近紅外光譜分析技術(shù)在煙草質(zhì)檢質(zhì)控中的應(yīng)用研究與實(shí)踐

1、近紅外光譜分析技術(shù)在煙草質(zhì)檢質(zhì)控中的應(yīng)用研究與實(shí)踐王家俊 1，陳國(guó)輝 2，王保興 2，梁逸曾 31 紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心 云南彌勒縣桃園路50號(hào) 6523002 云南瑞升煙草技術(shù)（集團(tuán)）有限公司 昆明市高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)科醫(yī)路41號(hào) 6501063.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)麓山南路 410083摘要：本文主要介紹了近紅外光譜技術(shù)與化學(xué)計(jì)量學(xué)方法在煙草種植、原料收購(gòu)、煙葉復(fù)烤、煙葉醇化、卷煙工業(yè)制造以及其它諸如煙用材

2、料、煙用添加劑、卷煙煙氣等方面的應(yīng)用研究和一些實(shí)踐體會(huì)，并簡(jiǎn)要探討了基于近紅外光譜分析的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在煙草品質(zhì)研究中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：近紅外光譜法；化學(xué)計(jì)量學(xué)方法；煙草質(zhì)量研究1968年，McClure首次應(yīng)用近紅外光譜（NIRS）技術(shù)[1]研究了未經(jīng)破壞煙葉的透射比（transmittance properties），標(biāo)志著近紅外光譜分析技術(shù)在煙草領(lǐng)域的應(yīng)用起始。近紅外光譜分析技術(shù)以其獨(dú)特的快速、無(wú)損等優(yōu)勢(shì)在煙草領(lǐng)域中的應(yīng)用得到迅速擴(kuò)展

3、[2-9]。國(guó)內(nèi)報(bào)道始見(jiàn)于1995年[10]，隨后幾年，在國(guó)內(nèi)煙草領(lǐng)域掀起了近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用研究熱潮，并進(jìn)一步將過(guò)程化學(xué)計(jì)量學(xué)方法與近紅外光譜分析結(jié)合，不斷挖掘量測(cè)數(shù)據(jù)中潛在的信息價(jià)值伺服產(chǎn)品質(zhì)量研究，也取得了較快的發(fā)展，研究主要包括煙葉及煙氣化學(xué)成分分析[10-20,30]、煙葉類(lèi)型識(shí)別及卷煙配方結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)[21,22]、卷煙配方過(guò)程評(píng)價(jià)[23,24]、卷煙制絲線評(píng)價(jià)[25]等方面的研究。近幾年來(lái)，筆者協(xié)同國(guó)內(nèi)化學(xué)計(jì)量學(xué)專(zhuān)家和相關(guān)領(lǐng)

4、域?qū)＜页掷m(xù)尋求化學(xué)計(jì)量學(xué)方法在煙草領(lǐng)域中的應(yīng)用研究[16, 20, 23, 26-34]，為提高近紅外光譜分析技術(shù)在煙草領(lǐng)域中的應(yīng)用水平做了一些微薄工作，本文僅為作者的經(jīng)驗(yàn)之談和一些實(shí)踐體會(huì)，不足之處，敬請(qǐng)學(xué)者同仁批評(píng)指正。1 基本思路煙草是一個(gè)復(fù)雜的多組分灰色體系（組分尚未全部清楚），品質(zhì)特性的發(fā)揮與構(gòu)成煙草的各組分具有協(xié)同效應(yīng)，傳統(tǒng)單變量“一對(duì)一”的分析觀念，揭示煙草品質(zhì)內(nèi)在規(guī)律的整體性存在一定的局限性。面對(duì)煙草這種復(fù)雜的化學(xué)分析體

5、系，應(yīng)考慮以“系統(tǒng)性”，“模糊性”的現(xiàn)代分析科學(xué)思想進(jìn)行探索研究，同時(shí)引進(jìn)相應(yīng)的分析技術(shù)硬件，近紅外光譜分析技術(shù)就是一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例（見(jiàn)圖1），它既能應(yīng)用多元校正方法（如PLS）處理兩個(gè)數(shù)據(jù)陣之間的定量關(guān)系，同時(shí)定量復(fù)雜體系中的多個(gè)組分，且實(shí)際操作簡(jiǎn)單，分析速度快，不需消耗化學(xué)試劑。此外，應(yīng)用模式識(shí)別（如SIMCA）方法，還可以進(jìn)一步挖掘樣品之間的隱含關(guān)系，這比傳統(tǒng)方法更進(jìn)一步的是，它最大限度地直接應(yīng)用量測(cè)數(shù)據(jù)整體性研究樣品之間的相互

6、關(guān)系，避免了隱性信息的流失。實(shí)踐表明，化學(xué)計(jì)總 氮 405 0.9844 7 0.0475 1.60-2.80 %氯 415 0.9800 32 0.0063 0.06-0.22 %鉀 470 0.9738 17 0.0587 1.68-2.95 %鈣 424 0.9524 12 0.1100 2.50-4.38 %鎂 451 0.9790 18 0.0245 0.40-1.11 %灰 分 448 0.9851 10 0.1630 9.

7、30-14.10 %PH 值 439 0.9846 11 0.0280 4.80-5.50 %分醚提物總量 399 0.9405 10 0.1510 3.30-5.50 %丁酸 255 0.8519 10 0.8770 0.316-7.380 μg/g戊酸 255 0.7723 7 0.1770 0.670-1.960 μg/g異戊酸 255 0.9282 13 4.2700 5.130-52.660 μg/g己酸 255 0.9407

8、 14 0.1440 0.540-2.380 μg/g辛酸 229 0.9458 10 0.0788 0.630-1.780 μg/g3-甲基戊酸 245 0.9238 15 0.0719 0.518-1.500 μg/g苯甲酸 254 0.9211 10 0.2530 1.984-5.240 μg/g苯乙酸 255 0.9426 11 0.5500 3.157-11.680 μg/g揮 發(fā) 性 有 機(jī) 酸十六(烷)酸 255 0.98

9、68 15 0.0627 1.060-2.648 μg/g檸檬酸 255 0.9438 8 0.8880 3.640-16.647 mg/g丁二酸 255 0.9240 13 0.0174 0.180-0.417 mg/g蘋(píng)果酸 255 0.9492 11 4.0000 27.640-97.219 mg/g草酸 255 0.8974 12 0.7080 9.446-16.980 mg/g馬來(lái)酸 254 0.9671 12 0.1910

10、1.220-5.290 mg/g亞油酸 255 0.9944 16 0.0529 0.180-1.738 mg/g油酸 255 0.9812 14 0.0877 1.040-3.000 mg/g非 揮 發(fā) 性 有 機(jī) 酸 硬脂酸 255 0.9805 12 0.0267 0.080-0.514 mg/g總揮發(fā)堿 0.9576 6 0.3410 2.00-8.00 %總揮發(fā)酸 0.9354 11 0.0048 0.10-0.17 %淀粉

11、0.9785 14 0.4420 1.00-10.00 %纖維素 0.9266 10 0.6400 10.00-18.00 %硫酸鹽 0.9823 16 0.0836 0.40-3.00 %醚提物 中性總量 0.9731 11 0.2560 2.00-8.00 %多酚 0.9543 14 0.1580 3.00-5.50 %水溶性堿度 0.9478 15 0.1040 0.23-1.60 %其 它 組 分蛋白質(zhì)~700 -8000.88

12、80 12 0.2550 2.00-5.00 %2.3 卷煙煙氣指標(biāo)的近紅外測(cè)定一般認(rèn)為，卷煙中的總糖、總氮和煙堿等主要化學(xué)成分含量，及其燃燒時(shí)主流煙氣中的焦油、煙堿和一氧化碳等釋放量可作為品質(zhì)指標(biāo)衡量卷煙的內(nèi)在品質(zhì)，其中，焦油、煙堿和一氧化碳的釋放量又決定了卷煙能否入市的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。按國(guó)家煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，卷煙的內(nèi)在品質(zhì)檢測(cè)通常分為兩個(gè)部分，一是采用連續(xù)流動(dòng)法測(cè)定煙絲中的總氮、總糖、煙堿等主要化學(xué)成分含量；二是通過(guò)煙氣分析測(cè)定焦油、煙堿和一

13、氧化碳的釋放量。對(duì)于品牌規(guī)?；纳a(chǎn)，按以上方法進(jìn)行大批量質(zhì)檢，需要較多的分析儀器，消耗大量的化學(xué)試劑，速度慢，且分析費(fèi)用高。采用 PLS 結(jié)合卷煙（煙絲制成粉末）的 FT-NIR 漫反射光譜建立了測(cè)定卷煙主流煙氣中焦油、煙堿、一氧化碳釋放量等的校正模型[30]，見(jiàn)表 3，實(shí)際應(yīng)用效果令人滿(mǎn)意。值得注意的是，在建模時(shí)，因?yàn)榫頍熭o料（盤(pán)紙、嘴棒等）的變化，對(duì)焦油、煙堿和一氧化碳釋放量有著明顯的影響，所以，選入校正集的樣品，應(yīng)保持相應(yīng)卷煙輔