贵州不同地区烟叶红外特征光谱研究

冉 霞，牟 兰

(1.贵阳医学院化学教研室，贵州 贵阳 550025;2.贵州省烟草品质研究重点实验室，贵州 贵阳 550025)

红外光谱技术是一种定性定量的分析测试技术，因其分析简便、快速、低成本、无污染、不需非破坏样品且可多组分同时测定等优点，成为近年来发展迅速的一种绿色分析技术。该技术在种草药成分检测与质量控制方面已相对比较成熟。红外光谱在中药材及其制剂的定性、定量及分类鉴定方面的研究很多［1-3］。将药材视为混合物，所含各种化学成分只要在质和量方面相对稳定，统一样品处理，则所得红外光谱相对稳定，得到混合物的红外光谱具有一定的客观性和可重复性［4］。近年来近红外分析技术在烟草化成分分析、烟气分析、烟叶类型与产地判别及物理指标测定、在线检测等方面得到广泛应用［5，6］。McClure［7］等对产自 16 个国家的1600多个样品进行了基于近红外光谱的分类研究，经数学方法建模后，对烟叶品种或产地均得到了很好判别。宋怡等［8］应用傅立叶变换近红外光谱，测定了烟草样品的光谱数据，建立了快速分析并预测烟草中植物色素数学模型。而利用中红外光谱技术对烟叶研究鲜为报道。

贵州是烟草种植大省，独特的生态环境造就了烟叶与众不同的质量和风格特色。贵州烟叶的风格界定一直沿用传统的介于“浓香”与“清香”之间的“中间香”型，其山地烟叶的特征彰显不够明确。近年来，有专家提出了贵州烟叶的香型风格可细化分为两类［9-11］，其中分布于黔中、黔南、黔北、黔东植区烟叶划为山地“醇甜香”型，而西部地区的黔西南、黔西北区域划分为山地“清甜香”香型。本文以贵州典型植烟地区特色优质烟叶为研究对象，利用红外光谱技术，研究了烟叶的红外特征光谱及贵州不同地区烟叶的红外光谱的差异，并结合统计分析软件进行聚类分析，建立鉴别贵州“清甜香”型和“醇甜香”型两类不同香型风格烤烟的快速检测方法，为快速判断烟草风格品质提供参考。

1 材料及方法

1.1 材料

贵州典型植烟区代表性的C3F烟叶各2 kg，由贵州省烟草品质研究重点实验室提供，共125个。其中黔西北植烟区的威宁县、黔西县、毕节市、大方县、金沙县、赫章县6个采样点共47个样，黔西植烟区的盘县、水城2个采样点共14个样，黔西南植烟区的兴义县、普安县2个采样点共17个样，黔东南植烟区的镇远县、天柱县2个采样点共17个样，黔北植烟区有绥阳县、道真县、湄潭县3个采样点共13个样，黔东北植烟区有德江县、石阡县、印江县三个采样点共8个样，黔南植烟区的瓮安县、贵定县2个采样点共7个样。样品于40℃烘箱干燥6h，粉碎，过40目筛，放入冰箱备用。

1.2 仪器药品

IR Affinity-1红外光谱仪(SHIMADZU)，粉碎机，200目筛，天平，保干器，压片机，玛瑙研钵，KBr(光谱纯)。

1.3 实验方法

一维红外光谱:各烟叶样品粉碎过200目筛后，准确称取KBr和样品按100∶1的比例充分混合研磨均匀，定量取混合均匀的样片压片，尽量保证每一片的厚度均匀，于IR Affinity-1红外光谱仪测定其后外吸收，获得一维红外光谱。

二阶导数谱:采用SHIMADZU公司的IR Affinity-1软件中的求导功能，选择3点基线校正，13平滑因子平滑，获得各样品的红外二阶导数谱图。

测试条件:扫描范围:400～5 000 cm-1，扫描次数:20次，分辨率:1.0 cm-1。

数据处理:采用SHIMADZU公司的IR Affinity-1软件及其求导功能分别对不同地区烟叶样品一维红外光谱及二阶导数谱的光谱特征进行分析，同时利用PSS 17.0统计分析软件，利用组间联接的聚类方法中的“平方欧式距离”度量标准对不同地区烟叶样品的平均透光率进行系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 稳定性和重现性考察

取同一样品供试片连续测定3次，测量结果如图1所示。重复测定3次所得到的红外谱图非常相似，从其重叠谱图可知，3次测定谱图基本一致，谱图间相关系数分别为1.000 0、1.000 0、0.999 9。

图1 红外光谱精密度(左:展开图;右:重叠图)Fig.1 Precision of IR(Left:expanded;right:overlays)

同一份样品，分别取样3次进行压片测量，所得红外光谱图比较一致，如图2所示，谱图间相关系数分别为 1.000 0、0.998 5、0.998 9。

图2 红外光谱重现性(左:展开图;右:重叠图)Fig.2 Reproducibility of IR(Left:expanded;right:overlays)

2.2 烟草红外光谱特征

烟草样品红外光谱特征如图3所示，主要在1 053、1 630、2 952、3 400 cm-1附有较强的吸收。在3 700-3 000 cm-1波数之间的3 400 cm-1主要归属为υ-OH吸收，2 952 cm-1附近的吸收峰主要归属为亚甲基的对称伸缩振动和反对称伸缩振动，1 630 cm-1附近的吸收峰主要是υC=O归属吸收峰，在500-800 cm-1(指纹区)和1 250-1 400 cm-1两个区域有较为复杂的吸收峰。

图3 烟草样品红外光谱特征Fig.3 Characteristics of tobacco samples by IR

2.3 不同地区烟叶红外光谱特征

由图4可知，不同地区烟叶样品的红外谱图相似，说明各样品的成分大致相同。即便如此，各地区样品的红外光谱仍有一定的差异，如黔东南、铜仁两地在780、1 317 cm-1两处吸收峰较为明显，而其他地区相对较弱。说明各地区烟叶所含的某些化合物存在差异。

图4 不同地区烟叶红外吸收光谱Fig.4 Infrared absorption spectrum of tobacco from different regions

二阶导数谱可以在一定程度上剥离谱图的重叠峰，减少谱图的叠加，提高谱图分辨率。为了进一步验证不同地区烟叶红外光谱的差异，对不同地区烟草样品的红外光谱求导(图5)。各地区烟草的二阶导数谱在500～1 000 cm-1和1 500～2 000 cm-1两个吸收带存在差异，尤其是在1 500～2 000 cm-1特征性较明显，其中六盘水、铜仁、遵义三个地区的二阶导数谱在1 500～2 000 cm-1吸收峰较多，大致是因为不同地区烟叶所含碳氧双键基团类化合物差异所致。

红外光谱吸收峰的差异主要表征各烟叶样品组成成分之间的差异，而吸收峰的强度大小则说明样品的成分含量间的特征。 表1列出了部分样品605、1 053、1 436、1 630、2 952 cm-1附近五个特征峰的透光率，从中可见同一地区各样品特征之间峰透光率差异不大，相对偏差RSD≤3.42%;不同地区样品特征峰的透光率存在较大的差异，相对偏差RSD≥8.53%。表2列出了不同地区各烟叶样品红外特征峰的平均透光率。

图5 不同地区烟叶的红外二阶导数谱Fig.5 Second derivative spectra of tobacco from different regions

2.4 不同地区烟叶红外光谱透光率特征

2.4.1 不同地区烟叶红外特征峰透光率特征

表1 不同样品红外特征峰的透光率Tab.1 Transmittance of IR characteristic peaks in different samples

表2 不同地区烟叶样品红外特征峰的透光率Tab.2 Transmittance of IR characteristic peaks in tobacco samples from different regions

2.4.2 不同地区烟叶红外光谱透光率聚类分析用SPSS17.0统计分析软件的组间联接聚类方法中“平方欧式距离”度量标准进行系统聚类分析，得到不同地区烟叶红外特征吸收峰透光率的树状聚类图(图6)。在距离系数为3.5时，黔西南、黔西北地区的毕节、六盘水、黔西南所属“清甜香”型烟区域样品能很好的聚为一类，说明“清甜香”型风格的烟叶红外特征性非常明显。距离系数为8时，能将特征吸光度按地区聚为三类(第一类:毕节、六盘水、黔西南、铜仁;第二类:黔东南、遵义;第三类:黔南)。

图6 不同地区烟叶红外特征峰透光率树状聚类图Fig.6 Cluster dendrogram of characteristic peaks’transmittance of tobacco from different regions

3 结论

红外特征光谱表明，在400～3 000 cm-1波数范围内具有605、1 053、1 436、1 616、2 952 cm-1五个明显的特征峰。各地区烟草的二阶导数谱在500～1 000 cm-1和1 500～2 000 cm-1两个吸收带存在差异。其中六盘水、铜仁、遵义三个地区的二阶导数谱在1 500～2 000 cm-1吸收峰较多，大致是因为不同地区烟叶所含碳氧双键类化合物差异所致。

红外光谱透光率特征表明:同一地区各样品特征之间峰透光率差异不大，而不同地区样品特征峰的透光率存在较大的差异。利用红外特征峰透光率聚类，能很好的将所属“清甜香”型烟区域样聚为一类，说明“清甜香”型风格的烟叶红外特征性非常明显。

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