煙葉化學分析中近紅外光譜技術的應用探究

趙一君 吳昊 章榮燕 文斌 曹騰 李睿 郭清

摘要：本試驗采用近紅外光譜技術對采集的85包煙葉樣品，重點研究煙包表層的代表性和內包的均勻性問題。將原煙煙包中煙葉樣品均勻分成 7 層取樣，使用 Matrix-Ⅰ型近紅外光譜儀（光譜掃描范圍 4000-9000 cm-1，分辨率 8 cm-1，每個樣品掃描 60次（每次約 30s）進行掃描檢測，采用 Bruker 公司 OPUS 6.5 分析軟件計算樣品常規(guī)化學成分含量，定量分析模型為技術中心模型。[1]）分析測量每層煙葉的煙堿值。將實驗樣品分別分成四組份進行隨機組合，計算出整體煙堿均值相對偏差均值，最終對煙葉的質量水平進行評定。

關鍵詞：煙葉;化學分析;近紅外光譜技術;探究

一、近紅外光譜技術簡述

近紅外區(qū)主要劃分為近紅外短波（780～1100nm）和近紅外長波（1100～2526nm）兩個區(qū)域。近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產生的，記錄的主要是含氫基團 C-H、O-H、N-H、S-H、P-H 等振動的倍頻和合頻吸收[2]。不同基團（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團在不同化學環(huán)境中的近紅外吸收波長與強度都有明顯差別。所以近紅外光譜具有豐富的結構和組成信息，適合用于碳氫有機物質的組成性質測量。

目前，近紅外光譜技術已經成為我國的一項新型質量檢測與產地追蹤技術，與傳統(tǒng)分析技術相比，近紅外光譜技術具備容易獲得的可見區(qū)光譜信號，同時擁有紅外區(qū)豐富的分析信息量，具有檢測速度快、精準度高、不受化學污染、方便實現(xiàn)在線監(jiān)控的特點，檢測時只需要對被檢測樣品進行一次近紅外光譜技術就能同時完成多項指標的檢測，是當前檢測技術的首選[3]。

二、檢測材料與方法

煙葉是一種草本茄科植物，原產于南美洲，在世界各地都有栽培，主要為煙草工業(yè)的原料，煙葉中富含大量的 CH、 OH、 NH 和 C=O等官能團，可以使用近紅外光譜技術進行檢測。采用近紅外光譜技術對煙葉檢測可以在一定程度上減少化學分析使用的試劑對環(huán)境帶來的污染。

試驗將使用Matrix-Ⅰ型近紅外光譜儀（傅立葉變換近紅外光譜儀），采用 Bruker 公司 OPUS 6.5 分析軟件計算樣品常規(guī)化學成分含量對85組煙葉樣品進行檢測，85組樣品均分成7層取樣，以多種煙包的組合方式對每層煙葉的煙堿值進行分析。

三、實驗檢測分析方法

實驗采用近紅外光譜儀對每個檢測樣品掃描60次，每次掃描約30秒，以分析每層煙葉中的煙堿值。具體操作為將用裁紙刀收集檢測樣品，取3-5層厚度的煙葉裝入自封袋中，用粉碎機對樣品進行粉碎，采用3毫米篩網進行磨粉，將磨制好的樣品放入樣品杯中，使用傅立葉變換布魯克實驗室光譜儀檢測粉狀煙葉的近紅外光譜。

以單個原煙包為研究對象，分析原煙煙包各層煙葉煙堿檢測值與煙包整體均值的相對差異，平均偏差在10%-14%之間，偏差較為接近，差異不大，煙包表層煙葉的代表性與煙包內其他部分的煙葉相同，可以較好地代表整包煙葉的煙堿值。具體數(shù)值如表一：

以多個（16包）組合為研究對象，將85包原煙樣品中的16包進行隨機組合，選擇其中的100種組合方式，分析表明，16包原煙煙堿表層均值為4.46，整體均值為4.54，整體均值相對偏差均值為2.35%，偏差最大值為7.95%，最小偏差值為0.03%，表層均值與整體均值具有較高的相關性。

以多種組合為研究對象，將85包煙葉分為4、9、16、25包進行隨機組合，選取其中100種組合方式和100組樣品，分析表明，單包表層煙堿均值相對整體煙堿均值相對偏差均值為10.20%，4包表層與整體煙堿均值相對偏差均值為5.18%，9包表層與整體煙堿均值相對偏差均值為3.41%，16包表層云整體煙堿均值相對偏差均值為2.35%，25包表層與25包整體煙堿均值相對偏差均值為2.04%。具體數(shù)值如表二：

以原煙包不開包在線檢測方法，收集100個麻片，對不同的煙葉樣品進行光譜掃描，不開包在線檢測方法需要將煙葉麻包進行解包處理，間接采集煙葉的近紅外光譜，建立不開包模型進行檢測，最終對煙葉的質量水平進行評定。通過檢測設備輸出的譜圖進行煙葉光譜檢測分析，測量煙葉的有效光譜信息，當紅外光照射到原煙煙包的表面時，麻袋片不會對檢測結果造成影響。預測絕對偏差值在0.372-0.382之間

四、實驗結論

通過采用單個煙包、多個煙包、組合煙包和原煙包不開包在線檢測方法對煙葉中的煙堿值進行近紅外光譜技術檢測，研究對象表明，煙包內部均勻性尚可，各層代表性相差不大，表層代表性可以滿足實際使用要求，表層煙葉可以代表總體煙葉水平。

結束語：通過采用近紅外光譜技術對采集的85組煙葉樣品進行多種方式的檢測，分析得出，每層煙葉的煙堿值和相對偏差均值在10%-14%之間，偏差較小，差異不大，整體有較高的相關性，表層煙葉可以代表總體煙葉水平，可以滿足實際使用要求

參考文獻：

[1]段焰青， 陶鷹， 者為，等. 近紅外光譜分析技術在煙葉產地鑒別中的應用[J]// 中國煙草學會工業(yè)專業(yè)委員會煙草工藝學術研討會論文集. 2018：77-82.

[2]申欽鵬， 張濤， 劉春波，等. 近紅外光譜定量分析技術在煙草和煙氣化學成分分析中的研究進展[J]. 廣東農業(yè)科學， 2015， 042（004）：77-85.

[3]馬振奇， 尚嵐， 張曉鋒，等. 近紅外光譜技術結合化學計量學在煙草研究中的應用[J]. 科技經濟導刊， 2016（33）.

資金來源：中國煙草總公司貴州省公司科技項目“原煙智能化收儲與精細化投料關鍵技術研究與應用”（合同號：201929）