基于近红外光谱的烟草中叶黄素、-胡萝卜素和其他类胡萝卜素含量预测模型

基于近红外光谱的烟草中叶黄素、-胡萝卜素和其他类胡萝卜素含量预测模型

植物色素是重要的植物生长和利用太阳能进行光合作用的重要物质。它也是影响叶子颜色和味道的主要成分。在制备过程中，相同的颜色在叶子中完全合适，叶子的气味和颜色增加，因此，测定草中的色素具有重要意义。传统的化学测定方法操作繁琐,费工耗时,难以进行大批量样品的快速分析。近年来,近红外光谱分析技术以其分析速度快、前处理简单、无污染及样品的非破坏性和多组分同时测定等优点已成为烟草行业研究应用的热点。McClure及其合作者于1977年首次公开发表了NIR测定烟草还原糖的文章,而后Hamid、McClure等测定了烟草中生物碱、多酚类物质,LuZio等应用NIR方法研究了烟气的检测方法,建立了尼古丁、焦油以及水分的数学模型,HanaM等对产自16个国家的1600多个样品进行了基于NIR光谱的分类研究,得到了100%的正确判别结果。在国内,1995年王文真等采用近红外技术测定烟草中的总氮含量,这也是近红外技术在国内烟草行业的首次应用。目前,近红外光谱技术已成功地应用于烟草中总氮、总糖、烟碱、挥发酸、挥发碱、总植物碱、蛋白质和一些无机元素等物质的含量测定。但应用此技术测定烟草中色素含量的研究尚未见报道,且与过去测定的烟草中的化学成分相比,色素的含量较小(本试验用于建模样品浓度均小于1.5mg/g),所以建模的难度相应增加,而建立起的模型所能预测到的浓度将更低。为此,本文探索了应用傅立叶变换近红外(FT-NIR)光谱分析技术测定烟草中叶黄素、β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素含量的方法,并建立了能够快速、准确同时测定这3项指标的数学模型。1材料和方法1.1icolet公司的研究AntarisⅡ傅立叶变换近红外光谱仪(美国ThermoNicolet公司),包括积分球漫反射采样系统、InGas检测器、TQAnalyst6.2化学计量学软件、Result光谱采集软件;高效液相色谱仪(HP1100,Agilent)。1.2干燥、粉碎、贮藏云南烤烟烟叶样品77个,其中62个作为建模样品,15个作为验证样品。样品在40℃下干燥约2h(含水率6%~10%),粉碎,过60目筛,样品装入密封袋中,常温下避光贮存。采用反相高效液相色谱法测定样品中叶黄素、β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素的含量。1.3扫描光谱和扫描条件采集77个烟叶样品的近红外光谱图。将制好的粉末样品置于5cm石英杯中,装样量控制在石英杯容量的一半左右,并用压样器轻轻压平,以积分球镀金内壁作背景进行漫反射光谱扫描。扫描前,光谱仪开机预热2h。扫描条件:光谱扫描范围:4000~10000cm-1;分辨率:8cm1;扫描次数:72次;室温(24±1)℃,相对湿度(50±2)%。1.4pls-gc-ms分析采用TQAnalyst6.2分析软件中的偏最小二乘法(PLS),将62个样品的光谱数据与用常规化学方法测定的叶黄素、β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素的含量进行关联,建立、优化并检验模型。2结果与讨论2.1谱预处理方法的确定对光谱数据进行必要的预处理,提高信噪比,扣除背景干扰,消除基线漂移。试验采用不同的光谱预处理方法,分别建立叶黄素、β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素的数学模型,结果见表1。由表1可知,当选择一阶导数和附加散射校正时,模型的相关系数(R)最大,内部交叉验证均方差(RMSECV)最小,建模效果最好,所以试验采用一阶导数和附加散射校正处理近红外光谱。2.2主成分阶数的确定应用交互检验的方法对模型逐步优化,首先进行异常值(Outlier)的剔除。建模过程中某些样品加入模型后所建模型的预测精度会大大降低,这些样品的化学值或光谱值称为异常值。方法是先运用马氏距离(Mahalanobis距离),通过Dixon检验来剔除。然后采用“剔一”交互检验的方法,结合杠杆值与学生化残差值等指标联合诊断,逐步剔除异常值。采用PLS建立校正模型时,需要确定最佳的主成分阶数,超过该最佳值称为“过拟合”,过拟合的数学模型预测效果下降。本试验通过F-检验确定了当PRESS达到最小时的主因子,即最佳主成分阶数。采用选定的光谱预处理方法和最佳主成分阶数,经TQAnalyst软件优化得到的叶黄素、β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素的模型参数见表2所示,模型预测值与化学测定值之间的散点图见图1、图2和图3。2.3回汁添加量选择用15个未知样品对试验建立的数学模型进行外部验证,检验模型的预测能力,对模型的预测值和化学测定值进行了比较,结果见表3。叶黄素、β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素的预测标准偏差(RMSEP)分别为0.00947、0.0607和0.0446,叶黄素的平均绝对误差为0.0083,β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素的平均相对偏差分别为6.84和5.85,预测值与化学测定值基本吻合,能够通过预测满足快速获得烟叶中叶黄素、β-胡萝卜素和其它类胡萝卜素含量的需要。3类胡萝卜素数学模型的建立本试验应用傅立叶变换近红外光谱技术,通过对光谱预处理方法的选择和模型的优化,建