基于烟叶近红外光谱生物外观特性表征的研究

李瑞东++黄文勇++尚关兰++李克强++招云芳++孙莉++卢瑾

摘 要：以提高打叶复烤过程中成品片烟品质均匀性为实验目的，近红外光谱表征烟叶生物外观特性为研究对象，通过在线近红外光谱仪采集原烟光谱，采用光谱定性来调控原烟质并导入库和出库，结果表明：采用光谱定性来调控得到的成品烟碱变异系数2.2964%，采用烟碱含量来调控得到的成品烟碱变异系数为2.6953%，及通过光谱定性调控要好于只用烟碱含量来调控，该结果对打叶复烤前原烟调控具有重要的指导意义。

关键词：在线近红外；烟叶；表征；生物特性

中图分类号：S572 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170933013

引言

烟叶的质量包含烟叶的物理状态和化学物质含量的多少，烟叶的物理状态包括颜色、厚薄和纹理，化学物质有烟碱、总糖、还原糖等。随着工业企业对卷烟产品品质控制要求日益加大，对打叶复烤企业提供质量均匀一致的片烟产品需求变得日益迫切[1]。

近红外光谱（NIR）分析技术以其简单、快速、无损和多指标同时分析的特点，在石油、烟草、中药、粮油等领域得到迅速推广和应用[2]。近红外光谱分析是通过光谱仪对样品扫描获取样品光谱，光与样品相互作用并将样品信息加载到光谱，近红外光谱对含氢基团C-H、N-H、O-H、S-H 的倍频和主频振动的吸收，具有极强的穿透能力[3]。烟叶是一种片状固体，其形成的吸收光谱是基于近红外的漫反射原理。烟叶中的大多数有机化合物如烟碱、蛋白质、总糖、还原糖、淀粉、纤维素、蛋白质、水分等都含有含氢基团[4]，均在光譜不同谱段中有所体现，所以通过对烟叶近红外光谱分析可以测定这些成分的含量以及判定烟叶质量。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

表1是试验所用烟叶的具体产地、等级和加工数量。

在线近红外光谱仪：Armor711在线近红外光谱仪（Carl Zeiss公司，德国），波长范围：894～2207nm， 波长准确性?0.5nm，波长重复性?0.05nm，采集的点数为256点。在线近红外光谱仪用来在线检测样品烟碱的实时值[5]。

实验室近红外光谱仪：AntarisⅡFT-NIR型实验室近红外光谱仪（赛默飞世尔科技，美国），以仪器内部空气为背景，测量范围4000～10000cm-1，采样点数为1557点，每张光谱扫描次数32次，分辨率为8cm-1，仪器使用InGaAs检测器。

1.2 软件

在线近红外光谱采集软件为Carl Zeiss公司自带的procXplorer软件。实验室近红外采集为Thermo Fisher Scientific公司自带软件RESULT，数据处理软件为MTALAB R2012a（Mathworks，USA）。在线化学成分分析软件为CZ_online 3.1（上海创和亿电子科技发展有限公司，上海）。

1.3 试验方法

运用在线近红外光谱仪实时采集原烟近红外光谱，并运用在线化学成分分析软件中光谱定性（烟碱定量）分析功能给出每框原烟定性值，试验分2部分，前半部分用定量及烟碱含量来指导入半成品库，后半部分为光谱定性来指导入半成品库。再运用在线化学成分分析软件给出每框原烟的具体库位通道，指导入半成品库。根据竖进横出（或者横进竖出）的规则，将半成品出库打叶。对于成品片烟采用每间隔25箱进行抽样，利用实验室近红外光谱来预测其化学成分。

2 结果与分析

2.1 半成品

经过在线近红外检测的原烟，根据在线化学成分分析软件指导入缓存库（半成品库）后称为半成品，打叶的时候，这些半成品按照竖进横出，或者横进竖出的方式出半成品库，然后进行翻箱喂料到储柜，加工过程中各储柜内的烟叶化学成分均值越接近，说明控制的越好，后面成品的化学成分变异系数也会相应的减小。

表2是分别是用烟碱来控制和光谱控制指导入半成品库，出库时进储叶柜的烟碱统计值，有表2中可以看出，运用光谱控制方式得到的标准偏差和变异系数都要小于烟碱控制方式的，这说明，光谱控制方式在半成品加工中要好于烟碱控制。

图1是2种控制方式得到的各储叶柜烟碱均值，从图中也可以看出，光谱定量的烟碱均值波动性要小于光谱定性的烟碱均值。

2.2 成品片烟

成品片烟以每25箱取样进行抽样检测，检测方式是实验室近红外，检测指标有：烟碱、总糖、还原糖、总氮、氯、钾、PH。表3是2种控制方式得到的成品片烟统计结果。从表3中可以看出，烟碱、总糖、还原糖、总氮4个指标光谱定性控制要好于烟碱定量控制，钾、氯、pH3个指标光谱定性控制要差于烟碱定量控制。

图2是光谱定性控制相对于烟碱定量控制得到的成品片烟均匀性提升效果，从图中可以看出烟碱均匀性提升了15%。总糖、还原糖、总氮的均匀性也有不同程度的提高，只有钾、氯和pH值的均匀性有所下降，这是因为烟叶中钾、氯和H+的含量非常低，该3种物质与近红外光谱的相关性程度没有其他4种物质高。

图2 光谱定性控制相对于烟碱定量均匀性提升效果

3 结语

近红外光谱可以表征烟叶生物外观，采用光谱定性控制半成品烟碱变异系数为5.25%，成品片烟烟碱变异系数为2.2964%；采用烟碱定量控制半成品变异系数为5.68%，成品片烟烟碱变异系数2.6953%。采用光谱定性控制原烟的入库要好于采用烟碱定量来控制原烟的入库。

光谱定性控制相对于烟碱定量控制其成品片烟的烟碱、总糖、还原糖和总氮均匀性有不同程度的提升。

建立一个预测准确稳定性好的模型不仅需要的周期时间长，而且还需要取大量的样品去检测化学值，在人力和物力上都造成了浪费。光谱定性控制只需要在线取2h左右的实时光谱，不需要化学值来建立模型，后期也不需要对模型进行跟踪与维护。

参考文献

[1]杨凯，陈清，徐其敏，等.打叶复烤配方均匀性控制模式研究[J].烟草科技，2012（12）：14-17.

[2]鲍峰伟，刘景艳.近红外光谱分析技术在石油化工中的应用[J].贵州化工，2006（6）：34-36，57.

[3]张燕，彭黔荣.近红外光谱定性分析方法在烟草行业中的应用[J].河北农业科学，2009（6）：150-152.

[4]胡钢亮.近红外光谱技术在中药领域中的应用研究[D].杭州：浙江大学，2003.

[5]闫李慧.基于近红外光谱技术的面粉品质研究[D].郑州：河南工业大学，2012.endprint