应用近红外光谱分析不同年度工业分级烟叶的特性

 　烟叶等级的划分在保障烟农和烟草生产企业利益的同时，也使得烟叶原料模块以及叶组配方的可操作性更强咖；烟草工业企业依据烟叶外观特性等经过精细的工业分级是保障烟叶原料质量的重要技术措施，是保障卷烟产品质量的基础；而从整体上掌握不同工业分级之间以及不同批次、不同年度之间的烟叶特性关系，对原料烟叶质量特色的稳定，形成科学合理的烟叶模块配方组合，以及对中式卷烟产品的生产朝着大品牌、标准化的方向发展均具有重要的作用和意义。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原料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。近红外光谱技术作为一项“绿色”分析技术，具有无污染、非破坏性、高效快速、低消耗、在线和多纽分同时分析等优点，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，其中红塔集团通过多年对近红外技术的研究和应用，已经从简单的烟叶收购定量模型的开发应用拓展到工业分级、复烤在线、制丝在线、熘用辅料等多个方面，该技术对红塔集团烟叶品质的稳定与提升起到了重大的作用。仅针对烟叶中总糖、还原糖、总氮、烟碱等化学成分的检测只利用了近红外光谱中的部分信息，且对实际生产过程中的质量控制的指导作用有限，目前利用近红外光谱全信息的定性分析方法越来越受到人们的重视，且在烟叶的产地、品种、部位等特征的判别和相似性分析均有文献报道；目前针对来源于实际工业化生产现场中多类型、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柝来指导产品质量控制的研究还鲜有文献报道。本工作应用光谱特征投影及相关分析等方法对不同年份的工业分级烟叶近红外光谱进行了分析研究，得到的各工业分级样品光谱之间的相似度值以及不同年度之间的一致性系数，可为烟叶的模块配方组合或替代等提供量化的参考数据；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2007年～2010年在云南省玉溪烤烟产区内的红大品种烟叶，经过工业分级后得到的部分主要分级样品，包括不同部位及色组的主要分级类型27种，各分级样品采样个数在10个到500个之间。共计5 730份烟叶样品。
1．2　测试设备与方法
 MPA型傅里叶变换近红外光谱仪(德国BRUKER公司)。光谱采集范围12 O00～4 000 cm-1；光谱分辨率：8cm-1；扫描次数：64次。
1．3　分析方法
　 光谱特征投影采用PPF(projection ofbasing on principacomponent and fisher criterion)投影算法阳]，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，对类内散布矩阵逆矩阵Sw-1与类间散布矩阵SB的乘积Sw-1·Sb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**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，以占全部主成分信息的贡献率约为95％及以上的主成分数为设定主成分数。

　　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向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0一l之间；交叉程度越大Spq的值越接近于l；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叫作为有效谱区范围，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各年度烟叶工业分级样品光谱特征的分析

　　分别将2007年一2010年度采集的烟叶工业分级样品随机按2：l划分为分析集与验证集，利用分析集建立PPF投影模型之后，再选入验证集进行分析对比。各年度下烟叶样品近红外光谱分析集(浅色)与验证集(深色)的二维投影均值的结果情况分别见图1(a)一(d)；分析集与验证集**维投影均值的相关系数结果情况见图2(a)一(d)．图中字母“R”表示相关系数。

 由图1和图2可以看出，各年度烟叶样品近红外光谱分析集与验证集投影均值的分布趋势都十分接近，其相关系数达0.98以上，具有较好的一致性，表明应用近红外光谱得到的不同工业分级烟叶样品之间的特性关系是可靠的，其相互之间的距离值或相似度值可为烟叶的模块配方组合或替代等提供量化的参考数据。
2．2　不同年度间烟叶工业分级样品光谱特征的分析
　 取2007年一20lO年共有工业分级各8类，将2007年一2010．年度采集的烟叶工业分级样品分别进行PPF投影分析后，各年度之间其PPF**维投影值的相关结果情况分别见表1。

　　由表1可以看出，不同年度之间其工业分级样品光谱特征投影值的相关系数在0.97以上，表明经过工业分级后可较好的保持各分级烟叶样品在不同年度之间的相对一致性，其中年度一致性最高的是2008年和2009年，较低的是2007年和2010年，得到的不同年度之问的一致性系数可为烟叶模块配方的持续性和稳定性提供量化的参考数据。
2．3　不同烟叶工业分级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各工业分级烟叶样品特性的相似性关系，得到的2010年度部分工业分级样品光谱之间的相似度数值结果情况见表2。

 表2可以较全面的反映不同工业分级烟叶样品之间相似关系的高低：如B02和B03之问相似度较高；X03和CL3之间相似度较低等；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)各年度的工业分级烟叶样品近红外光谱分析集与验证集投影均值的相关程度较高，其相关系数达O．98以上，具有较好的一致性，表明得到的不同工业分级烟叶样品之间的特性关系是稳定可靠的，其相互之间的距离值或相似度值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)不同年度之间其工业分级样品光谱特征投影值的相关系数在0.97以上，表明经过工业分级后可较好的保持各分级烟叶样品在不同年度之间的相对一致性，其一致性系数可为烟叶模块配方的持续性和稳定性提供量化的参考数据。
 (3)应用了一种相似度计算方法来较全面的反映不同工业分级烟叶样品之间相似关系的高低，其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。
 (4)试验样品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。