近紅外光譜法快速測定煙草中淀粉含量

羅 瓊，李 青，于小紅，趙 明 (江蘇中煙工業有限責任公司淮陰卷煙廠，江蘇淮安 223002)

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近紅外光譜法快速測定煙草中淀粉含量

羅 瓊，李 青，于小紅，趙 明 (江蘇中煙工業有限責任公司淮陰卷煙廠，江蘇淮安 223002)

[目的]快速測定煙草中淀粉的含量。[方法]采用近紅外(NIR)漫反射光譜儀掃描140個烤煙煙葉樣品，連續流動法測定其淀粉的含量，多種參數方法對譜圖進行處理，最后選擇消除常數法對光譜進行預處理和偏最小二乘法對數據進行擬合，建立了烤煙中淀粉的NIR預測模型，并對這些模型進行了外部驗證。[結果]淀粉的預測值與連續流動法測定值的平均相對偏差均在5%以內，精密度RSD均小于5%。[結論]該模型可快速測定煙葉中淀粉的含量，對控制煙草調制過程中淀粉的轉化和煙草制品中的淀粉含量具有重要意義。

煙草；淀粉；近紅外光譜法

煙草中的淀粉含量是衡量煙葉成熟度和烘烤質量的重要指標之一，是煙草中的重要成分，對煙葉內在和外觀品質起著重要作用。Weeks W W 等[1]研究表明,烤后煙葉殘留的淀粉是對煙葉色、香、味不利的化合物,主要因為淀粉會影響燃燒速度和燃燒的完全性,其次淀粉在燃吸時會產生糊焦氣味,對煙氣產生不良影響[2-3]。因此，準確測定煙草中的淀粉含量，對控制煙草調制過程中淀粉的轉化和煙草制品中的淀粉含量具有重要的現實意義。目前，煙草中淀粉含量的測定通常采用連續流動法[4]、費林試劑直接滴定法[5]、碘顯色法[6]、液相色譜法[7]、酶消解法[8-9]等，這些方法都存在費時、費力、步驟繁瑣等特點。近年來，近紅外(NIR)光譜法已被廣泛應用于煙草行業[10-12]，但采用近紅外法測定煙草中淀粉含量的研究較少，筆者采用近紅外漫反射光譜法測定了烤煙中的淀粉含量，旨在為煙葉原料中淀粉的快速測定提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料2013—2015年云南、河南、吉林、福建和貴州等10個產地的烤煙樣品160個，其中140個作為建模樣品，20個作為驗證樣品。MPA型傅立葉近紅外光譜儀(內置鍍金漫反射積分球，窗口2 cm，旋轉石英樣品杯，PbS檢測器，OPUS定量分析軟件包)，德國Bruker公司；AA3連續流動分析儀，BranLuebbe公司；AE200S型電子天平(感量0.000 1 g)，瑞士梅特勒公司。

1.2 方法按YC/T31—1996《煙草及煙制品 試樣的制備和水分測定 烘箱法》對煙葉樣品進行處理及水分測定，粉碎，粒度60～80目。取約40 g煙葉粉末，置于石英測量杯中，并放入600 g壓樣器，壓約30 s，用鍍金漫反射體做背景，放入旋轉臺內，在室溫條件下，按下列參數條件進行掃描：分辨率8 cm-1，掃描次數64次，掃描范圍4 000～12 000 cm-1。

采用連續流動法[4]測定煙葉粉末樣品中的淀粉含量。采用OPUS/QUANT2分析軟件包中自帶的消除常數法、減去一條直線法、最大最小歸一化法和一階導數+多元散射校正(MSC)法軟件對樣品的近紅外譜圖進行預處理，而后采用偏最小二乘法將處理好的近紅外譜圖和連續流動法測定的淀粉數據擬合，建立相應的數學模型，并使用交叉驗證方法對模型進行驗證[即每次交叉剔除1個或多個樣品，用其他樣品建模來預測被剔除樣品，依次進行，直至樣品NIR光譜法預測值與化學測定值的決定系數(R2)和交互驗證均方根誤差(RMSECV)分別達到最大和最小]，再用另外20個烤煙樣品的近紅外譜圖進行外部驗證，即將這些樣品的近紅外譜圖代入模型，預測其淀粉的含量，并與其連續流動法的檢測數據對比，檢驗模型的預測能力。

2 結果與分析

2.1 煙草粉末的近紅外漫反射光譜圖由圖1可見，在4 000～12 000 cm-1譜區內，煙草的近紅外漫反射光譜有獨特的吸收特征，煙草中含有大量的組成淀粉類物質的C-H、N-H、O-H、C-O、C-C、C-O基團，在4 000～5 300 cm-1的合頻區形成強烈的吸收；在5 300～7 500 cm-1的倍頻區也有較為強烈的吸收，其明顯的煙草近紅外漫反射光譜吸收特征為煙草中淀粉的定量分析提供了豐富的信息基礎。

圖1 煙草粉末的近紅外漫反射光譜

2.2 光譜預處理方法對定量分析的影響為探尋適宜的光譜預處理方法，選擇7 500～4 200 cm-1范圍內的光譜數據，采用6種方法對光譜進行預處理，對140個煙草樣品建立校正模型。結果(表1)顯示，消除常數法模型的R2和RMSECV分別達到最大和最小。因此，選用消除常數法進行NIR譜圖的預處理，所建立模型的交互驗證NIR預測值與化學測定值的相關曲線(圖2)良好，說明該模型對于烤煙樣品中淀粉指標近紅外定量模型的預測值均能很好地逼近其化學值。

表1 不同光譜預處理方法模型的R2和RMSECV

Table 1R2andRMSECVof models by different spectral pretreatment methods

預處理方法Pretreatmentmethod決定系數Coefficientofdetermination(R2)交互驗證均方根誤差Interactiveverifjicationonroot-mean-squareerror(RMSECV)無預處理Nopretreatment85．606．21消除常數法Constanteliminationmethod94．303．65最大最小歸一化法Maximumandminimumnormalizationmethod93．104．02矢量歸一法Vectornormalizationmethod90．705．37一階導數Firstderivative91．204．85減去一條直線法Minusastraightline92．803．89

圖2 淀粉預測模型交互驗證預測值與化學測定值的相關曲線

2.3 模型預測的準確性為檢驗所建近紅外模型的預測準確性，采用外部驗證法進行，即將另外 20個烤煙樣品的近紅外光譜數據代入模型，預測其淀粉的含量，并與其連續流動分析法測定值對比。結果(表2)顯示，模型預測值與其連續流動分析法測定值的相對偏差都在5%以內，說明所建模型的預測準確性較高，適合淀粉含量的預測。

表2 20個樣品近紅外預測值與化學測定值的比較

2.4 精密度任取同一烤煙樣品6份，各掃描1次，將所得近紅外光譜代入建立的校正模型，計算其淀粉的含量。結果得出淀粉的RSD值為3.76%，表明該方法具有良好的重復性。

3 結論

該試驗選擇7 500～4 200 cm-1范圍內的光譜數據，采用消除常數法建立的煙葉中淀粉含量的近紅外預測模型可以快速測定煙葉中的淀粉含量。該方法具有簡便、快速、低成本、不破壞煙葉樣品等優點，且其測定結果與煙草行業標準方法較為接近，準確度高、重復性好，適用于批量快速測定煙葉中淀粉含量，可為煙葉的調制提供參考依據。

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Rapid Determination of Starch content in Tobacco by Near Infrared Spectroscopy

LUO Qiong,LI Qing ,YU Xiao-hong et al (Huaiyin Cigarette Factory,Jiangsu Branch of China Tobacco Industry Corporation ,Huaian,Jiangsu 223002)

[Objective] To rapidly detect the starch content in tobacco.[Method] Near infrared (NIR) diffuse reflectance spectrometer was used to scan 140 samples of flue-cured tobacco leaves.Starch content was detected by continuous flow method.Spectrogram was processed by various parameters method.Finally,constant elimination method was used for pretreatment of spectrum,and partial least squares method was used to fit the data.The NIR prediction model of starch in flue-cured tobacco was established.And external validation was carried out for these models.[Result] The average relative deviations between the prediction value of starch and the detection value by continuous flow method were less than 5% withRSDsmaller than 5%.[Conclusion] The model is applicable to rapid detect the starch in tobacco samples,which is of important practical significance to control the starch transformation in tobacco curing process and the starch content in tobacco products.

Tobacco; Starch;NIR spectroscopy

羅瓊(1975- )，女，江蘇淮安人，工程師，碩士，從事煙用材料及煙草化學成分分析研究。

2016-08-29

S 572

A

0517-6611(2016)30-0072-02