CN101710072A - 利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶提取液与烟膏物化指标的方法 - Google Patents

Abstract

利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶提取液和烟膏物化指标的方法，是利用标准方法对所收集的样品逐个进行物化指标的测定，得到定量参考数据；再扫描采集每个样品的光谱并进行光谱预处理，消除噪音和基线漂移的影响；然后将光谱数据与标准方法得到的各项物化指标参考数据进行一一对应，采用偏最小二乘法及交互校验建立定量模型，经准确性和重现性检验后保存于计算机中。需检测待测再造烟叶提取液和烟膏样品的物化成分含量时，扫描采集待测样品的近红外光谱数据，调用定量模型分析即可检测出造纸法再造烟叶提取液和烟膏的物化指标。本方法检测快速准确，不损伤分析样品，分析成本低，无污染。

Description

利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶提取液与烟膏物化指标的方法

技术领域

本发明涉及一种烟草辅料物化指标的检测方法，具体涉及一种造纸法再造烟叶提取液及烟膏常规物化指标的检测方法。

背景技术

造纸法再造烟叶又称为造纸法烟草薄片，是以烟梗、烟沫、低次烟叶为原料，经过浸取浓缩、打浆抄造、涂布干燥等步骤，综合利用萃取、分离、造纸、重组技术生产的接近甚至优于天然烟叶的烟草高科技产品。造纸法生产的烟草薄片具有密度小、填充值高、柔韧性和耐加工性好、成丝率高、燃烧性能好、焦油释放量低以及产品可塑性强等特点。造纸法烟草薄片技术的利用，不仅能够使低次烟叶和烟梗、烟沫得到有效回收利用，发展循环经济，同时有助于科学调整卷烟配方结构，促进卷烟产品结构向低焦油，高品质方向发展。目前国内的造纸法烟草薄片厂家生产工艺基本上是两步法，即将原料用水浸泡后，将可溶物与不溶物萃取分离，不溶物一般会与木浆纤维混合打浆，采用抄纸机制得片基，而可溶物萃取液经过浓缩调配制得涂布液，并将其涂于片基之上，经过干燥、分切制成烟草薄片。再造烟叶产品质量在很大程度上取决于生产工艺控制能力和在线检测控制精度。造纸法再造烟叶制造过程中所用的提取液与烟膏作为重要的过程中间品，其质量对最终制得的烟草薄片成品品质具有特别突出的影响。因此，目前在造纸法再造烟叶行业，对提取液和烟膏常规指标的检测已经成为质量监控的重点和难点。提取液一般分为烟叶提取液和烟梗提取液。烟膏是提取液浓缩得到的半成品，烟膏通常包括叶膏、梗膏以及由叶膏与梗膏按一定比例调配成的涂布液。目前检测提取液和烟膏常规指标，如水溶性糖、还原糖、烟碱、总氮、钾、氯、硝酸根、蛋白质、淀粉、相对密度、酸值、挥发性成分总量、折光指数等，是采用连续流动分析仪法或经典分析方法进行测定。这些方法存在分析时间长，耗费试剂，操作复杂，分析结果严重滞后等缺陷，无法对生产过程进行实时质量分析判断，也不能及时有效地指导调整生产工艺及配方，影响了薄片生产的连续性、薄片产品的均匀性和质量稳定性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种快速准确的检测造纸法再造烟叶提取液和烟膏物化指标的方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现。

利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶提取液和烟膏物化指标的方法，包括以下步骤：

①收集准备一批提取液或烟膏样品；

②利用标准方法对所收集的样品逐个进行物化指标的测定，得到定量参考数据；

③再用光谱扫描设备扫描采集每个样品的光谱；

④对采集到的原始光谱进行光谱预处理，消除噪音和基线漂移的影响；

⑤将步骤④得到的光谱数据与步骤②标准方法得到的各项物化指标参考数据进行一一对应，采用偏最小二乘法及交互校验建立定量模型；

⑥剔除光谱和化学值的异常值，建立更为准确的定量模型，保存在计算机中；

⑦进行定量模型的准确性和重现性检验；

⑧用光谱扫描设备扫描采集待测再造烟叶提取液和烟膏样品的近红外光谱数据，调用保存于计算机中的定量模型分析，得到待测再造烟叶提取液和烟膏样品的物化成分含量

本发明所述提取液样品包括烟叶提取液或烟梗提取液。所述烟膏样品包括叶膏或梗膏或由叶膏与梗膏调配得到的涂布液。本发明所述标准方法是指中国烟草行业推荐性标准YC/T16.3-2003《再造烟叶 第三部分：造纸法》，YC/T159-2002《烟草及烟草制品 水溶性糖的测定连续流动法》，YC/T166-2003《烟草和烟草制品 总蛋白质含量的测定》，YC/T283-2009《烟草及烟草制品 淀粉的测定 酶水解-离子色谱法》，YC/T145.2-1998《烟用香精 相对密度的测定》，YC/T145.3-1998《烟用香精 折光指数的测定》，YC/T145.3-1998《烟用香精 挥发性成分总量通用测定方法》，YC/T145.3-1998《烟用香精 酸值的测定》规定的方法。本发明用光谱扫描设备扫描采集样品的光谱数据是采用透射方式。所述对光谱进行的预处理，是指对光谱进行平滑和一阶或二阶求导预处理。

近红外光谱分析技术的优越性主要表现在以下方面：

a.分析速度快：光谱的测量过程一般可在1～2min内完成，通过建立的定量模型可迅速测定出样品的化学成分或性质。

b.分析效率高：通过一次光谱的测量和已建立的多个定量模型，可同时对样品的多种成分和性质进行测定。

c.属非破坏性分析技术：近红外光谱测量过程中不损伤样品，从外观到内部都不会对样品产生影响。

d.分析成本低、无污染：在样品分析过程中不消耗样品本身，不使用任何化学试剂，分析成本大幅度降低，且对环境不造成任何污染，属于“绿色分析”技术。

e.样品一般不需预处理，操作方便：由于近红外光较强的穿透能力和散射效应，根据样品物态和透光能力的强弱可选用透射和漫反射测谱方式，通过相应的载样器件可以直接测量液体、固体、半固体和胶状类等不同物态的样品。

f.测试重现性好：由于光谱测量的稳定性，测试结果较少受人为因素的影响，与标准或参考方法相比，近红外光谱一般显示出更好的重现性。

g.便于实现在线分析：由于近红外光谱在光纤中良好的传输特性，通过光纤可以使分析仪器远离采样现场，特别适于生产过程恶劣及危险环境下的样品分析，实现在线分析和远程监控。

此外，由于再造烟叶提取液和烟膏常规物化指标含量一般均大于0.1％，能满足近红外光谱分析技术的测试灵敏度要求。

本发明采用近红外光谱技术对造纸法烟草薄片生产过程中的提取液和膏体进行快速无损检测，可以保障顺畅的生产工艺过程，有助于确定最佳工艺，提高原料利用率，提高分析效率，节约成本。对于稳定控制造纸法再造烟叶物化成分，稳定造纸法再造烟叶过程质量控制，发挥造纸法再造烟叶稳定卷烟产品质量和塑造卷烟风格具有十分明显的有益效果。本发明有效解决了现有技术检测所需时间长、试剂消耗量大、检测反馈滞后等不足。本发明不需要样品的预处理，检测速度快，不消耗试剂，无污染，绿色环保，准确度高。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，但它们不是对本发明的限定。

实施例1

利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶梗膏物化指标的方法，步骤如下：

①收集准备100-800个不同产品系列的梗膏样品，作为建立模型用样品。

②利用YC/T16.3-2003《再造烟叶第三部分：造纸法》试验方法中主流烟气与化学指标检测方法对收集到的每一个梗膏样品开展水溶性糖、还原糖、烟碱、钾、氯含量测定，得到常规物化成分含量参考数据。

③用光谱扫描设备，利用近红外光谱技术采用透射的方式对上述梗膏样品逐个进行光谱扫描，采集得到每个样品的光谱即原始吸收光谱图。

④对每个样品的光谱逐个进行平滑和一阶求导处理，消除噪音和基线漂移的影响；

⑤将步骤④得到的所有样品的光谱数据与步骤②标准方法得到的各项物化指标参考数据进行一一对应，应用偏最小二乘法把光谱数据与其对应的物化指标测定数据进行统计拟合，建立得到水溶性糖、还原糖、烟碱、氯、钾指标的定量模型并存入计算机。模型中烟碱、总糖、还原糖、钾、氯的相关系数分别为0.9469、0.8998、0.9300、0.9388、0.9507，可见光谱数据与梗膏样品的物化指标之间具有显著的线性关系，说明梗膏样品的近红外光谱包含有与物化指标密切相关的信息，用近红外光谱来做物化指标的检测分析是完全可行的。

在建立定量模型时，分别采用光谱影响值(Leverage)和化学值误差(residual)这两个参数剔除光谱和化学值的异常值，建立更为准确的定量模型，保存在计算机中。为了确保后续物化指标检测分析的准确性和可靠性，本实施例还对所建立的定量模型进行了如下验证：

另外采集10个梗膏待测样品(也称外部盲样)，利用建立好的定量模型进行盲测，检测结果见表2。

从表2看，所建立的定量模型适应性很好。烟碱、水溶性糖、还原糖的平均相对偏差分别为1.63％、1.34％和1.90％，钾和氯的平均绝对偏差为0.077和0.007。由此进一步验证了利用近红外光谱检测梗膏中的常规指标烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯含量的可行性。

表2定量模型对10个外部样品的检测结果

⑥用光谱扫描设备扫描采集待测3个梗膏样品的近红外光谱数据，调用保存于计算机中的定量模型分析，分别得到待测再造烟叶梗膏样品的物化成分含量，如表3所示。

表3待测梗膏样品物化成分含量表

从表3定量模型检测值和标准方法检测值的偏差可看出，近红外光谱检测方法对再造烟叶梗膏样品常规物化成分含量的检测准确性高。

实施例2

利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶叶膏物化指标的方法，方法步骤与实施例1相同，但所收集准备作为建立模型用样品为100-800个叶膏样品。所建立的叶膏定量模型相关参数见表4。叶膏定量模型建立后，另外采集了10个叶膏待测样品进行盲测，叶膏定量模型的相关参数和外部盲测结果见表4。

表4叶膏定量模型相关参数和检测结果

	烟碱	水溶性糖	还原糖	钾	氯
						相关性	0.8559	0.8272	0.9005	0.8169	0.8513
相对偏差	2.01％	1.71％	1.75％	1.78％	1.41％

由表4可看出，各成分含量模型的线性关系较明显，烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯模型的相关性分别为0.8559、0.8272、0.9005、0.8169和0.8513，可见叶膏的性质参数与近红外光谱数据间有较高的相关性，从模型的检测精度来看，模型的适应性非常好。烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯的检测平均相对偏差分别为2.01％、1.71％、1.75％，1.78％和1.41％，可见近红外光谱对叶膏中的烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯含量检测是可行的。

实施例3

利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶涂布液物化指标的方法，方法步骤如下：

①收集准备100-800个涂布液样品，作为建立模型用样品。

②利用YC/T16.3-2003《再造烟叶 第三部分：造纸法》试验方法中主流烟气与化学指标检测方法对收集到的每一个涂布液样品开展水溶性糖、烟碱、钾、氯指标检测；还原糖指标的检测参照中国烟草行业标准YC/T159-2002《烟草及烟草制品水溶性糖的测定连续流动法》；相对密度的测定参照YC/T145.2-1998《烟用香精相对密度的测定》；折光指数的测定参照YC/T145.3-1998《烟用香精折光指数的测定》；挥发性成分总量的测定参照YC/T145.3-1998《烟用香精挥发性成分总量通用测定方法》。通过以上检测得到常规物化指标参考数据。

③用光谱扫描设备，利用近红外光谱技术采用透射的方式对上述涂布液样品逐个进行光谱扫描，采集得到每个样品的光谱即原始吸收光谱图。

④对每个样品的原始光谱逐个进行平滑和二阶求导处理，消除噪音和基线漂移的影响。

⑤将步骤④得到的所有样品的光谱数据与步骤②标准方法得到的各项物化指标参考数据进行一一对应，应用偏最小二乘法把光谱数据与其对应的物化指标测定数据进行统计拟合，建立得到水溶性糖、还原糖、烟碱、氯、钾、相对密度、挥发性成份总量、折光指数的定量模型。在建立定量模型时，分别采用光谱影响值(Leverage)和化学值误差(residual)这两个参数剔除光谱和化学值的异常值，建立更为准确的定量模型，保存在计算机中。为了确保后续物化指标检测分析的准确性和可靠性。涂布液定量模型建立后，另外采集了10个涂布液待测样品进行盲测。涂布液定量模型的相关参数和外部盲测结果见表5。

表5涂布液定量模型相关参数和外部盲测结果

	烟碱	水溶性糖	还原糖	钾	氯	相对密度	挥发份成分总量	折光指数
									相关性	0.9571	0.9170	0.8406	0.9317	0.9482	0.8237	0.8601	0.8379
相对偏差	2.02％	1.49％	2.34％	2.45％	1.35％	2.84％	1.29％	2.38％

由表5可看出，各成分含量模型的线性关系明显，烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯、相对密度、挥发性成份、折光系数的模型相关性分别为0.9571、0.9170、0.8406、0.9317、0.9482、0.8237、0.8601、0.8379。可见涂布液的性质参数与近红外光谱数据间有较高的相关性，从模型的检测精度来看，模型的适应性非常好。烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯、相对密度、挥发性成份总量、折光指数的检测平均相对偏差分别为2.02％、1.49％、2.34％，2.45％、1.35％、2.84％、1.29％、2.38％，可见近红外光谱对涂布液烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯、相对密度、挥发性成份总量、折光指数检测是可行的。

⑥用光谱扫描设备扫描采集待测3个涂布液样品的近红外光谱数据，调用保存于计算机中的定量模型分析，分别得到待测再造烟叶涂布液样品的物化成分含量，如表6所示。

从表6定量模型检测值和标准方法检测值的偏差可看出，近红外光谱检测方法对再造烟叶涂布液样品常规物化成分含量的检测准确性高。

表6待测涂布液样品物化成分含量表

实施例4

利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶烟叶提取液物化指标的方法，方法步骤与实施例1相同，但所收集准备作为建立模型用样品为100-800个烟叶提取液样品。所建立的烟叶提取液定量模型相关参数见表7。烟叶提取液定量模型建立后，另外采集了10个烟叶提取液待测样品进行盲测，烟叶提取液定量模型的相关参数和外部盲测结果见表7。

表7烟叶提取液定量模型相关参数和检测结果

	烟碱	水溶性糖	还原糖	钾	氯
						相关性	0.9254	0.9043	0.8987	0.9046	0.9166
相对偏差	1.78％	2.35％	2.78％	3.12％	2.64％

由表7可看出，各成分含量模型的线性关系明显，烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯的模型相关性分别为0.9254、0.9043、0.8987、0.9046、0.9166。可见叶片提取液的性质参数与近红外光谱数据间有较高的相关性，从模型的预测精度来看，模型的适应性非常好。烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯的预测平均相对偏差分别为1.78％、2.35％、2.78％、3.12％、2.64％，可见近红外光谱对叶提取液中的烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯含量检测是可行的。

实施例5

利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶烟梗提取液物化指标的方法，方法步骤与实施例1相同，但所收集准备作为建立模型用样品为100-800个烟梗提取液样品。所建立的烟梗提取液定量模型相关参数见表8。烟梗提取液定量模型建立后，另外采集了10个烟梗提取液待测样品进行盲测，烟梗提取液定量模型的相关参数和外部盲测结果见表8。

表8烟梗提取液定量模型相关参数和检测结果

	烟碱	水溶性糖	还原糖	钾	氯
						相关性	0.8763	0.9026	0.8873	0.8574	0.8605
相对偏差	2.47％	3.35％	2.69％	3.02％	2.29％

由表8可看出，各成分含量模型的线性关系明显，烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯模型相关性分别为0.8763、0.9026、0.8873、0.8574、0.8605。可见烟梗提取液的性质参数与近红外光谱数据间有较高的相关性，从模型的检测精度来看，模型的适应性非常好。烟碱、总糖、还原糖、钾、氯的检测平均相对偏差分别为2.47％、3.35％、2.69％、3.02％、2.29％。可见近红外光谱对烟梗提取液中的烟碱、水溶性糖、还原糖、钾、氯含量检测是可行的。

本发明各个步骤的各类样品均可在生产造纸法再造烟叶的企业中取得，对样品的成分、制造工艺等没有特殊要求。

Claims (7)

1.利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶提取液和烟膏物化指标的方法，其特征在于，包括以下步骤：

①收集准备一批提取液或烟膏样品；

②利用标准方法对所收集的样品逐个进行物化指标的测定，得到定量参考数据；

③再用光谱扫描设备扫描采集每个样品的光谱；

④对采集到的原始光谱进行光谱预处理，消除噪音和基线漂移的影响；

⑤将步骤④得到的光谱数据与步骤②标准方法得到的各项物化指标参考数据进行一一对应，采用偏最小二乘法及交互校验建立定量模型；

⑥剔除光谱和化学值的异常值，建立更为准确的定量模型，保存在计算机中；

⑦进行定量模型的准确性和重现性检验；

⑧用光谱扫描设备扫描采集待测再造烟叶提取液和烟膏样品的近红外光谱数据，调用保存于计算机中的定量模型分析，得到待测再造烟叶提取液和烟膏样品的物化成分含量。

2.根据权利要求1所述的利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶提取液和烟膏物化指标的方法，其特征在于，所述提取液样品包括烟叶提取液或烟梗提取液。

3.根据权利要求1所述的利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶提取液和烟膏物化指标的方法，其特征在于，所述烟膏样品包括叶膏或梗膏或由叶膏与梗膏调配得到的涂布液。

4.根据权利要求1所述的利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶提取液和烟膏物化指标的方法，其特征在于，步骤②所述标准方法是指中国烟草行业推荐性标准YC/T16.3-2003《再造烟叶第三部分：造纸法》，YC/T159-2002《烟草及烟草制品水溶性糖的测定连续流动法》，YC/T166-2003《烟草和烟草制品总蛋白质含量的测定》，YC/T283-2009《烟草及烟草制品淀粉的测定酶水解-离子色谱法》，YC/T145.2-1998《烟用香精相对密度的测定》，YC/T145.3-1998《烟用香精折光指数的测定》，YC/T145.3-1998《烟用香精挥发性成分总量通用测定方法》，YC/T145.3-1998《烟用香精酸值的测定》规定的方法。

5.根据权利要求1所述的利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶提取液和烟膏物化指标的方法，其特征在于，用光谱扫描设备扫描采集样品的光谱数据是采用透射方式。

6.根据权利要求1所述的利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶提取液和烟膏物化指标的方法，其特征在于，所述对光谱进行的预处理，是指对光谱进行平滑和一阶或二阶求导预处理。

7.根据权利要求1所述的利用近红外光谱检测造纸法再造烟叶提取液和烟膏物化指标的方法，其特征在于，分别采用光谱影响值(Leverage)和化学值误差(residual)这两个参数剔除光谱和化学值的异常值。