近红外光谱检测烟叶化学成分的整叶采样方式研究

　　摘要：为了解决近红外漫反射光谱分析技术用于烟叶整叶检测时，由于烟叶叶面积大、化学成分分布不均，光谱采集代表性和重复性无法保证的问题，对烟叶整叶采样方式进行了系统研究。首先通过信息散度与梯度角正切相结合的光谱相似性方法（SID-GA）计算了7种整叶采样方式获得光谱的相似程度，并采用排序差异和值方法（SRD）对不同采样方式下烟叶总糖、还原糖、烟碱、总氮、钾和氯的偏最小二乘（PLS）定量模型进行了评估。结果表明，B2F、C3F、X2F烟叶样本的最适宜采样方式分别为“8点法”、“6点法”和“8点法”，综合考虑采样点数与模型预测性能，“8点法”被认为是烟叶的最佳光谱采集方式，“6点法”次之。采样点数少、代表性高、重复性好的烟叶整叶近红外光谱采样方式，对提高烟叶品质现场快速分析效率和准确性具有现实意义。
　　关键词：近红外光谱；SID-GA：排序差异和值法；PLS定量模型：整叶采样：8点法
　　近年来，近红外光谱技术由于样品前处理简单、分析速度快、绿色无损等特点在烟草领域获得了广泛的应用。烟叶作为叶用经济作物，叶长通常在55～75cm，叶宽在15-45cm，叶片薄而大。Bruton、王建安、杨晨龙等研究认为烟叶叶片中烟碱、叶绿素、总糖、蛋白质、氯、钾等化学成分的分布不均匀，因此，对烟叶整叶直接的、无规律性的光谱采集存在代表性无法保证、重复性较差等问题，所以，目前普遍先对烟叶样本进行粉碎、过筛等前处理，以保证分析试验的精度：但是前处理会导致样品被破坏，且制样时间较长，不能满足现场实时品质分析的需求。另外，随着便携式、手持式以及在线近红外光谱仪器的广泛应用，采用近红外光谱技术在烟叶田间采收、分级定级、打叶复烤等现场进行原位品质分析势在必行。王建安、杨晨龙、董小卫、李佛琳、章英、李向阳、傅里峰，等分别采用“48点法”、“12点法”、“10点法”、“8点法”、“6点法”、正反面扫描法等对烟叶整叶进行了光谱采集，但是都没有对烟叶采样点位置和个数进行系统性的分析以明确何种采样方式更具代表性。鉴于此，本文基于烟叶主要化学成分的叶面分布规律，结合光谱相似性原理和主要化学指标校正模型，试图找到一种采样点数少、代表性好、重复性高、适合便携式近红外光谱现场采样的方案，实现真正意义上的烟叶整叶无损分析，为烟叶现场实时品质分析提供参考。
　　1材料与方法
　　1.1试验材料
　　供试烟草品种为K326，于2015年自云南腾冲收集完整国标仿制烟样150片，其中B2F、C3F和X2F等级烟叶各50片，样品中总糖、还原糖、烟碱、总氮、氯含量根据行业标准采用连续流动法测定，钾含量采用火焰光度法进行测定。具体样本信息见表1。
　　1.2试验设计
　　试验设8个不同的烟叶近红外光谱采样处理，以烟叶磨粉处理后采样为CK，在采样前先将烟叶平整铺开，以80cmx80cm玻璃板平压24h，不同处理的具体采样示意图见图1，研究表明烟叶化学成分分布沿主脉基本对称，因此，部分试验处理仅对烟叶半片进行光谱采样，以减少采样点数，提高采集效率。
　　T1处理：将整片烟叶从叶尖至叶基方向划分为9个等份，沿主脉方向左右各划分为4等份，将烟叶分为48个小区域，任取其中一个半叶进行光谱采集，共24个采样小区域。
　　T2处理：将烟叶以主脉为轴分为a和b两大区域，从叶尖到叶基均分为12等分，共24个小区域，任取其中一个半叶进行光谱采集，共12个采样区域。
　　T3处理：将叶片沿主脉纵向3等分为叶尖、叶中、叶基，叶尖取3个小区域，呈正立三角形，中部取4个小区域呈菱形，叶基取3个小区域呈倒立三角形，任取其中一个半叶进行光谱采集，共计10个小区域。
　　T4处理：将烟叶纵向4等分，靠近边缘的两个区域4等分，靠近叶梗的两个区域5等分，共18个小区域，任取其中一个半叶进行光谱采集，共9个小区域。
　　T5处理：将烟叶以主脉为轴对称划分出上下2个大区域a和b，其中每个大区域再由叶尖至叶柄均分为4个小区域，共计8个采样区间。
　　T6处理：将烟叶分成三部分（叶基段，叶中段，叶尖段），叶基段占烟叶的面积的15%，叶尖段大约150mm，又以主脉为对称轴划为两部分，共6个区域。
　　T7处理：在采样方式T6的基础上，增加了烟叶背面的光谱采集，在烟叶背面相对应位置划分6个小区域，共12个小区域。
　　CK处理：待所有采样完成后去除烟叶主脉，利用旋风式粉碎机将其粉碎，过60目筛，然后进行光谱采集，每个样本重复3次所得平均光谱作为该烟叶的光谱。
　　1.3光谱采集
　　按照1.2节试验设计方案以及相关文献使用光栅型i-Spec近红外光谱仪（B&w Tek，Inc.）以漫反射模式采集烟叶整叶近红外光谱，扫描次数为32次，光谱平均分辨率为3.5 nln，光谱采集范围为900～1700 mm，每个小区域随机选取3个样点分别进行扫描（避开较大叶脉，点与点的间隔不超过0.1～0.5 cm，若采样点位置出现破损，则适当偏移，就近取点）。测量时光纤探测器与样品垂直呈90°，探测器头部下端紧压烟叶叶面，将每张烟叶所有样点的反射光谱的平均光谱作为该烟叶样本的最终光谱。烟叶进行光谱采集前置于温度为（224±1）℃、相对湿度为（804±2）%的恒温恒湿箱中平衡48 h，以保证不同烟叶样本的含水率相同，尽量减小由于样本含水率不一致给光谱测量带来的影响。所有试验于25℃室温、相对湿度80%下进行。
　　1.4试验方法
　　光谱相似度表示光谱之间的近似程度，是进行光谱分类、图像压缩、谱异常探测等图像处理的操作基础。两个光谱的相似度可以用两者之间的距离表示，距离越大相似度越小。除了使用距离计算外，还可以用夹角余弦、相关系数、光谱信息散度等方法来度量，但是这些方法只注重光谱的相似性，对差异的区分度则较低，而光谱梯度角可从局部辨别光谱曲线的差别，因此，文章采用信息散度与梯度角正切相结合的方法（SID-GA）来进行光谱相似性度量，该方法能够从整体上反映出两条光谱曲線的相似性，同时可将他们之间的微小差异放大。

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