段 昊 嚴(yán)新龍 李新生

(上海煙草集團(tuán)太倉海煙煙草薄片有限公司 技術(shù)中心,江蘇 太倉215400)

造紙法再造煙葉的厚度大約為0.1 -0.5 mm，水分10%-20%，是可用于卷煙生產(chǎn)的人工均質(zhì)化煙葉[1]。添加造紙法再造煙葉是卷煙降焦減害的有效時(shí)段之一[2-3]。其感官評(píng)吸質(zhì)量主要與其關(guān)鍵化學(xué)指標(biāo)(總煙堿、總糖等)相關(guān)。目前，采用的流動(dòng)分析方法存在樣品前處理復(fù)雜，耗時(shí)，無法快速反饋生產(chǎn)等缺點(diǎn)。因此，開發(fā)一種能夠在線使用的分析方法是目前亟待解決的問題。

近紅外技術(shù)近年較為成熟的應(yīng)用于煙草行業(yè)，對(duì)煙葉和卷煙產(chǎn)品以及煙氣的水分、煙堿等化學(xué)組分進(jìn)行在線檢測[6]并用于質(zhì)量控制[8]，但應(yīng)用于煙草薄片的生產(chǎn)中尚不多見。袁而文等[9]研究了再造煙葉原料常規(guī)化學(xué)組分的近紅外定量分析，煙堿、總糖、還原糖及氯模型的校正均方差與預(yù)測均方差接近且均較小。王維妙等[10]用近紅外透射法測定薄片中的5種化學(xué)組分，但是其精度略低于漫反射方法?？梢?，近紅外光譜技術(shù)在一定條件下能夠快速且較準(zhǔn)確的測定再造煙葉中的關(guān)鍵化學(xué)指標(biāo)。

本課題以總糖為目標(biāo)，使用在線近紅外技術(shù)，檢測再造煙葉的組分含量，建立了基于在線近紅外光譜分析技術(shù)的再造煙葉成品中總糖的快速測定方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與實(shí)驗(yàn)。在線近紅外光譜檢測儀（光譜儀產(chǎn)自卡爾蔡司）。儀器光譜掃面范圍4000-10000cm-1，分辨率9cm-1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法。

1.2.1 樣品的收集及處理。光源和探頭與現(xiàn)場物料之間保持垂直，距離適中。在近紅外檢測儀的照射光斑附近取樣，取樣時(shí)間為100s。

1.2.2 樣品的預(yù)處理和組分測定。取樣后樣品密封保存，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 159-2002《煙草及煙草制品水溶性糖的測定連續(xù)流動(dòng)法》測定總糖含量。

1.2.3 建模及預(yù)測。樣品隨機(jī)分為校正集和驗(yàn)證集，建模方法采用偏最小二乘回歸法（PLS）。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣本集總體情況。樣品集共取得樣品501個(gè)，包含兩個(gè)牌號(hào)的再造煙葉，時(shí)間跨度4個(gè)月，18個(gè)原料批次。樣本集的光譜圖見圖1，并列出樣本集的化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)（表1）。

圖1 501個(gè)薄片樣本在線近紅外光譜

表1 指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)于工程檢測而言，檢測點(diǎn)應(yīng)當(dāng)越少越好，檢測精度應(yīng)當(dāng)越高越好，以上三種物質(zhì)中，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判斷，總糖含量的多少對(duì)評(píng)吸結(jié)果具有較大影響，因此選出絕對(duì)值最大的總糖作為主要的目標(biāo)檢測物。

2.2 模型的建立和評(píng)價(jià)。樣本集的總糖含量的分布情況如圖2所示，總糖含量大體上服從服從正態(tài)分布，在7.63 %-10.43 %之間均有足夠的樣本量，該范圍覆蓋成品質(zhì)量所要求的的總糖含量。

圖2 樣本集的總糖含量分布

2.3 模型的建立和預(yù)測效果。全部樣本分為樣本集和驗(yàn)證集，除去剔除的光譜離群樣本之外，樣本份分布見表2。

表2 樣本集劃分情況及化學(xué)值統(tǒng)計(jì)(總糖)

模型使用二階導(dǎo)數(shù)處理光譜信息，并使用片最小二乘法（PLS）建立近紅外光譜的預(yù)測模型，模型的建立結(jié)果見表3、圖3。驗(yàn)證集均方根殘差為0.37 %，相比較于實(shí)際生產(chǎn)控制過程中總糖的允差為±2.00 %，課題組認(rèn)為其檢測結(jié)果能夠滿足在生產(chǎn)過程中線檢測預(yù)警的需求。

圖3 真實(shí)值與預(yù)測值對(duì)比圖

表3 模型結(jié)果統(tǒng)計(jì)(總糖)

2.4 檢測模型在生產(chǎn)線上的驗(yàn)證。實(shí)際使用中，通過檢測時(shí)前后多個(gè)點(diǎn)去平均值，可以有效降低檢測誤差。一般情況下，取前后10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)平均處理，則實(shí)際反應(yīng)時(shí)間減低到原先的1/10，但是檢測誤差可以降低到原先的1/3，大大提高模型可用性。

使用10點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)平均的方法用于生產(chǎn)線實(shí)際檢測，并隨機(jī)抽取現(xiàn)場樣品，結(jié)果與取樣時(shí)的及其檢測結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。共進(jìn)行31次數(shù)據(jù)對(duì)比，按取樣時(shí)間形成圖4。

圖4 總糖含量的對(duì)標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖中可以看出近紅外在線檢測結(jié)果可以很好的用于在線檢測再造煙葉中的總糖含量，模型預(yù)測結(jié)果與流動(dòng)分析結(jié)果走勢(shì)幾乎相同。引入余弦相似度和兩個(gè)向量長度的比值來衡量兩組值是否存在系統(tǒng)性誤差：

以上兩個(gè)數(shù)據(jù)均越接近于1越好。結(jié)果見下表：

表4 三中化學(xué)組分預(yù)測結(jié)果與世界檢測結(jié)果的一致性

以上結(jié)果得出，該模型檢測總糖含量的結(jié)果與實(shí)際值之間相似度接近于為0.83 ，符合一個(gè)較好的在線檢測模型的標(biāo)準(zhǔn)。總體向量長度比值為0.95 ，可以認(rèn)為兩種方法之間幾乎不存在系統(tǒng)誤差。

2.5 生產(chǎn)線上時(shí)間靈敏度驗(yàn)證。課題組還在現(xiàn)場進(jìn)行模型靈敏度實(shí)驗(yàn)。在生產(chǎn)過程中，通過涂布率的突變?cè)斐稍僭鞜熑~成品中總糖含量的突變，記錄該過程前后近紅外檢測裝置的實(shí)時(shí)檢測結(jié)果。改變前后的總糖含量的流動(dòng)檢測結(jié)果和模型預(yù)測結(jié)果見表5：

表5 總糖含量突變前后結(jié)果

機(jī)器結(jié)果使用不同數(shù)量的點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)平均，其實(shí)時(shí)檢測結(jié)果圖見圖5。

圖5 糖含量突變前后模型檢測結(jié)果,m移動(dòng)平均時(shí)采用不同點(diǎn)個(gè)數(shù)的結(jié)果

圖5中每兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間時(shí)間間隔為10s，在第590個(gè)點(diǎn)附近，總糖含量產(chǎn)生一個(gè)突變，由8.88 %下降為8.38 %。機(jī)器的檢測結(jié)果可以看出不同平均方法均出現(xiàn)檢測結(jié)果下降的趨勢(shì)，由9.36 %下降至8.62 %。不進(jìn)行移動(dòng)平均時(shí)，總糖有一個(gè)斷崖式下跌，但由于噪聲大，導(dǎo)致規(guī)律難以發(fā)現(xiàn)。使用10點(diǎn)和30點(diǎn)進(jìn)行滑動(dòng)平均時(shí)，下降更平緩，10點(diǎn)滑動(dòng)平均也保留了更多曲線，可以較明顯看出總糖含量的突變，因此現(xiàn)實(shí)中也是一個(gè)兼顧準(zhǔn)確性和靈敏度的方法。

3 結(jié)論與展望

本課題研究了在線近紅外檢測在造紙法煙草薄片中檢測成品小片的總糖含量，結(jié)果表明：

3.1 在線近紅外技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測生產(chǎn)線上再造煙葉產(chǎn)品種的總糖含量。

3.2 由于再造煙葉中總糖含量的絕對(duì)值和價(jià)差均較低，從而使近紅外預(yù)測模型的相關(guān)系數(shù)降低，但是均方根殘差低于6%，說明其仍然具有一定的準(zhǔn)確度，檢測結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有很高的參考價(jià)值，有望用于在線生產(chǎn)，參與控制產(chǎn)品中化學(xué)組分的穩(wěn)定。

3.3 在線的實(shí)際檢測驗(yàn)證表明，近紅外光譜檢測結(jié)果與流動(dòng)檢測結(jié)果具有一定的一致性，能較好地反應(yīng)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品中組分的含量變化，具有用于生產(chǎn)現(xiàn)場并用于在線控制的潛力。