近红外漫反射光谱技术测定造纸法再造烟叶填充值的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及近红外漫反射光谱技术测定造纸法再造烟叶填充值的方法，属于造纸 法再造烟叶领域。
【背景技术】
[0002] 再造烟叶是W废弃的烟梗、烟末W及部分低次烟叶等烟草物质为主体原料，经过 不同加工方法处理，再重新组合加工，从而制成形状接近甚至优于天然烟叶的产品，并用于 卷烟生产。制造再造烟叶一方面可W使烟叶原料最大限度地得到利用，有效地降低卷烟成 本；另一方面也是降低焦油等有害成分、改善卷烟内在品质的有效方法，因此再造烟叶的应 用和开发有巨大的社会和经济效益。
[0003] 造纸法再造烟叶的填充值是其重要的物理指标之一，填充值是烟丝在一定时间、 一定压力的持续作用下单位质量所占的容积，W cmVg表示。填充性能会影响再造烟叶成丝 率、造碎率，机械加工性能。填充值大，每支烟支再造烟叶添加质量较少，随着燃烧质量的减 少使有害成分的释放量也减小，同时可W降低成本。目前，企业标准Q/YNZY. J04. 401-2014 规定再造烟叶的填充值为设计值±1.0cmVg，按YC/T 152-2001《卷烟烟丝填充值的测定》 进行测定，但此方法耗时较长、效率相对较低，很难满足快速，在线测定的需求。鉴于此，有 必要开发一种新的快速的测定填充值的方法，为分析评价再造烟叶的填充值提供一定的参 考。
[0004] 近红外光照射到物质后，会发生吸收、透射、全反射、漫反射等几种相互作用形式。 近红外光谱的采集方式主要有H种；透射式、漫反射式、透漫射式。
[0005] 对于光通透性较好的液体样品，近红外光可W穿透整个样品，多采用透射方式进 行光谱扫描，所测得数据较为准确。近红外光不能完全穿透造纸法再造烟叶，故采用漫反射 方式进行光谱扫描。近红外漫反射光进入样品内部后，发生无数次反射、折射、衍射、吸收 后，返回入射面的光，该种分析光负载了样品的结构和组成信息，是一项快速、对环境友好 的检测技术，目前应用近红外漫反射光谱分析技术测定烟草化学成分、风格、均匀性等方面 已有报道，但用于造纸法再造烟叶填充值测定的方法未见报道。
【发明内容】
[0006] 为简单、易行、快速测定再造烟叶填充值，本发明提供一种近红外漫反射光谱测定 造纸法再造烟叶填充值的方法，采用近红外光谱无损检测技术不仅能提高分析效率，节约 成本，对于准确测定再造烟叶填充值，提高检测效率，客观反应产品质量，具有明显实用性。
[0007] 本发明通过下列技术方案实现；一种近红外漫反射光谱技术测定造纸法再造烟叶 填充值的方法，包括如下步骤： 步骤（1)，样品的收集；收集一批具有代表性的造纸法再造烟叶片状产品； 步骤（2)，采集原始光谱：采用近红外光谱漫反射的方式对步骤（1)收集的造纸法再造 烟叶片状产品逐个进行光谱扫描，得到原始光谱； 步骤（3)，选择校正样品集和验证样品集；在步骤（2)所得原始光谱中采用标准GB/T 29858-2013的方法选出校正样品集和验证样品集； 步骤（4)，测定样品参考值；在标准条件下，利用标准方法对步骤（1)收集的造纸法再 造烟叶片状产品逐个进行填充值的测定，得到样品参考值； 步骤（5)，预处理光谱；对步骤（3)中选出的校正样品集和验证样品集的光谱进行预处 理，消除噪声和基线漂移的影响； 步骤（6)，建立PLS模型；将步骤（5)预处理后的校正样品集与步骤（4)所得样品参考 值进行一一对应，应用偏最小二乘法把光谱数据与其对应的填充值测定数据进行拟合，建 立定量模型，建模过程中进行检测及剔除异常值，对剔除异常值剩余的光谱数值，再次与步 骤（4)所得样品参考值进行一一对应，应用偏最小二乘法把光谱数据与其对应的填充值测 定数据进行拟合，建立得到填充值指标的定量模型； 步骤（7)，模型验证：利用步骤（5)处理后的验证样品集对步骤（6)所建立的填充值指 标的定量模型进行外部预测； 步骤（8)，测定填充值；将待测造纸法再造烟叶样品的原始光谱输入步骤（6)建立的填 充值指标的定量模型，即测定得到填充值。
[000引进一步，所述步骤（2)的光谱采集条件为；扫描范围为4000?lOOOOcnTi、分辨率 为8cm-i、扫描次数不低于72次。
[0009] 进一步，所述步骤（2)的原始光谱是通过下列方法获得的；将步骤（1)收集的造纸 法再造烟叶片状产品，每个产品取五个平行样，每个平行样10?15片样品，制成与近红外 光谱专用样品杯大小匹配的样品，将10?15片样品依次平铺于样品杯中，保证样品平整放 置，厚度为2?3cm，用压样器轻压平整后，放到光谱仪旋转台上，利用近红外光谱采用漫反 射的方式进行扫描并采集光谱，每个平行样扫一次光谱，每个产品对应5个平行光谱，再将 5个平行光谱(用近红外光谱仪器的自带软件）进行求平均得到一个原始光谱，依次对每个 产品采用相同的方法进行扫描并采集光谱，得到每个产品对应的原始光谱。取10片W上样 品是为了让样品的代表性更好，所测得的光谱信息更能代表大部分样本信息，从而最大程 度的保留原始数据信息，保证所建模型的准确性和稳定性。
[0010] 进一步，所述步骤（4)的标准条件为GB/T 16447《烟草和烟草制品调节和测试的 大气环境》规定的条件；所述标准方法是指按行业标准YC/T 152-2001《卷烟烟丝填充值的 测定》进行测试。
[0011] 上述标准方法是取一份烟丝试样，平衡烟丝水分至12?13%，称取10克，精确 至0. 001克，将试样放入测量桶内，使试样受到29. 4 + 0. 5N的均匀压力，试验3次，按照 d= n r2h/m计算得到填充值，最终测定结果次测定结果的算术平均值表示；其中，d为烟 丝填充值，r为测量桶内半径，h为受压后的试样高度，m为试样的质量。
[0012] 进一步，所述步骤（5)的预处理是指对原始光谱进行平滑和一阶导数预处理。
[0013] 进一步，所述步骤（6)中检测及剔除异常值是采用检测杠杆值的方法，具体通过下 列步骤： 按下列公式计算样品杠杆值： 馬=,^,--仔吁尸-《1- 其中，化为样品杠杆值，^动样品巧勺因子向量，尸7为建模集的因子得分矩阵，&为 与的转置； 当样品杠杆值大于3k/n，其中k为主成分数，n为样品个数，其光谱对回归具有显著的 影响，应剔除。
[0014] 进一步，所述步骤（7)的模型验证是采用t检验方法确定验证样品集输入步骤（6) 的定量模型所得的预测值与相应的步骤4所得样品参考值是否有统计意义上的偏差：即， 将步骤（6)所建立的填充值指标的定量模型的预测值与步骤（4)的样品参考值t值与自由 度cU的临界值t(a，dv-i)进行比较，取显著水平a=0.〇 5,当I t I <t(a，dv-i),概率P〉〇.〇5时， 说明两种方法的检测结果不存在显著性差异，模型验证成功，该模型可用于测定造纸法再 造烟叶的填充值。
[0015] PLS模型是主成分回归校正方法（PCR)的发展。在主成分回归分析中，通过一定的 主因子数对光谱矩阵进行分解。W达到数据降维消除无用信息(噪声)的目的。而在PLS回 归分析中，除了对光谱矩阵进行分解外，同时也对浓度矩阵进行分解降维，并引入相互间的 信息。其原理如下： (1)矩阵分解的模型为： Am X p=Tm X kPk X P 巧A Cm X n二Um X kQk X n巧C 其中，A为光谱矩阵；C为浓度或性质矩阵；T为光谱矩阵的得分矩阵；U为浓度矩阵的 得分矩阵；P为光谱矩阵的载荷矩阵-主成分矩阵；Q为浓度矩阵的载荷矩阵-主成分矩阵； EA为应用PLS进行回归分析时引入的光谱误差矩阵；EC为应用PLS进行回归分析时引入的 浓度误差矩阵；m为样本数；P为波长数；k为主成分数。
[0016] (2)得分矩阵T、U的回归分析，求出相关系数矩阵B UmXk=TmX^kXk (3)在预测分析时，按AmXp=TmX kPkXP+EA由样品的光谱矩阵A未知和分解得到的载 荷矩阵P，求出样品的得分矩阵T未知，在根据C未知=T未知BQ求出未知样品的浓度。
[0017] 本发明与现有技术相比，其有益效果为；本发明提供近红外漫反射光谱技术测定 造纸法再造烟叶填充值的方法，简单、易行、快速，采用近红外光谱无损检测技术不仅能提 高分析效率，节约成本，对于准确测定再造烟叶填充值，提高检测效率，客观反应产品质量， 具有明显实用性。本发明方法具有检测速度快，无污染，绿色环保，准确度高、重现性好等优 点，适用于再造烟叶产品填充值的实现现场分析、快速检测及其产品质量波动的在线监测。 对于稳定控制造纸法再造烟叶产品内在品质，发挥造纸法再造烟叶稳定卷烟产品质量和塑 造卷烟风格具有明显的有益效果。
[0018] a.分析速度快；测量一个样品3min内完成，通过建立的填充值模型可迅速测定再 造烟叶产品的填充值，