近红外光谱发展及卷烟在线烟丝监测的应用

李吉云 刘 杰 郝廷亮

（1.山东中烟工业有限责任公司 技术中心，山东 济南 250104；2.山东中烟济南卷烟厂，山东 济南 250104；3.山东中烟技术中心，山东 济南250104）

近红外（Near Infrared，简称NIR）谱区是指介于可见光（VIS)和中红外（MIR）谱区之间的电磁波，是人们认识最早的非可见光区域。 根据美国实验和材料协会（ASTM）规定，其波长范围为780－2526nm。

1 近红外分析的特点

近红外光谱（NIR）是近年来发展较为迅速的一种高新分析测试技术，是光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测量技术的有机结合。 与传统分析技术相比，近红外光谱分析的主要优点有：（1）快速，通常光谱扫描时间30-60 秒，将采集的光谱数据输入到数学模型就可给出分析结果，可进行在线分析；（2）制样简单，预处理简单；（3）信息量大，可同时测定多组分；（4）经定标建模后，无须用其他常规化学分析手段，不使用有毒有机试剂，样品处理简单，绿色环保无污染。

2 工作原理

近红外光是电磁波，具有光的破例二重性。 对光的能量表示为：

E=hv

从光源发出的红外光照射到一种或多种分子组成的物质上，如果分子运动或转换状态发生变化或者分子运动或转换状态发生在不同等级间跃迁，等于近红外光谱区域某波长处光子的能量，则产生近红外光谱吸收。

近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。近红外光谱记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息,它常常受含氢基团X—H(XC、N、O)的倍频和合频的重叠主导,所以在近红外光谱范围内,测量的主要是含氢基团X—H 振动的倍频和合频吸收。

3 近红外光谱分析仪器的进展

现代近红外光谱仪器从分光系统可分为固定波长滤光片、光栅色散、快速傅立叶变换和声光可调滤光器（AOTF）四种类型。在各种类型仪器中，滤光片型主要作专用分析仪器，在各种类型仪器中，滤光片型主要作专用分析仪器，如烟草水分测定仪、油品专用分析仪。为提高测定结果的准确性，现在的滤光片型仪器往往装有多个滤光片供用户选择。 傅立叶变换近红外光谱仪是目前近红外光谱仪器中的主导产品，具有较高的分辨率和扫描速度， 最近推出的FT—NIR 仪器对干涉仪部分作了改进，减少了对振动、温度和湿度的敏感性。 AOTF 是90 年代初出现的一类型型分光器件，采用双折射晶体，通过改变射频频率来调节扫描的波长，整个仪器系统无移动部件，扫描速度快，具有较好的仪器稳定性，特别适合用于在线分析。

4 近红外光谱中的化学计量方法

光谱化学计量学软件是现代近红外技术的一个重要组成部分，将稳定、可靠的近红外光谱分析仪器与功能全面的化学计量软件相结合也是现代近红外光谱技术的一个明显标志。近红外光谱化学计量学方法研究通常涉及三个方面的内容。 一是光谱预处理方法研究，目的是针对特定的样品体系，通过对光谱的适当处理，减弱以至于消除各种噪声对光谱信息的影响，为校正模型的建立和未知样品组成或性质的预测奠定基础。 常见的方法是平滑处理和基线校正。 如对光谱进行一阶微分或二阶微分处理，另外光谱的标准归一化处理（SNV）及多元散射校正技术（MSC）也常用到。二是近红外光谱定性和定量校正方法研究，目的在于建立稳定、可靠的定性或定量分析模型。定性分析中常用的方法有主成分分析（PCA）、模式识别方法、SIMCA 方法、人工神经网络等等。各种多元校正技术如逐步多元线性回归（SMLR）、主成分回归（PCR）、偏最小二乘回归（PLS）、人工神经网络（ANN）等方法陆续在近红外光谱定量分析中得到应用。

5 近红外光谱在国内烟草近红外检测应用现状水平及发展趋势

由于近红外技术独特的优点，使其在烟草行业受到重视。 国外的许多烟草公司已经将近红外技术用于日常的生产检测，目前国际上已有成熟的烟草行业专用近红外仪器投入使用，有关近红外应用领域的进一步拓展也在积极进行。我国的烟草行业也开始了近红外技术的应用研究。 上世纪九十年代末，上海烟草集团公司开始研究近红外检测技术在烟草化学成分的快速检测分析以来，近红外检测技术开始在烟草行业中进行应用。从应用看，通过建数学模型，不但可以建立烟草烟碱、总糖还原糖等主要化学成分的烟叶的化学成分定量分析的快速测试方法,同时还可用于卷烟质量判断、真假卷烟鉴别等。实践表明,利用该技术快速简便的优势,可在实验室、卷烟加工过程、烟叶储存养护过程、入库及在库烟叶内在质量检测、烟叶打叶复烤配方指导与质量控制、拟采购烟叶的质量预警等方面进行有效的推广应用,为结合外观质量和内在质量对烟叶和卷烟的质量进行研究和监控提供了强有力的技术支持。 在线监测烟丝配比稳定性及其他应用等许多方面。

目前，烟草行业中进行应用得近红外检测技术主要有两种：一种是AOTF-NIR（声光可调滤光器近红外），主要应用于在线检测分析；另一种是FT-NIR（傅立叶变换近红外），主要应用于实验室检测。现在烟草行业实验室对烟草化学成分的分析大多采用AA3 流动注射分析仪，此方法前处理复杂，时间长；而红外检测技可快速、高效得出检测结果，分析在线烟丝的加工质量。目前烟草行业中的打叶复烤、卷烟制丝等在线检测有较多的应用。但是每个企业卷烟品牌的加工工艺稳定性存在差异，所以，针对山东中烟济南卷烟厂泰山系列产品进行相关课题研究，用以提升卷烟品牌的加工工艺质量。

2011 年10 月，山东中烟工业公司“利用近红外技术在线测定卷烟烟丝掺配的均匀性”开始进行研究。 主要就是以济烟卷烟厂生产的泰山系列产品（常用的3-4 个品牌），所选品牌为泰山（沂蒙）、泰山（神秀）、泰山（白将）、泰山（红将）、泰山（软哈）为研究对象，通过大量试验，研究利用在线AOTF 近红外光谱仪检测制丝线掺配加香后混合烟丝的主要常用的有机化学成分（主要是烟碱、总糖、还原糖等）分析和评价的方法。 以泰山（沂蒙）和泰山（神秀）为例具体实验如下：

1）在线取泰山（沂蒙）混合烟丝样品90 个，泰山（神秀）样品 50个，用AOTF 近红外光谱仪检测与AA3 流动注射分析仪烟丝的烟碱、总糖、还原糖化学成分检测分析，检测数据对比。

2）通过定量分析和对比分析，建立相关的数学模型。

泰山（沂蒙）品牌的烟碱、总糖、还原糖各指标PLS1 模型

各指标模型见图1-图3。

图1 烟丝中烟碱含量的PLS1 回归模型图

图2 烟丝中总糖含量的PLS1 回归模型

图3 烟丝中还原糖含量的PLS1 回归模型图

泰山（沂蒙）的烟碱、总糖、还原糖各指标PLS1 模型

各指标模型见图4-图6。

图4 烟丝中烟碱含量的PLS1 回归模型图

图5 烟丝中总糖含量的PLS1 回归模型

图6 烟丝中还原糖含量的PLS1 回归模型图

泰山（神秀）的烟碱、总糖、还原糖的各指标PLS1 模型。

各指标模型见图7-图9。

图7 烟丝中烟碱含量的PLS1 回归模型图

图8 烟丝中总糖含量的PLS1 回归模型

图9 烟丝中还原糖含量的PLS1 回归模型图

3）计算主要化学成分的均匀系数。

4）对烟丝掺配均匀性进行分析并确定掺配均匀性的方法。

5）对掺配均匀性的方法进行验证。

在卷烟生产过程中，应用近红外光谱仪，利用烟草近红外光谱与化学成分之间的数学模型，通过仪器中的光谱图就可以实现生产过程中的反应烟丝重要内在质量的化学成分成分在线监测，对烟丝掺配均匀性进行分析并确定掺配均匀性的方法。

近红外光谱技术与有机物结构之间存在密切关系,利用近红外技术可以研究检测烟草的许多内在质量特征,由于近红外光谱检测具有绿色环保、快速和检测内容可以不断扩展等技术优势,该技术在烟草行业具有广阔的应用前景。通过对近红外光谱技术的应用和探索研究表明,应用近红外光谱仪器,可以建立烟草烟碱、总糖、还原糖等主要化学成分模型，快速测试在线对烟丝化学成分。 为研究和监控卷烟品牌的加工工艺质量提供了强有力的技术支持。