如何利用线近红外光谱快速测定烟叶中的化学成分

来源:用户上传      作者: 赵瑞娟 周淑平 程贵敏 张长云 张婕

　　摘要：通过对烟叶样品采用先进的烟化学检测方法进行检测的检测数据结果，建立近红外分析预测模型，并对模型进行评价、验证及应用。以期达到节约成本，快速、简便和大批量地分析常规化学成份的目的。现在我们常常利用一些先进的手段来进行测定。比如近红外光谱技术等。
　　关键词： 线近红外光、化学成分
　　
　　（一） 近红外光谱的概述
　　烟化学分析在烟草科研中起着重要的作用。近几年来，近红外光谱分析技术因其快速、无需前处理、无污染、非破坏性以及多组分同时定量分析等优势，在食品、药品及化工等诸多行业的产品的分析测定中得到广泛的应用。那么近红外光谱技术对烟草的发展为何起着如此重要的作用，主要原因是当中含有一些有害物质，只有通过近红外光谱区与有机分子中含氢基团振动和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱、可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，近年来，近红外光谱技术已成为发展最快、最引人注目的光谱分析技术，在行业应用也很广泛、但绝大部分研究主要集中在烟叶常规化学成分的快速测定。将近红外光谱分析技术用于卷烟产品质量稳定性，近红外光谱技术的优点是其分析速度快、对样品无化学污染、操作简单、测量精度高、分析成本低等优点。近红外光的分析仪一旦经过定标后一分钟的时间内即可完成待测样品多个组分的同步测量，完全可以实现过程在线定量分析。在对样品测定过程中待测样品视颗粒度的不同可能需要简单的物理制备过程，无需任何化学干预即可完成测量过程，是一种绿色的分析技术。并且对操作员的水平要求较低。通过软件设计可以实现极为简单的操作要求，测量过程中对操作人员的要求较低。尽管该技术与传统理化分析方法相比精度略逊一筹，但是给出的测量精度足够满足生产过程中质量监控的实际要求，故而非常实用。由于在整个测量过程中无需任何化学试剂，仪器定标完成后测量是一项非常简单工作，所以几乎没有任何损耗，现在红外线技术已经普遍应用于烟草业。
　　（二） 烟叶中的成分分析
　　烟叶中化学成分含量的不同，对烟叶的等级有着较为重要的影响，那么我们需要对烟叶中的化学成分进行分析，烟叶的化学成分与其他植物一样，可分为两大类：一类为有机化合物，一类为无机化合物。糖、淀粉、糊精、纤维、色素、有机酸、蛋白质、烟碱、氨基酸等属有机化合物；氯、钾、磷、钙、镁、硫等无机盐类属无机化合物。中的碳水化合物有可溶性的糖和不可溶性的多糖。烟叶中的葡萄糖和果糖属于单糖，蔗糖和麦芽糖属于二糖。不溶性的多糖，烟叶中的多糖包括淀粉、纤维素和果胶等，多糖与单糖、二糖不同，它没有还原能力，但在酸性条件下和酶的作用也能水解成单糖。当烟叶含水分多时烟叶的弹性韧性就增大，含水少时就发脆易碎。烟叶含氮化合物较多，主要有蛋白质、铵态氮和硝态氮。蛋白质：烟叶中的蛋白质对烟叶质量影响较大，在燃烧时产生一种特殊的味道。在检测烟叶化学成分时不直接检测蛋白质，而是通过测得的氮元素来换算出蛋白质含量。烟碱在烟叶中的成分分析：烟碱又名尼古丁，是一种无色至淡黄色透明油状液体，是烟草中含氮生物碱的主要成分，在烟叶中的含量为1～3%。只有合理的分析测定烟叶中的化学成分会对烟叶的质量起着重要作用。烟叶之所以能区别于其他植物主要是因为含有烟碱。烟碱容易和酸性物质进行化学反应，与草酸、柠檬酸作用，生成草酸盐和柠檬酸盐，与硅钨酸作用生成烟碱硅钨酸的白色沉淀。钾在烟叶中的成分分析：钾可以促进烟叶中糖类、芳香类等与品质有关的物质的合成和积累，从而影响烤烟的香气质，香气量Ⅲ；钾与烟叶燃烧有关，含钾量高的烟叶有较好的燃烧性和阴燃持火力，烟叶燃烧温度低，有利于减少有害物质产生，提高烟草制品的品质及安全性。游离碱：烟叶中还有一种游离碱，虽然含量很低，但对卷烟质量影响很大、卷烟在燃烧时，挥发碱受热进入烟气中、对人的感官产生一种辛辣刺激，但烟气中还必须有一定量的挥发碱。氯含量对烟叶的影响：烟草是忌氯作物，一直认为含氯肥料不宜在烟田施用，施氯不利于烟株生长和烟叶品质的提高。但氯元素也是烟草的必需营养元素，在烟草体内担负着一定的生理功能，烟叶含氯量过高或过低对烟草品质均有不良影响。ph值在烟叶中的化学成分分析：ph值与烟叶总氮总量、烟碱含量、钾含量和两两之间均呈显著或极显著的曲线相关关系，烟叶中ph值影响着烟叶的质量。还原糖和总糖是评价烟叶化学成分的两个常用指标，而生态因素对二者造成的影响要大于品种等其他因素，因此适宜的生态条件才可能生产出糖类含量适中、化学成分协调的烤烟。矿物质：烟叶中的矿物质种类繁多，烟叶含钾高则燃烧性和阴燃持火力都较强、烟灰也好、以上就是烟叶中所含有的成分。
　　（三）利用线近红外光谱快速测定烟叶中的化学成分
　　利用线近红外光谱快速测定烟叶中的化学成分，是现在烟叶业中应用的方法，由于近红外光谱分析技术的发展，近红外光谱分析技术的快速、无需前处理、无污染、非破坏性以及多组分同时定量分析等优势，在烟草产品的分析测定中得到广泛的应用。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，我国的烟草行业也开始了近红外技术的应用研究。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。从应用看，主要有烟叶的化学成分定量分析、在线监测、烟叶的分类、其他应用等三个方面。近红外光谱所反映的信息强、稳定，因此非常适宜作各类天然物质的水分含量测定以及工业中的在线水分监测。我国的红外线光谱在快速测定烟中化学含量，技术水平发展慢，机器落后。许多国家现已建立了专门的科研力量进行相关应用领域仪器设备的研发，降低仪器成本且保持足够的分析性能成为当今近红外仪器研制的主导方向。容易在生产效率和产品质量方面得到了很好的效果。但是由于我国的机器近红外光谱分析技术方面的研究起步较晚，所以在我国这项技术应用发展较慢。采用先进的技术来进行检测，依据不同种类物质所含化学成分的不同，通过软件设计可以实现极为简单的操作要求，尽管该技术与传统理化分析方法相比精度略逊一筹，但是给出的测量精度足够满足生产过程中质量监控的实际要求，则近红外图谱的峰位、样品的化学成分差异越大图谱的特征性差异越强。采用简易的峰位鉴别可对不同品种的中药进行鉴别采用峰位鉴别法主要是分析组分相差较大的不同种物质，这种方法直观、简便，但对于性质相近的样品鉴别却无能为力。因此必须需要其它的方法，如化学计量学方法等来鉴别，应用近红外光谱仪对烟叶样品化学成分的常规分析，已成为普遍使用的方法。近红外光谱技术可以很快的检测烟叶中的化学成分，近红外光谱技术对信号的数字化和分析有着很重要的作用，用来达到节约成本，快速、简便和大批量地分析烟叶常规化学六种成分的目的。
　　结束语：
　　烟叶中的六种化学成分采用近红外技术进行测定，其中总植物碱、总糖、总氮和还原糖4种指标可以进行比较准确的预测。利用近红外光谱快速测定烟叶中的化学成分，建立近红外分析预测模型， 可以节约成本，快速、简便和大批量地分析烟叶常规化学六种成分，这个技术方法满足监控中的质量控制，所以非常实用。
　　
　　参考文献：
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　　2、刘国珍，陈祖刚， 近红外光谱分析技术进展及其在烟草行业中的应用[J]；烟草科技；2001年11期
　　3、张怀宝；近红外光谱分析技术在烟草成分分析中的可用性研究[D]；山东大学；2007年

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