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应用近红外光谱分析云南主要烟叶生产基地之间的烟叶特性

发表时间:2016-06-13 14:10作者:王毅,马翔来源: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,使得这些产区的烟叶原料品质具有某种相对固定的倾向性特征;另一方面,受到不同烟叶产区特有生态条件的影响,不同产区间的烟叶品质特性差异明显。根据烟叶的风格质量特征,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、栽培技术等具有重要的作用。近红外光谱主要是对含氢基团X—H(X=C,N,O)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和分子结构信息,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,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,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。本文运用近红外光谱PPF投影技术等对红塔集团在云南4个烟叶生产基地的烟叶近红外光谱进行了分析研究,并应用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问的相似关系,其结果可为烟叶的种植规划、质量管理以及烟草工业企业的原料收购和烟叶配方等提供参考。


1 实验部分

1.1材料

  试验样品为2010年红塔集团在云南4个烟叶生产基地收集的中部上等烟叶,共计1 276份烟叶样品。其中,大理中部上等烟叶光谱用DHCO代码表示,玉溪烟叶光谱用YKCO代码表示,楚雄烟叶光谱用CKCO代码表示,昭通烟叶光谱用ZKCO代码表示。各基地的样品数量情况见表1。


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,对类内散步矩阵sW-1逆矩阵与类间散布矩阵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,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,本文中取4个主成分。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投影值相对应,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

  将1 276份中部上等烟叶样品随机按2:1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。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见图1,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2,分析集与验证集第二维投影均值的相关系数结果情况见图3。

 由图1一图3可以看出,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十分接近,其相关系数均达0.99以上,具有较好的一致性,表明应用近红外光谱得到的不同生产基地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草工业企业的原料收购和烟叶配方等提供参考。

2.2 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生产基地烟叶样品特性的相似性关系,得到的4个生产基地烟叶样品光谱之间的相似度数值结果情况见表2。

 表2可以反映不同生产基地烟叶样品之间相似关系的高低:如大理和玉溪之间相似度较高;大理和昭通之间相似度较低等;这些分析结果可为烟叶的种植规划、质量管理以及烟草工业企业的原料收购和烟叶配方等提供参考。

3 结论
  得到的红塔集团在云南4个烟叶生产基地烟叶样品近红外光谱的分析集与验证集投影均值的相关系数达0.99以上,表明应用近红外光谱得到的不同生产基地烟叶样品之间的特性关系是可靠的,其相互之间的相似度值可为烟草工业企业的原料收购和烟叶配方等提供参考。本工作仅采用中部上等烟叶进行了分析,所得到的分析结果还不具有普适性,进一步丰富完善样品种类,从不同角度进行细化分析,是后续研究的重点内容。

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