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应用近红外光谱分析不同产区工业分级烟叶样品的特性

发表时间:2016-06-12 11:59作者:王毅,马翔来源:万方数据网址:http://www.wanfangdata.com.cn/

  烟叶的分级和产区是决定烟叶品质的两个重要因素,烟叶等级的划分使得烟叶原料模块以及叶组配方的可操作性更强,但相同分级不同产区的烟叶,由于受到特定生态条件的影响,形成的烟叶香味、风格等品质特征有较大差异;目前单纯用感官评吸对不同生态条件下的烟叶品质特性进行评价较难取得令人满意的结果。因此,借助现代仪器分析手段开展不同产区、不同分级烟叶的品质特性研究,对形成科学合理的烟叶跨区模块配方组合具有重要的作用和意义,同时对于烟叶的种植区域规划及栽培技术等具有指导作用。
  具有快速、无损以及信息量丰富特点的近红外光谱分析技术使得烟草生产企业实时的对烟叶质量进行管理和控制成为了可能,近红外光谱主要是对含氢基团X—H(x=c,N,0)振动的倍频和合频吸收,其中包含了大多数类型有机化合物的组成信息,与烟叶化学成分关联的信息非常丰富,近年来在烟叶质量的定量、定性分析中得到了广泛的应用和发展目前针对来源于实际工业化生产现场中多类型、多产区、多年度下的烟叶等农产品,利用近红外光谱全信息的定性分析来指导产品质量控制的研究还鲜有文献报道。本文应用光谱特征投影及相关分析等方法对3个产区、六种中上等工业分级17类样品的近红外光谱进行了分析研究,量化解释了分级和产区造成烟叶品质的差异,其量化数据可以作为烟叶跨区模块组合的参考;同时所采用的质量控制方式和分析方法对其他农产品生产亦具有参考价值。

1 实验部分
1.1材料

  试验样品为红塔烟草(集团)有限责任公司2010年玉溪、楚雄、昭通产区内经工业分级后不同部位及色组的中上等烟叶,其烤烟品种为K326,3个产区、六种中上等工业分级17类共计6 064份烟叶样品。
1.2设备与测试方法
 MPA型傅里叶变换近红外光谱仪(德国BRUKER公司)。工作参数:光谱采集范围12 000~4 000 cm-1;光谱分辨率:8 cm-1;扫描次数:64次。
 1.3分析方法
  光谱特征投影采用PPF(Projection of basing on principalcomponent and fisher criterion)投影算法,该算法是一种主成分分析方法同Fisher准则相结合的方法。其基本思想是应用光谱主成分数据,对类内散在矩阵逆矩阵Sw-1与类间散布矩阵SB的乘积SB*Sw-1进行投影矢量求解,得到的投影

值数据可使类内距离最小化、类间距离最大化,能较客观的体现类内及类间的离散性和相似性,其中光谱主成分数结合方差贡献率大小由人工设定,本文中主成分数设定为4,占全部主成分信息的贡献率约为95%。
  依据PPF投影值求解各类之间相似性度值的计算公式如下

  其中Spq为两类的相似度值,Dpq为两类的类间距离值,Dpp和Dqq分别为两类各自的类内离散度。该公式的类间距离值和类内离散度与相应的PPF投影图相对应,当两类的圆完全重合时Spq值为1;两类圆相切时Spq的值约为0;两圆有交叉时Spq的值在0~1之间,交叉程度越大spq的值越接近于1;两类的圆没有交集时Spq值为负数;圆与圆之间的距离越大,负数的绝对值越大。两类样品的Spq值越大,代表它们的相似性越高。建立模型过程中均采用4 000~8 000 cm-1作为有效谱区范围,且使用一阶导数15点平滑进行光谱预处理。

2 结果与讨论
2.1样品光谱特征的分析

  分别将2010年度采集的3个产区的中上等工业分级烟叶样品进行PPF投影分析,得到的二维特征投影图,见图1,图中等级名称第一个字母代表产区,其中Z代表昭通,C代表楚雄,J代表玉溪江川;第二个字母代表品种K326,第三个字母代表烟叶部位,B代表上二棚叶,C代表腰叶,X代表下二棚叶;第四个字母代表烟叶色组。由第l和第2维特征投影均值分别按照分级和产区进行类别归属划分后,得到的类别归属的结果情况分别见表1和表2。

  由表1和表2计算得出,第1维光谱特征投影均值区分不同分级类型的概率为84%;第2维光谱特征投影均值区分不同产区类型的概率为71%}因此表明,第1维投影主要体现了不同工业分级之间烟叶品质的差异,第2维投影主要体现了不同产区之间烟叶品质的差异,较好的量化解释了分级和产区造成烟叶品质的差异。

2.2 样品光谱之间相似关系的数值化描述
  运用1.3节中的公式来量化描述不同产区相同工业分级烟叶样品特性的相似性关系,得到的不同产区不同工业分级样品光谱之间的相似度数值结果情况见表3。

 表3可以反映不同产区相同工业分级烟叶样品之间相似关系的高低,这些分析结果可为烟叶模块配方组合或替代等提供量化的参考数据。

3 结论
 (1)对不同产区工业分级烟叶光谱投影特征分析结果表明,第1维投影主要体现了不同工业分级之间烟叶品质的差异,第2维投影主要体现了不同产区之间烟叶品质的差异,可较好的量化解释分级和产区造成烟叶品质的差异,得到的不同产区不同工业分级烟叶样品之间相似关系结果可为烟叶的模块配方组合或替代等提供量化的参考数据。
 (2)本试验样品均来源于实际工业化生产现场,充分利用了近红外光谱快速、无损以及信息量丰富的特点进行产品质量控制,其采用的质量控制方式和分析方法对其他农产品生产亦具有参考价值。

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