基于近紅外光譜法建立的模型預(yù)測煙用料液中水溶性糖的含量

陳毅，胡蕓，何軍，謝有超，彭黔榮，*，楊敏

(1.貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，貴陽 550009；3.貴州大學(xué) 藥學(xué)院，貴陽 550025)

煙用料液是煙草制品中不可或缺的輔料添加劑，用于改善卷煙的吸味品質(zhì)，賦予卷煙特征香氣，關(guān)系著卷煙品牌特征風(fēng)味的構(gòu)成和樹立[1]。因此，有效控制不同批次煙用料液的配制質(zhì)量對提升和維護(hù)卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要的意義。然而，料液化學(xué)成分的多樣性與復(fù)雜性給卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量控制造成很大的困擾。目前，煙草企業(yè)大多是依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 164－2012《煙用香精》[2]中規(guī)定的相對密度、折光指數(shù)、酸值、揮發(fā)性成分總量等4個(gè)理化指標(biāo)，從整體上對煙用香精香料進(jìn)行質(zhì)量控制與評價(jià)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，而沒有從料液中的化學(xué)成分分析出發(fā)來有效地解決這個(gè)問題。料液具有高糖的特點(diǎn)，顯著影響卷煙的吸味品質(zhì)，因此可以通過監(jiān)控料液中水溶性糖的含量來評價(jià)料液配制質(zhì)量的穩(wěn)定性。

目前，根據(jù)糖類物質(zhì)的理化性質(zhì)而發(fā)展的檢測方法包括滴定法[3]、連續(xù)流動(dòng)法[4]、離子色譜法[5]、氣相色譜法[6]、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[7]以及高效液相色譜法[8]等。這些方法易受到樣品穩(wěn)定性和揮發(fā)性影響，且需要對樣品進(jìn)行繁瑣的前處理，對儀器及操作人員的專業(yè)知識要求較高，限制了方法的實(shí)際應(yīng)用，很難滿足工業(yè)上快速在線檢測的需求。

近紅外光譜法是新型、發(fā)展迅速的分析技術(shù)之一，因快速、簡便、成本低和無損檢測等優(yōu)勢在煙草行業(yè)引起廣泛關(guān)注。該方法已應(yīng)用于煙草化學(xué)指標(biāo)測定[9]、產(chǎn)地溯源[10]、卷煙真假鑒別[11]、煙葉等級鑒定[12]、煙用香精香料品控[13-15]等方面，而以水溶性糖含量作為煙用料液的配制質(zhì)量控制指標(biāo)的研究卻鮮有報(bào)道。由于料液樣品中的糖類化合物含有O－H、C－H 等多種含氫基團(tuán)，這些含氫基團(tuán)的吸收頻率特征性強(qiáng)且受分子內(nèi)外環(huán)境影響小，更容易被近紅外光吸收，因此近紅外光譜法可用于料液的檢測。本工作采用近紅外光譜法結(jié)合偏最小二乘法(PLS)，建立了快速預(yù)測料液中總糖與還原糖含量的模型，通過將樣品的水溶性糖含量與正常樣品糖含量控制閾值進(jìn)行比對，以判斷待檢料液配制質(zhì)量的穩(wěn)定性，為煙用料液配制過程的質(zhì)量監(jiān)控提供方法和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

AntarisII型傅里葉變換近紅外光譜儀，配透射分析模塊和TQ Analyst 9.4、Result Integration、Result Operation分析軟件，光程為1 mm 玻璃比色皿；Alliance-Futura II型連續(xù)流動(dòng)分析儀；DR-45 SC30型密度折光聯(lián)用儀；AE100型電子天平。

對羥基苯甲酸酰肼、無水乙酸、氫氧化鈉、鹽酸為分析純；試驗(yàn)用水為蒸餾水。

某煙草公司在線配制的不同品牌和不同批次的煙用料液樣品，于4℃保存。料液樣品120個(gè)，其中A品牌20 個(gè)、B品牌20 個(gè)、C品牌30 個(gè)、D品牌25個(gè)、E品牌25個(gè)；待檢料液樣品112 個(gè)，其中A品牌30 個(gè)、B品牌30 個(gè)、C品牌23 個(gè)、D品牌15個(gè)、E品牌14個(gè)。

1.2 儀器工作條件

透射分析模塊；掃描范圍4 000～10 000 cm－1；掃描次數(shù)32次；分辨率為8 cm－1。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 近紅外光譜的采集

將儀器開機(jī)預(yù)熱30 min后自檢。從冰箱中取出待檢樣品，在室溫環(huán)境(22±2)℃下放置2 h后轉(zhuǎn)移至1 mm 光程的比色皿中。以儀器的內(nèi)置背景為參比，按照儀器工作條件采集樣品的近紅外光譜。每個(gè)樣品分析3次，取平均值用于數(shù)據(jù)分析。

1.3.2 水溶性糖含量的測定

依據(jù)YC/T 164－2012測定樣品的相對密度和折光指數(shù)；參考YC/T 159－2019《煙草及煙草制品 水溶性糖的測定 連續(xù)流動(dòng)法》和連續(xù)流動(dòng)分析法[16]測定煙用料液中總糖和還原糖的含量。每個(gè)樣品平行測定2次，取平均值。

1.3.3 模型的建立

采用TQ Analyst 9.4軟件處理數(shù)據(jù)，選擇90個(gè)具有代表性的樣本為建模的校正集，剩余30個(gè)樣本作為驗(yàn)證集；采用二階導(dǎo)數(shù)結(jié)合Norris濾波平滑對原始近紅外光譜進(jìn)行預(yù)處理，在5 400～7 600 cm－1和4 000～4 600 cm－1波段內(nèi)用PLS建立總糖和還原糖的定量分析模型。以模型的校正相關(guān)系數(shù)(Rc)、預(yù)測相關(guān)系數(shù)(Rp)、交互驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)(Rcv)、校正均方根誤差(RMSEC)、預(yù)測均方根誤差(RMSEP)和交互驗(yàn)證均方根誤差(RMSECV)等參數(shù)評價(jià)所建模型的準(zhǔn)確度。

2 結(jié)果與討論

2.1 水溶性糖含量的測定

按照1.3.2節(jié)試驗(yàn)方法分析120個(gè)不同品牌料液樣品，計(jì)算測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見表1。

表1 樣品分析結(jié)果Tab.1 Analytical results of the samples

表1(續(xù))

結(jié)果顯示：120個(gè)料液樣品的相對密度和折光指數(shù)均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 164－2012 的技術(shù)要求；A 品牌料液樣品中水溶性糖的含量較大，B品牌料液樣品中水溶性糖的含量較小，這與料液的配方設(shè)計(jì)有關(guān)；D 和E 品牌料液樣品中水溶性糖的含量比較接近；總糖和還原糖測定值的RSD 均不超過4.0%，表明該方法精密度高、重現(xiàn)性好。

2.2 近紅外光譜

按照儀器工作條件采集120個(gè)料液樣品的近紅外光譜，并采用二階導(dǎo)數(shù)結(jié)合Norris濾波平滑對原始近紅外光譜進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果見圖1。

圖1 煙用料液樣品的近紅外光譜圖Fig.1 Near infrared spectra of tobacco casings samples

由圖1(a)可以看出，料液樣品的近紅外光譜大致分為7 600～10 000 cm－1，5 400～7 600 cm－1、4 600～5 400 cm－1和4 000～4 600 cm－1等4個(gè)波段范圍。其中，7 600～10 000 cm－1主要是含氫基團(tuán)伸縮振動(dòng)的二級倍頻及其合頻的吸收，但是譜帶吸收強(qiáng)度較弱，各品牌料液樣品間幾乎無差異；4 600～5 400 cm－1主要是水中O－H 鍵的伸縮振動(dòng)吸收，不同料液在該波段內(nèi)的吸收強(qiáng)度均處于飽和狀態(tài)，其對建模的意義不大；各品牌料液樣品近紅外光譜信息的差異主要集中在5 400～7 600 cm－1和4 000～4 600 cm－1波段內(nèi)，反映了含氫基團(tuán)的一級倍頻及其合頻的吸收。由圖1(b)可見，預(yù)處理后，在5 400～7 600 cm－1和4 000～4 600 cm－1波段內(nèi)，樣品中由糖含量不同引起的光譜差異明顯，因此可建立其定量分析模型。

2.3 水溶性糖定量分析模型的建立與評價(jià)

為了消除樣品不均勻性、基線漂移及噪聲等因素的影響，同時(shí)采用二階導(dǎo)數(shù)和Norris濾波平滑對樣品的近紅外光譜進(jìn)行預(yù)處理，并用PLS 在5 400～7 600 cm－1和4 000～4 600 cm－1波段內(nèi)建立總糖和還原糖的定量分析模型，結(jié)果見表2。相關(guān)系數(shù)越接近1，且均方根誤差越小，表明所建模型的準(zhǔn)確性越好，預(yù)測能力越強(qiáng)。

表2 模型參數(shù)Tab.2 Parameters of the models

由表2可知，當(dāng)主因子數(shù)為6時(shí)，總糖和還原糖定量分析模型的Rc、Rp、Rcv均大于0.998 0，且RMSEC、RMSEP、RMSECV 均較小，說明所建模型較優(yōu)。

2.4 模型的驗(yàn)證

利用所建模型預(yù)測120個(gè)料液樣品中總糖和還原糖的含量，并與1.3.2節(jié)所得結(jié)果(參考值)進(jìn)行比較，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，總糖和還原糖的預(yù)測值和參考值基本一致。

圖2 總糖與還原糖預(yù)測值和參考值的關(guān)系Fig.2 Relationships between the predicted values and the reference values for total sugar and reducing sugar

為進(jìn)一步驗(yàn)證所建模型的預(yù)測效果，對30個(gè)驗(yàn)證集樣本中總糖和還原糖進(jìn)行配對T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果見表3。

表3 驗(yàn)證集樣本的配對T 檢驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of paired T-test for the validation set samples

由表3可知，總糖、還原糖預(yù)測值與參考值基本一致。通過配對T檢驗(yàn)，總糖和還原糖的顯著性水平(P)分別為0.346和0.123，均大于0.05，說明連續(xù)流動(dòng)法和本方法對料液樣品中水溶性糖含量的測定不存在顯著性差異，表明建立的模型對總糖和還原糖的預(yù)測效果較好，可用于料液中總糖和還原糖含量的快速預(yù)測。

2.5 模型的應(yīng)用

利用建立的模型對112個(gè)待檢煙用料液樣品中水溶性糖含量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果見圖3。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)中的3σ過程控制原理將總糖和還原糖含量的上、下控制限(UCL，LCL)分別設(shè)為為連續(xù)流動(dòng)法測定校正集樣本中水溶性糖含量的平均值(CL)，σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差]，觀測預(yù)測值是否在質(zhì)量控制范圍內(nèi)，進(jìn)而對料液配制質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)[17]。

圖3 112個(gè)待檢料液樣品中總糖和還原糖含量的質(zhì)控圖Fig.3 Quality control charts of the contents of total sugar and reducing sugar in 112 test tobacco casing samples

通過監(jiān)控不同批次料液樣品中的水溶性糖含量，發(fā)現(xiàn)A 品牌5，14，28號樣品中的總糖和還原糖含量分別為10.36%和7.89%，20.24%和19.29%，21.04%和20.14%，明顯低于正常樣品總糖和還原糖含量的平均值22.40%和21.73%，說明這3個(gè)樣品不屬于正常樣品。為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，對該批次樣品的理化指標(biāo)進(jìn)行檢測。A 品牌正常樣品的相對密度和折光指數(shù)的平均值分別為1.135 5 和1.392 2，但是5，14，28號樣品的相對密度和折光指數(shù) 分別 為1.056 3 和1.358 9，1.122 3 和1.388 4，1.127 3和1.389 5，與正常樣品的理化指標(biāo)存在較大的差異，進(jìn)一步證明了該方法的適用性和準(zhǔn)確性。同樣地，C品牌21號樣品中總糖和還原糖含量分別為10.38%和9.42%，相對密度和折光指數(shù)分別為1.074 7和1.378 9，與正常樣品存在較大差異，說明該樣品不屬于正常樣品。而B、D 和E 品牌樣品中水溶性糖含量均在質(zhì)量控制范圍內(nèi)波動(dòng)，表明樣品配制質(zhì)量的穩(wěn)定性較好。

由于配方不同，不同品牌煙用料液中水溶性糖含量亦不同。本工作采用近紅外光譜法，結(jié)合PLS建立了料液樣品中總糖和還原糖含量的定量分析模型，利用該模型可快速、實(shí)時(shí)預(yù)測不同品牌、不同批次樣品中的水溶性糖含量，通過質(zhì)控圖分析料液配制質(zhì)量的穩(wěn)定性。該方法極大地提高了檢測效率，為煙用料液的質(zhì)量評價(jià)提供了一定的參考，對配制工藝過程的改善具有指導(dǎo)意義。