羅 瓊，李 青，于小紅，趙 明 (江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司淮陰卷煙廠，江蘇淮安 223002)

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近紅外光譜法快速測(cè)定煙草中淀粉含量

羅 瓊，李 青，于小紅，趙 明 (江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司淮陰卷煙廠，江蘇淮安 223002)

[目的]快速測(cè)定煙草中淀粉的含量。[方法]采用近紅外(NIR)漫反射光譜儀掃描140個(gè)烤煙煙葉樣品，連續(xù)流動(dòng)法測(cè)定其淀粉的含量，多種參數(shù)方法對(duì)譜圖進(jìn)行處理，最后選擇消除常數(shù)法對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理和偏最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立了烤煙中淀粉的NIR預(yù)測(cè)模型，并對(duì)這些模型進(jìn)行了外部驗(yàn)證。[結(jié)果]淀粉的預(yù)測(cè)值與連續(xù)流動(dòng)法測(cè)定值的平均相對(duì)偏差均在5%以內(nèi)，精密度RSD均小于5%。[結(jié)論]該模型可快速測(cè)定煙葉中淀粉的含量，對(duì)控制煙草調(diào)制過(guò)程中淀粉的轉(zhuǎn)化和煙草制品中的淀粉含量具有重要意義。

煙草；淀粉；近紅外光譜法

煙草中的淀粉含量是衡量煙葉成熟度和烘烤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，是煙草中的重要成分，對(duì)煙葉內(nèi)在和外觀品質(zhì)起著重要作用。Weeks W W 等[1]研究表明,烤后煙葉殘留的淀粉是對(duì)煙葉色、香、味不利的化合物,主要因?yàn)榈矸蹠?huì)影響燃燒速度和燃燒的完全性,其次淀粉在燃吸時(shí)會(huì)產(chǎn)生糊焦氣味,對(duì)煙氣產(chǎn)生不良影響[2-3]。因此，準(zhǔn)確測(cè)定煙草中的淀粉含量，對(duì)控制煙草調(diào)制過(guò)程中淀粉的轉(zhuǎn)化和煙草制品中的淀粉含量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，煙草中淀粉含量的測(cè)定通常采用連續(xù)流動(dòng)法[4]、費(fèi)林試劑直接滴定法[5]、碘顯色法[6]、液相色譜法[7]、酶消解法[8-9]等，這些方法都存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、步驟繁瑣等特點(diǎn)。近年來(lái)，近紅外(NIR)光譜法已被廣泛應(yīng)用于煙草行業(yè)[10-12]，但采用近紅外法測(cè)定煙草中淀粉含量的研究較少，筆者采用近紅外漫反射光譜法測(cè)定了烤煙中的淀粉含量，旨在為煙葉原料中淀粉的快速測(cè)定提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料2013—2015年云南、河南、吉林、福建和貴州等10個(gè)產(chǎn)地的烤煙樣品160個(gè)，其中140個(gè)作為建模樣品，20個(gè)作為驗(yàn)證樣品。MPA型傅立葉近紅外光譜儀(內(nèi)置鍍金漫反射積分球，窗口2 cm，旋轉(zhuǎn)石英樣品杯，PbS檢測(cè)器，OPUS定量分析軟件包)，德國(guó)Bruker公司；AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀，BranLuebbe公司；AE200S型電子天平(感量0.000 1 g)，瑞士梅特勒公司。

1.2 方法按YC/T31—1996《煙草及煙制品 試樣的制備和水分測(cè)定 烘箱法》對(duì)煙葉樣品進(jìn)行處理及水分測(cè)定，粉碎，粒度60～80目。取約40 g煙葉粉末，置于石英測(cè)量杯中，并放入600 g壓樣器，壓約30 s，用鍍金漫反射體做背景，放入旋轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)，在室溫條件下，按下列參數(shù)條件進(jìn)行掃描：分辨率8 cm-1，掃描次數(shù)64次，掃描范圍4 000～12 000 cm-1。

采用連續(xù)流動(dòng)法[4]測(cè)定煙葉粉末樣品中的淀粉含量。采用OPUS/QUANT2分析軟件包中自帶的消除常數(shù)法、減去一條直線法、最大最小歸一化法和一階導(dǎo)數(shù)+多元散射校正(MSC)法軟件對(duì)樣品的近紅外譜圖進(jìn)行預(yù)處理，而后采用偏最小二乘法將處理好的近紅外譜圖和連續(xù)流動(dòng)法測(cè)定的淀粉數(shù)據(jù)擬合，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并使用交叉驗(yàn)證方法對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證[即每次交叉剔除1個(gè)或多個(gè)樣品，用其他樣品建模來(lái)預(yù)測(cè)被剔除樣品，依次進(jìn)行，直至樣品NIR光譜法預(yù)測(cè)值與化學(xué)測(cè)定值的決定系數(shù)(R2)和交互驗(yàn)證均方根誤差(RMSECV)分別達(dá)到最大和最小]，再用另外20個(gè)烤煙樣品的近紅外譜圖進(jìn)行外部驗(yàn)證，即將這些樣品的近紅外譜圖代入模型，預(yù)測(cè)其淀粉的含量，并與其連續(xù)流動(dòng)法的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙草粉末的近紅外漫反射光譜圖由圖1可見，在4 000～12 000 cm-1譜區(qū)內(nèi)，煙草的近紅外漫反射光譜有獨(dú)特的吸收特征，煙草中含有大量的組成淀粉類物質(zhì)的C-H、N-H、O-H、C-O、C-C、C-O基團(tuán)，在4 000～5 300 cm-1的合頻區(qū)形成強(qiáng)烈的吸收；在5 300～7 500 cm-1的倍頻區(qū)也有較為強(qiáng)烈的吸收，其明顯的煙草近紅外漫反射光譜吸收特征為煙草中淀粉的定量分析提供了豐富的信息基礎(chǔ)。

圖1 煙草粉末的近紅外漫反射光譜

2.2 光譜預(yù)處理方法對(duì)定量分析的影響為探尋適宜的光譜預(yù)處理方法，選擇7 500～4 200 cm-1范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)，采用6種方法對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)140個(gè)煙草樣品建立校正模型。結(jié)果(表1)顯示，消除常數(shù)法模型的R2和RMSECV分別達(dá)到最大和最小。因此，選用消除常數(shù)法進(jìn)行NIR譜圖的預(yù)處理，所建立模型的交互驗(yàn)證NIR預(yù)測(cè)值與化學(xué)測(cè)定值的相關(guān)曲線(圖2)良好，說(shuō)明該模型對(duì)于烤煙樣品中淀粉指標(biāo)近紅外定量模型的預(yù)測(cè)值均能很好地逼近其化學(xué)值。

表1 不同光譜預(yù)處理方法模型的R2和RMSECV

Table 1R2andRMSECVof models by different spectral pretreatment methods

預(yù)處理方法Pretreatmentmethod決定系數(shù)Coefficientofdetermination(R2)交互驗(yàn)證均方根誤差I(lǐng)nteractiveverifjicationonroot-mean-squareerror(RMSECV)無(wú)預(yù)處理Nopretreatment85．606．21消除常數(shù)法Constanteliminationmethod94．303．65最大最小歸一化法Maximumandminimumnormalizationmethod93．104．02矢量歸一法Vectornormalizationmethod90．705．37一階導(dǎo)數(shù)Firstderivative91．204．85減去一條直線法Minusastraightline92．803．89

圖2 淀粉預(yù)測(cè)模型交互驗(yàn)證預(yù)測(cè)值與化學(xué)測(cè)定值的相關(guān)曲線

2.3 模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性為檢驗(yàn)所建近紅外模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，采用外部驗(yàn)證法進(jìn)行，即將另外 20個(gè)烤煙樣品的近紅外光譜數(shù)據(jù)代入模型，預(yù)測(cè)其淀粉的含量，并與其連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定值對(duì)比。結(jié)果(表2)顯示，模型預(yù)測(cè)值與其連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定值的相對(duì)偏差都在5%以內(nèi)，說(shuō)明所建模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較高，適合淀粉含量的預(yù)測(cè)。

表2 20個(gè)樣品近紅外預(yù)測(cè)值與化學(xué)測(cè)定值的比較

2.4 精密度任取同一烤煙樣品6份，各掃描1次，將所得近紅外光譜代入建立的校正模型，計(jì)算其淀粉的含量。結(jié)果得出淀粉的RSD值為3.76%，表明該方法具有良好的重復(fù)性。

3 結(jié)論

該試驗(yàn)選擇7 500～4 200 cm-1范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)，采用消除常數(shù)法建立的煙葉中淀粉含量的近紅外預(yù)測(cè)模型可以快速測(cè)定煙葉中的淀粉含量。該方法具有簡(jiǎn)便、快速、低成本、不破壞煙葉樣品等優(yōu)點(diǎn)，且其測(cè)定結(jié)果與煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法較為接近，準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好，適用于批量快速測(cè)定煙葉中淀粉含量，可為煙葉的調(diào)制提供參考依據(jù)。

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Rapid Determination of Starch content in Tobacco by Near Infrared Spectroscopy

LUO Qiong,LI Qing ,YU Xiao-hong et al (Huaiyin Cigarette Factory,Jiangsu Branch of China Tobacco Industry Corporation ,Huaian,Jiangsu 223002)

[Objective] To rapidly detect the starch content in tobacco.[Method] Near infrared (NIR) diffuse reflectance spectrometer was used to scan 140 samples of flue-cured tobacco leaves.Starch content was detected by continuous flow method.Spectrogram was processed by various parameters method.Finally,constant elimination method was used for pretreatment of spectrum,and partial least squares method was used to fit the data.The NIR prediction model of starch in flue-cured tobacco was established.And external validation was carried out for these models.[Result] The average relative deviations between the prediction value of starch and the detection value by continuous flow method were less than 5% withRSDsmaller than 5%.[Conclusion] The model is applicable to rapid detect the starch in tobacco samples,which is of important practical significance to control the starch transformation in tobacco curing process and the starch content in tobacco products.

Tobacco; Starch;NIR spectroscopy

羅瓊(1975- )，女，江蘇淮安人，工程師，碩士，從事煙用材料及煙草化學(xué)成分分析研究。

2016-08-29

S 572

A

0517-6611(2016)30-0072-02