CN112198131B - 一种茶叶中咖啡因含量的紫外吸收光谱检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分析检测技术领域，特别涉及一种茶叶中咖啡因含量的紫外光谱检测方法，包括茶样制备，对茶样磨碎、过筛并分为校正集和预测集茶样；茶样预处理，将磨碎茶样倒入具塞刻度试管内，以超纯水沸水浸提后冷却定容，定性分析滤纸过滤，取中后段滤液并以超纯水稀释；紫外吸收光谱采集，通过酶标仪对校正集及预测集茶样采集；定量分析模型构建，对校正集茶样进行咖啡因含量常规检测，将结果与校正集茶样的紫外吸收光谱进行光谱过滤和数据预处理，并构建偏最小二乘回归模型；预测集茶样预测，基于定量分析模型对预测集茶样的紫外吸收光谱进行分析，预测预测集茶样的咖啡因含量；本方法操作方便，预测值准确，同时适用于对茶样的高通量快速检测。

Description

一种茶叶中咖啡因含量的紫外吸收光谱检测方法
技术领域
本发明涉及分析检测技术领域，特别涉及一种茶叶中咖啡因含量的紫外吸收光谱检测方法。
背景技术
咖啡因系黄嘌呤类生物碱化合物，化学名为1,3,7-三甲基黄嘌呤，主要存在于咖啡树、茶树、巴拉圭冬青和瓜拿纳的果实及叶片里。咖啡因对中枢神经系统和心脏有刺激作用，且可作为腺苷受体拮抗剂来增强大脑活动，使人保持兴奋警觉状态，故含有咖啡因成分的咖啡、茶、软饮料及能量饮料十分畅销。咖啡因在临床上可用于治疗神经衰弱和昏迷复苏，但因其具有成瘾性或因长期大量使用引起神经异常等而被列入国家第一类精神药品管控范围。
在现有应用于茶叶中咖啡因含量的检测技术主要包括分光光度法、近红外光谱法、薄层色谱法、液相色谱法、气相色谱法、毛细管电泳法、电化学分析法等，并以分光光度法和液相色谱法最为常见。对于分光光度法，由于茶叶水浸提物中的没食子酸、儿茶素类、茶叶碱、可可碱等成分与咖啡因的紫外吸收曲线相互重叠。为排除基质及其他成分对咖啡因检测的干扰，通常需要对茶叶浸提物进行必要的分离纯化或特异性反应，如《紫外分光光度法测定茶叶中咖啡因的含量》(《科技信息》，2010(000)031)所公开通过对茶叶萃取富集后再进行咖啡因含量的检测，同时由于其他试剂的加入以及人工操作容易对实验结果引入误差；而对于使用液相色谱法进行检测则需要使用者具备较高的仪器设备操作技能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于茶叶水浸提物紫外吸收光谱实现茶叶中咖啡因含量的高通量、快速检测方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种茶叶中咖啡因含量的紫外吸收光谱检测方法，包括如下步骤：
步骤一，茶样分别磨碎和过筛，采用分组方式将茶样分为校正集茶样和预测集茶样；
步骤二，取步骤一所得茶样于沸水中浸提，冷却定容后用滤纸过滤，得滤液，取滤液并以超纯水稀释，得稀释液；
步骤三，将步骤二所得稀释液滴加在石英酶标板上，并采用酶标仪分别对校正集茶样与预测集茶样稀释液的紫外吸收光谱进行采集，得校正集茶样光谱原始数据和预测集茶样光谱原始数据；
步骤四，采用常规检测方法对校正集茶样的咖啡因含量进行测定，得到检测数据；对校正集茶样光谱原始数据进行光谱过滤，得光谱优化数据；构建基于光谱优化数据与检测数据的偏最小二乘回归模型，得定量预测模型；
步骤五，基于步骤三所得预测集茶样光谱原始数据，应用步骤四所得定量预测模型对预测集茶样进行咖啡因定量预测分析，得预测数据。
本发明的有益效果在于：
(1)在茶样的预处理过程中仅需将待测茶样粉碎、过筛并以超纯水浸提，在此过程中不使用任何其他化学试剂，相较于常规分光光度法和液相色谱法具有茶样预处理方法简单方便、节本增效、绿色环保等优点；
(2)通过基于偏最小二乘回归法对定量分析模型进行构建，仅需采集校正集茶样(n≥15)的紫外吸收光谱以及常规方法检测咖啡因含量数据便可建立定量分析模型，能有效降低建模成本以及提升建模效率；
(3)在定量分析模型构建完成后，基于本方法简单、便捷等操作优势能够满足在茶树品种选育、栽培和加工技术调控、茶叶风味品质与保健评价过程中，对茶叶样品中咖啡因含量的高通量快速检测需求。
附图说明
图1所示为25个茶样基于Savitzky-Golay平滑的二阶导数紫外吸收光谱；
图2所示为25个茶样中咖啡因含量的建模预测值与国标法实测值。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：通过对校正集茶样以及预测集茶样进行紫外吸收光谱采集、对校正集茶样中咖啡因含量的常规检测数据的采集，并通过对校正集茶样相关的两种来源数据建立偏最小二乘回归定量分析模型，再通过定量分析模型对预测集茶样的紫外吸收光谱进行分析并预测预测集茶样的咖啡因含量。
本发明提供了一种茶叶中咖啡因含量的紫外吸收光谱检测方法，包括以下步骤：
一种茶叶中咖啡因含量的紫外吸收光谱检测方法，包括如下步骤：
步骤一，茶样分别磨碎和过筛，采用分组方式将茶样分为校正集茶样和预测集茶样；
步骤二，取步骤一所得茶样于沸水中浸提，冷却定容后用滤纸过滤，得滤液，取滤液并以超纯水稀释，得稀释液；
步骤三，将步骤二所得稀释液滴加在石英酶标板上，并采用酶标仪分别对校正集茶样与预测集茶样稀释液的紫外吸收光谱进行采集，得校正集茶样光谱原始数据和预测集茶样光谱原始数据；
步骤四，采用常规检测方法对校正集茶样的咖啡因含量进行测定，得到检测数据；对校正集茶样光谱原始数据进行光谱过滤，得光谱优化数据；构建基于光谱优化数据与检测数据的偏最小二乘回归模型，得定量预测模型；
步骤五，基于步骤三所得预测集茶样光谱原始数据，应用步骤四所得定量预测模型对预测集茶样进行咖啡因定量预测分析，得预测数据。
下文详细描述具体单独步骤中所使用的仪器及分析软件以及合适和优选的实施方式：
步骤一中，对茶样磨碎及过筛的标准应为国家标准GB/T 8303－2013；
优选的，过筛目数为40。
步骤二中，磨碎茶样热水浸提时间为45min，并每10min进行摇匀处理。
步骤三中，酶标仪采用Varioskan LUX多功能酶标仪(美国Thermo FisherScientific公司)；分析软件为SkanIt RE 6.0；
优选的，光谱参数为：采样波长为200-400nm，步长为4nm，测量时间为100ms。
步骤四中，常规检测方法包括但不限于高效液相色谱法、电化学分析法、毛细管电泳法和薄层色谱法等。
优选的，常规检测方法为液相色谱法。
需要说明的是，上述液相色谱法应按国家标准GB/T 8312－2013进行。
优选的，光谱过滤采用Savitzky-Golay算法进行二阶求导过滤；具体的，每个二项子模型含15个点，间距为1。
实施例一：
一种茶叶中咖啡因含量的紫外吸收光谱检测方法，包括如下步骤：
步骤一，茶样制备：取铝箔袋密封冷藏的市售红茶、绿茶、白茶、闽南乌龙茶和闽北乌龙茶各5批次，按国家标准GB/T 8303－2013对收集到的茶样分别进行磨碎、过筛，所用筛网为40目，并将其分为校正集和预测集茶样。
步骤二，茶样预处理：分别取0.200g磨碎茶样于50mL具塞刻度试管中，加入30mL超纯水，于沸水中浸提45min并每隔10min摇匀一次，冷却定容至50mL，定性分析滤纸过滤，并取中后段滤液0.5mL，加入20mL超纯水稀释待测。
步骤三，紫外吸收光谱采集：在96孔石英酶标板上滴加200μL上述稀释液，并采用Varioskan LUX多功能酶标仪(美国Thermo Fisher Scientific公司)SkanIt RE 6.0软件记录校正集和预测集茶样浸提稀释液在200-400nm波长范围内的紫外吸收光谱，步长设定为4nm，测量时间：100ms。
步骤四，定量分析模型构建：参照国家标准GB/T 8312－2013中的液相色谱法测定校正集茶样的咖啡因含量。同时对校正集茶样的紫外吸收光谱采用Savitzky-Golay算法，进行二阶求导进行光谱过滤及数据预处理，其中每个二项式子模型含15个点，各点间距为1(如图1所示)，由此构建基于校正集茶样紫外吸收光谱(中心化预处理)与咖啡因含量的偏最小二乘回归模型。
步骤五，茶样中咖啡因的含量检测：基于步骤三中预测集茶样2(红茶B1～B5、绿茶G1～G5、白茶W1～W5、闽南乌龙茶S1～S5和闽北乌龙茶N1～N5各2批次)紫外吸收光谱和基于步骤四中参照国家标准GB/T 8312－2013的液相色谱法对校正集茶样1中咖啡因含量检测结果，应用步骤四构建的偏最小二乘回归模型对预测集茶样2中的咖啡因进行定量预测分析(如图2所示，其中1、校正集茶样；2、预测集茶样；红茶：B1～B5；绿茶：G1～G5；白茶：W1～W5；闽南乌龙茶：S1～S5；闽北乌龙茶：N1～N5。)。
具体的，上述偏最小二乘回归模型的最佳潜变量数为6，模型X解释率R2X＝1.0000、模型Y解释率R2Y＝0.9960、模型Y预测率Q2＝0.9610，模型的校正决定系数R2＝0.9961、校正均方差RMSEE＝0.0734、内部交叉验证均方差RMSEcv＝0.2258。基于定量分析模型对预测集茶样2分析，其预测决定系数R2＝0.9220、预测均方差RMSEP＝0.2096。
从上述描述可知，基于偏最小二乘回归法构建的定量分析模型对预测集茶样2中咖啡因含量的验证样品代表性好，模型稳定性高、预测值准确度高；同时对预测集茶样2的预处理过程操作简单且方便，即本方法适合于对茶样的高通量快速处理过程。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种茶叶中咖啡因含量的紫外吸收光谱检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，茶样分别磨碎和过筛，采用分组方式将茶样分为校正集茶样和预测集茶样；
步骤二，取步骤一所得茶样于沸水中浸提，冷却定容后用滤纸过滤，得滤液，取滤液并以超纯水稀释，得稀释液；
步骤三，将步骤二所得稀释液滴加在石英酶标板上，并采用酶标仪分别对校正集茶样与预测集茶样的稀释液的紫外吸收光谱进行采集，得校正集茶样光谱原始数据和预测集茶样光谱原始数据；
步骤四，对校正集茶样的咖啡因含量进行测定，得到检测数据；对校正集茶样光谱原始数据进行光谱过滤，得光谱优化数据；构建基于光谱优化数据与检测数据的偏最小二乘回归模型，得定量预测模型；
步骤五，基于步骤三所得预测集茶样光谱原始数据，应用步骤四所得定量预测模型对预测集茶样进行咖啡因定量预测分析，得预测数据；
在步骤二中，所述浸提的时间为45min，并每10min摇匀一次；
在步骤三中，所述酶标仪的光谱参数设定为采样波长范围200-400nm，步长为4nm，测量时间为100ms；
在步骤四中，所述光谱过滤为采用Savitzky-Golay算法进行二阶求导过滤，其中每个二项子模型含15个点，间距为1；
所述茶样包括红茶、绿茶、白茶、闽南乌龙茶和闽北乌龙茶。
2.根据权利要求1所述一种茶叶中咖啡因含量的紫外吸收光谱检测方法，其特征在于，在步骤一中，所述分组方式为，茶样总共5批，其中校正集茶样3批，预测集茶样2批。
3.根据权利要求1所述一种茶叶中咖啡因含量的紫外吸收光谱检测方法，其特征在于，在步骤四中，对校正集茶样的咖啡因含量进行测定的方法为液相色谱法。
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