利用色度仪棉糖分级与定量检测方法研究

李 帅，买合布热提古丽·艾尼瓦尔, 刘 瑞，贾丽霞，贾 冬

(1. 新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830046; 2. 新疆维吾尔自治区纤维检验局，新疆 乌鲁木齐 830026)

1 引 言

棉糖是指棉花含有的可溶性糖分总量，其中包括自身含有的生化性糖(内糖)和附在纤维表面的外源物质糖类(外糖)。棉糖的种类与数量虽然不是棉花强制检测项目，但由于在一定程度上影响棉花公检质量与纺纱性能等问题，早已受到棉花种植以及纺织生产部门的重视[1]。目前，国内外已有多套有关棉花纤维含糖杂质的定性或定量检测方法，但方便快捷、准确稳定、容易实现的仪器检验方法相对匮乏[2～4]。针对目前国内常用的色卡比色法(SN/T 0311.2—2010)[5]以及分光定量法(GB/T 13785—2008)，本文拟采用纺织印染业常用的色度仪，旨在建立数字化的棉糖比色卡，以及多个色度参数与标准D果糖的对应关系，并探讨这种棉糖的色度分级法(chromatic grading testing method，CGTM)以及色度定量法(chromatic quantitative testing method，CQTM)的可行性[6]。

2 实验方法

2.1 CGTM

参照SN/T 0311.2—2010《进出口棉纤维含糖量检验方法 第2部分:色卡比色法》中棉样准备、显色液选择、分级方法等[5];CGTM与色卡比色法的差别是：评定等级依据不是标准比色卡，而是色度仪测定的混合糖标准溶液显色液(D果糖与葡萄糖混配)或棉样显色液的色度参数。除脂肪酸烷醇酰胺为工业级外，其他试剂均为化学纯。

2.2 CQTM

参照GB/T 16258—2008《棉纤维含糖试验方法 定量法》中原棉回潮率、空白溶液与D果糖标准溶液配置、棉样溶液的提取、试样含糖率的计算等[7]；CQTM与定量法的差别是：定量依据不是分光光度计在425 nm处测定的吸光度A，而是色度仪测定的空白溶液、D果糖标准溶液、棉样溶液的色度参数。

2.3 色度参数的测定

根据GB 8424.1—2001《纺织品颜色和色差的测定方法》，在测色配色仪UltraScan PRO(美国Hunter Lab公司)上测定空白溶液、D果糖标准溶液、混合糖标准溶液显色液的色度参数，包括颜色三刺激值：X、Y与Z；色品坐标：a*与b*；颜色属性：饱和度C*、明度L*、色相角h*；以及透射率T、色差dE*、染色深度K/S值等[8]。

2.4 数据处理与分析。

采用SPSS(Statistical Product and Service Solutions)21.0软件以及Origin8.0软件进行色度参数的处理与分析[9,10]。

3 结果与讨论

3.1 CGTM

3.1.1 色相角与标准含糖量关系

图1 色相角h*与混合糖量质量浓度的关系Fig.1 Relationship between h* and mixed sugar content

色卡比色法利用棉糖或水解棉糖所具有的还原性，会使显色剂溶液中的Cu2+还原成Cu+，生成络合物与氧化亚铜沉淀。图1为以混合糖标准溶液显色液的糖质量浓度C为横坐标，以色相角h*为纵坐标绘制的关系图。由图1可以看出：随着混合糖质量浓度的增加，色相角h*逐步从第三象限变为第一象限，说明混合糖标准溶液显色液的色相发生了变化。

3.1.2 色品坐标与标准含糖量关系

图2为一定质量浓度的混合糖标准溶液的色品坐标a*-b*图，相应的色品坐标的拟合和方差分析结果见表1、表2。可以看出：随着混合糖质量浓度的增加，色品坐标a*与b*的关系呈现一定的规律，坐标a*<0，b*与a*基本呈线性关系，R2为0.996 73，方差分析结果显示拟合效果显著；随着b*的增加，其与a*的线性关系很差，R2仅为0.038 75，方差分析结果显示拟合效果不显著[11，12]。综合考虑，本文选取色相角h*、色品坐标a*与b*对定性比色方法进行数字化描述。

图2 混合糖标准显色液的色品坐标Fig.2 Chromaticity coordinates of the standard color solution with mixed sugar

3.1.3 CGTM评级标准的确定

综合考虑，确定用色度法比色评级的依据见表3，即在糖质量浓度小于0.200 mg/mL时，与SN/T 0311.2—2010相比，一是可用a*、b*与h*等色度参数对定性颜色(蓝～橙红)进行数字化描述;二是可取消比色样卡的使用;三是可根据测定的含糖量对应出相应的定性等级。在实际应用中，可平行评定3～5个棉样，然后按平均级数进行描述。

3.2 CQTM

3.2.1 色度法换算吸光度拟合

针对2个批次D果糖标准溶液，图3(a)是按照GB/T 16258—2008绘制的标准工作曲线；图3(b)是通过色度仪测定的相应显色液的透过率，换算成吸光度A′所做的线性拟合方程。可以看出：与分光光度法相比，色度法的吸光度也与含糖量成线性关系；但在拟合方程的数据分析显示斜率、截距与相关系数均有偏差，而且不同批次测定波动也较大，同批次的误差略小，不同批次的差异相对更大。因此，为减少误差，本文放弃间接换算A′等参数。

表1 色品坐标a*,b*的拟合结果Tab.1 Fitting results of chromatic coordinates a*, b*

表2 方差分析结果Tab.2 The results of analysis of variance

表3 CGTM评级标准Tab.3 Colorimetric grating standard on CGTM

图3 色度法换算吸光度拟合结果Fig.3 The linear fitting results of colorimetric conversion of absorbance

3.2.2 其它色度参数拟合

图4～图6分别为K/S、L*、C*和色差dE*的线性拟合结果。由图看出具有与图2或图3同样的规律：相应的色度参数与一定浓度范围内的含糖量呈线性关系；单一色度参数的线性拟合有波动，会对拟合结果产生影响。经判断，能够与含糖量呈良好线性关系的色度参数包括K/S、L*、C*、dE*。

3.2.3 空白溶液对拟合的影响

选择线性拟合程度相对较弱的黄度b*，了解空白溶液对其色度参数数值的影响以及对拟合方程的影响，见图7。由图7可以看出：无论是直接测量还是扣除空白，同批次线性拟合方程的斜率相同，差别在于截距有差异。因此，在进行色度法检验棉糖含量的研究中，也要充分考虑空白溶液对色度参数的影响，但在进行快速检验时，可略去空白溶液的影响。

图4 色深值K/S的线性拟合结果Fig.4 The linear fitting results of K/S value

图5 明度L*的线性拟合结果Fig.5 The linear fitting results of lightness L*

图6 饱和度C*与色差dE*的线性拟合结果Fig.6 The linear fitting results of C* and dE*

图7 黄度b*的线性拟合结果Fig.7 The linear fitting results of yellowness b*

3.3 棉花样本检验实证

3.3.1 CGTM的实证

表4为根据表3判定棉样的分级结果，根据表4的测定结果，对比表3色度法比色评定标准， 综合评定3个棉样等级为1.3级，相当于含糖量小于0.10 mg/mL或小于0.50%。在后继的研究中还需要通过大量的棉样重复验证以及标准的修订以增加比色方法的适用性。

3.3.2 CQTM的实证

表5是3个平行棉样通过色度参数描述的含糖量，包括A′、L*、C*、b*、K/S、dE*等，其中A′是通过色度仪测定的透射率T进行换算的吸光度。通过比较可知：虽然色度参数可以用以评价棉糖含量，但同批次不同色度参数的拟合数据存在较大的波动。此外通过误差方差等同性的Levene检验，由于显著性检验的Sig[显著性(单侧)]值小于0.10，所以在0.01的显著水平上，认为5种拟合方法的方差对含糖率有显著性的差异；通过主体间效应检验的Sig值，认为拟合方法、含糖浓度、拟合方法与含糖质量浓度的交互作用，对棉花含糖率的影响都是显著的。

表4 根据表3判定棉样的分级结果Tab.4 Results of grading of cotton samples according to table 3

4 结 论

(1) CGTM能够通过色度仪将标准SN/T 0311.2—2010中的含糖1～5级的蓝色、绿色、草绿、土黄、橙红用色度参数(a*，b*，h*)进行描述，并建立起含糖等级1～5与色度参数的对应关系，可以实现基于色度参数的数字比色与分级，为棉糖的数字化的描述、比对与传输提供了可能。

(2) CQTM能通过色度仪测定标准GB/T 16258—2008中的3,5-二羟基甲苯-硫酸标准显色液色度参数，并用A′，L*，C*，b*，K/S，dE*等色度参数表征棉花含糖量，可以实现基于色度参数的棉糖定量检验；但与分光定量法类似，同样存在不同色度参数与标准糖溶液的线性拟合波动性大或一致性差等问题，在今后的研究中需要加以改进。

表5 色度法拟合的棉糖含量Tab.5 The content of cotton sugar by chromatic method