近紅外光譜在煙草相似性分析中的應(yīng)用

李祖紅　呂亞瓊　張秋菊　唐果　閔順耕

[摘 要] 為研究近紅外光譜分析技術(shù)在煙草質(zhì)量相似性評(píng)價(jià)中的可行性，以云南省曲靖市煙區(qū)130個(gè)煙葉樣品為研究對(duì)象，對(duì)其近紅外光譜進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)與處理后，通過(guò)Matlab分析軟件采用主成分分析法對(duì)上述煙葉樣品進(jìn)行相似性聚類分析并與煙草常規(guī)化學(xué)成分系統(tǒng)聚類分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：近紅外光譜分析法可以用于煙草質(zhì)量相似性分析，且與化學(xué)成分分析所得結(jié)果基本一致。

[關(guān)鍵詞] 近紅外光譜；煙草；主成分分析；系統(tǒng)聚類

中圖分類號(hào)：O657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2055-5200（2014）02-061-03

前 言

煙草是適應(yīng)性很強(qiáng)的特種經(jīng)濟(jì)作物，從北緯60°到南緯45°的廣闊區(qū)域內(nèi)都有煙草種植，但不同生態(tài)環(huán)境下煙草質(zhì)量也會(huì)存在差異[1]。在煙葉調(diào)配中往往由于一些原因（如自然災(zāi)害、供應(yīng)量不足等）原供應(yīng)地的煙葉無(wú)法供應(yīng)，這不僅影響卷煙的生產(chǎn)還容易造成原料的浪費(fèi)。如果能采用科學(xué)方法找到與原供應(yīng)地質(zhì)量相似的煙葉樣品就能夠保證煙葉原料的正常供應(yīng)及其質(zhì)量一致性，提高煙葉的利用率?？梢?jiàn)，煙葉質(zhì)量相似性分析對(duì)于卷煙生產(chǎn)有著十分重要的意義。同時(shí)，煙葉質(zhì)量相似性的研究對(duì)于煙葉產(chǎn)地區(qū)域規(guī)劃也有著重要參考價(jià)值，可以為煙區(qū)煙葉質(zhì)量管理、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展布局優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

根據(jù)化學(xué)成分對(duì)煙葉質(zhì)量相似性進(jìn)行劃分是通常采用方法[2-4]。然而，傳統(tǒng)化學(xué)成分分析方法較為復(fù)雜，人力物力消耗大，急需一種快速的替代方法。近紅外光譜吸收是對(duì)物質(zhì)中化學(xué)成分的客觀反映，而且近紅外光譜分析法能夠快速、無(wú)損地對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量[5-7]，十分適合應(yīng)用于煙草行業(yè)。本文采用近紅外光譜分析方法對(duì)所采集的烤煙樣品進(jìn)行煙葉質(zhì)量相似性分析，并將分析結(jié)果與化學(xué)成分聚類結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。近紅外光譜分析方法進(jìn)一步簡(jiǎn)化了劃分的步驟，不僅能為烤煙質(zhì)量相似性分析提供科學(xué)依據(jù)，相比常規(guī)化學(xué)成分分析也大大節(jié)約了相似性分析的成本。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和樣品

1.1.1 儀器和軟件 MATRIX-I傅里葉近紅外光譜儀（BRUKER，德國(guó)），帶有漫反射積分球和樣品旋轉(zhuǎn)器采樣附件。數(shù)據(jù)分析和處理分別在SPSS （v20.0， IBM SPSS STATISTICS， USA）和Matlab （v7.11， MathWorks， USA）中進(jìn)行。

1.1.2 樣品制備 實(shí)驗(yàn)用130個(gè)煙草樣品來(lái)自云南省曲靖市麒麟、沾益、馬龍、會(huì)澤、富源、羅平、宣威、師宗、陸良9個(gè)縣區(qū)，等級(jí)均為C3F。所有樣品在40℃烘箱中干燥半小時(shí)，粉碎，過(guò)60目篩。

1.2 樣品的處理、測(cè)定與光譜采集

煙草樣品裝入樣品杯，晃動(dòng)使樣品在樣品杯中較為均勻，再用壓樣器將樣品壓實(shí)，然后置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上。光譜范圍10000～4000 cm?1，分辨率8 cm?1，掃描次數(shù)為64次。在所有樣品采集過(guò)程中控制室溫上下浮動(dòng)不超過(guò)±0.5℃。并對(duì)煙草樣品測(cè)量3次取平均光譜用于分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理與建模

系統(tǒng)聚類是一種常用的聚類分析方法[8-10]。在系統(tǒng)聚類法中首先每個(gè)樣本自成一類，選擇距離最小的一對(duì)合并成新類，計(jì)算新類與其他類的距離，再將距離最小的兩類合并成一類，一直重復(fù)這個(gè)過(guò)程直到所有樣本都聚為一類為止。系統(tǒng)聚類中評(píng)價(jià)距離的方式有許多種，本實(shí)驗(yàn)中以歐式平方距離作為距離的度量標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)聚類方法選擇組間連接聚類法。

主成分分析是一種常用的特征提取和數(shù)據(jù)壓縮的方法[11-13]，它主要將高維數(shù)據(jù)投影到較低維空間，同時(shí)這些新變量能夠盡可能多地反映原料變量信息，且彼此互不相關(guān)。采用主成分的得分向量作圖可以查看不同類別樣品的分類情況，是一種簡(jiǎn)單有效的聚類方式。

2 結(jié)果和討論

2.1 常規(guī)化學(xué)成分系統(tǒng)聚類分析

我們采用系統(tǒng)聚類方法對(duì)曲靖地區(qū)9個(gè)縣（市）區(qū)煙葉樣品的四種常規(guī)化學(xué)成分：總糖、還原糖、煙堿、總氮進(jìn)行聚類分析。采用SPSS軟件對(duì)曲靖市2012年130個(gè)等級(jí)均為C3F的樣品進(jìn)行系統(tǒng)聚類，得到的聚類結(jié)果如表1和2所示。

表1 煙草樣品常規(guī)化學(xué)成分含量系統(tǒng)聚類結(jié)果

類別

（樣本數(shù)） 總糖

（%） 還原糖

（%） 總氮

（%） 煙堿

（%）

Ⅰ（80） 26.68-40.92 18.24-27.16 1.13-2.44 1.12-4.40

Ⅱ（39） 33.27-43.47 26.95-34.42 1.17-1.94 1.31-2.85

Ⅲ（11） 14.29-22.46 11.03-17.41 2.00-2.62 1.89-3.82

從表1我們可以看出第Ⅱ類樣品（30.96%）糖含量最高、煙堿和總氮含量最低；而第Ⅲ類樣品（8.46%）則正好相反，總氮和煙堿含量最高而糖含量最低；第Ⅰ類樣品（61.58%）介于Ⅱ、Ⅲ類樣品之間，糖含量和煙堿含量居中。

表2 煙草質(zhì)量相似性區(qū)域劃分

類 別 樣本數(shù) 縣（市）區(qū)、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）

Ⅰ 80 富源縣：后所、大河、營(yíng)上、富村、竹園、古敢、十八連山、老廠

會(huì)澤縣：火紅、金鐘、娜姑、馬路、田壩、迤車、紙廠

麒麟?yún)^(qū)：茨營(yíng)、三寶

羅平縣：羅雄、大水井

宣威縣：落水、龍?zhí)丁⑻忍?、雙河、阿都

沾益縣：白水、炎方、菱角

陸良縣：板橋、活水、龍海

馬龍縣：馬過(guò)河

師宗縣：丹鳳、彩云、龍慶、葵山、竹基、雄壁

Ⅱ 39 會(huì)澤縣：者海

麒麟?yún)^(qū)：寥廓

馬龍縣：舊縣、大莊、納章、王家莊、通泉、月望

沾益縣：德澤、大坡

陸良縣：紹夸

Ⅲ 11 富源縣：中安、墨紅、黃泥河

師宗縣：五龍

麒麟?yún)^(qū)：東山

從表2看出馬龍縣的樣品基本都集中在第Ⅱ類；其余各縣的樣品則主要分布于第Ⅰ中，第Ⅲ類樣品最少。

2.2 近紅外光譜分析

主成分分析前我們對(duì)光譜進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理以消除基線漂移對(duì)聚類效果的影響。采用Matlab軟件對(duì)130個(gè)煙葉樣品光譜進(jìn)行主成分分析，選取第1和第5主成分作圖，得到的聚類結(jié)果如圖1所示：

圖1 煙草樣品主成分得分圖

從圖1可以看出3類樣品除第Ⅰ、Ⅱ類有少量樣品重疊外，其余均分類清晰。近紅外光譜的分類情況與系統(tǒng)聚類結(jié)果基本一致，這在證明了系統(tǒng)聚類類結(jié)果可靠性的同時(shí)也說(shuō)明近紅外光譜用于煙草質(zhì)量相似性的可行性。

通過(guò)化學(xué)成分聚類和近紅外光譜主成分分析結(jié)果對(duì)比可知，曲靖地區(qū)大部分地區(qū)煙葉質(zhì)量是相似的。馬龍縣的煙葉樣品較為特殊，含糖量較高、煙堿含量在1.2%～2.3%之間，區(qū)別于曲靖地區(qū)其他大部地區(qū)所產(chǎn)的煙葉?；瘜W(xué)成分特征與其相似的煙葉產(chǎn)區(qū)分布在是會(huì)澤、沾益、麒麟、陸良的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。富源、師宗和麒麟部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的煙葉含糖量較低，煙堿含量也較高，這幾個(gè)縣區(qū)的煙葉質(zhì)量差異較大。

3 結(jié)論

本文首先對(duì)煙葉樣品的常規(guī)化學(xué)成分含量進(jìn)行了系統(tǒng)聚類，然后對(duì)原始近紅外光譜進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)處理，再結(jié)合主成分分析法，對(duì)曲靖9個(gè)縣區(qū)的130個(gè)煙葉樣品的質(zhì)量相似性進(jìn)行了聚類分析和結(jié)果對(duì)比。結(jié)果表明：曲靖地區(qū)個(gè)產(chǎn)煙區(qū)的煙葉按質(zhì)量相似性分類可分為3大類，其中除馬龍縣煙葉樣品質(zhì)量集中在第Ⅱ類外其他大部分縣區(qū)的煙葉質(zhì)量基本屬于第Ⅰ類；富源、麒麟、師宗的個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)的煙葉中糖含量較低屬于第Ⅲ類。此外，富源、師宗、麒麟、陸良等縣區(qū)煙葉各鄉(xiāng)鎮(zhèn)煙葉質(zhì)量差異較大。此外近紅外光譜分析法與化學(xué)成分系統(tǒng)聚類結(jié)果基本一致，說(shuō)明了近紅外光譜應(yīng)用于煙葉質(zhì)量相似性分析具有可行性，這也為煙葉質(zhì)量相似性快速判定提供了有益的參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉國(guó)順.煙草栽培學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003：17.

[2] 許淑紅，張楚夢(mèng)，朱波，等. 攀西烤煙化學(xué)成分狀況及相似性分[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，1（4）：330-332，338.

[3] 王欣，何結(jié)望，許自成，等. 西南煙區(qū)烤煙質(zhì)量狀況及與巴西烤煙質(zhì)量的相似性分[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，20（4）：747-751.

[4] 毛友安，劉巍，董道竹，等. 用高效液相色譜法和模式識(shí)別技術(shù)定量表征煙葉顏色相似性研究[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào)，2007，26（4）：468-472.

[5] 林葵，陳建紅，黃島平. 近紅外快速檢測(cè)廣西產(chǎn)大米中淀粉及直鏈淀粉成分的研究[J].大眾科技，2011，（2）：95-96.

[6] 徐宗良，夏元軍，鞏軍. 近紅外快速檢測(cè)奶粉乳清粉成分研究[J].中國(guó)乳品工業(yè)，2002，（2）：40-42.

[7] 張麗娟，吳煒，邱琳，等.近紅外光譜快速分析法在坤寶丸檢測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代儀器，2012，18（4）：76-79.

[8] 褚小立.化學(xué)計(jì)量學(xué)方法與分子光譜分析技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：97-98.

[9] 馬英麗，趙懷清，王學(xué)婭，等.不同產(chǎn)地黃芪的系統(tǒng)聚類分析[J]. 中醫(yī)藥學(xué)報(bào)：2003，31（2）：20-21.

[10] 時(shí)有明，劉剛，孫艷琳，等.FTIR光譜結(jié)合系統(tǒng)聚類分析鑒別松茸和姬松茸的研究[J].光散射學(xué)報(bào)，2010，22（2）：171-174.

[11] 王麗，何鷹，王顏萍，等.近紅外光譜技術(shù)結(jié)合主成分聚類分析判別海面溢油種類[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2004，23（2）： 58-60.

[12] 崔紅花，郭嬌，高幼衡，等.佛手和屬間藥用植物的主成分聚類分析及HPLC指紋圖譜研究[J].中草藥，2010，41（6）：978-984.

[13] 李強(qiáng)，周冀衡，解燕，等.曲靖煙區(qū)烤煙氣候適宜性綜合評(píng)價(jià)和主成分聚類分析[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）：2011，40（5）：455-460.

沾益縣：德澤、大坡

陸良縣：紹夸

Ⅲ 11 富源縣：中安、墨紅、黃泥河

師宗縣：五龍

麒麟?yún)^(qū)：東山

從表2看出馬龍縣的樣品基本都集中在第Ⅱ類；其余各縣的樣品則主要分布于第Ⅰ中，第Ⅲ類樣品最少。

2.2 近紅外光譜分析

主成分分析前我們對(duì)光譜進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理以消除基線漂移對(duì)聚類效果的影響。采用Matlab軟件對(duì)130個(gè)煙葉樣品光譜進(jìn)行主成分分析，選取第1和第5主成分作圖，得到的聚類結(jié)果如圖1所示：

圖1 煙草樣品主成分得分圖

從圖1可以看出3類樣品除第Ⅰ、Ⅱ類有少量樣品重疊外，其余均分類清晰。近紅外光譜的分類情況與系統(tǒng)聚類結(jié)果基本一致，這在證明了系統(tǒng)聚類類結(jié)果可靠性的同時(shí)也說(shuō)明近紅外光譜用于煙草質(zhì)量相似性的可行性。

通過(guò)化學(xué)成分聚類和近紅外光譜主成分分析結(jié)果對(duì)比可知，曲靖地區(qū)大部分地區(qū)煙葉質(zhì)量是相似的。馬龍縣的煙葉樣品較為特殊，含糖量較高、煙堿含量在1.2%～2.3%之間，區(qū)別于曲靖地區(qū)其他大部地區(qū)所產(chǎn)的煙葉?；瘜W(xué)成分特征與其相似的煙葉產(chǎn)區(qū)分布在是會(huì)澤、沾益、麒麟、陸良的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。富源、師宗和麒麟部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的煙葉含糖量較低，煙堿含量也較高，這幾個(gè)縣區(qū)的煙葉質(zhì)量差異較大。

3 結(jié)論

本文首先對(duì)煙葉樣品的常規(guī)化學(xué)成分含量進(jìn)行了系統(tǒng)聚類，然后對(duì)原始近紅外光譜進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)處理，再結(jié)合主成分分析法，對(duì)曲靖9個(gè)縣區(qū)的130個(gè)煙葉樣品的質(zhì)量相似性進(jìn)行了聚類分析和結(jié)果對(duì)比。結(jié)果表明：曲靖地區(qū)個(gè)產(chǎn)煙區(qū)的煙葉按質(zhì)量相似性分類可分為3大類，其中除馬龍縣煙葉樣品質(zhì)量集中在第Ⅱ類外其他大部分縣區(qū)的煙葉質(zhì)量基本屬于第Ⅰ類；富源、麒麟、師宗的個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)的煙葉中糖含量較低屬于第Ⅲ類。此外，富源、師宗、麒麟、陸良等縣區(qū)煙葉各鄉(xiāng)鎮(zhèn)煙葉質(zhì)量差異較大。此外近紅外光譜分析法與化學(xué)成分系統(tǒng)聚類結(jié)果基本一致，說(shuō)明了近紅外光譜應(yīng)用于煙葉質(zhì)量相似性分析具有可行性，這也為煙葉質(zhì)量相似性快速判定提供了有益的參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉國(guó)順.煙草栽培學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003：17.

[2] 許淑紅，張楚夢(mèng)，朱波，等. 攀西烤煙化學(xué)成分狀況及相似性分[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，1（4）：330-332，338.

[3] 王欣，何結(jié)望，許自成，等. 西南煙區(qū)烤煙質(zhì)量狀況及與巴西烤煙質(zhì)量的相似性分[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，20（4）：747-751.

[4] 毛友安，劉巍，董道竹，等. 用高效液相色譜法和模式識(shí)別技術(shù)定量表征煙葉顏色相似性研究[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào)，2007，26（4）：468-472.

[5] 林葵，陳建紅，黃島平. 近紅外快速檢測(cè)廣西產(chǎn)大米中淀粉及直鏈淀粉成分的研究[J].大眾科技，2011，（2）：95-96.

[6] 徐宗良，夏元軍，鞏軍. 近紅外快速檢測(cè)奶粉乳清粉成分研究[J].中國(guó)乳品工業(yè)，2002，（2）：40-42.

[7] 張麗娟，吳煒，邱琳，等.近紅外光譜快速分析法在坤寶丸檢測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代儀器，2012，18（4）：76-79.

[8] 褚小立.化學(xué)計(jì)量學(xué)方法與分子光譜分析技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：97-98.

[9] 馬英麗，趙懷清，王學(xué)婭，等.不同產(chǎn)地黃芪的系統(tǒng)聚類分析[J]. 中醫(yī)藥學(xué)報(bào)：2003，31（2）：20-21.

[10] 時(shí)有明，劉剛，孫艷琳，等.FTIR光譜結(jié)合系統(tǒng)聚類分析鑒別松茸和姬松茸的研究[J].光散射學(xué)報(bào)，2010，22（2）：171-174.

[11] 王麗，何鷹，王顏萍，等.近紅外光譜技術(shù)結(jié)合主成分聚類分析判別海面溢油種類[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2004，23（2）： 58-60.

[12] 崔紅花，郭嬌，高幼衡，等.佛手和屬間藥用植物的主成分聚類分析及HPLC指紋圖譜研究[J].中草藥，2010，41（6）：978-984.

[13] 李強(qiáng)，周冀衡，解燕，等.曲靖煙區(qū)烤煙氣候適宜性綜合評(píng)價(jià)和主成分聚類分析[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）：2011，40（5）：455-460.

沾益縣：德澤、大坡

陸良縣：紹夸

Ⅲ 11 富源縣：中安、墨紅、黃泥河

師宗縣：五龍

麒麟?yún)^(qū)：東山

從表2看出馬龍縣的樣品基本都集中在第Ⅱ類；其余各縣的樣品則主要分布于第Ⅰ中，第Ⅲ類樣品最少。

2.2 近紅外光譜分析

主成分分析前我們對(duì)光譜進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理以消除基線漂移對(duì)聚類效果的影響。采用Matlab軟件對(duì)130個(gè)煙葉樣品光譜進(jìn)行主成分分析，選取第1和第5主成分作圖，得到的聚類結(jié)果如圖1所示：

圖1 煙草樣品主成分得分圖

從圖1可以看出3類樣品除第Ⅰ、Ⅱ類有少量樣品重疊外，其余均分類清晰。近紅外光譜的分類情況與系統(tǒng)聚類結(jié)果基本一致，這在證明了系統(tǒng)聚類類結(jié)果可靠性的同時(shí)也說(shuō)明近紅外光譜用于煙草質(zhì)量相似性的可行性。

通過(guò)化學(xué)成分聚類和近紅外光譜主成分分析結(jié)果對(duì)比可知，曲靖地區(qū)大部分地區(qū)煙葉質(zhì)量是相似的。馬龍縣的煙葉樣品較為特殊，含糖量較高、煙堿含量在1.2%～2.3%之間，區(qū)別于曲靖地區(qū)其他大部地區(qū)所產(chǎn)的煙葉。化學(xué)成分特征與其相似的煙葉產(chǎn)區(qū)分布在是會(huì)澤、沾益、麒麟、陸良的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。富源、師宗和麒麟部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的煙葉含糖量較低，煙堿含量也較高，這幾個(gè)縣區(qū)的煙葉質(zhì)量差異較大。

3 結(jié)論

本文首先對(duì)煙葉樣品的常規(guī)化學(xué)成分含量進(jìn)行了系統(tǒng)聚類，然后對(duì)原始近紅外光譜進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)處理，再結(jié)合主成分分析法，對(duì)曲靖9個(gè)縣區(qū)的130個(gè)煙葉樣品的質(zhì)量相似性進(jìn)行了聚類分析和結(jié)果對(duì)比。結(jié)果表明：曲靖地區(qū)個(gè)產(chǎn)煙區(qū)的煙葉按質(zhì)量相似性分類可分為3大類，其中除馬龍縣煙葉樣品質(zhì)量集中在第Ⅱ類外其他大部分縣區(qū)的煙葉質(zhì)量基本屬于第Ⅰ類；富源、麒麟、師宗的個(gè)別鄉(xiāng)鎮(zhèn)的煙葉中糖含量較低屬于第Ⅲ類。此外，富源、師宗、麒麟、陸良等縣區(qū)煙葉各鄉(xiāng)鎮(zhèn)煙葉質(zhì)量差異較大。此外近紅外光譜分析法與化學(xué)成分系統(tǒng)聚類結(jié)果基本一致，說(shuō)明了近紅外光譜應(yīng)用于煙葉質(zhì)量相似性分析具有可行性，這也為煙葉質(zhì)量相似性快速判定提供了有益的參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉國(guó)順.煙草栽培學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003：17.

[2] 許淑紅，張楚夢(mèng)，朱波，等. 攀西烤煙化學(xué)成分狀況及相似性分[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，1（4）：330-332，338.

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