CIE 1976（Lab*）色空间方法测定葡萄酒颜色的研究

hhciq

2015/07/01

私聊

食品常规理化分析

那个马踏飞燕多次给我专家的分，而我又不能按月完成专家的任务，汗颜。以此文感谢一下吧。
这个文章是尚未发表的论文的一部分。主要探讨了用数字化方法标识颜色特征，以实现“眼睛感受+大脑判断+语言描述"的方法用国际标准的数字化方法替代，真正排除人为干扰，实现颜色的量值传递和量值溯源。

该方法的应用不多，非线性关系也不太好理解，还希望各位在其它领域中应用、推广。谢谢。有疑问来信共同探讨。

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葡萄酒悦目的色泽、显著的营养与保健功效，成为消费者越来越喜欢的健康饮品。葡萄酒千变万化的色泽不仅给人带来视觉上的享受，同时也是评价葡萄酒整体质量、品鉴、分级中重要的质量指标之一。影响葡萄酒色泽的因素包括葡萄品种、产地及酿造工艺、储存条件和时间等，通过葡萄酒的色泽还可以预测酒体未来品质变化，以确定最佳上市期。
目前国内外对葡萄酒颜色的评定尚无统一、客观的标准方法。我国现行的《发酵酒及其配制酒》、《葡萄酒》和《葡萄酒、果酒通用分析方法》标准中，对颜色检测都是一个提纲性的方法，单独的实验室不具备实际的操作性。中外新、旧世界的颜色评价方法依然依靠“目视感受+语言描述”方法，有相当大的离散性和随机误差，且存在理解和交流障碍，即使经过专业训练的熟练人员也很难做到规范的描述。一般人在相近色的判断上经过特定的训练可以分辨，但人的主观差异所导致的测色误差也是不能忽视的。观察视场范围变化，人眼视觉系统中央凹锥体细胞或杆体细胞也参与了作用，相应的人眼视觉匹配函数也发生变化。
由于实际上的迫切需要，有人用特定波长的吸光度来对葡萄酒的颜色进行描述。但一维数字不能真实的反应颜色的变化，致使对颜色的评价出现了提高25%～45%，甚至出现使红色提高超过60%～100%的结论。
国内外的主要研究方向是何种物质对颜色造成影响^[11^-13]，对于如何精确的测定葡萄酒的颜色尚无明确的应用。CIE1976 （L^*，a^*，b^*）色空间（以下称CIELAB）在感知上是比RGB更线性的色彩空间，L^*、a^*和b^*的非线性关系模仿人眼的非线性响应，意味着在色彩空间上相同数量的变化产生大约相同视觉的变化，是最接近人类视觉的体系，使之代替人的语言描述、真实反应葡萄酒颜色成为可能。该体系在化工、照明及建筑等行业应用广泛，少见其在葡萄酒颜色分析领域的应用。本文采用CIELAB对葡萄酒颜色的测定条件进行了探索，并成功应用于多种葡萄酒测定，为葡萄酒颜色的数字化表征和进一步研发专业仪器提供新途径。

1.2 试剂与器材
所使用的水为去离子水，样品为商品葡萄酒。仪器的光谱范围380 nm～780 nm。
1.3 测试过程
将葡萄酒样品在8000r/m下离心10 min，取上清液过0.45μm水性滤膜；用水调整分光光度计零点，测定吸光度，根据前述计算公式L^*、a^*和b^*，或者C^*和h^*。
2 方法
2.1标准照明体、观察者
不同的照明体和观察者的角度不同，结果不同。对常用的观察者和照明体之间的差异进行了比较，见表1。
表1 不同观察者与标准照明体条件的比较（n=3）

标准照明体		2°观察者			10°观察者			△E₂_°-10°
标准照明体		L^*₂	a^*₂	b^*₂	L^*₁₀	a^*₁₀	b^*₁₀	△E₂_°-10°
A（2856K）	测定值	90.91	-4.20	53.52	90.07	-0.27	53.95	4.04
	RSD%	0.02	0.55	0.02	0.02	0.18	0.02
	△E_D65-A	11.52			8.64
B（4874K）	测定值	90.91	-4.20	53.52	90.07	-0.27	53.95	4.04
	RSD%	0.10	0.36	0.10	0.02	2.17	0.03
	△E_D65-B	4.32			3.65
C（6774K）	测定值	90.08	-9.63	53.79	89.28	-4.68	53.66	5.02
	RSD%	0.07	0.16	0.06	0.01	0.01	0.02
	△E_D65-C	1.27			0.88
D65（6500K）	测定值	90.64	-8.51	53.58	89.43	-3.83	53.48	4.83
D65（6500K）	RSD%	0.03	0.20	0.01	0.01	0.54	0.02

注：标准照明体采用的是CIE标准照明体（A、B、C和D65），K（开尔文）为色温。
在相同样品不同照明体光源和观察者条件的影响时远远超过人眼阈值（△E0.5）。2°观察者的不同照明体中，D65与A标准照明体的△E为11.52，与C标准照明体差别最小1.27，但也超出人眼阈值（△E0.5）的范围；10°观察者的不同照明体中，D65与A标准照明体的△E为8.64，与C标准照明体差别最小0.88，但也超出人眼阈值（△E0.5）的范围；相同照明体的不同观察者条件下，△E分别为A4.04， B 4.04，C5.02，D65为4.83，均超出人眼阈值（△E0.5）的范围；所以，测定时必须确定标准照明体和观察者条件。本实验选择CIE推荐的D65标准照明体为标准光源，观察者选择10°为实验条件。
2.2 参考标样的制备及分析
选择具有代表性的白葡萄酒、桃红葡萄酒、红葡萄酒代表性样品，制得5种参考标准物质，校正光度计后测定6种样品（包括水）的CIELAB的L^*、a^*和b^*，其测试结果见表2。

表2. 参考标准物质含量表

测定值	样品1（水）	样品2（干白）	样品3（桃红）	样品4（干红）	样品5（干红）	样品6（干红）
L^*	100.00	97.11	78.42	27.77	19.89	11.93
a^*	0.01	-0.31	19.99	51.25	49.19	42.05
b^*	-0.01	12.42	17.10	46.47	69.57	20.57

该6种参考标准物质涵盖的葡萄酒颜色范围。
利用参考标准物质5对测试条件的狭缝、扫描速度、积分时间进行了验证，见图2、图3和图4。
图2中，狭缝宽度对吸光度影响大，主要表现在在380 nm～550 nm处的曲线不重和。图3中，扫描速度对吸光度影响较大，主要表现在在380 nm～400 nm处的曲线不重和。高速、高吸收值（中速）和高吸收值（低速）有较大噪声影响。图4表明，不同积分时间对吸光度影响不大，只是在380 nm～400 nm处有轻微的分离。
综和图2、3和4，本实验的实验条件选择狭缝2.0、中速或低速、积分时间2.0。
2.3不同光程对及吸光度的影响
从CIELAB的数学计算关系上分析，被测物的三刺激值与L^*，a^*，b^*呈正向关系，透光率与三刺激值呈正向关系，透光率与吸光度呈负对数关系，在线性的两侧产生的影响较大。所以，对于吸光度较大和较小的样品，应用不同光程的比色皿进行测定，以求得较正确的结果。有文献在10 mm光程下测定，也有在2 mm测定吸光度并换算为CIELAB值，但未标明观察者的条件。在实际测定中，10 mm光程下，有2种样品颜色非常深，L^*值均在0.18，接近于黑色；而采用5 mm比色皿后的L^*值分别为14.06和13.05，能很好的区别色差。对不同光程的比色皿和换算为10 mm光程比色皿的测定结果见表3.

表3. 同光程比色皿对测定结果的影响（n=6）

测定光程（mm）	实际测定值				换算为10mm比色皿值
测定光程（mm）	10	5	2	1	5	2	1
L^*	78.2	88.3	95.1	97.5	78.3	78.5	77.9
a^*	20.06	10.70	4.36	2.30	20.06	19.70	20.41
b^*	17.13	9.21	3.78	1.99	17.09	16.77	17.30
C^*_ab	26.38	14.12	5.77	3.04	26.35	25.87	26.76
h^*_ab	0.71	0.71	0.71	0.71	0.71	0.71	0.70
△E	----	15.8	26.6	30.2	0.1	0.6	0.5
△C^*_ab	----	0.0	0.1	0.1	0.0	0.1	0.1
△h^*_ab	----	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0

表3数据说明，采用不同光程比色皿测定的色度值，如果不换算为统一光程的比色皿，其色差可达30，完全无法正确表示颜色的属性；经换算为10 mm后的△E最大为0.494，远远小于人眼对色差的阈值，不会影响测定结果。所以要根据不同颜色值采用不同光程的比色皿，计算结果要换算为统一光程（本文以10 mm光程为准）的比色皿测定结果。
2.4 酒中主要成分的影响
将样品取20 mL稀释至100 mL，作为标准参考样品(糖1.38 g/L,总酸6.5 g/L,酒精13.8%)。另分别取20 mL分别加入糖、柠檬酸和乙醇后稀释至100 mL(糖200 g/L,总酸50g/L,酒精15%),作为添加成分的对照样品，测定吸光度计算色度值和色差。添加含量以葡萄酒最高含量为准，用柠檬酸代替总酸。测定结果见表4。

表4. 添加对测定结果的影响（n=3）

	样品	样品+乙醇	样品+酸	样品+糖
L^*	53.2	52.9	51.5	52.7
a^*	41.18	41.47	48.54	41.68
b^*	35.34	36.39	35.97	36.09
C^*	54.26	55.17	60.41	55.13
h^*	0.71	0.72	0.64	0.71
△E	----	1.1	7.6	1.0
△C^*_ab	----	-0.9	-6.1	-0.9
△H^*_ab	----	-0.0	0.1	-0.0

从表4测定结果看，对于样品，乙醇含量从13.8%增加到15%，引起的色差△E为1.1，尚在可以接受的范围内；酸度的增加，可以引起色差△E为7.6，表现出明显的影响；糖度从1.38 g/L增加到200 g/L，色差为△E 1.0，在可以接受的范围内。所以，测定成分的乙醇和糖度的变化对色度值影响可以忽略，而酸度的变化会引起相当大的色差。样品的吸光度曲线图5也明显的看出酸度的改变引起的变化较大。

图5. 成分改变对吸光度曲线的影响

2.5 稀释的影响
理论上纯色素的样品可以稀释测定，而葡萄酒中除花色苷外，还有酚类、酒精、糖、酸、盐等，颜色是综合因素的反应。用同一样品进行不同的稀释浓度进行了测定，确定其影响，数据见表5。
表5. 相同光程（10 mm）不同稀释浓度对测定结果的影响（n=6）

	100%	50%	20%	10%
L^*	26.7	27.5	30.3	30.1
a^*	50.69	50.83	51.13	51.15
b^*	44.75	46.08	49.77	49.77
C^*	67.62	68.61	71.35	71.37
h^*	0.72	0.74	0.77	0.77
△E	----	1.5	6.2	6.1
△C^*_ab	----	-1.0	-3.7	-3.8
△H^*_ab	----	0.0	-0.1	-0.1

注：表中数据已换算为100%浓度（10 mm）。
从表5中，相对于原液，稀释50%后的测定结果的色差为1.5，稀释20%后的测定结果的△E6.18，稀释10%后的测定结果的△E6.09。测定结果换算为原液的浓度后的色差已经非常明显可见，从图5中也明显看出稀释50%的吸光度曲线偏离了5 mm过程的吸光度曲线、稀释20%的吸光度曲线偏离了2 mm过程的吸光度曲线、稀释10%的吸光度曲线偏离了1 mm过程的吸光度曲线。所以，对于葡萄酒的颜色测定不能稀释测定。

图5 不同比色皿光程与稀释浓度的吸光度曲线图

3 实际样品测定与应用
将建立的方法应用于国内外实际样品测定，该方法可以方便准确的描述葡萄酒的颜色。见表7。

表7. 葡萄酒颜色样品测定

序号	葡萄酒名称	原产地	英文名	标示	感官	L^*	a^*	b^*	C^*_ab	H^*_ab
1	杰克逊庄园雷司令2012白葡萄酒	新西兰	JACKSON ESTATE	干白	浅黄色	98.4	-1.27	8.14	8.04	-1.41
2	杰克逊庄园防护林霞多丽2011白葡萄酒	新西兰	JACKSON ESTATE	干白	浅黄色	98.5	-1.01	7.02	7.09	-1.43
3	奥赛德天然起泡酒	智利	Brut	干白	浅黄色	97.8	-1.52	11.59	11.69	-1.44
4	金通化特制白葡萄酒	中国通化	Jintonhwa	干白	浅金黄	92.0	3.12	25.87	26.05	1.45
5	红宝酒	中国通化		干白	浅金黄	78.6	19.93	13.58	24.12	0.60
6	拉富尔城堡桃红葡萄酒	法国	Chateau LA FREYNELLE	桃红	浅红	69.4	26.38	51.54	57.90	1.10
7	奔富酒庄寇兰山赤霞珠梅洛干红葡萄酒	澳大利亚	Penfolds koonunga cabernet merlot	干红	深红	57.2	30.82	21.03	24.11	17.59
8	长城赤霞珠干红葡萄酒	中国	GREATWALL cabernet sauvignon	干红	深红	30.8	52.64	46.90	51.92	47.90
9	奔富BIN138干红葡萄酒	澳大利亚	Penfolds BIN407	干红	深红	30.7	52.69	38.80	65.43	0.64
10	长城干红葡萄酒	中国	GREATWALL	干红	深红	31.0	52.64	38.84	65.42	0.64
11	杰克逊庄园霍克湾梅洛解百纳红葡萄酒	新西兰	JACKSON ESTAT	干红	深红	28.2	30.82	28.17	70.53	30.31
12	老树全汁干红葡萄酒	中国		干红	深红	24.1	51.92	40.27	65.70	0.66
13	斯蒂博雷西拉子梅洛红葡萄酒	澳大利亚	STICHBURY Shiraz Merlot	干红	深红	22.4	51.77	38.05	64.25	0.63
14	黑比诺干红葡萄酒	美国加州	Guofeng dry red wine	干红	深红	21.0	46.90	36.24	59.27	0.66
15	沃恩-罗曼尼葡萄酒	法国	Vosne Romanee	干红	深红	20.7	49.10	35.11	60.36	0.62
16	奔富玛吉尔庄园西拉子干红葡萄酒	澳大利亚	Penfolds 2009 shiraz	干红	深红	20.7	31.00	35.00	60.29	0.62
17	斯蒂博雷2013西拉解百纳红葡萄酒	澳大利亚	Stichbury shiraz cabernet	干红	深红	17.6	47.90	30.31	56.68	0.56
18	长城干红葡萄酒	中国	GREATWALL	干红	深红	16.9	47.03	29.07	55.29	0.55
19	波菲酒庄红葡萄酒	法国	Chateau Leoville Poyferre	桃红	浅红	15.0	44.19	25.88	51.20	0.53
20	奔富BIN407赤霞珠葡萄酒	澳大利亚	Penfolds BIN407	干红	深红	12.3	42.24	21.25	47.28	0.47
21	奔富酒园寇兰山西拉子赤霞珠干红葡萄酒	澳大利亚	Penfolds koonunga hill	干红	深红	12.1	42.73	20.75	47.50	0.45
22	奔富酒园RWT巴洛萨山谷干红葡萄酒	澳大利亚	Penfolds RWT	干红	深红	9.6	39.88	16.61	43.21	0.40
23	2011彩岩赤霞珠干红葡萄酒	加拿大	PAINTED ROCK	干红	深红	7.1	174.33	12.16	174.75	0.07

表7数据说明，该数字化方法，可以精确的区分肉眼难以区分的颜色（例如：浅色葡萄酒：“1号”号酒样和“2号”号酒样，二者都是浅金黄色，肉眼无法区分，用来描述的语言也是浅金黄色、浅黄色。其L^*、a^*和b^*不同，色差△E为1.1，差别明显；极深色葡萄酒：“20”号酒样和“22” 号酒样难以用肉眼和语言区分，而L^*、a^*和b^*不同，色差△E为5.8，差别明显）。CIELAB的数字化方法对深色样品和浅色样品均能很好的区分。
采用CIELAB的数字化方法表示葡萄酒的颜色，将不精确的眼看+语言描述的评价方法用精确的数字表示，实现颜色信息的精确传递、再现和溯源；克服了环境条件和人为的干扰和影响，速度快、精密度高、重现形好、操作方便；该技术可广泛的支持商业用途，缺点是目前的计算过程复杂。据悉，海能仪器公司正在开发专业的葡萄酒颜色测定仪，将测定过程自动化，实现快速、简单、精确的颜色分析，为我国葡萄酒行业的颜色测定提供可靠的技术手段。

附件：

色空间方法测定葡萄酒颜色的研究（参赛）.doc