近紅外光譜檢測煙葉化學(xué)成分的整葉采樣方式研究

　　摘要：為了解決近紅外漫反射光譜分析技術(shù)用于煙葉整葉檢測時(shí)，由于煙葉葉面積大、化學(xué)成分分布不均，光譜采集代表性和重復(fù)性無法保證的問題，對煙葉整葉采樣方式進(jìn)行了系統(tǒng)研究。首先通過信息散度與梯度角正切相結(jié)合的光譜相似性方法（SID-GA）計(jì)算了7種整葉采樣方式獲得光譜的相似程度，并采用排序差異和值方法（SRD）對不同采樣方式下煙葉總糖、還原糖、煙堿、總氮、鉀和氯的偏最小二乘（PLS）定量模型進(jìn)行了評估。結(jié)果表明，B2F、C3F、X2F煙葉樣本的最適宜采樣方式分別為“8點(diǎn)法”、“6點(diǎn)法”和“8點(diǎn)法”，綜合考慮采樣點(diǎn)數(shù)與模型預(yù)測性能，“8點(diǎn)法”被認(rèn)為是煙葉的最佳光譜采集方式，“6點(diǎn)法”次之。采樣點(diǎn)數(shù)少、代表性高、重復(fù)性好的煙葉整葉近紅外光譜采樣方式，對提高煙葉品質(zhì)現(xiàn)場快速分析效率和準(zhǔn)確性具有現(xiàn)實(shí)意義。
　　關(guān)鍵詞：近紅外光譜；SID-GA：排序差異和值法；PLS定量模型：整葉采樣：8點(diǎn)法
　　近年來，近紅外光譜技術(shù)由于樣品前處理簡單、分析速度快、綠色無損等特點(diǎn)在煙草領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。煙葉作為葉用經(jīng)濟(jì)作物，葉長通常在55～75cm，葉寬在15-45cm，葉片薄而大。Bruton、王建安、楊晨龍等研究認(rèn)為煙葉葉片中煙堿、葉綠素、總糖、蛋白質(zhì)、氯、鉀等化學(xué)成分的分布不均勻，因此，對煙葉整葉直接的、無規(guī)律性的光譜采集存在代表性無法保證、重復(fù)性較差等問題，所以，目前普遍先對煙葉樣本進(jìn)行粉碎、過篩等前處理，以保證分析試驗(yàn)的精度：但是前處理會導(dǎo)致樣品被破壞，且制樣時(shí)間較長，不能滿足現(xiàn)場實(shí)時(shí)品質(zhì)分析的需求。另外，隨著便攜式、手持式以及在線近紅外光譜儀器的廣泛應(yīng)用，采用近紅外光譜技術(shù)在煙葉田間采收、分級定級、打葉復(fù)烤等現(xiàn)場進(jìn)行原位品質(zhì)分析勢在必行。王建安、楊晨龍、董小衛(wèi)、李佛琳、章英、李向陽、傅里峰，等分別采用“48點(diǎn)法”、“12點(diǎn)法”、“10點(diǎn)法”、“8點(diǎn)法”、“6點(diǎn)法”、正反面掃描法等對煙葉整葉進(jìn)行了光譜采集，但是都沒有對煙葉采樣點(diǎn)位置和個(gè)數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析以明確何種采樣方式更具代表性。鑒于此，本文基于煙葉主要化學(xué)成分的葉面分布規(guī)律，結(jié)合光譜相似性原理和主要化學(xué)指標(biāo)校正模型，試圖找到一種采樣點(diǎn)數(shù)少、代表性好、重復(fù)性高、適合便攜式近紅外光譜現(xiàn)場采樣的方案，實(shí)現(xiàn)真正意義上的煙葉整葉無損分析，為煙葉現(xiàn)場實(shí)時(shí)品質(zhì)分析提供參考。
　　1材料與方法
　　1.1試驗(yàn)材料
　　供試煙草品種為K326，于2015年自云南騰沖收集完整國標(biāo)仿制煙樣150片，其中B2F、C3F和X2F等級煙葉各50片，樣品中總糖、還原糖、煙堿、總氮、氯含量根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用連續(xù)流動(dòng)法測定，鉀含量采用火焰光度法進(jìn)行測定。具體樣本信息見表1。
　　1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)
　　試驗(yàn)設(shè)8個(gè)不同的煙葉近紅外光譜采樣處理，以煙葉磨粉處理后采樣為CK，在采樣前先將煙葉平整鋪開，以80cmx80cm玻璃板平壓24h，不同處理的具體采樣示意圖見圖1，研究表明煙葉化學(xué)成分分布沿主脈基本對稱，因此，部分試驗(yàn)處理僅對煙葉半片進(jìn)行光譜采樣，以減少采樣點(diǎn)數(shù)，提高采集效率。
　　T1處理：將整片煙葉從葉尖至葉基方向劃分為9個(gè)等份，沿主脈方向左右各劃分為4等份，將煙葉分為48個(gè)小區(qū)域，任取其中一個(gè)半葉進(jìn)行光譜采集，共24個(gè)采樣小區(qū)域。
　　T2處理：將煙葉以主脈為軸分為a和b兩大區(qū)域，從葉尖到葉基均分為12等分，共24個(gè)小區(qū)域，任取其中一個(gè)半葉進(jìn)行光譜采集，共12個(gè)采樣區(qū)域。
　　T3處理：將葉片沿主脈縱向3等分為葉尖、葉中、葉基，葉尖取3個(gè)小區(qū)域，呈正立三角形，中部取4個(gè)小區(qū)域呈菱形，葉基取3個(gè)小區(qū)域呈倒立三角形，任取其中一個(gè)半葉進(jìn)行光譜采集，共計(jì)10個(gè)小區(qū)域。
　　T4處理：將煙葉縱向4等分，靠近邊緣的兩個(gè)區(qū)域4等分，靠近葉梗的兩個(gè)區(qū)域5等分，共18個(gè)小區(qū)域，任取其中一個(gè)半葉進(jìn)行光譜采集，共9個(gè)小區(qū)域。
　　T5處理：將煙葉以主脈為軸對稱劃分出上下2個(gè)大區(qū)域a和b，其中每個(gè)大區(qū)域再由葉尖至葉柄均分為4個(gè)小區(qū)域，共計(jì)8個(gè)采樣區(qū)間。
　　T6處理：將煙葉分成三部分（葉基段，葉中段，葉尖段），葉基段占煙葉的面積的15%，葉尖段大約150mm，又以主脈為對稱軸劃為兩部分，共6個(gè)區(qū)域。
　　T7處理：在采樣方式T6的基礎(chǔ)上，增加了煙葉背面的光譜采集，在煙葉背面相對應(yīng)位置劃分6個(gè)小區(qū)域，共12個(gè)小區(qū)域。
　　CK處理：待所有采樣完成后去除煙葉主脈，利用旋風(fēng)式粉碎機(jī)將其粉碎，過60目篩，然后進(jìn)行光譜采集，每個(gè)樣本重復(fù)3次所得平均光譜作為該煙葉的光譜。
　　1.3光譜采集
　　按照1.2節(jié)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案以及相關(guān)文獻(xiàn)使用光柵型i-Spec近紅外光譜儀（B&w Tek，Inc.）以漫反射模式采集煙葉整葉近紅外光譜，掃描次數(shù)為32次，光譜平均分辨率為3.5 nln，光譜采集范圍為900～1700 mm，每個(gè)小區(qū)域隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)分別進(jìn)行掃描（避開較大葉脈，點(diǎn)與點(diǎn)的間隔不超過0.1～0.5 cm，若采樣點(diǎn)位置出現(xiàn)破損，則適當(dāng)偏移，就近取點(diǎn)）。測量時(shí)光纖探測器與樣品垂直呈90°，探測器頭部下端緊壓煙葉葉面，將每張煙葉所有樣點(diǎn)的反射光譜的平均光譜作為該煙葉樣本的最終光譜。煙葉進(jìn)行光譜采集前置于溫度為（224±1）℃、相對濕度為（804±2）%的恒溫恒濕箱中平衡48 h，以保證不同煙葉樣本的含水率相同，盡量減小由于樣本含水率不一致給光譜測量帶來的影響。所有試驗(yàn)于25℃室溫、相對濕度80%下進(jìn)行。
　　1.4試驗(yàn)方法
　　光譜相似度表示光譜之間的近似程度，是進(jìn)行光譜分類、圖像壓縮、譜異常探測等圖像處理的操作基礎(chǔ)。兩個(gè)光譜的相似度可以用兩者之間的距離表示，距離越大相似度越小。除了使用距離計(jì)算外，還可以用夾角余弦、相關(guān)系數(shù)、光譜信息散度等方法來度量，但是這些方法只注重光譜的相似性，對差異的區(qū)分度則較低，而光譜梯度角可從局部辨別光譜曲線的差別，因此，文章采用信息散度與梯度角正切相結(jié)合的方法（SID-GA）來進(jìn)行光譜相似性度量，該方法能夠從整體上反映出兩條光譜曲線的相似性，同時(shí)可將他們之間的微小差異放大。

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