近红外光谱法快速测定河南烟叶中木质素的含量

来源 :安徽农业科学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:geniuscaobo
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要[目的]实现对河南烟叶中木质素含量的快速测定。[方法]首先改进了烟叶中木质素含量的测定方法,并对该方法测定的准确性进行了评定(对同一样品,8次平行测定的RSD值为3.58%),随后用此方法测定了河南地区95个初烤烟叶样品中的木质素含量,然后用近红外光谱仪采集相应的光谱,进行二阶微分处理和平滑预处理后,用偏最小二乘法和完全交互验证方式建立相应预测模型。[结果]试验建立的烟叶中木质素预测模型的相关系数达到96.13%,内部交叉检验均方根误差(RMSECV)为0.104,说明烟叶中木质素含量和近红外光谱之间存在较好的相关性。[结论]采用近红外光谱法可以快速预测河南烟叶中木质素含量。
  关键词近红外光谱;烟叶;木质素
  中图分类号S572文献标识码A文章编号0517-6611(2016)18-072-04
  Abstract[Objective] To realize the repaid prediction of lignin content in tobacco leaves of Henan Province. [Method] Determination method of lignin content in tobacco leaves was improved and the accuracy of the method was evaluated (for the same sample, the RSD value of 8 parallel tests was 3.58%). The lignin content in 95 samples of early baked tobacco leaves in Henan Province was determined by this method. Then, corresponding spectra were collected by the near infrared spectrometer. After the second order differential treatment and smooth pretreatment, corresponding prediction model were established by partial least square method and fully interactive authentication method. [Result] The correlation coefficient of lignin prediction model was 96.13%, RMSECV was 0.104. [Conclusion] There is good correlation between lignin content and near infrared spectrum, and the lignin content in Henan tobacco can be predicted by near infrared spectroscopy.
  Key wordsNear infrared spectroscopy; Tobacco leaves; Lignin
  烟草中木质素含量测定是卷烟产品配方设计、产品研发等过程中的重要品质控制因素,历来受到烟草行业研究者的广泛重视。目前,烟草行业标准采用的洗涤剂法(YC/T 347—2010烟草及烟草制品中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、酸洗木质素的测定 洗涤剂法),在硫酸法的基础上做了一些改进,但洗涤剂法忽略了酸溶木质素的测定,导致测定的烟草木质素含量偏低。最近,孔浩辉等采用NaOH/尿素低温溶解法,对烟梗木质素含量进行了测定。该方法减少了有机溶剂预处理和浓硫酸处理,提高了测试的安全性,但是测定酸溶木质素的时候,采用的是麦草碱木质素为标准物质。由于不同来源的木质素结构有较大的差异,所以测定结果有一定的偏差[1]。此外,湿化学分析法具有操作繁琐,费时、费力,对人员的技术水平要求较高,容易引入人为误差,分析结果重现性较差,尤其是在提供分析数据的及时性方面能力较差等缺点。
  近红外光谱分析(NIR)技术是光谱测量技术与化学计量学和计算机技术的有机结合,分析过程具有简便、快速、高效、无污染、低成本及样品的非破坏性、多组分同时测定及适合在线分析,实现实时监测等优点,因此备受重视,并逐步在农业、食品、医药、石油、化工、纺织等领域得到较为深入的研究,且在实际中得到了较为广泛的应用[2]。国内的某些烟草企业已开始研究并使用该技术,如乐俊明等应用偏最小二乘法结合近红外光谱建立了贵州初烤烟叶粉末中烟碱、总氮、氯和钾的预测模型,应用于贵州初烤烟叶以上4种常规化学成分的快速测定[3];吴玉萍等将近红外光谱应用于云南省初烤烟叶粉末中苹果酸、柠檬酸、石油醚提取物的测定[4];段焰青等将近红外光谱技术应用于国产烤烟中纤维素含量的测定[5];王家俊等采用多元校正技术偏最小二乘法结合具有代表性的烟气总粒物萃取液的傅立叶变换近红外透射光谱,分别建立了焦油、烟碱、一氧化碳的校正模型,应用于以上3种成分的快速测定[6];段焰青等通过再造烟叶化学成分的NIR预测研究,建立了再造烟叶中的总糖、总氮、烟碱、钾和氯5种化学成分含量的近红外预测模型[7]。关于将近红外光谱法应用到木质素含量的预测也有相关报道,如刘栋梁等将近红外光谱技术应用到欧美杨Kalson木质素含量的测定[8];王晶等利用近红外光谱技术建立了玉米皮渣组分中木质素、灰分及蛋白质的快速检测方法[9];黄安民等利用近红外光谱法实现了杉木中棕纤维素及Kalson木质素快速测定[10]。目前已有的相关报道中,测定的木质素都为Klason木质素(酸不溶木质素),忽略了酸溶木质素部分的测定,所以,测定结果不能代表样品中木质素的真实含量。基于此况,笔者改进了烟叶中木质素含量的测定方法,并对该方法测定的准确性进行了评定。随后采用此方法测定了河南地区95个烟叶样品中的木质素含量,并利用近红外光谱技术分析了河南烟叶的木质素含量,这对实现烟叶中木质素含量的快速预测以及合理利用烟叶及改进卷烟配方具有重要意义。   1材料与方法
  1.1材料
  主要试剂:氢氧化钠、尿素、冰乙酸、乙酸钠、1,4-二氧六环、丙酮、正己烷,均为分析纯;纤维素酶(1万U/g)。
  原料:许昌、平顶山、南阳、三门峡、洛阳等地区烟叶,
  生产年份为2007~2014年。
  原料类型为初烤烟叶、小配方混打片烟,样品共计95个。
  主要仪器设备:德国Bruker公司MATRIX-1型傅立叶近红外光谱仪:内置镀金漫反射积分球,窗口2 cm,直径97 mm的石英旋转样品杯,PbS检测器;定量分析软件为OPUS6.5软件包;FW80 型高速万能粉碎机(配40目筛网);德国Binder FED240烘箱。
  1.2方法
  1.2.1烟末样品的制备。
  将烟叶样品在温度40 ℃的条件下进行通风干燥,干燥至能用手捻碎即可,取出,冷却至室温,粉碎成烟叶粉末,过40目筛网,所得的烟末样品直用于近红外光谱的采集和木质素含量测定。
  1.2.2木质素含量的测定。
  称取2 g左右烟末样品(记作m0)于250 mL圆底烧瓶,加入预先冷却至-10 ℃的氢氧化钠/尿素水溶液(固液比1∶25 g/mL),在-10 ℃下反应30 min。反应结束后,将混合液离心10 min(10 000 r/min),得到滤液A,固体经离心、水洗至中性,80 ℃干燥4 h,即得预处理后的烟叶样品(固体1)。
  将固体1以固液比1∶80 g/mL加入质量分数为17.5 wt%的硫酸溶液中,在100 ℃搅拌反应30 min,离心分离(10 000 r/min,10 min),得到用于测定酸溶木质素含量的滤液B;将固体离心、水洗至中性,再用100 mL丙酮洗涤3次后80 ℃干燥4 h,得到固体2。
  将固体2加入100 mL已经预先冷却至-10 ℃的氢氧化钠/尿素溶液中(固液比1∶200 g/mL),于-10 ℃下搅拌30 min。反应结束后,将混合液离心10 min(10 000 r/min),得到滤液C,固体经离心、水洗至中性,用定量滤纸过滤,105 ℃干燥至恒重得到固体3。将干燥后定量滤纸和固体3转移到坩埚中,800 ℃下焙烧4 h,剩余固体即为烟草木质素中的灰分。通过灼烧前后质量之差再减去定量滤纸的质量即为烟梗酸不溶木质素的质量(记作m)。
  酸不溶木质素的含量(%)= m/(1-w%)/m0×100%
  酸溶木质素标准曲线的绘制。采用酶解-温和酸解法从烟草中分离出的木质素作为标准物质[8],配置酸溶木质素的标准溶液。酸溶木质素的标准溶液的配置步骤如下:将上述木质素标准物质溶于稀酸溶液中,以相同的稀酸水解工艺(17.5 wt% H2SO4、固液比为1∶80 g/mL、酸解温度为100 ℃、酸解时间为30 min)部分溶于酸中,通过失重法标定其质量浓度。将离心过后的上清液分别稀释至5个浓度梯度,测定其在波长325 nm 处的吸光度,以吸光度对酸溶木质素的浓度作图,即得酸溶木质素标准曲线[1](见图1)。
  1.2.3木质素含量测定方法评价。
  根据以上的试验条件,对2011年洛阳C3L烟叶样品木质素的含量进行了多次测量,验证方法的精密度,结果如表1所示。8次平行试验测得的酸溶木质素、酸不溶木质素和总木质素的含量分别为1.72%、3.20%和4.92%,其相对标准偏差(RSD)分别为4.59%、4.61%和3.58%。RSD值低于5%,说明这种方法的测定精密度较高、重复性较好。
  木质素含量测定根据“1.2.2”的方法进行测定,每个样品平行测定2次,取其算术平均值作为最终结果。
  1.2.4烟末样品近红外光谱的采集。
  取30 g左右烟末样品,置于直径为97 mm石英测量杯中,放入质量为500 g的“图章”形压样器轻轻压平杯中样品,直至无明显裂纹,用镀金的漫反射体做背景,放入旋转台内扫描,要求每10个样品扫一次背景。光谱采集前,光谱仪开机预热不低于30 min,并进行PQ测试,要求仪器测试有关指标全部通过,并进行信号测试。光谱采集条件为:扫描范围:4 000~12 500 cm-1;分辨率:8 cm-1;扫描次数:64 次,每个样品平行测定2次,存贮所测样品的近红外光谱图。
  1.2.5光谱预处理及定量校正数学模型的建立。
  对烟草中木质素这单一化学组分,应用OPUS6.5数据处理软件,采用矢量归一化(SNV)、一阶导数、一阶导数+减去一条直线、一阶导数+矢量归一化(SNV)、一阶导数+多元散射校正(MSC)等光谱预处理方法结合偏最小二乘法(PartialLeastSquare,PLS)多元线性回归技术对光谱进行预处理和初步优化。在此基础上,进行内部交叉检验,根据检验结果剔除异常值,逐步优化,确定最佳的主成分维数,建立不同光谱预处理方法条件下决定系数(R2)较大,内部交叉验证均方根误差(RMSECV)较小较优的近红外模型。
  2结果与分析
  2.1样品分布
  样品的选择对所建模型具有非常大的影响,为了使选择的样品具有代表性,同时考虑到烟叶复烤打叶等情况,共制备了样本95个。表2对95个烟叶样本分别按照上部烟片、中部烟片、下部烟片、混打烟片进行了统计,在95个样品中,烟草木质索含量最低的为2.91%,最高的为5.51%,极差达2.70%。
  2.2河南烟叶近红外定量分析模型
  烟叶中木质素这单一组分,应用OPUS 6.5数据处理软件,设定光谱17点平滑,最大优化维数为15,光谱优化范围为:4 000~9 000 cm-1。采用矢量归一化、一阶导数、一阶导数+减去一
  条直线、一阶导数+矢量归一化(SNV)、一阶导数+多元散   射校正(MSC)预处理方法,结合偏最小二乘法(PLS)多元线
  性回归技术,对光谱进行初步的优化。当光谱预处理方法为一阶导数时,建立的模型均方根误差(RMSECV)最小,决定系数(R2)最大,样品剔除异常值数也相对较少,主成分维数为9。因此,确定在采用一阶导数为光谱预处理方法条件下所建的模型为最优模型,所建立的烟末木质素校正集近红外预测值与实测值散点图和预测值与实测值偏差分布分别见图2、表3。
  3结论
  该研究先采用湿化学方法测定了95个烟叶样品的木质素含量,随后利用近红外光谱技术,建立了河南地区烟叶中木质素含量的预测模型,该预测模型的相关系数为0.961 3,内部交叉检验均方根误差(RMSECV)为0.104。以上分析表明,近红外光谱法可以实现对河南地区烟叶中木质素含量的快速预测。随后,将对模型建立过程中的相关影响因素进行深入分析,对模型逐步进行优化,形成实用性好、操作性强的近红外分析方法,促进其进一步推广应用。
  参考文献
  [1] 孔浩辉,李秀丽,黄翼飞,等.NaOH/尿素低温溶解法测定烟梗木质素含量的研究[J].中国烟草学报,2014,20(3):9-15.
  [2] 刘发龙,马新刚,程福银,等.近红外光谱分析技术在快速分析上的应用[J].分析测试技术与仪器,2008,14(4):241-247.
  [3] 乐俊明,陈鹰,丁映,等.近红外光谱分析法测定烟草化学成分[J].贵州农业科学,2005,33(3):62-63.
  [4] 吴玉萍,邵岩,秦西云,等.近红外光谱法快速检测烟草中的苹果酸、柠檬酸和石油醚提取物[J].烟草农业科学,2006,2(1):13-16.
  [5] 段焰青,孔祥勇,李青青,等.近红外光谱法预测烟草中纤维素含量[J].烟草科技,2006(8):16-20.
  [6] 王家俊,梁逸增,汪帆.偏最小二乘法结合傅里叶变换近红外光谱同时测定卷烟焦油、烟碱和一氧化碳的释放量[J].分析化学,2005,33(6):793-795.
  [7] 段焰青,资祖华,王贤,等.再造烟叶化学成分的NIR预测研究[J].云南烟草,2007(6):49-53.
  [8] 刘栋梁,刘胜.用近红外光谱法快速测定欧美杨中木质素的含量[J].红外,2012,33(11):39-43.
  [9] 王晶,孙国英,王贤,等.利用近红外光谱法测定玉米皮渣中的木质素、灰分及蛋白质[J].光谱实验室,2012,29(4):1978-1983.
  [10] 黄安民,江泽慧,潘安龙,等.杉木棕纤维素和木质素的近红外光谱测定[J].光谱学与光谱分析,2007,27(7):1328-1331.
  [11] 楚文娟,李文伟,李颢.酶解-温和酸解法分离烟梗木质素[J].广东化工,2015,42(17):75-76.
其他文献
摘要[目的]探究柔毛淫羊藿的光合生理生长特性及其对移栽环境的适应性,为合理开发与人工种植柔毛淫羊藿提供参考依据。[方法]对移栽柔毛淫羊藿的光合生理特征进行测定,并分析其生理生长特性与移栽环境间的关系。[结果]叶绿素含量在移栽淫羊藿植株之间差异不显著;柔毛淫羊藿的净光合速率为1.68~3.39 μmolCO2/(m2·s),净光合速率和气孔导度的日变化均呈双峰曲线。相关性分析表明,柔毛淫羊藿净光合速
期刊
摘要根据湖北省武汉市大气主要污染物的浓度数据、空气质量指数,运用线性回归分析、主成分分析法对其大气污染特征进行系统分析。结果表明,PM2.5对空气质量的贡献率最大,为武汉市大气的首要污染物,其浓度季节变化为冬季﹥春季﹥秋季﹥夏季。最后针对武汉市大气污染特征提出防治措施,旨在为改善空气质量提供科学依据。  关键词武汉市;污染物浓度;空气质量指数;PM2.5  中图分类号S181.3文献标识码  A文
期刊
摘要[目的]探讨农牧交错带典型地区的时空动态特征。[方法]基于MODIS归一化植被指数数据集(2000~2010年),采用空间自相关分析和趋势分析方法,以吉林西部为例,研究农牧交错带典型地区地表植被空间分布特征。[结果]2000~2010年,吉林西部地表植被在生长季呈明显上升趋势;研究区地表植被的空间分布表现出正相关,但在局部地区地表植被分布有破碎倾向,空间分布的整体性一般。[结论]该研究为人类合
期刊
摘要[目的]科学、公正、客观地鉴定评价参试大豆新品种的产量、品质、抗性、生育期类型等主要性状及其遗传稳定性、适应性等,为新品种审定和推广应用提供准确可靠的科学依据,保障大豆生产用种安全,加快提供优良品种。[方法]应用作物品种区域试验统计分析系统(RCTAS)对参加河南省不同生态条件下区域试验的12个夏大豆新品种的特征特性与生产利用价值进行系统分析和比较。[结果]周豆24、洛豆1号、周豆25号和安豆
期刊
摘要[目的]采用便携式紫外荧光仪测定环境空气中SO2浓度。[方法]将紫外荧光法应用于室外监测,研究其性能,并与甲醛法用标准气体样品和环境空气监测数据进行比较。[结果]当环境空气SO2浓度小于5 μL/m3时,2种方法应采用绝对误差来评价;当环境空气SO2浓度大于5 μL/m3时,2种方法有很好的相关性,其相对误差小于10%。[结论]紫外荧光法具有检测灵敏度高、实时性强、检测范围宽和重复性好等优点,
期刊
摘要[目的]评价黄渤海区域养殖扇贝产品重金属污染情况,为扇贝养殖的安全生产以及扇贝产品的质量控制提供科学依据。[方法]采用电感耦合等离子体原子发射光谱对黄渤海不同养殖海域扇贝体内锌、铅、镉、铁、铜、锰、铝、铬含量进行了测定,以《无公害食品水产品中有毒有害物质限量》及《海洋生物质量》等卫生要求进行比较,进行黄渤海区域养殖扇贝重金属污染的评价。[结果]试验表明,14种样品中铅含量均不超过0.5 mg/
期刊
摘要:[目的]研究糯扎渡水电站滑坡体非饱和土的基质吸力,为运用非饱和土力学理论研究滑坡判据提供参考。[方法]运用快拔式张力计选取在岩性上具有代表性的5处滑坡(典型强风化砂岩、页岩,典型全强风化花岗片麻岩,典型全风化粉砂岩,典型全风化花岗岩,典型全风化花岗岩)进行现场观测试验,对比不同岩性岩石在天然状态和模拟饱和状态下的基质吸力变化曲线。[结果]不同岩性对于基质吸力的降低呈现不同的变化曲线,基质吸力
期刊
摘要[目的]定量评估区域生态安全的基本态势和变动特征。[方法]以人类活动扰动较大的湖北省恩施州为例,采用压力-状态-响应(P-S-R)模型,结合区域自然环境、生态问题、经济社会发展水平等方面,遴选人口密度、公路密度、人均GDP、人均耕地面积、第三产业比重等16个指标,采用变异系数法和熵权法2种客观权重赋权法分别对各个指标进行赋权,通过综合评价法对恩施州各县市的生态安全进行评定。[结果]恩施州的生态
期刊
摘要采用离心后不同的低温保存方式和添加新鲜培养基的方法,对角毛藻离心收集后储存的最长时间进行了研究。结果表明,添加新鲜培养基的储存方法优于直接添加藻液的方法,并且存储时间长;角毛藻在3 000 r/min或较低转数离心后,藻泥可以添加新鲜培养基储存于-2 ℃冰箱,至少储存35 d,再培养不影响生长。角毛藻储存温度越低,储存时间就越长,但要在角毛藻不结冰的情况下。此保藏方法可以应用于角毛藻销售中转储
期刊
摘要一次性餐具伴随快餐文化走进人们日常生活,它带来便捷的同时也带来环境污染以及健康隐患等问题。以四川省泸州市在校医学院校大学生、非医学院校大学生和社会人士为调查对象,采用发放纸质以及电子档调查问卷形式,调查泸州市一次性餐具的使用以及对一次性餐具的相关认知情况,分析一次性餐具风靡的原因和影响一次性餐具使用的因素,指出增强人们的健康意识能有效减少一次性餐具特别是劣质一次性餐具的使用量,最后从个人、学校
期刊