鄭松錦，張渝婕*，鐘 良，段海濤，王丹利，牛麗娜，王海濤，劉玉斌，楊 翼

1. 河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，石家莊市維明南大街1 號(hào) 050051

2. 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司，江蘇省蘇州市青花路98 號(hào)3 號(hào) 215151

含水率在煙草加工過(guò)程中是一個(gè)關(guān)鍵質(zhì)量控制參數(shù)，它直接影響加工物料的物理性能、感官質(zhì)量等［1］。目前煙草行業(yè)內(nèi)測(cè)定煙草含水率的方法主要有烘箱法［2］、卡爾費(fèi)休滴定法［3］、氣相色譜法［4］、紅外法、微波法［5］、近紅外光譜法［6］等?？栙M(fèi)休滴定法、氣相色譜法前處理時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)操作人員、儀器設(shè)備以及檢測(cè)試劑的要求也比較高，操作繁瑣，不能滿足常規(guī)使用要求［7］；紅外法與微波法易受物料的顏色、密度、溫度等影響［8］，檢測(cè)結(jié)果誤差較大。而烘箱法檢測(cè)采用的是100 ℃、2 h的檢測(cè)參數(shù)，還需冷卻至室溫［2］，檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)，不能滿足生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)反饋、即時(shí)調(diào)整的要求。

核磁共振作為一種實(shí)時(shí)、無(wú)損、無(wú)侵入的定量測(cè)量技術(shù)，能夠從微觀的角度反映農(nóng)產(chǎn)品的含水率、水分賦存狀態(tài)等指標(biāo)，在食品科學(xué)研究領(lǐng)域受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，已應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品的含水率、水分分布等的測(cè)定中［9］。目前基于低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在煙草含水率檢測(cè)方面的研究已逐漸開(kāi)展［8-12］，且建立了基于低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的含水率檢測(cè)方法，但并未對(duì)核磁共振法檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行深入考察。因此，利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)對(duì)煙草含水率的檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，旨在建立一種規(guī)范、快速、便于操作的基于低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)煙草含水率的方法，為煙草生產(chǎn)加工過(guò)程的參數(shù)設(shè)定、優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器及設(shè)備

鉆石（荷花）烤煙型烘后葉絲（河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

NMI20-040V-I 核磁共振成像分析儀［共振頻率20.73 MHz，磁體強(qiáng)度（0.52±0.05）T，線圈直徑40 mm］，聚四氟乙烯核磁管（外徑40 mm）（蘇州紐邁分析儀器股份有限公司）；Ohaus AR2140 電子天平［感量0.000 1 g，奧豪斯儀器（上海）有限公司］；KBF240 恒溫恒濕箱（德國(guó)Binder 公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

掃描次數(shù)的樣品制備：將烘后葉絲通過(guò)烘烤及加水平衡的方式制備成不同含水率梯度（0～18%）的6 個(gè)樣品，密封平衡備用。

其余的待測(cè)葉絲在GB/T 16447—2004［13］規(guī)定調(diào)節(jié)環(huán)境的恒溫恒濕箱中平衡48 h 后，裝入密封袋以備檢測(cè)。

1.2.2 試驗(yàn)方法

掃描次數(shù)的確定：低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)儀的輸出信號(hào)是數(shù)次掃描的累加結(jié)果，隨著掃描次數(shù)（NS）的增加，信噪比隨之降低，且信噪比的降低與掃描次數(shù)的平方根成正比。但重復(fù)掃描次數(shù)越多實(shí)驗(yàn)耗時(shí)越長(zhǎng)，影響檢測(cè)結(jié)果的時(shí)效性。為確定合適的掃描次數(shù)，需考察掃描次數(shù)對(duì)含水率測(cè)試結(jié)果的影響。掃描次數(shù)設(shè)置一般為2 的冪函數(shù)，選擇了2、4、8、16、32、64 次共6 組實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行比較。準(zhǔn)確稱取約7 g 的待測(cè)樣品（精確到0.000 1 g），考察不同掃描次數(shù)對(duì)6 個(gè)不同含水率梯度（0～18%）樣品的核磁檢測(cè)結(jié)果信噪比影響。每個(gè)梯度樣品檢測(cè)3 次。

樣品量的確定：考察2～13 g 葉絲樣品核磁檢測(cè)的首點(diǎn)信號(hào)值。每個(gè)取樣量平行測(cè)定2 個(gè)樣品，每個(gè)樣品測(cè)定3 次并取平均值。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立：低場(chǎng)核磁共振法是通過(guò)傅里葉公式把樣品的磁共振信號(hào)變換成波普（頻率）的一種微觀分析方法。橫向弛豫時(shí)間T2衰減曲線的首點(diǎn)信號(hào)值與樣品的總含水量成正比；T2反演譜的不同波峰代表水分的不同狀態(tài)，波峰所覆蓋范圍信號(hào)幅值代表該狀態(tài)的含水量［14］。稱取不同質(zhì)量（3、4、5、6、7、8 g）的葉絲，利用CPMG 序列測(cè)量樣品的橫向弛豫譜，提取首點(diǎn)信號(hào)值，每個(gè)樣品平行測(cè)定5 次，取平均值。用YC/T 31—1996 烘箱法［2］測(cè)定樣品的含水量，以含水量為橫坐標(biāo)，首點(diǎn)信號(hào)值為縱坐標(biāo)，繪制關(guān)系曲線或計(jì)算線性回歸方程，擬合首點(diǎn)信號(hào)值和含水量得到一條標(biāo)準(zhǔn)曲線y=ax+b。

CPMG 序列采集樣品T2信號(hào)，序列參數(shù)：SW=200 KHz，SF=20 MHz，O1=731 574.3 Hz，P1=12 ms，TD=40 004，RFD=0.025 ms，RG1=10.0 db，DRG1=3，Tw=1 000 ms，P2=23.52 us，TE=0.1 ms，NECH=2 000，PRG=3，NS=16。

FID 序列采集參數(shù)：SW=200 kHz，SF=20 MHz，O1=731 574.3 Hz，P1=12 ms，TD=1 024，RFD=0.025 ms，RG1=10.0 db，DRG1=3，Tw=1 000 ms，NS=16。

2 結(jié)果與分析

2.1 核磁管規(guī)格及裝樣高度的確定

試驗(yàn)所用NMI20-040V-I 型低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)儀加樣口直徑為40 mm，限制了核磁管的外徑大小，適用的核磁管規(guī)格主要有5、10、20、25、30、40 mm 等幾種。為了充分滿足樣品量對(duì)樣品的代表性要求，確定實(shí)驗(yàn)所用核磁管外徑為40 mm（內(nèi)徑約38 mm）。

基于對(duì)儀器磁場(chǎng)均勻性等要求，樣品的高度必須小于所設(shè)定的視野Fov（40 mm）值。為保證樣品檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，確定樣品裝樣高度為≤38 mm。

2.2 核磁序列的確定

目前利用核磁共振分析物料含水率的序列主要有兩種：FID 和CPMG。選取不同梯度含水率的葉絲為檢測(cè)樣品，考察兩種核磁序列對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，每個(gè)樣品測(cè)試5 次求其平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可以看出，在檢測(cè)范圍內(nèi)，F(xiàn)ID和CPMG兩種序列的檢測(cè)結(jié)果變異系數(shù)均小于2%，其中CPMG 序列的變異系數(shù)均小于1%，優(yōu)于FID 序列。CPMG 脈沖序列以自旋回波脈沖序列為基礎(chǔ)，在（90°）x 脈沖之后連續(xù)施加一系列等間隔偶數(shù)個(gè)（180°）y 脈沖，該序列是由Carr·Purcell·Meiboom·Gill 在Hahn 回波測(cè)量序列的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，不僅消除了磁場(chǎng)不均勻性對(duì)橫向弛豫時(shí)間T2的影響，并且可以在信號(hào)的回波峰點(diǎn)處采集到不受磁場(chǎng)均勻性影響的數(shù)據(jù)［15］，因此，確定煙草含水率核磁共振法的測(cè)試序列為CPMG 序列。

表1 兩種核磁序列的葉絲樣品測(cè)試結(jié)果均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差及變異系數(shù)Tab.1 Mean value, standard deviation and variation coefficient of test results of cut tobacco using two types of LF-NMR sequences

2.3 掃描次數(shù)的確定

掃描次數(shù)對(duì)不同含水率樣品核磁信號(hào)信噪比的影響結(jié)果見(jiàn)表2。從表2 可以看出：隨著掃描次數(shù)的增加，信噪比隨之增加；隨著物料含水率的增加，核磁信號(hào)量也會(huì)增加，信噪比也隨之增大。一般情況下，以提高信噪比為設(shè)置原則，低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)含水率時(shí)信噪比宜在80 以上，在含水率較低時(shí)易出現(xiàn)信噪比較低的情況，因此綜合考慮測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和測(cè)試時(shí)間，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的含水率范圍，確定掃描次數(shù)為16 次。

表2 掃描次數(shù)對(duì)不同含水率樣品核磁信號(hào)信噪比的影響Tab.2 Effects of scanning number on SNR of nuclear magnetic signals from tobacco samples of different moisture contents

2.4 樣品量的確定

2～13 g 取樣范圍內(nèi)樣品核磁檢測(cè)的首點(diǎn)信號(hào)值測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可以看出，隨著樣品量的增大，所測(cè)試樣品的CPMG 首點(diǎn)信號(hào)值變異系數(shù)均有所下降。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)梗絲、膨脹煙絲等具有較高的填充值，在樣品量高于8 g時(shí)不易壓到檢測(cè)高度，因此綜合考慮樣品的代表性及測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性，確定樣品量為7 g。

表3 樣品量對(duì)首點(diǎn)信號(hào)值的影響Tab.3 Effects of sample volume on the first point signal value

2.5 低場(chǎng)核磁共振法檢測(cè)煙草含水率標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

不同含水量的低場(chǎng)核磁T2衰減曲線及T2弛豫譜如圖1 所示。由圖1 可以看出，低場(chǎng)核磁共振T2衰減曲線的首點(diǎn)信號(hào)值或弛豫譜的總峰面積與樣品中氫質(zhì)子的數(shù)量成正比，用信號(hào)首點(diǎn)值或者總峰面積可以表示樣品的含水量；對(duì)標(biāo)樣的含水量和衰減曲線的首點(diǎn)信號(hào)值或橫向弛豫譜的峰面積進(jìn)行擬合，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，再通過(guò)測(cè)量待測(cè)樣品的核磁信號(hào)可以迅速計(jì)算待測(cè)煙草樣品的含水量。

圖1 低場(chǎng)核磁T2衰減曲線及T2弛豫譜Fig.1 T2 decay curves and relaxation map in low-field nuclear magnetism

利用CPMG 序列測(cè)量樣品的橫向弛豫譜，提取首點(diǎn)信號(hào)值，每個(gè)樣品平行測(cè)定5 次，以平均值計(jì)；用烘箱法測(cè)定樣品的含水量，以含水量為橫坐標(biāo)，首點(diǎn)信號(hào)值為縱坐標(biāo)，繪制關(guān)系曲線或計(jì)算線性回歸方程，擬合首點(diǎn)信號(hào)值和含水量得到一條標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖2 所示。由圖2 可以看出，樣品的含水量與首點(diǎn)信號(hào)值呈顯著的線性正相關(guān)，通過(guò)線性回歸分析，可得回歸方程為：

y=15 388x-353.61（R2=0.996）

圖2 葉絲首點(diǎn)信號(hào)值與含水量的關(guān)系Fig.2 Relationship between the first point signal value and moisture content in cut tobacco

式中：x 為被檢測(cè)樣品中含水量（g）；y 為T2弛豫譜首點(diǎn)信號(hào)值（a.u.）

2.6 低場(chǎng)核磁共振法檢測(cè)煙草含水率方法的精密度

按照上述建立的方法，選取10 個(gè)平衡后的葉絲樣品，在3 天內(nèi)以相同的測(cè)試條件進(jìn)行含水率核磁CPMG 首點(diǎn)信號(hào)值分析，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)求日內(nèi)、日間標(biāo)準(zhǔn)偏差、平均值、變異系數(shù)，結(jié)果如表4所示。由表4 可以看出，日內(nèi)精密度和日間精密度結(jié)果的變異系數(shù)均在2%以內(nèi)，說(shuō)明所建立的測(cè)試方法具有較好的精密度。

2.7 低場(chǎng)核磁共振法檢測(cè)煙草含水率方法的準(zhǔn)確性

按所建立的低場(chǎng)核磁共振法進(jìn)行15 個(gè)待測(cè)樣品的含水率檢測(cè)，每個(gè)樣品平行檢測(cè)2 次，以2 次的CPMG 首點(diǎn)信號(hào)值均值計(jì)；并與15 個(gè)樣品的烘箱法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5 可以看出，低場(chǎng)核磁共振法與烘箱法測(cè)得的結(jié)果差異均小于0.5 百分點(diǎn)，說(shuō)明所建立的低場(chǎng)核磁共振法具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2.8 低場(chǎng)核磁共振檢法與烘箱法的檢測(cè)時(shí)間對(duì)比

按所建立的低場(chǎng)核磁共振法與烘箱法對(duì)待測(cè)樣品的含水率檢測(cè)耗時(shí)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6 可以看出，低場(chǎng)核磁共振法與烘箱法在樣品稱量及數(shù)據(jù)處理方面耗時(shí)大致相同，但低場(chǎng)核磁共振法的檢測(cè)時(shí)間僅需2 min，而烘箱法烘箱需時(shí)120 min，冷卻需時(shí)30 min。

表4 精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of experimental precision

表5 低場(chǎng)核磁共振法與烘箱法測(cè)定含水率對(duì)比Tab.5 Comparison between moisture contents determined by LF-NMR method and oven method

表6 低場(chǎng)核磁共振法與烘箱法測(cè)定含水率檢測(cè)時(shí)間對(duì)比Tab.6 Comparison of test time for moisture content between LF-NMR method and oven method

3 結(jié)論

（1）建立了一種基于低場(chǎng)核磁共振技術(shù)檢測(cè)煙草含水率的檢測(cè)方法，對(duì)核磁序列、裝樣高度、樣品量、掃描次數(shù)等檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定核磁序列CPMG，裝樣高度≤38 mm，樣品量為7 g，掃描次數(shù)為16 次。

（2）利用CPMG 序列測(cè)量樣品的橫向弛豫譜，提取首點(diǎn)信號(hào)值，通過(guò)線性回歸分析，建立首點(diǎn)信號(hào)值與含水量的標(biāo)準(zhǔn)曲線（R2=0.996），曲線呈顯著線性正相關(guān)；試驗(yàn)驗(yàn)證了所建立的方法具有較好的精密度，日內(nèi)精密度和日間精密度結(jié)果的變異系數(shù)均在2%以內(nèi)。

（3）通過(guò)低場(chǎng)核磁共振法和烘箱法對(duì)15 個(gè)葉絲樣品含水率的檢測(cè)對(duì)比分析，檢測(cè)結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，但低場(chǎng)核磁共振法檢測(cè)時(shí)間（2 min）遠(yuǎn)低于烘箱法（150 min），即所建立的低場(chǎng)核磁共振法適用于煙草含水率的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)。