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摘 要：茶粕中富含茶皂素、蛋白质、多聚糖等物质，根据其所含成分的不同，广泛用于制药、保健品、清塘、饲料、军事等行业。近红外光谱技术由于其分析速度快、绿色环保、操作方便等特点受到广泛关注和应用。该文就近红外光谱技术在茶粕中含油量和水分的快速检测方法进行研究，在确定了样品采样厚度的基础上，利用164个茶粕样品结合偏最小二乘方法，建立了茶粕中含油量和水分的分析模型，为验证模型的适用性，对20个茶粕样品进行了预测，将预测结果与标准方法（国标）结果进行成对结果t检验，得到两种方法的分析结果不存在显著差异的结论，该研究为茶粕中含油量和水分的快速检测提供了方法。
关键词：近红外光谱；快速检测；茶粕；含油量；水分
中图分类号 O657.3 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）16-0130-04
Study on the Fast Detection of Tea Oil and Moisture Content in the Tea Seed Cake Based on Near-infrared Spectroscopy Technology
Geng Xiang et al.
（Technical Center of Inspection and Quarantine Jiangxi Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau of P.R.China ，Nanchang330038，China）
Abstract：Tea seed cake is rich in tea saponin，protein，polysaccharides and other substances.According to the tea seed cake containing different components，it is widely used in pharmaceutical，health care products，cleaning，feed，military and other industries.Near infrared spectroscopy is fast analysis，green environmental protection，convenient operation，so it has received extensive attention and application.This paper makes a research on the near infrared spectroscopy method for rapid detection of oil content and moisture content in tea seed meal.First of all，it decided the thickness of the sample when experiments were to be made，and then it build model of tea oil and moisture content in the tea seed cake with parial least regression.20 samples were chosen as an independent validation set.The variance analysis show that there was no significant difference between NIR method and the standard method.Based on the study result，it provide a rapid detection method for tea oil and moisture conent of tea seed cakes.
Key words：Near-infrared spectroscopy；Fast test；Tea seed cakes；Moisture content；The tea oil content
茶粕，是茶油籽經壓榨提取出油脂后剩余的残渣，其残渣呈紫褐色颗粒。油茶籽是我国南方丘陵地区主要的油料作物，占全国油料作物的80%以上，主要产于中国的江西、湖南[1]等地。油茶籽经加工后所得的茶粕，广泛应用于两广、浙江、江苏、天津及越南、泰国、老挝等国内外水产养殖密集区，尤其是特种水产蟹、虾池，使用茶粕清塘效果特别显著[2]，具有其他药物不可取代的功效。随着近些年对茶粕利用的提高，茶粕也用于生产饲料及通过深加工提取茶粕中茶皂素等化工、农药领域。
茶粕中含有12%～18%的茶皂素，其是一种溶血性毒素，故茶粕和茶粕液对害虫有很好的胃毒和触杀作用，可广泛应用于蔬菜、水稻、果树、茶叶、花卉等农作物，防治蜗牛、田螺、蚂蟥、稻飞虱、稻叶蝉、红薯小象甲等害虫。无污染、无残毒、耐贮耐用，药效长久[3-4]。茶粕中含有12%～16%的蛋白质、1%～5%的植物性油脂、40%～45%无氮浸出物、约0.37%磷酸盐类、8～10 MJ/kgd的消化能，并且其蛋白质中含有十几种鱼类所需氨基酸[6]。茶粕清塘进水后，有利于藻类等浮游生物的繁殖，即使茶粕对鱼类有一定的毒害作用，但经过浮游生物的降解等作用后，茶粕中对鱼类有毒害物质部分会分解清除掉，可作为池塘基础饵料生物的有机肥料[7]。同时，茶粕也是一种高效、无污染的有机肥，可高效促进农作物及果树的生长发育。
根据茶粕的主要应用领域，人们主要关注茶粕品质的指标有水分、蛋白质、含油量、茶皂素含量[7]，欲知茶粕中蛋白质、含油量、茶皂素等品质指标含量，需先得出其水分含量，进而估算出茶粕利用率。经查找茶粕研究相关文献资料，对茶粕中水分含量测定研究几乎没有相关报导，与之相关的有茶叶水分含量测定研究，2010年，李晓丽、何勇等研究利用漫反射光谱仪建立模型，测定茶叶中含水率，模型相关系数达到0.99以上，表明近红外光谱仪可用于茶叶水分快速准确的测定[8]。我国标准有关水分含量测定的方法主要有直接干燥法、减压干燥法、蒸馏法、卡尔·费休法和气相法。 茶粕中含油量即为样品中脂肪含量，主要成分为植物性油脂，即茶油，茶油具有很高的营养价值，有东方橄榄油之称，其具有防衰老、抗癌、养颜、助消化、降低高血压疾病等作用。2016年，易笑生、肖志紅[37]等研究利用正丁醇浸提茶粕中茶油方法，在正丁醇与茶粕比例1∶1.36、浸提4次、浸提温度80℃条件下可有效的提取出茶粕中茶油，提取率达到92.9%，表明可用正丁醇提取茶粕中茶油。卢利军[9]等研究索克斯特克提取油料中粗脂肪方法，此方法在浸提2次共用时3.5h条件下，与索氏抽提法比较无显著性差异，可用此法提取油料中粗脂肪。杨辉[10]研究用超临界二氧化碳萃取茶籽中茶油法，茶籽在微波处理后，在萃取条件时间2.5h、压力30MPa和45℃下，茶油提取效率在95%以上，表明该方法可用于提取茶籽中茶油。在国家标准中对油料样品中的油脂定量检测分析主要使用的方法有索氏抽提法和酸水解法[11]。
已有对茶粕中含油量和水分的方法均是化学方法，耗时长、使用化学试剂、要求操作人员具有化学专业背景等。为此，本文介绍了近红外光谱检测方法快速分析茶粕中茶皂素含量，以提高检测速度和检测效率。
1 材料与方法
1.1 实验仪器 试验采用瑞士步琦（BUCHI）公司的NIRFlex N-500傅立叶近红外光谱仪，仪器的光谱范围为10000～4000cm-1，采用XL附件，扫描次数32次，分辨率为8cm-1。实验室温度10℃～30℃，湿度30%～70%下采集样品光谱，利用仪器所带反射板，压在样品上，确保不同样品的紧密度一致。整个试验装置固定在光学防震平台上，保证仪器系统不受外界振动的影响。为了减少装样误差的影响，提高样品有效信息采集的准确性和全面性，每个样品重新装样3次，进行光谱采集，得到3条光谱，取平均作为模型建立时的光谱。样品的近红外光谱图见图1。
图1 164个茶粕样品的近红外光谱
1.2 试验样品 本实验以送检的164个茶粕样品为研究对象，经粉碎后，再过40目筛，收集筛下物备用。将每个粉碎后的樣品平均分成2份，装入洁净的容器并进行编号。按照GB 5009.3 -2010测茶粕中水分含量，从粉碎样品到结果报出需用时8～10h，并且对实验人员恒重称量操作技能要求较高。图2给出的是茶粕样品中水分的含量柱形图。从图2可看出：所收集的164个茶粕样品中水分含量在6%～13%范围内，其中大部分样品的水分含量集中在8%～10%，占比达到总样品的95.1%，含量在6%～8%的样品数占比为1.83%，含量在10%～13%的样品批次数占比为3.05%。
根据GB/T 10359-2008测定茶粕中的含油量，所需时间10～12h，实验过程不仅耗时长，还使用有机溶剂，对环境及人员危害较大。
图3给出了用化学法测得164个茶粕样品的含油量，主要集中在1%～5%范围，占总样品总数的84.7%，含油量在0%～1%的样品占总样品的4.88%，含油量在5%～6%的样品占总样品的6.10%，含油量在6%～10%的样品占总样品的4.27%。
1.3 样品厚度确定 样品厚度即为装填样品厚度，亦可称作扫描光程。采集样品光谱时，样品装填厚度对光谱有一定的影响，装样太薄无法确保光谱所含信息的全面性，装样过厚则扫描光程变化较大，增大光谱噪声，影响分析结果，所以为选取采集样品光谱时的最佳装样厚度，本文随机选择了4个样品进行装样厚度光谱扫描实验，图4给出的是近红外仪采集样品光谱时的图片。依次按厚度2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm和8mm进行装样，用游标卡尺对每次装填厚度进行定量，对不同装填厚度的样品各采集5条光谱，图5给出了所选样品1不同装填厚度的扫描谱图，分别计算其标准差，并绘制标准差曲线图，见图6。从图5可看出，3mm厚度及再增加厚度时，谱图一致性较好。图6给出的是样品1不同装样厚度下的标准差，在装填厚度3mm以上，在不同波数区间内的标准差变化趋于稳定，虽然从图6可看出装填厚度4mm的标准差没有一直保持在最低位置，但其标准差最稳定，综合考量检测样品时所用样品量、实验操作简便性等情况，确定本实验的最佳装样厚度为4mm。
2 模型建立与分析
2.1 模型建立 利用步琦仪器自带的数据处理软件NIR-CAL对164个茶粕样品的近红外光谱和化学方法的检测结果建立模型。利用偏最小二乘法建立茶粕中含油量和水分的定量模型，模型参数见表1、表2。
无论是定标集还是验证集，茶粕中水分和含油量的模型相关系数都在0.90以上，具有很好的线性相关性；标准误差较为接近，具有很好的稳定性；相对分析误差RPD均大于3，具有很高的预测精度。结果表明，所建立的NIRS定量分析模型可以较较好地预测茶粕中的含油量和水分。
2.2 模型分析 为验证模型的准确性和实用性，利用所建模型，对20个未参加建模的茶粕样品进行外部预测，利用成对结果t检验，比较近红外预测结果与国标方法得到的测定结果，得到水分和含油量的t（20，0.05）分别为1.89、1.56，均小于临界值2.09。20个样品的成对结果t检验说明近红外方法与国标方法不存在显著差异。
3 结论与展望
本研究以国标方法测定茶粕中含油量和水分为参考方法，在确定样品光谱采集的装样厚度后，结合化学计量学方法建立了茶粕中含油量和水分的近红外定量模型，通过外部验证，证明了近红外光谱快速测定茶粕中含油量和水分的可行性和实用性，可得到如下结论及对下一步工作的展望：
（1）近红外光谱方法操作简单、无需化学试剂、绿色环保，可将传统方法所需几个小时的检测缩短为几分钟，大大提高了检测效率，为政府监管、企业生产自控提供了技术基础。
（2）进一步深入对茶粕其他指标的近红外方法开发，增加近红外方法在茶粕样品检测方面的应用。
（3）为了将该近红外方法应用于日常的茶粕检测工作，本项目组将进行更多的验证，进一步确认近红外方法测定茶粕含油量和水分的准确性和稳定性，并起草近红外方法的标准操作规范，为该方法的大范围推广和使用奠定基础。
参考文献
[1]杨强，胡海波，张石荣.茶粕饲料资源开发及利用技术研究进展[J].饲料工业，2006，27（19）：53-55.
[2]李广林，宋长太.茶饼在水产养殖中的应用[J].农村百事通，1999（22）：33.
[3]林文彩，吕要斌，章金明，等.铁皮石斛蜗牛蛞蝓的发生规律及综合防控技术[J].浙江农业科学，2017（02）：265-266.
[4]林文彩，陈艳丽，吕要斌，等.茶皂素和茶粕对铁皮石斛上小蜗牛的防治效果[J].浙江农业科学，2016（06）：890-892.
[5]韩金多，徐兵，杨海霞，等.茶皂素和茶粕对泥鳅、田螺及蚯蚓的急性毒性研究[J].上饶师范学院学报，2015（06）：86-88.
[6]岳龙，叶小飞，周玥，等.水酶法茶粕作为猪饲粮原料的实验效果研究[J].饲料工业，2016（02）：42-46.
[7]陈娟.油茶籽资源深度利用技术研究[D].广州：华南理工大学，2014.
[8]易笑生，刘汝宽，肖志红，等.正丁醇提取油茶饼粕中茶油和茶皂素的研究[J].中国粮油学报，2016（04）：67-71.
[9]卢利军，庄树华，刘晶，等.使用索克斯特克HT6快速测定油料种籽中粗脂肪含量[J].中国油料，1992（02）：70-72.
[10]杨辉.茶油提取新工艺及其品质的研究[D].南昌：南昌大学，2012.
[11]GB/T 5009.6-2003，食品中脂肪的测定[S].
（责编：张宏民）
关键词：近红外光谱；快速检测；茶粕；含油量；水分
中图分类号 O657.3 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）16-0130-04
Study on the Fast Detection of Tea Oil and Moisture Content in the Tea Seed Cake Based on Near-infrared Spectroscopy Technology
Geng Xiang et al.
（Technical Center of Inspection and Quarantine Jiangxi Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau of P.R.China ，Nanchang330038，China）
Abstract：Tea seed cake is rich in tea saponin，protein，polysaccharides and other substances.According to the tea seed cake containing different components，it is widely used in pharmaceutical，health care products，cleaning，feed，military and other industries.Near infrared spectroscopy is fast analysis，green environmental protection，convenient operation，so it has received extensive attention and application.This paper makes a research on the near infrared spectroscopy method for rapid detection of oil content and moisture content in tea seed meal.First of all，it decided the thickness of the sample when experiments were to be made，and then it build model of tea oil and moisture content in the tea seed cake with parial least regression.20 samples were chosen as an independent validation set.The variance analysis show that there was no significant difference between NIR method and the standard method.Based on the study result，it provide a rapid detection method for tea oil and moisture conent of tea seed cakes.
Key words：Near-infrared spectroscopy；Fast test；Tea seed cakes；Moisture content；The tea oil content
茶粕，是茶油籽經壓榨提取出油脂后剩余的残渣，其残渣呈紫褐色颗粒。油茶籽是我国南方丘陵地区主要的油料作物，占全国油料作物的80%以上，主要产于中国的江西、湖南[1]等地。油茶籽经加工后所得的茶粕，广泛应用于两广、浙江、江苏、天津及越南、泰国、老挝等国内外水产养殖密集区，尤其是特种水产蟹、虾池，使用茶粕清塘效果特别显著[2]，具有其他药物不可取代的功效。随着近些年对茶粕利用的提高，茶粕也用于生产饲料及通过深加工提取茶粕中茶皂素等化工、农药领域。
茶粕中含有12%～18%的茶皂素，其是一种溶血性毒素，故茶粕和茶粕液对害虫有很好的胃毒和触杀作用，可广泛应用于蔬菜、水稻、果树、茶叶、花卉等农作物，防治蜗牛、田螺、蚂蟥、稻飞虱、稻叶蝉、红薯小象甲等害虫。无污染、无残毒、耐贮耐用，药效长久[3-4]。茶粕中含有12%～16%的蛋白质、1%～5%的植物性油脂、40%～45%无氮浸出物、约0.37%磷酸盐类、8～10 MJ/kgd的消化能，并且其蛋白质中含有十几种鱼类所需氨基酸[6]。茶粕清塘进水后，有利于藻类等浮游生物的繁殖，即使茶粕对鱼类有一定的毒害作用，但经过浮游生物的降解等作用后，茶粕中对鱼类有毒害物质部分会分解清除掉，可作为池塘基础饵料生物的有机肥料[7]。同时，茶粕也是一种高效、无污染的有机肥，可高效促进农作物及果树的生长发育。
根据茶粕的主要应用领域，人们主要关注茶粕品质的指标有水分、蛋白质、含油量、茶皂素含量[7]，欲知茶粕中蛋白质、含油量、茶皂素等品质指标含量，需先得出其水分含量，进而估算出茶粕利用率。经查找茶粕研究相关文献资料，对茶粕中水分含量测定研究几乎没有相关报导，与之相关的有茶叶水分含量测定研究，2010年，李晓丽、何勇等研究利用漫反射光谱仪建立模型，测定茶叶中含水率，模型相关系数达到0.99以上，表明近红外光谱仪可用于茶叶水分快速准确的测定[8]。我国标准有关水分含量测定的方法主要有直接干燥法、减压干燥法、蒸馏法、卡尔·费休法和气相法。 茶粕中含油量即为样品中脂肪含量，主要成分为植物性油脂，即茶油，茶油具有很高的营养价值，有东方橄榄油之称，其具有防衰老、抗癌、养颜、助消化、降低高血压疾病等作用。2016年，易笑生、肖志紅[37]等研究利用正丁醇浸提茶粕中茶油方法，在正丁醇与茶粕比例1∶1.36、浸提4次、浸提温度80℃条件下可有效的提取出茶粕中茶油，提取率达到92.9%，表明可用正丁醇提取茶粕中茶油。卢利军[9]等研究索克斯特克提取油料中粗脂肪方法，此方法在浸提2次共用时3.5h条件下，与索氏抽提法比较无显著性差异，可用此法提取油料中粗脂肪。杨辉[10]研究用超临界二氧化碳萃取茶籽中茶油法，茶籽在微波处理后，在萃取条件时间2.5h、压力30MPa和45℃下，茶油提取效率在95%以上，表明该方法可用于提取茶籽中茶油。在国家标准中对油料样品中的油脂定量检测分析主要使用的方法有索氏抽提法和酸水解法[11]。
已有对茶粕中含油量和水分的方法均是化学方法，耗时长、使用化学试剂、要求操作人员具有化学专业背景等。为此，本文介绍了近红外光谱检测方法快速分析茶粕中茶皂素含量，以提高检测速度和检测效率。
1 材料与方法
1.1 实验仪器 试验采用瑞士步琦（BUCHI）公司的NIRFlex N-500傅立叶近红外光谱仪，仪器的光谱范围为10000～4000cm-1，采用XL附件，扫描次数32次，分辨率为8cm-1。实验室温度10℃～30℃，湿度30%～70%下采集样品光谱，利用仪器所带反射板，压在样品上，确保不同样品的紧密度一致。整个试验装置固定在光学防震平台上，保证仪器系统不受外界振动的影响。为了减少装样误差的影响，提高样品有效信息采集的准确性和全面性，每个样品重新装样3次，进行光谱采集，得到3条光谱，取平均作为模型建立时的光谱。样品的近红外光谱图见图1。
图1 164个茶粕样品的近红外光谱
1.2 试验样品 本实验以送检的164个茶粕样品为研究对象，经粉碎后，再过40目筛，收集筛下物备用。将每个粉碎后的樣品平均分成2份，装入洁净的容器并进行编号。按照GB 5009.3 -2010测茶粕中水分含量，从粉碎样品到结果报出需用时8～10h，并且对实验人员恒重称量操作技能要求较高。图2给出的是茶粕样品中水分的含量柱形图。从图2可看出：所收集的164个茶粕样品中水分含量在6%～13%范围内，其中大部分样品的水分含量集中在8%～10%，占比达到总样品的95.1%，含量在6%～8%的样品数占比为1.83%，含量在10%～13%的样品批次数占比为3.05%。
根据GB/T 10359-2008测定茶粕中的含油量，所需时间10～12h，实验过程不仅耗时长，还使用有机溶剂，对环境及人员危害较大。
图3给出了用化学法测得164个茶粕样品的含油量，主要集中在1%～5%范围，占总样品总数的84.7%，含油量在0%～1%的样品占总样品的4.88%，含油量在5%～6%的样品占总样品的6.10%，含油量在6%～10%的样品占总样品的4.27%。
1.3 样品厚度确定 样品厚度即为装填样品厚度，亦可称作扫描光程。采集样品光谱时，样品装填厚度对光谱有一定的影响，装样太薄无法确保光谱所含信息的全面性，装样过厚则扫描光程变化较大，增大光谱噪声，影响分析结果，所以为选取采集样品光谱时的最佳装样厚度，本文随机选择了4个样品进行装样厚度光谱扫描实验，图4给出的是近红外仪采集样品光谱时的图片。依次按厚度2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm和8mm进行装样，用游标卡尺对每次装填厚度进行定量，对不同装填厚度的样品各采集5条光谱，图5给出了所选样品1不同装填厚度的扫描谱图，分别计算其标准差，并绘制标准差曲线图，见图6。从图5可看出，3mm厚度及再增加厚度时，谱图一致性较好。图6给出的是样品1不同装样厚度下的标准差，在装填厚度3mm以上，在不同波数区间内的标准差变化趋于稳定，虽然从图6可看出装填厚度4mm的标准差没有一直保持在最低位置，但其标准差最稳定，综合考量检测样品时所用样品量、实验操作简便性等情况，确定本实验的最佳装样厚度为4mm。
2 模型建立与分析
2.1 模型建立 利用步琦仪器自带的数据处理软件NIR-CAL对164个茶粕样品的近红外光谱和化学方法的检测结果建立模型。利用偏最小二乘法建立茶粕中含油量和水分的定量模型，模型参数见表1、表2。
无论是定标集还是验证集，茶粕中水分和含油量的模型相关系数都在0.90以上，具有很好的线性相关性；标准误差较为接近，具有很好的稳定性；相对分析误差RPD均大于3，具有很高的预测精度。结果表明，所建立的NIRS定量分析模型可以较较好地预测茶粕中的含油量和水分。
2.2 模型分析 为验证模型的准确性和实用性，利用所建模型，对20个未参加建模的茶粕样品进行外部预测，利用成对结果t检验，比较近红外预测结果与国标方法得到的测定结果，得到水分和含油量的t（20，0.05）分别为1.89、1.56，均小于临界值2.09。20个样品的成对结果t检验说明近红外方法与国标方法不存在显著差异。
3 结论与展望
本研究以国标方法测定茶粕中含油量和水分为参考方法，在确定样品光谱采集的装样厚度后，结合化学计量学方法建立了茶粕中含油量和水分的近红外定量模型，通过外部验证，证明了近红外光谱快速测定茶粕中含油量和水分的可行性和实用性，可得到如下结论及对下一步工作的展望：
（1）近红外光谱方法操作简单、无需化学试剂、绿色环保，可将传统方法所需几个小时的检测缩短为几分钟，大大提高了检测效率，为政府监管、企业生产自控提供了技术基础。
（2）进一步深入对茶粕其他指标的近红外方法开发，增加近红外方法在茶粕样品检测方面的应用。
（3）为了将该近红外方法应用于日常的茶粕检测工作，本项目组将进行更多的验证，进一步确认近红外方法测定茶粕含油量和水分的准确性和稳定性，并起草近红外方法的标准操作规范，为该方法的大范围推广和使用奠定基础。
参考文献
[1]杨强，胡海波，张石荣.茶粕饲料资源开发及利用技术研究进展[J].饲料工业，2006，27（19）：53-55.
[2]李广林，宋长太.茶饼在水产养殖中的应用[J].农村百事通，1999（22）：33.
[3]林文彩，吕要斌，章金明，等.铁皮石斛蜗牛蛞蝓的发生规律及综合防控技术[J].浙江农业科学，2017（02）：265-266.
[4]林文彩，陈艳丽，吕要斌，等.茶皂素和茶粕对铁皮石斛上小蜗牛的防治效果[J].浙江农业科学，2016（06）：890-892.
[5]韩金多，徐兵，杨海霞，等.茶皂素和茶粕对泥鳅、田螺及蚯蚓的急性毒性研究[J].上饶师范学院学报，2015（06）：86-88.
[6]岳龙，叶小飞，周玥，等.水酶法茶粕作为猪饲粮原料的实验效果研究[J].饲料工业，2016（02）：42-46.
[7]陈娟.油茶籽资源深度利用技术研究[D].广州：华南理工大学，2014.
[8]易笑生，刘汝宽，肖志红，等.正丁醇提取油茶饼粕中茶油和茶皂素的研究[J].中国粮油学报，2016（04）：67-71.
[9]卢利军，庄树华，刘晶，等.使用索克斯特克HT6快速测定油料种籽中粗脂肪含量[J].中国油料，1992（02）：70-72.
[10]杨辉.茶油提取新工艺及其品质的研究[D].南昌：南昌大学，2012.
[11]GB/T 5009.6-2003，食品中脂肪的测定[S].
（责编：张宏民）