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张建平，束茹欣
上海烟草（集团）公司 技术中心
摘要：近红外光谱信息与有机物质结构之间有密切联系，利用近红外可以研究检测烟草的许多质量特征，由于近红外检测具有无损、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。本文较系统而简要地介绍了作者对近红外的研究和应用探索。研究表明，应用近红外技术，不但可以建立烟草烟碱、总糖等主要的化学成分的快速测试方法，也可以测试多酚、烟叶陈化指标甚至卷烟焦油等一些指标，同时还可以用于卷烟质量判别、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、烟叶存储养护过程、入库及在库烟叶的质量检测、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，为结合外观质量的内在质量对烟叶和卷烟的的质量进行研究和监控提供了强有力的技术支持。
关键词：近红外，烟叶，卷烟，检测
1． 简介
1．1 应用近红外技术进行分析的原理及特点
利用近红外技术进行分析和研究的基本原理：利用物质中C-H、N-H、O-H及C=O等基团对近红外光谱吸收较强的特点，根据有机物质的近红外技术光谱信息，对相对特征（如物理、化学4、生物学性质）进行定量测量的技术。烟草中烟碱、糖、氮、焦油及其它一些质量特征，与以上基团均有密切关系，因此可能使用近红外技术对这些特征进行定量测量或定性分析。
近红外分析技术具有以下特点：（1）测试速度快，比较适合于大批量测试；（2）测试操作简单；（3）测试过程中无化学反应，没有污染；（4）测试过程对物质结构没有破坏，为无损检测，样品可以重复使用；（5）可以使用于生产线，进行在线或离线检测。
1．2 近红外技术定量分析的流程与步骤
近红外技术分析的基本流程分为两步：（1）建立数学模型；（2）应用数学模型进行分析。
建立数学模型：使用近红外技术分析之前，首先必须收集一批具有代表性、含量或性质已知的标准样品，测定其光谱，选择性地使用谱区中的有关光谱信息，使用化学计量学方法，建立光谱与特征间的数学关系，经方法筛选最后建立相关的数学模型。
应用数学模型分析：模型建立以后，首先测定被测样品的光谱，使用模型即可定量计算有关特征值。只要有相关的测试模型，可以实现一次扫描，所有指标同步预测，无需传统方法多种指标可能采用多种分析方法。由于近红外技术定量分析是居于数学关系模型的二次分析，因此数学模型非常关键。
1．3近红外测试的注意要点
从1997年起，我们开始了近红外的技术研究及推广应用。在研究初期，我们对扫描时的温度湿度及扫描条件进行了广泛深入的研究。研究表明实验室温度湿度对近红外光谱曲线有一定的影响，但影响不大，只要对实验室的温度湿度进行适当控制，不要变化太大即可。扫描条件方面，样品的粒度读仪结果有一定的影响，一般粒度越细，结果的重现性越好，如果样品较粗，需要适当增加扫描次数来弥补。装样方面，样品的装填密实度和样品量对结果有影响，这样进行适当控制。另外近红外的使用很方便，但要真正使用好也有难度，为保证测试结果的可靠准确，必须根据样品的变化，不断对所建立的测试模型作有效的跟踪和维护。
2． 利用近红外技术所建立的检测模型及数据结果
到目前为止，我们对近红外技术进行了比较广泛系统的研究，下面就相对比较成熟的一些方法作一介绍。由于涉及较多方法的内容，统一以标准方法与近红外方法的平行测试数据作比较，并以两者相关系数R来说明所开发指标的精度情况。
2．1 烟草主要化学成分测试模型
烟草主要化学成分的测试模型建立过程如下：选择有代表性的烟叶标样，根据烟草所传递的标样，利用流动分析仪，测试标样的化学值（作为烟叶化学指标的真值），利用近红外仪器扫描标样的近红外光谱，建立并优化模型。利用流动分析仪与近红外，对其他样品进行平行测试对比，以判断近红外的测试精度。
以下其他指标的方法基本相同，所以类似内容一般不再重复赘述。
烟草主要化学成分方面，建立了以下化学成分的测试模型：烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾、氯，结果如下。测试结果表明，这样的测试精度已经满足我们大多数使用场合的测试要求（根据我们的经验，相关系数R>0.98的话，测试精度基本达到使用要求）
2 .2 多酚物的测试模型
2.3 焦油的测试模型
卷烟焦油的测试模型建立过程如下：选择辅助材料和烟支规格基本相似的卷烟牌号作为标样，采用国际规定的吸烟机测试其焦油量，建立相应的近红外检测模型。
根据出版建立的焦油测试模型，实测值与近红外之间的相关系数R只有0.969，与其他指标的目标要求尚有一定的差距。但仔细分析其原因，由于影响焦油的因素很多，包括辅助材料、烟支加工质量，特别是由于焦油测试的复杂性，其标样测试本身的误差也不可忽视。从测试原理上讲近红外方法测试焦油是根据原料所作出的判断，由于所采集标样中大量带入以上误差信息，造成近红外测试焦油的精度不是很高。为提高近红外测试模型精度，必须尽量选辅助材料和加工质量尽量一致的标样。一旦建立起精度较高的测试模型，近红外快速测试焦油的方法有较大的使用价值。因为它能针对烟叶本身进行预测，能较好地分割辅助材料和加工质量的影响，从而将烟叶本身的焦油波动性敏感地反映出来。当然，精确的测试模型还需要一些细致的测试工作来支撑，但可以断定近红外测试焦油的精度肯定有提高的空间。在烟丝和烟叶的焦油预测方面的作用和应用是可以预期的。
2.4 薄片、梗丝比例的测试模型
研究了卷烟烟丝中辊压法薄片以及梗丝比例的测试模型。方法如下：以不同配方的烟丝作为底料，人工加入不同比例的薄片和梗丝作为标样，建立测试模型，再配出不同比例的烟丝配方，检验使用近红外检测模型检测。
由图可以看出，梗丝的模型优于薄片，因为梗丝与叶丝的差距大于薄片与叶丝的差距。另外梗丝和薄片含量为0%时，测试的偏差相对较大，分析认为存在以下可能：由于测试梗丝时所利用的信息主要是梗丝与烟叶之间的差异，如纤维，所谓“不含梗丝”的烟丝，其中还是含有一些细小的叶脉，即使是不含梗丝的全烟丝（0%梗丝），实际上其中还是有少量的梗丝，由于建模时细小叶脉的含量不尽相同，容易造成0%梗丝含量时的建模误差，所以在梗丝含量极低时该模型测试结果不太理想，梗丝含量稍高后测试精度是较好的。测试薄片所用的信息也是薄片与烟叶之间的一些微小差别，不难理解要建立精确的模型相对要难一些。就薄片测试模型的精度，目前的水平不是最理想的。
2．5 烟叶陈化程度判别
2．6 烟质量判别模型
卷烟的感官评吸质量是卷烟产品最终也是最重要的质量指标，但由于卷烟评吸质量没有仪器，只能根据人的感观来判断，所以其准确性、公正性、客观性受到人无法控制的许多因素的制约，如何形成一种科学有效的感观质量评价或检测手段，是许多烟草科技人员梦寐以求的理想。为此我们应用近红外技术进行了初步的尝试，获得了可喜的信息。
方法如下：将卷烟牌号的感官质量指标设计值作为标样结果输入近红外系统，建立和优化模型，用该模型检测有关不同时期生产的卷烟感官质量。由图可以看出，应用近红外模型对不同牌号卷烟的感观质量进行预测，可以较好地区分不同档次的卷烟，其质量预测值也较好地围绕在设计值附近波动，设计值与近红外预测值之间的相关系数R=0.980，具有较高的预测精度。如果能够组织对不同牌号卷烟的感观质量进行比较系统细致的评吸，将该实际的评吸结果替代设计值进行建模，相信模型的预测精度和准确度可以进一步提高。
2.7 卷烟的真假识别
假冒卷烟是困扰卷烟行业的一个毒瘤，假冒烟的水平也在不断提高，包括包装、烟丝配方质量、香气特征等，有时一些高水平的假冒烟可以做到以假乱真的地步，所以真假烟鉴别的难度在不断提高。为此我们利用近红外技术进行了真假卷烟的技术识别研究。由于卷烟的近红外光谱包含有大量的综合信息，利用近红外进行真假卷烟的识别，在技术上具有可靠性。由于对一个高水平的仿制品有时需要综合应用各方面的信息进行判断，在此因篇幅问题关系不作详细展开，仅以一种方法举例说明近红外技术在真假卷烟识别中的应用。
图19是应用聚类方法，将真烟、假烟和其他卷烟放在一起，使用聚类分析软件进行分类，可以看出假中华与真中华的差距很大，可以方便地将假中华识别出来。
3. 近红外快速测试在实际质量研究、监测和控制中的应用
应用近红外技术所建立的一些快速测试方法，已经在我们实际的质量研究、监测和控制中得到重要应用，并充分发挥了不同发作用。
3．1 应用于实验室
近红外快速测试技术已经在实验室的大量样品测试方面得到推广应用，并发挥了重要作用。在实验室应用方面，近红外技术的主要优势体现在：（1）大大提高了实验室的测试能力，如烟叶主要化学成分的测试能力提高了10-20倍，以往这方面的测试能力往往是我们许多研究工作的瓶颈因素，现在该问题得到了很大的缓解；（2）大大加快了测试数据的反馈速度，在许多研究中一般一旦送样分析，需要急等数据来作技术决策，近红外将原先至少一周的测试周期缩短为几小时，紧急情况下，甚至可以在几分钟内给出结果。所以其作用和意义是可想而知的。
3．2 应用于制丝线的质量研究与监测
为了稳定和提高卷烟质量，制丝线上有许多与烟叶质量相关的研究和质量监控工作，如监控投料、掺配品、在制品、成品等的质量状况，研究制丝工艺过程的掺配均匀性、制丝加工过程中的内在质量变化、制丝工艺过程的参数优化等。所有这些工作，均需要有大量、及时的测试工作相配套，以前由于我们测试能力以及测试周期的限制，许多研究和质量监控工作，理论上是可以进行的，但实际是较难开展的，近红外快速测试技术的推广应用，为这些技术研究提供了强有力的技术支持，从而实际上推动了这些工作的开展和深入。
3．3 烟叶存储养护过程研究与质量监控
随着科技水平和卷烟质量要求的不断提高，烟叶储存养护过程已逐渐被人视为烟叶的一个重要工艺过程。要研究和监控烟叶养护过程中的质量及其变化，需要做大量的测试分析工作，而且由于烟叶养护过程中变化的细微性，要求测试样品尽可能保持一致，但烟叶作为农产品，样品间的差异又是必然存在的，这两方面因素往往使烟叶养护的研究较难进行。近红外由于其快速简便的特点，大量的测试工作以不成问题，近红外的无损检测特性又可以将检测过的样品重新放回正常的养护环境，过一定时间后进行周期的检测，因此造就了无差异样品的研究条件，为储存过程中烟叶变化规律的研究提供了以往测试方法所无法比拟的测试能力和样品重现性保证。
3．4入库和在库烟叶内的质量检测和质量数据库的建立
以前由于测试能力的限制，烟叶在入库检查时，往往只能检查一些外观质量以及较容易测量的指标如水分，而对真正影响烟叶使用的化学成分，一般是无法实现入库检查的。同样在库烟叶的质量普查一般也以外观质量为主，少量做一些化学成分的分析。实际上大量烟叶的化学质量状况通常使用者是很难全面了解和掌握的。现在国内卷烟消费水平在不断提高，国家局对卷烟内在质量的控制要求也在不断提高，另外面临国际产品的强大压力，稳定和提高卷烟内在质量的需求也不断提高，而我们国内产品与国际名牌重要差异就是内在质量的稳定性。为此我们需要加强对卷烟内在质量的研究、了解和控制，必须从烟叶原料的内在质量入手，研究、了解和开展卷烟的质量控制。近红外测试方法的快速、简便和可以不断扩展测试内容的技术特性，为在库烟叶质量的全面检测和烟叶质量数据库的建立提供了强有力的技术支撑。
3．5 烟叶初配方打叶复烤的质量检验与控制
国家局正在推行烟叶在产地就地交接和打叶，这将为烟叶的采购、加工和使用带来巨大的变化，对卷烟工业来说，借助于打叶复烤这个环节推行初配方打叶复烤，又将为烟叶质量及卷烟质量的稳定引入一个重要技术环节，近红外快速测试技术将可以为这个技术环节提供强有力的技术支持。在实行初配方打叶复烤时为保证复烤烟叶的内在质量均匀一致，需要及时准确了解进入配方烟叶的质量情况，在可能的条件下对烟叶原料作适当的掺合搭配。近红外快速测试技术可以让技术人员及时、准确和大量的掌握烟叶原料的质量情况，从而为配方提供科学的数据指导。
3．6拟采购烟叶的质量预警
近几年的烟叶质量跟踪和研究表明，某些地区烟叶的某些化学指标存在一定的问题，如烟碱过高，总氯含量偏高等。在正常情况下，一般通过一些系统的检测分析，从而知道待采购地区烟叶的大概质量情况，但这往往是根据历史数据所作出的判断，在一些特殊年份或特殊情况下，如果烟叶的内在质量变化较大的话，历史数据可能会有所误导，从而导致采购进一些内在质量不符合要求的烟叶。利用近红外测试技术的快速和可大量测试的优势，对问题地区或烟叶进行即时或准即时测试，为采购人员和技术人员提供拟采购地区当年的烟叶质量动态，从而为所采购烟叶的内在质量把关。而采用以往的测试方法，要这样去做，测试周期和数量方法的限制很大。
4. 近红外技术的应用展望
以上所介绍的一些应用，仅仅是我们已经得到成功应用的一些例子，实际上根据据近红外的技术特点，可以扩展的内容几乎是不受限制的，当然也不是万能的。在测试内容方面，象淀粉、蛋白质、灰份，一些烟叶的提取物含量等，是近红外经典的测试目标，可以很方便地建立起相关的测试模型，象烟叶的外观等级、内在评吸质量、甚至烟叶的配方技术等，均可能应用近红外技术来研究和辅助判断。判断近红外技术是否适合相关指标的测试，关键是要抓住（1）待测指标与烟草中的有关有机物之间要有直接或间接的联系；（2）目标指标或其载体物质含量不能太微小，一般最好含量在百分含量（至少是千分之几）以上。只要满足这些条件，又可以找到准确性、代表性、系统性较好的标样物质，一般均可以较有把握建立起近红外的快速分析模型。至于如何应用，则完全依靠个人的想象，近红外可以想象，近红外技术非常有希望成为烟草研究和质量监控的一个有力的手段和工具。
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