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应用近红外光谱分析不同生态环境的烟叶特性

发表时间:2016-06-13 13:24作者:张璐,唐兴宏来源:万方数据网址:http://www.wanfangdata.com.cn/

  影响烟叶原料品质的基本因素主要有生态环境、品种、栽培和加工技术等。烟叶产区的生态环境相对比较固定,使得产区内烟叶原料品质具有某种相对固定的倾向性特征;此外,受产区特有生态条件的影响,不同产区间的烟叶品质特性各有差异。不同生态环境或不同产区烟叶品质特性的差异是烟叶内在质量和风格特征差异的源头。因此根据卷烟的风格质量特征,开展不同生态环境下的烟叶品质特性研究对于指导烟叶的种植区域规划、品种布局、栽培技术等[10等具有重要的作用。但目前单纯用烟叶内在化学成分或烟叶感官质量等对不同生态环境下的烟叶品质特性进行评价较难取得令人满意的结果。

 近红外光谱主要是对含氢基团X一H(X=C,N,0)振动倍频与合频的吸收,其中包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构信息,与烟叶化学成分关联的信息非常丰富。同时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、多组分同时分析和实现在线等优点,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。其中运用近红外光谱技术对不同生态环境烟叶或其他农产品的品质特性的研究主要集中.

 在不同产地之间的判别分析上。如柬茹欣等以近红外光谱的主成分描述烟叶特征,采用马氏距离判别准则对不同产地的国产烤烟烟叶进行了产地、部位、等级的模式识别,表明产地识别的准确率高于部位、等级识别的准确率。刘飞等应用近红外光谱技术结合波长选择方法实现黑木耳产地的快速判别。张晓慧等采用近红外光谱结合SIMCA模式识别方法鉴别五个不同产地的连翘并取得了较好的鉴别效果。

 应用近红外光谱技术进行复杂天然产物的判别分析其本身有一定的局限性,t主要表现在:判别模型会受到不同年份、不同品种等众多干扰因素的影响,当样品类别数目过多时难以准确分辨等。从实际应用角度上来说,判别分析不重视反映类别的远近关系,对于多类别的相似性分布情况更是难以体现。目前针对不同生态环境下烟叶等农产品品质特性之间相似性关系的研究少有报道,该方面研究有待补充和发展。本文运用近红外光谱PPF投影技术等对不同生态环境的烟叶特性进行了分析研究,以期表明应用近红外光谱技术分析不同生态环境下烟叶等农产品品质特性的可行性,促进该技术在提升烟叶等农产品生产质量水平方面发挥更大的作用。此外,本文提出了一种相似度计算方法来表征不同生态环境下烟叶品质特性之间的相似关系,其结果可为烟叶的种植规划、质量管理以及烟叶配方等提供量化的参考数据。

1 实验部分
1.1设备与材料

 试验设备为ⅧA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12 000~4 000-1;光谱分辨率:8 cm-1;扫描次数:64次。试验样品为2010年云南、河南、福建、广东、江西等省份11个不同生态
环境地点,主要针对K326和云87系列品种,选择有代表性的农户各15个,三个部位烟叶(B2F,C3F,X2F)共495份样品为试验对象;样品的近红外光谱名称编号,样品采样地点、品种、部位等级等情况见表l。

1.2 分析方法
1.2.1 PPF投影算法

 Projection of basing on principal cponentd fishercrite“on(PPF)投影算法,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,对类内散步矩阵逆矩阵Sw-1与类问散布矩阵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、类间距离最大化,能较客观的体现类内及类间的离散性和相似性。

1.2.2 相似度计算方法
  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。图中两类的圆完全重合时Spq值为l;两类圆相切时Spq的值约为0;两圆有交叉时Spq的值在O~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5。值越大,代表它们的相似性越好。

2 结果与讨论

2.1不同部位烟叶的品质特性分析

  按不同生态环境以及上部与中部、上部与下部、中部与下部特征分类后的22类近红外光谱分别进行PPF投影分析,各类烟叶光谱样品第一维和第二维投影均值的相关结果况见图l。

  从图1(a)可以看出:上部与中部烟叶类型之间相似关系的一致性较好,其PPF第一维投影值和第二维投影值的相关系数都可达到0.91以上。从图l(b)可以看出:上部与下部烟叶之间相似关系的一致性比上部与中部有所降低,分别为0.54和0.79。从图l(c)可以看出:中部与下部烟叶之间相似关系的一致性也较上部与中部有所降低,分别为o.81和O.71。
  分析结果表明:相同生态环境下,上部与中部烟叶的品质特性差异较小,而下部与上部、下部与中部烟叶的品质特性差异都较为明显;在应用近红外光谱分析不同生态环境烟叶特性时,可使用代表性较好的上都与中部(或者单独中部)烟叶进行分析。

2.2 分析不同生态环境烟叶特性的可靠性验证
  将11类生态环境下的上部、中部、下部烟叶样品近红外光谱分别按2:1随机分成分析集和验证集。利用分析集建立投影模型之后,再选人验证集进行分析对比。不同生态环境下烟叶样品近红外光谱分析集与验证集的二维投影均值的结果情况见图2,分析集与验证集第一维投影均值的相关系数结果情况见图3。
 从图2和图3可以看出,不同生态环境的上、中、下部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且相关程度很高,其相关系数都达到0.98以七,不同生态环境下得到的烟叶品质特性之间的相似关系具有很好的一致性,表明应用近红外光谱分析不同生态的烟叶品质特性是可行的。

2.3不同生态环境烟叶品质特性之间相似关系的数值化描述
  运用相似度值计算式(1)量化描述各不同生态环境下烟叶品质特性的关系相似性,得到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生态环境间相似关系的高低:如云南省楚雄子午曙光村和云南省玉溪新平桃孔村、云南曲靖陆良小百户烟站的烟叶特性相似度较高;广东梅州蕉岭县文福镇、福建龙岩连城县的烟叶特性相似度较高,河南三门峡卢氏县与其相似度较低等。这些分析结果可为烟叶的种植规划、质量管理以及烟叶配方等提供量化的参考数据。


3 结论
  应用近红外光谱分析不同生态环境烟叶得到以下结论。
 (1)相同生态环境下,上部与中部烟叶的品质特性差异性较小,而下部与上部、下部与中部烟叶的品质特性差异都较为明显;在应用近红外光谱分析不同生态环境烟叶特性时,可使用代表性较好的上部与中部烟叶进行分析。

 (2)不同生态环境下,得到的烟叶品质特性之间的相似关系具有较好的一致性,表明应用近红外光谱分析不同生态的烟叶品质特性是町行的。支持r不同烟叶产地产出的烟叶品质差异具有某种相对稳定性的现象。
 (3)本文提出r一种相似度计算方法来表征不同生态环境下烟叶品质特性之间的相似关系,其结果可为烟叶的种植规划、质量管理以及烟叶配方等提供量化的参考数据。

 (4)本试验的样品在种类和数量上还存在一定局限性,进一步丰富样品集信息后可得出更具有实际应用价值的结果。

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