烟叶化学分析中近红外光谱技术的应用探究

赵一君 吴昊 章荣燕 文斌 曹腾 李睿 郭清

摘要：本试验采用近红外光谱技术对采集的85包烟叶样品，重点研究烟包表层的代表性和内包的均匀性问题。将原烟烟包中烟叶样品均匀分成 7 层取样，使用 Matrix-Ⅰ型近红外光谱仪（光谱扫描范围 4000-9000 cm-1，分辨率 8 cm-1，每个样品扫描 60次（每次约 30s）进行扫描检测，采用 Bruker 公司 OPUS 6.5 分析软件计算样品常规化学成分含量，定量分析模型为技术中心模型。[1]）分析测量每层烟叶的烟碱值。将实验样品分别分成四组份进行随机组合，计算出整体烟碱均值相对偏差均值，最终对烟叶的质量水平进行评定。

关键词：烟叶;化学分析;近红外光谱技术;探究

一、近红外光谱技术简述

近红外区主要划分为近红外短波（780～1100nm）和近红外长波（1100～2526nm）两个区域。近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团 C-H、O-H、N-H、S-H、P-H 等振动的倍频和合频吸收[2]。不同基团（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别。所以近红外光谱具有丰富的结构和组成信息，适合用于碳氢有机物质的组成性质测量。

目前，近红外光谱技术已经成为我国的一项新型质量检测与产地追踪技术，与传统分析技术相比，近红外光谱技术具备容易获得的可见区光谱信号，同时拥有红外区丰富的分析信息量，具有检测速度快、精准度高、不受化学污染、方便实现在线监控的特点，检测时只需要对被检测样品进行一次近红外光谱技术就能同时完成多项指标的检测，是当前检测技术的首选[3]。

二、检测材料与方法

烟叶是一种草本茄科植物，原产于南美洲，在世界各地都有栽培，主要为烟草工业的原料，烟叶中富含大量的 CH、 OH、 NH 和 C=O等官能团，可以使用近红外光谱技术进行检测。采用近红外光谱技术对烟叶检测可以在一定程度上减少化学分析使用的试剂对环境带来的污染。

试验将使用Matrix-Ⅰ型近红外光谱仪（傅立叶变换近红外光谱仪），采用 Bruker 公司 OPUS 6.5 分析软件计算样品常规化学成分含量对85组烟叶样品进行检测，85组样品均分成7层取样，以多种烟包的组合方式对每层烟叶的烟碱值进行分析。

三、实验检测分析方法

实验采用近红外光谱仪对每个检测样品扫描60次，每次扫描约30秒，以分析每层烟叶中的烟碱值。具体操作为将用裁纸刀收集检测样品，取3-5层厚度的烟叶装入自封袋中，用粉碎机对样品进行粉碎，采用3毫米筛网进行磨粉，将磨制好的样品放入样品杯中，使用傅立叶变换布鲁克实验室光谱仪检测粉状烟叶的近红外光谱。

以单个原烟包为研究对象，分析原烟烟包各层烟叶烟碱检测值与烟包整体均值的相对差异，平均偏差在10%-14%之间，偏差较为接近，差异不大，烟包表层烟叶的代表性与烟包内其他部分的烟叶相同，可以较好地代表整包烟叶的烟碱值。具体数值如表一：

以多个（16包）组合为研究对象，将85包原烟样品中的16包进行随机组合，选择其中的100种组合方式，分析表明，16包原烟烟碱表层均值为4.46，整体均值为4.54，整体均值相对偏差均值为2.35%，偏差最大值为7.95%，最小偏差值为0.03%，表层均值与整体均值具有较高的相关性。

以多种组合为研究对象，将85包烟叶分为4、9、16、25包进行随机组合，选取其中100种组合方式和100组样品，分析表明，单包表层烟碱均值相对整体烟碱均值相对偏差均值为10.20%，4包表层与整体烟碱均值相对偏差均值为5.18%，9包表层与整体烟碱均值相对偏差均值为3.41%，16包表层云整体烟碱均值相对偏差均值为2.35%，25包表层与25包整体烟碱均值相对偏差均值为2.04%。具体数值如表二：

以原烟包不开包在线检测方法，收集100个麻片，對不同的烟叶样品进行光谱扫描，不开包在线检测方法需要将烟叶麻包进行解包处理，间接采集烟叶的近红外光谱，建立不开包模型进行检测，最终对烟叶的质量水平进行评定。通过检测设备输出的谱图进行烟叶光谱检测分析，测量烟叶的有效光谱信息，当红外光照射到原烟烟包的表面时，麻袋片不会对检测结果造成影响。预测绝对偏差值在0.372-0.382之间

四、实验结论

通过采用单个烟包、多个烟包、组合烟包和原烟包不开包在线检测方法对烟叶中的烟碱值进行近红外光谱技术检测，研究对象表明，烟包内部均匀性尚可，各层代表性相差不大，表层代表性可以满足实际使用要求，表层烟叶可以代表总体烟叶水平。

结束语：通过采用近红外光谱技术对采集的85组烟叶样品进行多种方式的检测，分析得出，每层烟叶的烟碱值和相对偏差均值在10%-14%之间，偏差较小，差异不大，整体有较高的相关性，表层烟叶可以代表总体烟叶水平，可以满足实际使用要求

参考文献：

[1]段焰青， 陶鹰， 者为，等. 近红外光谱分析技术在烟叶产地鉴别中的应用[J]// 中国烟草学会工业专业委员会烟草工艺学术研讨会论文集. 2018：77-82.

[2]申钦鹏， 张涛， 刘春波，等. 近红外光谱定量分析技术在烟草和烟气化学成分分析中的研究进展[J]. 广东农业科学， 2015， 042（004）：77-85.

[3]马振奇， 尚岚， 张晓锋，等. 近红外光谱技术结合化学计量学在烟草研究中的应用[J]. 科技经济导刊， 2016（33）.

资金来源：中国烟草总公司贵州省公司科技项目“原烟智能化收储与精细化投料关键技术研究与应用”（合同号：201929）