基于近红外光谱表征品质设计烟叶配方_郝贤伟.pdf

湖南农业大学学报(自然科学版)2023，49(3)：284290DOI：10.13331/ki.jhau.2023.03.005Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)引用格式：郝贤伟，彭钰涵，杨泽会，陈晓水，江智敏，李波，毕一鸣基于近红外光谱表征品质设计烟叶配方J湖南农业大学学报(自然科学版)，2023，49(3)：284290HAO X W，PENGY H，YANG Z H，CHEN X S，JIANG Z M，LI B，BI Y MDesign of tobacco formulationbased on the quality characterization by near infrared spectroscopyJ Journal of Hunan AgriculturalUniversity(Natural Sciences)，2023，49(3)：284290投稿网址：http:/基于近红外光谱表征品质设计烟叶配方郝贤伟1，彭钰涵1，杨泽会2，陈晓水1，江智敏1，李波1，毕一鸣1*(1.浙江中烟工业有限责任公司，浙江 杭州 310024；2.云南烟叶复烤有限责任公司宣威复烤厂，云南 曲靖 655400)摘要：针对传统烟叶配方设计客观性不强、设计效率低的问题，提出了一种基于近红外光谱表征品质的烟叶配方设计方法：利用偏最小二乘法建立烟叶化学成分、部位、香型的近红外光谱模型，并预测烟叶品质指标；以品质指标为多维向量构建综合质量表征指数，依据“相似相替”规则，参照目标配方中的原烟等级，筛选相似的替代烟叶并组成候选烟叶集合，采用线性规划求解方法计算替代配方的构成比例。利用指标评价与感官验证相结合的方式，验证 2020 年度四川烟叶配方设计效果。结果表明：替代配方的烟叶部位、烟叶总糖、还原糖、总植物碱、总氮含量等与目标配方的相对误差小于 6%；除刺激性指标外，替代配方烟叶香气量、清晰度、透发性、成团性、杂气、余味及劲头等感官质量指标与目标配方的差异不显著。关键词：烟叶配方；近红外光谱；表征品质；配方设计中图分类号：TS452.1文献标志码：A文章编号：1007-1032(2023)03-0284-07Design of tobacco formulation based on the qualitycharacterization by near infrared spectroscopyHAO Xianwei1，PENG Yuhan1，YANG Zehui2，CHEN Xiaoshui1，JIANG Zhimin1，LI Bo1，BI Yiming1*(1.China Tobacco Zhejiang Industrial Co.Ltd,Hangzhou,Zhejiang 310024,China;2.Xuanwei Redrying Factory,YunnanLeaf Tobacco Redrying Co.Ltd,Qujing,Yunnan 655400,China)Abstract:In view of the problems of weak objectivity and low design efficiency for traditional tobacco leaf formulationdesign,a method of tobacco formulation design was proposed based on the quality characterization by near infraredspectroscopy.The prediction model including conventional chemical compositions,position and aroma type wasestablished by partial least square method,to predict the quality indexes of tobacco leaves.Using quality index asmultidimensional vectors a comprehensive quality representation index was constructed.According to the rule of“similarsubstitution”,a set of candidate tobacco leaves was formed refer to the original tobacco grade in the target module toscreen similar substitute tobacco leaves.The proportion of tobacco leaf in the substitute module is calculated by linearprogramming method.Using a combination of indicator evaluation and sensory verification to the effectiveness wasverified for Sichuan tobacco leaf formulation designed in 2020.The results showed that the relative error of the tobaccoleaf position,total sugar,reducing sugar,total alkaloids,and total nitrogen content was less than 6%between thesubstitute formula and the target formula.Except for stimulating indicators,there was no significant difference in sensoryquality indicators such as aroma content,clarity,diffusivity,group nature,impurities,aftertaste,and strength between thesubstitute formulation and the target formulation.收稿日期：20221103修回日期：20230311基金项目：中国烟草总公司科技项目(110202103003)；浙江中烟工业有限责任公司科技项目(ZJZY2021A007)作者简介：郝贤伟(1987)，男，山东潍坊人，硕士，工程师，主要从事烟草原料配方研究，；*通信作者，毕一鸣，博士，工程师，主要从事烟叶配方数字化设计研究，第 49 卷第 3 期郝贤伟等基于近红外光谱表征品质设计烟叶配方285Keywords:tobacco formulation;near-infrared spectrum;quality characterization;formulation design卷烟产品质量的稳定性主要取决于烟叶原料质量的稳定性。卷烟企业通过将不同产地、不同品种、不同等级的烟叶进行配方打叶来保证卷烟原料的品质及数量的稳定供应，但传统的烟叶配方主要依赖感官评价的判断进行设计，烟叶品质易受主观因素影响，缺乏客观质量数据的支撑，影响烟叶的合理选择和使用；此外，传统经验配方受到有限的烟叶组合数量的限制，烟叶配方具有片面性：因此，亟需快速采集烟叶原料的质量数据并建立烟叶配方辅助设计方法，为传统经验配方提供技术支撑。利用数理统计方法对烟叶原料的化学成分、感官质量及烟气等指标进行拟合来设计烟叶配方13，需要进行大量的检测分析来获取原料及配方的信息，成本较高。近红外光谱技术应用于烟叶的检测及评价，可有效反映烟叶的常规化学成分45、香气风格67、烟叶部位89、分级特性1011、部分高含量致香成分12等信息。张建平等13利用近红外技术量化分析烟叶风格来表征烟叶产地特征，设计的模拟配方具有目标烟叶的风格特征。郝贤伟等14利用近红外光谱投影筛选与巴西烟叶风格相似的国产烟叶进行配方模块替代，设计出与巴西烟叶风格和品质相似的片烟模块，并在卷烟产品中进行替代应用。李石头等15通过光谱相似表征烟叶相似来辅助卷烟配方维护，实现了替代配方在化学成分及感官指标等方面与原配方无显著差异。米津锐等16利用PPF 投影及蒙特卡洛方法，给出了在不同原料种类数下进行配方设计的比例上限值。利用近红外光谱辅助配方设计在烟叶配方设计的实际应用中仍有一定难度：第一，若仅通过化学成分进行配方拟合，容易出现数值相近但感官品质相差较大的问题，虽能够提供一定的配方组合信息，但由于偏离经验配方过大，容易导致可信度较低；第二，若直接采用光谱误差最小的方式进行拟合并计算替代配方，虽能较为客观地模拟目标配方，但试验过程易受光谱波动的影响，导致计算结果波动大，且难以解释配方品质情况。鉴于此，笔者提出一种基于近红外光谱表征品质的烟叶配方设计方法：利用近红外光谱建立烟叶化学成分、香型、部位等指标的预测模型，从模拟实际配方过程的角度出发，选择四川产区烟叶配方为设计目标，以近红外模型预测的化学成分、香型及部位等指标作为配方设计信息，针对目标配方中所有构成烟叶，采用“相似相替”规则筛选烟叶构成可供替代配方选择的烟叶集合，采用线性规划求解形成替代配方，以期为烟叶配方数字化设计提供参考。1材料与方法1.1材料供试材料为2020年度四川省凉山州、攀枝花市、泸州市、宜宾市、广元市、会东县、德昌县、会理县、宁南县、盐源县、普格县、米易县、叙永县、古蔺县、筠连县、兴文县、昭化县的云烟87的C2F、C3F烟叶，按照浙江中烟工业有限责任公司原烟分选分类技术要求制作C2FA1(为C2F选后原等级)、C2FC3(从C2F等级选叶后为C3F的等级)、C3FA1(C3F原等级)，制样、切丝，样品共计34个。1.2方法1.2.1烟叶原料的近红外光谱扫描烟叶样本在 40 下烘干 4 h，用 Foss CT410旋风磨(丹麦福斯公司)磨粉，过 250 m 孔径筛。取烟叶粉末(高度约占样品杯总高度的 1/3)，放入样品杯中，砝码放置在样品上方，自然压实后进行近红外扫描，采集光谱数据。光谱采集范围为 10 0003800 cm1，光谱分辨率为 8 cm1，扫描 64 次。1.2.2烟叶常规化学成分检测按照 YC/T 31199617制备试样后，分别依据 YC/T 159200218、YC/T 160200219、YC/T162 201120、YC/T 161200221、YC/T 217200722测定总糖、还原糖、总植物碱、氯、总氮和钾的含量。1.2.3烟叶感官质量评价采用浙江中烟工业有限责任公司的方法，由 7位评委进行定性和定量打分，对烟叶香型、彰显程度、香气量、清晰度、透发性、成团性、杂气、刺激性、余味和劲头等感官质量指标打分，单项满分均为 10 分14。286湖南农业大学学报(自然科学版)http:/2023 年 6 月1.2.4基于近红外光谱的烟叶化学成分、部位及香型模型的建立采用一阶导数进行光谱数据预处理23，窗口宽度为 11，多项式阶数为 2。对烟叶化学成分、部位、香型指标分别建模，均使用留一交叉验证确定主因子数。烟叶 6 项化学成分的近红外预测模型按照文献24方法建模，结果见表 1。化学成分的近红外预测结果与流动分析仪检测结果的平均相对偏差小于5%，满足实际应用要求。表 1烤烟常规化学成分的近红外建模结果Table 1Modeling results of conventional chemical components tested by near-infrared for tobacco leaf化学成分含量/%均值/%潜