近紅外光譜在煙草相似性分析中的應用

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在煙草質量相似性評價中的可行性，以云南省曲靖市煙區130個煙葉樣品為研究對象，對其近紅外光譜進行一階導數與處理后，通過Matlab分析軟件采用主成分分析法對上述煙葉樣品進行相似性聚類分析并與煙草常規化學成分系統聚類分析結果進行對比。實驗結果表明：近紅外光譜分析法可以用于煙草質量相似性分析，且與化學成分分析所得結果基本一致。

[關鍵詞] 近紅外光譜；煙草；主成分分析；系統聚類

中圖分類號：O657 文獻標識碼：A 文章編號：2055-5200（2014）02-061-03

前 言

煙草是適應性很強的特種經濟作物，從北緯60°到南緯45°的廣闊區域內都有煙草種植，但不同生態環境下煙草質量也會存在差異[1]。在煙葉調配中往往由于一些原因（如自然災害、供應量不足等）原供應地的煙葉無法供應，這不僅影響卷煙的生產還容易造成原料的浪費。如果能采用科學方法找到與原供應地質量相似的煙葉樣品就能夠保證煙葉原料的正常供應及其質量一致性，提高煙葉的利用率。可見，煙葉質量相似性分析對于卷煙生產有著十分重要的意義。同時，煙葉質量相似性的研究對于煙葉產地區域規劃也有著重要參考價值，可以為煙區煙葉質量管理、種植結構調整和發展布局優化提供科學依據和決策支持。

根據化學成分對煙葉質量相似性進行劃分是通常采用方法[2-4]。然而，傳統化學成分分析方法較為復雜，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物質中化學成分的客觀反映，而且近紅外光譜分析法能夠快速、無損地對樣品進行測量[5-7]，十分適合應用于煙草行業。本文采用近紅外光譜分析方法對所采集的烤煙樣品進行煙葉質量相似性分析，并將分析結果與化學成分聚類結果進行對比。近紅外光譜分析方法進一步簡化了劃分的步驟，不僅能為烤煙質量相似性分析提供科學依據，相比常規化學成分分析也大大節約了相似性分析的成本。

1 實驗部分

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），帶有漫反射積分球和樣品旋轉器采樣附件。數據分析和處理分別在SPSS （v20.0， IBM SPSS STATISTICS， USA）和Matlab （v7.11， MathWorks， USA）中進行。

1.1.2 樣品制備 實驗用130個煙草樣品來自云南省曲靖市麒麟、沾益、馬龍、會澤、富源、羅平、宣威、師宗、陸良9個縣區，等級均為C3F。所有樣品在40℃烘箱中干燥半小時，粉碎，過60目篩。

1.2 樣品的處理、測定與光譜采集

煙草樣品裝入樣品杯，晃動使樣品在樣品杯中較為均勻，再用壓樣器將樣品壓實，然后置于旋轉臺上。光譜范圍10000～4000 cm?1，分辨率8 cm?1，掃描次數為64次。在所有樣品采集過程中控制室溫上下浮動不超過±0.5℃。并對煙草樣品測量3次取平均光譜用于分析。

1.3 數據處理與建模

系統聚類是一種常用的聚類分析方法[8-10]。在系統聚類法中首先每個樣本自成一類，選擇距離最小的一對合并成新類，計算新類與其他類的距離，再將距離最小的兩類合并成一類，一直重復這個過程直到所有樣本都聚為一類為止。系統聚類中評價距離的方式有許多種，本實驗中以歐式平方距離作為距離的度量標準，系統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據壓縮的方法[11-13]，它主要將高維數據投影到較低維空間，同時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。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，是一種簡單有效的聚類方式。

2 結果和討論

2.1 常規化學成分系統聚類分析

我們采用系統聚類方法對曲靖地區9個縣（市）區煙葉樣品的四種常規化學成分：總糖、還原糖、煙堿、總氮進行聚類分析。采用SPSS軟件對曲靖市2012年130個等級均為C3F的樣品進行系統聚類，得到的聚類結果如表1和2所示。

表1 煙草樣品常規化學成分含量系統聚類結果

類別

（樣本數） 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 煙草質量相似性區域劃分

類 別 樣本數 縣（市）區、鄉（鎮）

Ⅰ 80 富源縣：后所、大河、營上、富村、竹園、古敢、十八連山、老廠

會澤縣：火紅、金鐘、娜姑、馬路、田壩、迤車、紙廠

麒麟區：茨營、三寶

羅平縣：羅雄、大水井

宣威縣：落水、龍潭、倘塘、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：馬過河

師宗縣：丹鳳、彩云、龍慶、葵山、竹基、雄壁

Ⅱ 39 會澤縣：者海

麒麟區：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

麒麟區：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光譜進行一階導數預處理以消除基線漂移對聚類效果的影響。采用Matlab軟件對130個煙葉樣品光譜進行主成分分析，選取第1和第5主成分作圖，得到的聚類結果如圖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聚類結果基本一致，這在證明了系統聚類類結果可靠性的同時也說明近紅外光譜用于煙草質量相似性的可行性。

通過化學成分聚類和近紅外光譜主成分分析結果對比可知，曲靖地區大部分地區煙葉質量是相似的。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，區別于曲靖地區其他大部地區所產的煙葉。化學成分特征與其相似的煙葉產區分布在是會澤、沾益、麒麟、陸良的部分鄉鎮。富源、師宗和麒麟部分鄉鎮的煙葉含糖量較低，煙堿含量也較高，這幾個縣區的煙葉質量差異較大。

3 結論

本文首先對煙葉樣品的常規化學成分含量進行了系統聚類，然后對原始近紅外光譜進行一階導數處理，再結合主成分分析法，對曲靖9個縣區的130個煙葉樣品的質量相似性進行了聚類分析和結果對比。結果表明：曲靖地區個產煙區的煙葉按質量相似性分類可分為3大類，其中除馬龍縣煙葉樣品質量集中在第Ⅱ類外其他大部分縣區的煙葉質量基本屬于第Ⅰ類；富源、麒麟、師宗的個別鄉鎮的煙葉中糖含量較低屬于第Ⅲ類。此外，富源、師宗、麒麟、陸良等縣區煙葉各鄉鎮煙葉質量差異較大。此外近紅外光譜分析法與化學成分系統聚類結果基本一致，說明了近紅外光譜應用于煙葉質量相似性分析具有可行性，這也為煙葉質量相似性快速判定提供了有益的參考。

參 考 文 獻

[1] 劉國順.煙草栽培學[M].北京：中國農業出版社，2003：17.

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

[3] 王欣，何結望，許自成，等. 西南煙區烤煙質量狀況及與巴西烤煙質量的相似性分[J].西南農業學報，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別技術定量表征煙葉顏色相似性研究[J].分析測試學報，2007，26（4）：468-472.

[5] 林葵，陳建紅，黃島平. 近紅外快速檢測廣西產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. 近紅外快速檢測奶粉乳清粉成分研究[J].中國乳品工業，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中的應用[J].現代儀器，2012，18（4）：76-79.

[8] 褚小立.化學計量學方法與分子光譜分析技術[M].北京：化學工業出版社，2011：97-98.

[9] 馬英麗，趙懷清，王學婭，等.不同產地黃芪的系統聚類分析[J]. 中醫藥學報：2003，31（2）：20-21.

[10] 時有明，劉剛，孫艷琳，等.FTIR光譜結合系統聚類分析鑒別松茸和姬松茸的研究[J].光散射學報，2010，22（2）：171-174.

[11] 王麗，何鷹，王顏萍，等.近紅外光譜技術結合主成分聚類分析判別海面溢油種類[J].海洋環境科學，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，周冀衡，解燕，等.曲靖煙區烤煙氣候適宜性綜合評價和主成分聚類分析[J].福建農林大學學報（自然科學版）：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

麒麟區：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光譜進行一階導數預處理以消除基線漂移對聚類效果的影響。采用Matlab軟件對130個煙葉樣品光譜進行主成分分析，選取第1和第5主成分作圖，得到的聚類結果如圖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聚類結果基本一致，這在證明了系統聚類類結果可靠性的同時也說明近紅外光譜用于煙草質量相似性的可行性。

通過化學成分聚類和近紅外光譜主成分分析結果對比可知，曲靖地區大部分地區煙葉質量是相似的。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，區別于曲靖地區其他大部地區所產的煙葉。化學成分特征與其相似的煙葉產區分布在是會澤、沾益、麒麟、陸良的部分鄉鎮。富源、師宗和麒麟部分鄉鎮的煙葉含糖量較低，煙堿含量也較高，這幾個縣區的煙葉質量差異較大。

3 結論

本文首先對煙葉樣品的常規化學成分含量進行了系統聚類，然后對原始近紅外光譜進行一階導數處理，再結合主成分分析法，對曲靖9個縣區的130個煙葉樣品的質量相似性進行了聚類分析和結果對比。結果表明：曲靖地區個產煙區的煙葉按質量相似性分類可分為3大類，其中除馬龍縣煙葉樣品質量集中在第Ⅱ類外其他大部分縣區的煙葉質量基本屬于第Ⅰ類；富源、麒麟、師宗的個別鄉鎮的煙葉中糖含量較低屬于第Ⅲ類。此外，富源、師宗、麒麟、陸良等縣區煙葉各鄉鎮煙葉質量差異較大。此外近紅外光譜分析法與化學成分系統聚類結果基本一致，說明了近紅外光譜應用于煙葉質量相似性分析具有可行性，這也為煙葉質量相似性快速判定提供了有益的參考。

參 考 文 獻

[1] 劉國順.煙草栽培學[M].北京：中國農業出版社，2003：17.

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

[3] 王欣，何結望，許自成，等. 西南煙區烤煙質量狀況及與巴西烤煙質量的相似性分[J].西南農業學報，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別技術定量表征煙葉顏色相似性研究[J].分析測試學報，2007，26（4）：468-472.

[5] 林葵，陳建紅，黃島平. 近紅外快速檢測廣西產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. 近紅外快速檢測奶粉乳清粉成分研究[J].中國乳品工業，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中的應用[J].現代儀器，2012，18（4）：76-79.

[8] 褚小立.化學計量學方法與分子光譜分析技術[M].北京：化學工業出版社，2011：97-98.

[9] 馬英麗，趙懷清，王學婭，等.不同產地黃芪的系統聚類分析[J]. 中醫藥學報：2003，31（2）：20-21.

[10] 時有明，劉剛，孫艷琳，等.FTIR光譜結合系統聚類分析鑒別松茸和姬松茸的研究[J].光散射學報，2010，22（2）：171-174.

[11] 王麗，何鷹，王顏萍，等.近紅外光譜技術結合主成分聚類分析判別海面溢油種類[J].海洋環境科學，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，周冀衡，解燕，等.曲靖煙區烤煙氣候適宜性綜合評價和主成分聚類分析[J].福建農林大學學報（自然科學版）：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

麒麟區：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光譜進行一階導數預處理以消除基線漂移對聚類效果的影響。采用Matlab軟件對130個煙葉樣品光譜進行主成分分析，選取第1和第5主成分作圖，得到的聚類結果如圖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聚類結果基本一致，這在證明了系統聚類類結果可靠性的同時也說明近紅外光譜用于煙草質量相似性的可行性。

通過化學成分聚類和近紅外光譜主成分分析結果對比可知，曲靖地區大部分地區煙葉質量是相似的。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，區別于曲靖地區其他大部地區所產的煙葉。化學成分特征與其相似的煙葉產區分布在是會澤、沾益、麒麟、陸良的部分鄉鎮。富源、師宗和麒麟部分鄉鎮的煙葉含糖量較低，煙堿含量也較高，這幾個縣區的煙葉質量差異較大。

3 結論

本文首先對煙葉樣品的常規化學成分含量進行了系統聚類，然后對原始近紅外光譜進行一階導數處理，再結合主成分分析法，對曲靖9個縣區的130個煙葉樣品的質量相似性進行了聚類分析和結果對比。結果表明：曲靖地區個產煙區的煙葉按質量相似性分類可分為3大類，其中除馬龍縣煙葉樣品質量集中在第Ⅱ類外其他大部分縣區的煙葉質量基本屬于第Ⅰ類；富源、麒麟、師宗的個別鄉鎮的煙葉中糖含量較低屬于第Ⅲ類。此外，富源、師宗、麒麟、陸良等縣區煙葉各鄉鎮煙葉質量差異較大。此外近紅外光譜分析法與化學成分系統聚類結果基本一致，說明了近紅外光譜應用于煙葉質量相似性分析具有可行性，這也為煙葉質量相似性快速判定提供了有益的參考。

參 考 文 獻

[1] 劉國順.煙草栽培學[M].北京：中國農業出版社，2003：17.

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

[3] 王欣，何結望，許自成，等. 西南煙區烤煙質量狀況及與巴西烤煙質量的相似性分[J].西南農業學報，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別技術定量表征煙葉顏色相似性研究[J].分析測試學報，2007，26（4）：468-472.

[5] 林葵，陳建紅，黃島平. 近紅外快速檢測廣西產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. 近紅外快速檢測奶粉乳清粉成分研究[J].中國乳品工業，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中的應用[J].現代儀器，2012，18（4）：76-79.

[8] 褚小立.化學計量學方法與分子光譜分析技術[M].北京：化學工業出版社，2011：97-98.

[9] 馬英麗，趙懷清，王學婭，等.不同產地黃芪的系統聚類分析[J]. 中醫藥學報：2003，31（2）：20-21.

[10] 時有明，劉剛，孫艷琳，等.FTIR光譜結合系統聚類分析鑒別松茸和姬松茸的研究[J].光散射學報，2010，22（2）：171-174.

[11] 王麗，何鷹，王顏萍，等.近紅外光譜技術結合主成分聚類分析判別海面溢油種類[J].海洋環境科學，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，周冀衡，解燕，等.曲靖煙區烤煙氣候適宜性綜合評價和主成分聚類分析[J].福建農林大學學報（自然科學版）：2011，40（5）：455-460.