李陽陽 彭黔榮 劉娜

摘要：為探究一種快速、高效的卷煙近紅外干燥方法，試驗采用貴州地區(qū)不同品牌卷煙煙絲、煙末樣品，利用微波爐和烘箱對樣品進行干燥處理，探究傳統(tǒng)烘箱法和微波法在卷煙近紅外應用過程中的差異。結果表明，（1）微波法在干燥效率方面要優(yōu)于傳統(tǒng)烘箱法，經微波和烘箱干燥后的卷煙煙絲、煙末樣品在近紅外光譜圖和主成分空間分布上有明顯的差異，說明水分含量對卷煙樣品的性質有較大影響;（2）微波和烘箱干燥后的樣品經近紅外模型預測后發(fā)現(xiàn)，卷煙煙末樣品的預測結果穩(wěn)定性整體優(yōu)于煙絲樣品，微波干燥1、2 min后的預測結果能達到甚至優(yōu)于傳統(tǒng)烘箱 40 ℃ 干燥2 h的模型預測結果。綜合來看，將微波快速干燥技術應用于卷煙煙末樣品的近紅外快速預測是可行的，但對于卷煙煙絲樣品不適宜。

關鍵詞：近紅外光譜;微波;烘箱;干燥;含水率

中圖分類號： O657.33 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0214-06

近紅外（NIR）作為一種簡捷、快速、無損的光譜分析技術，已經被越來越廣泛地應用于食品、化學、制藥、煙草等行業(yè)[1-3]。特別是化學計量學的發(fā)展對近紅外技術的應用起到了巨大的推動作用，使其變得越來越穩(wěn)定、可靠。據(jù)報道，煙草中含水量的變化不僅會影響近紅外光譜的吸收，同時也會對煙葉常規(guī)化學成分的檢測造成影響[4]。因此，煙草樣品在采用近紅外快速預測前，要對樣品進行干燥或水分平衡，以降低水分含量對模型預測造成的誤差。通常，煙草行業(yè)采用烘箱干燥法將樣品置于40 ℃條件干燥約2 h，以降低樣品的含水率，這種方法不僅干燥效率低，同時也不利于樣品的快速預測。

微波干燥技術作為一種新興的干燥技術，不僅干燥速率高、耗能少，同時還可以防止物質中有效化學成分的破壞和流失，在煙草行業(yè)中有較廣泛的應用[5-6]。秦西云等曾創(chuàng)新性地將微波快速干燥技術應用于煙草樣品的前處理過程，使微波在煙草近紅外分析中的應用成為了可能[7]，但是國內外的研究中尚未發(fā)現(xiàn)將微波快速干燥技術應用于卷煙不同物理狀態(tài)的近紅外分析。本研究通過將烘箱和微波干燥法應用于卷煙樣品近紅外常規(guī)化學成分分析和預測，發(fā)現(xiàn)微波快速干燥技術不僅能快速提高樣品的干燥效率，同時也可提升近紅外卷煙分析的效率和模型預測的準確度，可為卷煙樣品的快速干燥和精準分析提供新的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

近紅外成品卷煙煙絲、煙末建模樣品來源于貴煙不同品牌卷煙的240個左右的成品卷煙;微波、烘箱試驗樣品采用2016年12月份8種不同品牌的貴煙卷煙樣品。

AntarisⅡ傅里葉近紅外分析儀器（美國Thermo公司）;Futura型8通道連續(xù)流動化學分析儀（法國Alliance公司）;FZ102微型植物粉碎機（天津市泰斯特儀器有限公司）;FED115型烘箱（德國Binder公司）;AE100型電子分析天平（瑞士Mettler-Toledo公司）;HY-6型雙層調速多用振蕩器（江蘇金壇榮華儀器制造有限公司）;格蘭仕800 W家用平板微波爐（廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 卷煙樣品的制備 從貴州中煙工業(yè)有限責任公司2016年12月份的成品卷煙中，分別挑選8個不同品牌的卷煙樣品，剝開取煙絲混合均勻后挑選4個作為煙絲樣品，其余4個樣品參考行業(yè)標準YC/T 31—1996《煙草及煙草制品 試樣的制備和水分測定 烘箱法》[8]，將卷煙煙絲樣品先經40 ℃烘箱干燥2 h左右，直至用手輕輕可以捏碎為止，然后冷卻至室溫，采用植物粉碎機進行粉碎，并過40目篩。待樣品冷卻至室溫后，裝入一次性密封袋中低溫、避光保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 微波爐和烘箱的參數(shù)選擇 試驗為探究微波法和傳統(tǒng)烘箱法干燥效果的差異，參照傳統(tǒng)的干燥方法將烘箱的干燥溫度設置為40 ℃。在進行微波檔位選擇時，發(fā)現(xiàn)采用 800 W 功率的快速加熱檔進行干燥后在干燥2～3 min后局部已經開始變質，當選用解凍檔干燥時，樣品性質較為穩(wěn)定，因此以下試驗中選用微波爐解凍檔對樣品進行干燥。

1.2.3 光譜采集和化學成分檢測 試驗過程中光譜的采集參考GB/T 29858—2013《分子光譜多元校正定量分析通則》[9]并結合實際情況，將光譜采集條件設置如下：光譜采集范圍為4 000～10 000 cm;分辨率為8.0 cm;掃描次數(shù)為64次。據(jù)報道，煙草樣品在高溫和含水量偏低的情況下，具有較強的吸水能力[10]。因此為了消除溫度和采集光譜過程中由于高溫而發(fā)生的迅速吸濕現(xiàn)象，樣品在不同的干燥試驗后，要先放置到硅膠干燥器中冷卻30 min左右，待樣品冷卻至室溫，再采集樣品光譜。試驗過程中為了避免樣品不均勻對結果的影響，每個樣品平行測3次，取平均光譜;卷煙中水分測定參考煙草行業(yè)標準YC/T 31—1996《煙草及煙草制品 試樣的制備和水分測定 烘箱法》[8];卷煙6種常規(guī)化學指標煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀和氯含量的檢測參考行業(yè)標準[11-15]進行。

1.3 數(shù)據(jù)分析

建模過程中光譜平均、光譜數(shù)據(jù)的預處理[如一階求導、二階求導、多元散射校正（MSC）和平滑濾波等]均采用Matlab R2014a進行編程處理，然后采用AntarisⅡ傅里葉近紅外分析儀器自帶的TQ Analyst 9.0光譜分析軟件建立卷煙煙絲、煙末的偏最小二乘（PLS）模型，最后在對模型進行評價時，采用SPSS 14統(tǒng)計分析軟件對模型的實用性進行評價。

2 結果與分析

2.1 微波烘箱干燥效率分析

2.1.1 微波場均勻性研究 采用微波干燥時常常會存在加熱不均勻的問題[16]，因此本試驗參考國家標準[17]對家用平板微波爐內的微波場均勻性進行探究。將樣品平均分成5份，分別置于微波爐腔內的A、B、C、D和E 5個不同位置（如圖 1-a所示），在相同的時間梯度下干燥4 min，得到如 圖1-b所示的結果。說明無論是卷煙煙絲樣品還是煙末樣品，當樣品放置的位置不同時，樣品的干燥結果存在較大差異，表明家用微波爐內的微波場的確存在加熱不均勻現(xiàn)象。因此，為消除微波場的不均勻性對試驗結果穩(wěn)定性的影響，以下在進行微波干燥時統(tǒng)一將樣品置于E點位置。

2.1.2 微波和烘箱干燥效率研究 選取初始水分含量為10%的3個卷煙煙末樣品，分別將3個樣品置于室溫、相對濕度（RH）為（40±5）%、（60±5）%和（70±5）%的條件下平衡24 h，測定樣品含水率結果如下：1號樣品為8%，2號樣品為11%，3號樣品為14%。然后將每個樣品分別在40 ℃烘箱和800 W微波爐解凍檔條件下干燥，最后檢測干燥后的樣品水分含量。結果發(fā)現(xiàn)，采用微波干燥樣品的干燥效率明顯優(yōu)于烘箱，且微波干燥2～3 min左右樣品含水量減少量接近甚至可以達到烘箱40 ℃干燥2 h的水分干燥效果。但是微波和烘箱在卷煙近紅外應用過程中是否會對卷煙樣品的近紅外譜圖和主成分分布產生影響需要作深入研究。因此，接下來研究了不同干燥條件下（即不同水分含量條件下）樣品譜圖和主成分分布的變化。

2.2 水分含量對卷煙近紅外譜圖和主成分的影響

2.2.1 水分含量對卷煙近紅外譜圖的影響 為探究水分含量對卷煙煙絲、煙末樣品近紅外譜圖和主成分信息的影響。本研究選取了初始水分含量為13.5%的卷煙煙末樣品，將樣品一分為二。一份用于烘箱干燥試驗，一份用于微波干燥試驗，得到如圖2所示的近紅外光譜圖。由圖2-a和圖2-b可以看出，在近紅外全譜圖上的5 155 cm-1和6 944 cm-1附近，樣品有非常明顯的吸收變化，隨著干燥時間的增加，樣品水分含量不斷降低，光譜在相應區(qū)間的吸收強度逐漸降低。這是由于水中的O—H伸縮振動的較強和頻吸收峰和一級倍頻吸收峰分別出現(xiàn)在5 155 cm-1和6 944 cm-1，水分含量越高，樣品在 5 155 cm-1 和6 944 cm-1處的吸收強度也越強[18];另外，由 圖2-c可知， 卷煙樣品經一階求導預處理后并不能有效地消除水分差異對光譜造成的影響。

2.2.2 水分含量對卷煙主成分的影響 主成分分析是近紅外分析中常用的一種多元統(tǒng)計分析技術，其目的是在最大程度地減少信息損失的情況下，將數(shù)據(jù)進行降維處理，用少數(shù)幾個新獨立變量來盡可能表達原變量的信息，從而消除原始數(shù)據(jù)中存在的相關性和信息冗余。因此，主成分分析技術在光譜信息壓縮、抽提等領域得到了廣泛的應用。利用主成分得分可以更加直觀、形象地對樣品進行判別分析等[19]。為了探究水分含量對卷煙主成分的影響，試驗選取了8個不同品牌、不同水分含量卷煙樣品（4個煙絲樣品，4個煙末樣品），在微波1、2、3 min和烘箱2 h共4種干燥條件下進行試驗，得到經過微波、烘箱干燥后的卷煙煙絲、煙末的近紅外光譜圖，利用Matlab R2014a軟件制得如圖3所示的樣品主成分得分圖。結果表明，對于不同品牌的卷煙煙絲、煙末樣品，經微波和烘箱干燥后，隨著卷煙樣品的水分含量不斷降低，在不同干燥條件下樣品的主成分空間分布整體不斷向右偏移;對于同一卷煙煙絲、煙末樣品，當水分含量差異越來越大時，樣品的空間分布距離也越來越遠。因此，卷煙樣品的水分含量會對樣品的主成分空間分布產生影響。

2.3 微波、烘箱干燥后的近紅外預測誤差分析

2.3.1 卷煙煙絲、煙末模型的建立 首先，采集2016年240個卷煙煙絲樣品光譜，然后將煙絲進行打磨、過篩制成煙末，接著再采集煙末樣品光譜。采用蒙特卡洛交互檢驗法（MCCV）對奇異樣品進行篩選[20]，并利用Kennard-Stone算法挑選出建模樣品集，然后將挑選出的樣品經不同的預處理算法進行處理，最后建立卷煙不同物理狀態(tài)下（煙絲、煙末）的偏最小二乘回歸模型。采用SPSS 14.0軟件對模型的預測結果進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)預測值和參考值之間不存在顯著差異，具有較高的實用性。煙絲6種常規(guī)化學成分的模型指標見表1，模型參考值與預測值見圖4。煙末6種常規(guī)化學成分的模型指標見表2，模型參考值與預測值見圖5。

根據(jù)煙絲、煙末在微波和烘箱干燥條件下的預測值，利用式（1）、式（2）計算得到卷煙煙絲、煙末樣品在不同干燥條件下的ARD（其中氯采用平均絕對偏差AAD）和SEP。采用Origin 9.0作圖得到卷煙煙絲、煙末在不同干燥條件下的平均相對誤差圖（圖6-a）和預測標準偏差圖（圖6-b）。

通過對比分析卷煙樣品經烘箱和微波快速干燥后的2個評價指標ARD和SEP發(fā)現(xiàn)，首先，卷煙煙末樣品常規(guī)化學成分的ARD和SEP整體要優(yōu)于煙絲樣品，水分含量的變化會造成煙絲樣品的預測結果產生較大的波動， 即煙絲樣品的常規(guī)

化學成分的預測穩(wěn)定性較煙末差。但考慮到煙絲樣品少了打磨、過篩等制樣環(huán)節(jié)，所以在快速預測方面煙絲樣品要優(yōu)于煙末樣品。其次，從圖6也可以看出，對于不同水分含量的煙末樣品，經微波和烘箱干燥后，樣品的ARD和SEP整體上較干燥前有所下降，表明水分含量的降低確實可以提高近紅外模型預測的精確度，但經微波干燥3 min時，水分含量降低到5%以下，近紅外的預測誤差反而會升高，這與段焰青等的研究結果[4]基本一致。因此卷煙煙末樣品在經近紅外預測時的水分含量不宜太低也不宜太高。而對于卷煙煙絲樣品，經烘箱和微波干燥后，樣品的ARD和SEP整體上較干燥前有較大升高（尤其是總糖和還原糖），說明卷煙煙絲樣品在干燥后會增大樣品的預測誤差。一方面是由于經微波和烘箱干燥后，樣品的緊密度較干燥前發(fā)生了變化，另一方面是由于經干燥后的煙絲樣品水分含量和建模樣品的水分含量差異較大。因此，卷煙煙絲樣品進行預測時不宜進行干燥處理，以建模時樣品的水分含量為宜。

經微波干燥1、2 min后，卷煙樣品的ARD和SEP整體上要小于傳統(tǒng)烘箱 40 ℃ 干燥 2 h 的結果，即卷煙樣品經微波干燥1、2 min對樣品預測精確度的提升要優(yōu)于傳統(tǒng)烘箱 40 ℃ 干燥2 h的結果。微波法不僅在干燥效率上優(yōu)于傳統(tǒng)烘箱，同時對樣品預測精確度的提升方面也優(yōu)于傳統(tǒng)的烘箱干燥法。

3 結論

本研究利用近紅外技術建立了卷煙不同物理狀態(tài)下的定量分析模型，并將微波和烘箱應用于卷煙近紅外的分析過程中。結果表明：水分含量對卷煙煙絲、煙末樣品的近紅外光譜吸收強度和主成分分布有較大影響。隨著水分含量的升高，在譜圖區(qū)間的6 944、5 155 cm-1附近的吸收強度也越大，通過一階求導等預處理方法不能有效地消除水分含量帶來的光譜差異;通過對比傳統(tǒng)的烘箱干燥法和微波干燥法的卷煙近紅外預測結果發(fā)現(xiàn)，經微波干燥后的樣品預測準確度整體要優(yōu)于傳統(tǒng)烘箱干燥的結果，采用微波干燥1、2 min后樣品的預測準確度要優(yōu)于烘箱40 ℃干燥2 h的結果，但對于煙絲樣品不適宜進行干燥處理。微波干燥法不僅在干燥效率上優(yōu)于烘箱法，同時對提高樣品預測準確度起到了積極的作用，是一種快速、精確的卷煙近紅外干燥方法。此外，微波加熱不均勻性一直是行業(yè)研究的熱點和難點，嚴重影響了微波干燥技術在工業(yè)化應用中的推廣。本研究僅通過固定樣品位置來降低微波場的不均勻性影響，如何從根本上克服微波加熱的不均勻性問題，需要在接下來的工作中進行深化研究。