论文部分内容阅读
【摘 要】 淀粉是烟草中一类重要化合物，一方面影响烟草的燃烧速度和燃烧完全性，另一方面淀粉在燃吸时产生刺激性、焦糊气味和杂气，对香味具有不良影响，氮主要存在与烟草中的蛋白质和烟碱中，其影响着烟草的抽吸口味和品质，因而氮素含量对烟草的品质也有着重要影响。目前，烟草淀粉和总氮含量的测定主要采用化学测定的方法，测定过程繁琐，难以实现快速定量，本文尝试建立烟草中淀粉和总氮快速检测方法，以实现烟草淀粉和总氮的快速定量。
【关键词】 烟草 淀粉 总氮 测定技术
淀粉和总氮是反映烟草品质的重要指标，淀粉会影响烟草的燃烧速度和燃烧完全性，还会在燃吸时产生刺激性、焦糊气味和杂气，对香味具有不良影响。总氮则反映的是烟草中蛋白质和烟碱等含量化合物，这些含氮化合物对烟草的抽吸口味和品质有着重要影响。目前，烟草淀粉和总氮含量的测定主要采用化学测定的方法，测定过程耗时长，难以实现快速定量。
近红外光谱（NIR）属于分子吸收光谱，又称分子振动转动光谱，可反映化合物独特的基团信息，常在有机化学中用于化合物的结构解析，该方法快速灵敏，已用于食品中葡萄糖、果糖、蔗糖、果胶酯化度等化合物和特征指标的定量分析，但未见将FTIR（傅里叶红外光谱）用于烟草中淀粉和总氮定量分析的报道，本文尝试建立基于FTIR（傅里叶红外光谱）的烟草中淀粉和总氮含量的快速择定方法，实现烟草中淀粉和总氮的快速定量。
一、材料与方法
1.材料与仪器。烟草及成品卷烟样品，随机收集不同区域、不同等级和不同年份的单料烟样品20个以及市场销售的成品卷烟样品20个，将烟叶或成品卷烟烟丝用粉碎机粉碎，过40目筛后置与棕色瓶中密闭保存；直链淀粉、支链淀粉标准品美国API公司：考马斯亮蓝、茚三酮、高氯酸、碘。国产分析纯：碳酸钠、氢氧化钠、乙醇、柠檬酸钠、硫酸钾、浓硫酸，优级纯。
KjelteeTM800型全自动凯氏定氮仪——瑞典FOSS公司；722型可见光分光光度计——上海精密科学仪器有限公司；KQ-250E型超声波清洗机——昆山市超声波仪器有限公司；ML204型电子天平——梅特勒-托利多仪器有限公司；MP.0331.04型傅里叶变换近红外光谱仪——德国BRUKER公司。
2.实验方法。
（1）样品制备。将待测烟草样品和KBr（溴化钾）置于105℃烘箱内烘干24h后置于干燥冷却，准确称取烟草样品1mg和100mgKBr，充分混合研磨，称取研磨混合物30mg用粉末压片机制片备用。
（2）傅里叶变换红外光谱扫描。将制得的压片样品置于光谱仪中扫描，扫描后光谱结果均由Vertex70光谱仪自带的OPUS5.5软件对光谱数据进行获取和存储。
（3）淀粉和总氮含量的化学测定。淀粉含量测定参照烟草及烟草制品淀粉的测定相关标准（TC/T216-2007），总氮含量采用凯氏定氮法测定。
（4）数据统计，实验结果通过SPSS20.0进行相关的显著性分析，选取与烟草淀粉含量和总氮含量显著相关的FTIR特征峰面积，既而通过偏最小二乘法（PIS）进行回归分析，建立相关回归模型，并验证评价模型的准确性。
二、结果与分析
1.烟草样品FTIR光谱图。如图所示的单料烟和成品卷烟的典型FTIR图谱，从图中可以看出，单料烟和成品卷烟的FTIR图谱出峰数量和位置相似，只是在峰强度上存在差异，这也为利用FTIR快速定量测定烟草淀粉和总氮含量提供了可能。既而通过查阅相关文献，确定淀粉和总氮相关的特征吸收峰，进行进一步的分析。
2.淀粉含量预测模型建立。对基于FTIR的定量方法而言，目标化合物特征吸收峰的发掘对于定量的准确性至关重要。不同样品由于本身质地、组成等原因，会使相应目标化合物的特征峰不同。既有研究表明：860、930、1067、1094、1163、1242、1344、1415、1642、2800-3000和3000-3600cmˉ1为纯淀粉FTIR的特征吸收峰，但对于烟草样品而言，由于其成分复杂，化合物特征基团存在相似，因而对淀粉特征峰的甄别是实现快速定量的基础。通过偏最小二乘法（PIS）建立基于FTIR图谱的淀粉测定的回归数学模型过程中，分别选取特征峰1077、1339cmˉ1处峰面积和二者峰面积之和与样品的淀粉含量进行拟合，结果显示只有1339cmˉ1处峰面积与样品淀粉含量拟合程度最好，故选取其作为特征峰，用来建立一元二次回归数学模型。
3.总氮含量预测模型建立。与分析淀粉结果烦人方法相同，既有研究表明：与N元素相关的FTIR特征振动峰有1320、1540、1558、1577、1668、2049和2341cmˉ1等，与所获得烟草样品的FTIR比对，分别计算1635、1557、1570、1375、1318、1271、780、719、1733cmˉ1各特征峰峰面积与总氮含量间相关性不显著（P﹥0.05），进而通过最小二乘法（PLS）建立了基于FTIR图谱的总氮测定的一元二次回归数学模型。
4.模型验证。所建立模型通过5个单料烟样品，2个市场销售的成品卷烟以及1个建模样品，共8个样品进行验证，结果如下表所示，通过将淀粉和总氮含量的实测值与模型的预测值进行L-检验。结果表明：实测值与预测值之间无显著性差异（P﹥0.05），表明通過FTIR测定结果建立的模型可以用于烟草样品淀粉、总氮含量的进行快速测定，可满足常规分析要求，方便烟草企业对原材料及成品淀粉基总氮含量的快速检测。同时选取建模时采用的样品作为内部验证，发现实测值与真实值之间没有显著性差异（P﹥0.05），进一步表明所建模型的准确性。
结论
在分析烟草FTIR图谱的基础上，寻找与淀粉和总氮含量相关的特征振动峰，并将特征峰的峰面积与淀粉含量、总氮含量关联，采用偏最小二乘法建立了峰面积与烟草中淀粉含量和总氮含量的回归数学模型、方差分析表明回归模型显著。
通过对未知样品验证，模型得到的预测值与实测值之间没有显著性差异，表明FTIR可用于烟草中淀粉和总氮的快速定量。FTIR法减少了样品的预处理步骤，方便、快速、省时、省力的测定烟草中的总氮和淀粉含量，为原料收购、打叶复烤等生产现场提供了大量的数据支持。
参考文献：
[1]张蕊。不同产区烤烟淀粉含量分布特点及与烟味香型和感官质量的关系。[D].郑州.河南农业大学.2011.7-8；
[2]谢剑平.烟草与烟气化学成分[M].北京.化学工业出版社.2011.45-49；
[3]李星亮.烟草中淀粉含量测定.[J].安徽农业科学.2010.38（15）.7818-7819；
[4]马莉.马雁军.王建平等.FT-NIR光谱法测定晾烟和晒烟总氮含量分析方法的研究.[C].2007.484-493.
【关键词】 烟草 淀粉 总氮 测定技术
淀粉和总氮是反映烟草品质的重要指标，淀粉会影响烟草的燃烧速度和燃烧完全性，还会在燃吸时产生刺激性、焦糊气味和杂气，对香味具有不良影响。总氮则反映的是烟草中蛋白质和烟碱等含量化合物，这些含氮化合物对烟草的抽吸口味和品质有着重要影响。目前，烟草淀粉和总氮含量的测定主要采用化学测定的方法，测定过程耗时长，难以实现快速定量。
近红外光谱（NIR）属于分子吸收光谱，又称分子振动转动光谱，可反映化合物独特的基团信息，常在有机化学中用于化合物的结构解析，该方法快速灵敏，已用于食品中葡萄糖、果糖、蔗糖、果胶酯化度等化合物和特征指标的定量分析，但未见将FTIR（傅里叶红外光谱）用于烟草中淀粉和总氮定量分析的报道，本文尝试建立基于FTIR（傅里叶红外光谱）的烟草中淀粉和总氮含量的快速择定方法，实现烟草中淀粉和总氮的快速定量。
一、材料与方法
1.材料与仪器。烟草及成品卷烟样品，随机收集不同区域、不同等级和不同年份的单料烟样品20个以及市场销售的成品卷烟样品20个，将烟叶或成品卷烟烟丝用粉碎机粉碎，过40目筛后置与棕色瓶中密闭保存；直链淀粉、支链淀粉标准品美国API公司：考马斯亮蓝、茚三酮、高氯酸、碘。国产分析纯：碳酸钠、氢氧化钠、乙醇、柠檬酸钠、硫酸钾、浓硫酸，优级纯。
KjelteeTM800型全自动凯氏定氮仪——瑞典FOSS公司；722型可见光分光光度计——上海精密科学仪器有限公司；KQ-250E型超声波清洗机——昆山市超声波仪器有限公司；ML204型电子天平——梅特勒-托利多仪器有限公司；MP.0331.04型傅里叶变换近红外光谱仪——德国BRUKER公司。
2.实验方法。
（1）样品制备。将待测烟草样品和KBr（溴化钾）置于105℃烘箱内烘干24h后置于干燥冷却，准确称取烟草样品1mg和100mgKBr，充分混合研磨，称取研磨混合物30mg用粉末压片机制片备用。
（2）傅里叶变换红外光谱扫描。将制得的压片样品置于光谱仪中扫描，扫描后光谱结果均由Vertex70光谱仪自带的OPUS5.5软件对光谱数据进行获取和存储。
（3）淀粉和总氮含量的化学测定。淀粉含量测定参照烟草及烟草制品淀粉的测定相关标准（TC/T216-2007），总氮含量采用凯氏定氮法测定。
（4）数据统计，实验结果通过SPSS20.0进行相关的显著性分析，选取与烟草淀粉含量和总氮含量显著相关的FTIR特征峰面积，既而通过偏最小二乘法（PIS）进行回归分析，建立相关回归模型，并验证评价模型的准确性。
二、结果与分析
1.烟草样品FTIR光谱图。如图所示的单料烟和成品卷烟的典型FTIR图谱，从图中可以看出，单料烟和成品卷烟的FTIR图谱出峰数量和位置相似，只是在峰强度上存在差异，这也为利用FTIR快速定量测定烟草淀粉和总氮含量提供了可能。既而通过查阅相关文献，确定淀粉和总氮相关的特征吸收峰，进行进一步的分析。
2.淀粉含量预测模型建立。对基于FTIR的定量方法而言，目标化合物特征吸收峰的发掘对于定量的准确性至关重要。不同样品由于本身质地、组成等原因，会使相应目标化合物的特征峰不同。既有研究表明：860、930、1067、1094、1163、1242、1344、1415、1642、2800-3000和3000-3600cmˉ1为纯淀粉FTIR的特征吸收峰，但对于烟草样品而言，由于其成分复杂，化合物特征基团存在相似，因而对淀粉特征峰的甄别是实现快速定量的基础。通过偏最小二乘法（PIS）建立基于FTIR图谱的淀粉测定的回归数学模型过程中，分别选取特征峰1077、1339cmˉ1处峰面积和二者峰面积之和与样品的淀粉含量进行拟合，结果显示只有1339cmˉ1处峰面积与样品淀粉含量拟合程度最好，故选取其作为特征峰，用来建立一元二次回归数学模型。
3.总氮含量预测模型建立。与分析淀粉结果烦人方法相同，既有研究表明：与N元素相关的FTIR特征振动峰有1320、1540、1558、1577、1668、2049和2341cmˉ1等，与所获得烟草样品的FTIR比对，分别计算1635、1557、1570、1375、1318、1271、780、719、1733cmˉ1各特征峰峰面积与总氮含量间相关性不显著（P﹥0.05），进而通过最小二乘法（PLS）建立了基于FTIR图谱的总氮测定的一元二次回归数学模型。
4.模型验证。所建立模型通过5个单料烟样品，2个市场销售的成品卷烟以及1个建模样品，共8个样品进行验证，结果如下表所示，通过将淀粉和总氮含量的实测值与模型的预测值进行L-检验。结果表明：实测值与预测值之间无显著性差异（P﹥0.05），表明通過FTIR测定结果建立的模型可以用于烟草样品淀粉、总氮含量的进行快速测定，可满足常规分析要求，方便烟草企业对原材料及成品淀粉基总氮含量的快速检测。同时选取建模时采用的样品作为内部验证，发现实测值与真实值之间没有显著性差异（P﹥0.05），进一步表明所建模型的准确性。
结论
在分析烟草FTIR图谱的基础上，寻找与淀粉和总氮含量相关的特征振动峰，并将特征峰的峰面积与淀粉含量、总氮含量关联，采用偏最小二乘法建立了峰面积与烟草中淀粉含量和总氮含量的回归数学模型、方差分析表明回归模型显著。
通过对未知样品验证，模型得到的预测值与实测值之间没有显著性差异，表明FTIR可用于烟草中淀粉和总氮的快速定量。FTIR法减少了样品的预处理步骤，方便、快速、省时、省力的测定烟草中的总氮和淀粉含量，为原料收购、打叶复烤等生产现场提供了大量的数据支持。
参考文献：
[1]张蕊。不同产区烤烟淀粉含量分布特点及与烟味香型和感官质量的关系。[D].郑州.河南农业大学.2011.7-8；
[2]谢剑平.烟草与烟气化学成分[M].北京.化学工业出版社.2011.45-49；
[3]李星亮.烟草中淀粉含量测定.[J].安徽农业科学.2010.38（15）.7818-7819；
[4]马莉.马雁军.王建平等.FT-NIR光谱法测定晾烟和晒烟总氮含量分析方法的研究.[C].2007.484-493.