段 昊 嚴(yán)新龍 李新生

(上海煙草集團(tuán)太倉(cāng)海煙煙草薄片有限公司 技術(shù)中心,江蘇 太倉(cāng)215400)

造紙法再造煙葉的厚度大約為0.1 -0.5 mm，水分10%-20%，是可用于卷煙生產(chǎn)的人工均質(zhì)化煙葉[1]。添加造紙法再造煙葉是卷煙降焦減害的有效時(shí)段之一[2-3]。其感官評(píng)吸質(zhì)量主要與其關(guān)鍵化學(xué)指標(biāo)(總煙堿、總糖等)相關(guān)。目前，采用的流動(dòng)分析方法存在樣品前處理復(fù)雜，耗時(shí)，無法快速反饋生產(chǎn)等缺點(diǎn)。因此，開發(fā)一種能夠在線使用的分析方法是目前亟待解決的問題。

近紅外技術(shù)近年較為成熟的應(yīng)用于煙草行業(yè)，對(duì)煙葉和卷煙產(chǎn)品以及煙氣的水分、煙堿等化學(xué)組分進(jìn)行在線檢測(cè)[6]并用于質(zhì)量控制[8]，但應(yīng)用于煙草薄片的生產(chǎn)中尚不多見。袁而文等[9]研究了再造煙葉原料常規(guī)化學(xué)組分的近紅外定量分析，煙堿、總糖、還原糖及氯模型的校正均方差與預(yù)測(cè)均方差接近且均較小。王維妙等[10]用近紅外透射法測(cè)定薄片中的5種化學(xué)組分，但是其精度略低于漫反射方法。可見，近紅外光譜技術(shù)在一定條件下能夠快速且較準(zhǔn)確的測(cè)定再造煙葉中的關(guān)鍵化學(xué)指標(biāo)。

本課題以總糖為目標(biāo)，使用在線近紅外技術(shù)，檢測(cè)再造煙葉的組分含量，建立了基于在線近紅外光譜分析技術(shù)的再造煙葉成品中總糖的快速測(cè)定方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與實(shí)驗(yàn)。在線近紅外光譜檢測(cè)儀（光譜儀產(chǎn)自卡爾蔡司）。儀器光譜掃面范圍4000-10000cm-1，分辨率9cm-1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法。

1.2.1 樣品的收集及處理。光源和探頭與現(xiàn)場(chǎng)物料之間保持垂直，距離適中。在近紅外檢測(cè)儀的照射光斑附近取樣，取樣時(shí)間為100s。

1.2.2 樣品的預(yù)處理和組分測(cè)定。取樣后樣品密封保存，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 159-2002《煙草及煙草制品水溶性糖的測(cè)定連續(xù)流動(dòng)法》測(cè)定總糖含量。

1.2.3 建模及預(yù)測(cè)。樣品隨機(jī)分為校正集和驗(yàn)證集，建模方法采用偏最小二乘回歸法（PLS）。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣本集總體情況。樣品集共取得樣品501個(gè)，包含兩個(gè)牌號(hào)的再造煙葉，時(shí)間跨度4個(gè)月，18個(gè)原料批次。樣本集的光譜圖見圖1，并列出樣本集的化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)（表1）。

圖1 501個(gè)薄片樣本在線近紅外光譜

表1 指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)于工程檢測(cè)而言，檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)越少越好，檢測(cè)精度應(yīng)當(dāng)越高越好，以上三種物質(zhì)中，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判斷，總糖含量的多少對(duì)評(píng)吸結(jié)果具有較大影響，因此選出絕對(duì)值最大的總糖作為主要的目標(biāo)檢測(cè)物。

2.2 模型的建立和評(píng)價(jià)。樣本集的總糖含量的分布情況如圖2所示，總糖含量大體上服從服從正態(tài)分布，在7.63 %-10.43 %之間均有足夠的樣本量，該范圍覆蓋成品質(zhì)量所要求的的總糖含量。

圖2 樣本集的總糖含量分布

2.3 模型的建立和預(yù)測(cè)效果。全部樣本分為樣本集和驗(yàn)證集，除去剔除的光譜離群樣本之外，樣本份分布見表2。

表2 樣本集劃分情況及化學(xué)值統(tǒng)計(jì)(總糖)

模型使用二階導(dǎo)數(shù)處理光譜信息，并使用片最小二乘法（PLS）建立近紅外光譜的預(yù)測(cè)模型，模型的建立結(jié)果見表3、圖3。驗(yàn)證集均方根殘差為0.37 %，相比較于實(shí)際生產(chǎn)控制過程中總糖的允差為±2.00 %，課題組認(rèn)為其檢測(cè)結(jié)果能夠滿足在生產(chǎn)過程中線檢測(cè)預(yù)警的需求。

圖3 真實(shí)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比圖

表3 模型結(jié)果統(tǒng)計(jì)(總糖)

2.4 檢測(cè)模型在生產(chǎn)線上的驗(yàn)證。實(shí)際使用中，通過檢測(cè)時(shí)前后多個(gè)點(diǎn)去平均值，可以有效降低檢測(cè)誤差。一般情況下，取前后10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)平均處理，則實(shí)際反應(yīng)時(shí)間減低到原先的1/10，但是檢測(cè)誤差可以降低到原先的1/3，大大提高模型可用性。

使用10點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)平均的方法用于生產(chǎn)線實(shí)際檢測(cè)，并隨機(jī)抽取現(xiàn)場(chǎng)樣品，結(jié)果與取樣時(shí)的及其檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。共進(jìn)行31次數(shù)據(jù)對(duì)比，按取樣時(shí)間形成圖4。

圖4 總糖含量的對(duì)標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖中可以看出近紅外在線檢測(cè)結(jié)果可以很好的用于在線檢測(cè)再造煙葉中的總糖含量，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與流動(dòng)分析結(jié)果走勢(shì)幾乎相同。引入余弦相似度和兩個(gè)向量長(zhǎng)度的比值來衡量?jī)山M值是否存在系統(tǒng)性誤差：

以上兩個(gè)數(shù)據(jù)均越接近于1越好。結(jié)果見下表：

表4 三中化學(xué)組分預(yù)測(cè)結(jié)果與世界檢測(cè)結(jié)果的一致性

以上結(jié)果得出，該模型檢測(cè)總糖含量的結(jié)果與實(shí)際值之間相似度接近于為0.83 ，符合一個(gè)較好的在線檢測(cè)模型的標(biāo)準(zhǔn)?？傮w向量長(zhǎng)度比值為0.95 ，可以認(rèn)為兩種方法之間幾乎不存在系統(tǒng)誤差。

2.5 生產(chǎn)線上時(shí)間靈敏度驗(yàn)證。課題組還在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模型靈敏度實(shí)驗(yàn)。在生產(chǎn)過程中，通過涂布率的突變?cè)斐稍僭鞜熑~成品中總糖含量的突變，記錄該過程前后近紅外檢測(cè)裝置的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果。改變前后的總糖含量的流動(dòng)檢測(cè)結(jié)果和模型預(yù)測(cè)結(jié)果見表5：

表5 總糖含量突變前后結(jié)果

機(jī)器結(jié)果使用不同數(shù)量的點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)平均，其實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果圖見圖5。

圖5 糖含量突變前后模型檢測(cè)結(jié)果,m移動(dòng)平均時(shí)采用不同點(diǎn)個(gè)數(shù)的結(jié)果

圖5中每?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間時(shí)間間隔為10s，在第590個(gè)點(diǎn)附近，總糖含量產(chǎn)生一個(gè)突變，由8.88 %下降為8.38 %。機(jī)器的檢測(cè)結(jié)果可以看出不同平均方法均出現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果下降的趨勢(shì)，由9.36 %下降至8.62 %。不進(jìn)行移動(dòng)平均時(shí)，總糖有一個(gè)斷崖式下跌，但由于噪聲大，導(dǎo)致規(guī)律難以發(fā)現(xiàn)。使用10點(diǎn)和30點(diǎn)進(jìn)行滑動(dòng)平均時(shí)，下降更平緩，10點(diǎn)滑動(dòng)平均也保留了更多曲線，可以較明顯看出總糖含量的突變，因此現(xiàn)實(shí)中也是一個(gè)兼顧準(zhǔn)確性和靈敏度的方法。

3 結(jié)論與展望

本課題研究了在線近紅外檢測(cè)在造紙法煙草薄片中檢測(cè)成品小片的總糖含量，結(jié)果表明：

3.1 在線近紅外技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)線上再造煙葉產(chǎn)品種的總糖含量。

3.2 由于再造煙葉中總糖含量的絕對(duì)值和價(jià)差均較低，從而使近紅外預(yù)測(cè)模型的相關(guān)系數(shù)降低，但是均方根殘差低于6%，說明其仍然具有一定的準(zhǔn)確度，檢測(cè)結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有很高的參考價(jià)值，有望用于在線生產(chǎn)，參與控制產(chǎn)品中化學(xué)組分的穩(wěn)定。

3.3 在線的實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證表明，近紅外光譜檢測(cè)結(jié)果與流動(dòng)檢測(cè)結(jié)果具有一定的一致性，能較好地反應(yīng)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品中組分的含量變化，具有用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)并用于在線控制的潛力。