征提取时，利用中值滤波法消除图像噪声，基于Laplace算子对平滑后的图像进行空间卷积以获取清晰的样本图像；通过阈值分割将传感器阵列图像与基底背景分开；为消除传感器边缘部分对特征提取的影响，在获取的每个传
感阵列染料点图像中搜索中心点，取中心点附近10*10pixels的图像。
[0021]所述步骤S7中发酵程度判别模型的构建时，以累计贡献率＞95％选取前n个主成分，构建红茶发酵程度定性预测模型，通过选取参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高光谱耦合纳米化比色传感器监测红茶发酵程度的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：代表性样品采集及感官审评：采集不同发酵时间的红茶茶样，从发酵开始起至发酵5h每隔30min采集一次样品，每次取20个发酵茶样，共220个样品，根据GB/T23776
‑
2018中工夫红茶审评因子的评分系数，由专业茶叶审评小组对收集的发酵茶样的发酵程度进行感官评价；S2：气敏传感器阵列材料选择：基于气敏材料与红茶发酵样品反应后阵列特征区域图像，在RGB颜色空间提取嗅觉传感器阵列颜色特征，以特征响应值筛选出响应高、稳定性强的气敏材料；S3：纳米化比色传感器构建：利用辅助自组装法将筛选出的气敏材料进行纳米化，利用表面活性剂聚乙二醇600辅助气敏材料的纳米化自组装，将制得的纳米化气敏材料分散液，并将分散液固定至C2反相硅胶板基底上得到纳米化比色传感器；S4：反应参数优化：利用欧氏距离法分析嗅觉传感系统响应差值，对反应时间、茶叶样本量和反应室体积进行优化；S5：传感信息获取与特征提取：使用基于可见/近红外光谱仪的高光谱图像系统及配套采集和分析软件，对纳米化比色传感器阵列的高光谱图像进行采集，对所获取的信息进行去噪、阈值分割及特征提取；S6：发酵程度可视化呈现：在数据矩阵层面，将与红茶发酵产生的挥发性有机物反应后的阵列图像减去反应前的阵列图像，得到颜色变量差值矩阵，利用该矩阵生成得到差值图像，用颜色可视化呈现气敏传感阵列对红茶发酵香气的响应；S7：发酵程度判别模型的构建与优化：基于提取得到的特征信息，建立发酵程度评价模型，利用独立样本对模型进行验证，进一步修正和优化模型。2.如权利要求1所述的一种高光谱耦合纳米化比色传感器监测红茶发酵程度的方法，其特征在于，所述步骤S2中筛选气敏材料时，提取并计算气敏材料与红茶发酵样品相应的RGB特征值的欧式距离，以欧式距离均值＞12.22，误差＜2.44为标准筛选气敏材料。3.如权利要求1所述的一种高光谱耦合纳米化比色传感器监测红茶发酵程度的方法，其特征在于，所述步骤S2中筛选出的气敏材料包括5,10,15,20
‑
四(五氟苯基)卟啉氯化铁、四甲氧基苯基卟啉钴、5,10,15,20
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四苯基
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21H,23H
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卟吩铜(II)、四苯基卟啉锌、5,10,15,20<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李露青，李梦辉，宁井铭，张正竹，
申请(专利权)人：安徽农业大学，
类型：发明
国别省市：