近紅外漫反射光譜技術(shù)測(cè)定造紙法再造煙葉填充值的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及近紅外漫反射光譜技術(shù)測(cè)定造紙法再造煙葉填充值的方法，屬于造紙 法再造煙葉領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 再造煙葉是W廢棄的煙梗、煙末W及部分低次煙葉等煙草物質(zhì)為主體原料，經(jīng)過(guò) 不同加工方法處理，再重新組合加工，從而制成形狀接近甚至優(yōu)于天然煙葉的產(chǎn)品，并用于 卷煙生產(chǎn)。制造再造煙葉一方面可W使煙葉原料最大限度地得到利用，有效地降低卷煙成 本；另一方面也是降低焦油等有害成分、改善卷煙內(nèi)在品質(zhì)的有效方法，因此再造煙葉的應(yīng) 用和開(kāi)發(fā)有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
[0003] 造紙法再造煙葉的填充值是其重要的物理指標(biāo)之一，填充值是煙絲在一定時(shí)間、 一定壓力的持續(xù)作用下單位質(zhì)量所占的容積，W cmVg表示。填充性能會(huì)影響再造煙葉成絲 率、造碎率，機(jī)械加工性能。填充值大，每支煙支再造煙葉添加質(zhì)量較少，隨著燃燒質(zhì)量的減 少使有害成分的釋放量也減小，同時(shí)可W降低成本。目前，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/YNZY. J04. 401-2014 規(guī)定再造煙葉的填充值為設(shè)計(jì)值±1.0cmVg，按YC/T 152-2001《卷煙煙絲填充值的測(cè)定》 進(jìn)行測(cè)定，但此方法耗時(shí)較長(zhǎng)、效率相對(duì)較低，很難滿足快速，在線測(cè)定的需求。鑒于此，有 必要開(kāi)發(fā)一種新的快速的測(cè)定填充值的方法，為分析評(píng)價(jià)再造煙葉的填充值提供一定的參 考。
[0004] 近紅外光照射到物質(zhì)后，會(huì)發(fā)生吸收、透射、全反射、漫反射等幾種相互作用形式。 近紅外光譜的采集方式主要有H種；透射式、漫反射式、透漫射式。
[0005] 對(duì)于光通透性較好的液體樣品，近紅外光可W穿透整個(gè)樣品，多采用透射方式進(jìn) 行光譜掃描，所測(cè)得數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。近紅外光不能完全穿透造紙法再造煙葉，故采用漫反射 方式進(jìn)行光譜掃描。近紅外漫反射光進(jìn)入樣品內(nèi)部后，發(fā)生無(wú)數(shù)次反射、折射、衍射、吸收 后，返回入射面的光，該種分析光負(fù)載了樣品的結(jié)構(gòu)和組成信息，是一項(xiàng)快速、對(duì)環(huán)境友好 的檢測(cè)技術(shù)，目前應(yīng)用近紅外漫反射光譜分析技術(shù)測(cè)定煙草化學(xué)成分、風(fēng)格、均勻性等方面 已有報(bào)道，但用于造紙法再造煙葉填充值測(cè)定的方法未見(jiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為簡(jiǎn)單、易行、快速測(cè)定再造煙葉填充值，本發(fā)明提供一種近紅外漫反射光譜測(cè)定 造紙法再造煙葉填充值的方法，采用近紅外光譜無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅能提高分析效率，節(jié)約 成本，對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)定再造煙葉填充值，提高檢測(cè)效率，客觀反應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量，具有明顯實(shí)用性。
[0007] 本發(fā)明通過(guò)下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)；一種近紅外漫反射光譜技術(shù)測(cè)定造紙法再造煙葉 填充值的方法，包括如下步驟： 步驟（1)，樣品的收集；收集一批具有代表性的造紙法再造煙葉片狀產(chǎn)品； 步驟（2)，采集原始光譜：采用近紅外光譜漫反射的方式對(duì)步驟（1)收集的造紙法再造 煙葉片狀產(chǎn)品逐個(gè)進(jìn)行光譜掃描，得到原始光譜； 步驟（3)，選擇校正樣品集和驗(yàn)證樣品集；在步驟（2)所得原始光譜中采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29858-2013的方法選出校正樣品集和驗(yàn)證樣品集； 步驟（4)，測(cè)定樣品參考值；在標(biāo)準(zhǔn)條件下，利用標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)步驟（1)收集的造紙法再 造煙葉片狀產(chǎn)品逐個(gè)進(jìn)行填充值的測(cè)定，得到樣品參考值； 步驟（5)，預(yù)處理光譜；對(duì)步驟（3)中選出的校正樣品集和驗(yàn)證樣品集的光譜進(jìn)行預(yù)處 理，消除噪聲和基線漂移的影響； 步驟（6)，建立PLS模型；將步驟（5)預(yù)處理后的校正樣品集與步驟（4)所得樣品參考 值進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，應(yīng)用偏最小二乘法把光譜數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)的填充值測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建 立定量模型，建模過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)及剔除異常值，對(duì)剔除異常值剩余的光譜數(shù)值，再次與步 驟（4)所得樣品參考值進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，應(yīng)用偏最小二乘法把光譜數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)的填充值測(cè) 定數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立得到填充值指標(biāo)的定量模型； 步驟（7)，模型驗(yàn)證：利用步驟（5)處理后的驗(yàn)證樣品集對(duì)步驟（6)所建立的填充值指 標(biāo)的定量模型進(jìn)行外部預(yù)測(cè)； 步驟（8)，測(cè)定填充值；將待測(cè)造紙法再造煙葉樣品的原始光譜輸入步驟（6)建立的填 充值指標(biāo)的定量模型，即測(cè)定得到填充值。
[000引進(jìn)一步，所述步驟（2)的光譜采集條件為；掃描范圍為4000?lOOOOcnTi、分辨率 為8cm-i、掃描次數(shù)不低于72次。
[0009] 進(jìn)一步，所述步驟（2)的原始光譜是通過(guò)下列方法獲得的；將步驟（1)收集的造紙 法再造煙葉片狀產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品取五個(gè)平行樣，每個(gè)平行樣10?15片樣品，制成與近紅外 光譜專用樣品杯大小匹配的樣品，將10?15片樣品依次平鋪于樣品杯中，保證樣品平整放 置，厚度為2?3cm，用壓樣器輕壓平整后，放到光譜儀旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，利用近紅外光譜采用漫反 射的方式進(jìn)行掃描并采集光譜，每個(gè)平行樣掃一次光譜，每個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)5個(gè)平行光譜，再將 5個(gè)平行光譜(用近紅外光譜儀器的自帶軟件）進(jìn)行求平均得到一個(gè)原始光譜，依次對(duì)每個(gè) 產(chǎn)品采用相同的方法進(jìn)行掃描并采集光譜，得到每個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的原始光譜。取10片W上樣 品是為了讓樣品的代表性更好，所測(cè)得的光譜信息更能代表大部分樣本信息，從而最大程 度的保留原始數(shù)據(jù)信息，保證所建模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
[0010] 進(jìn)一步，所述步驟（4)的標(biāo)準(zhǔn)條件為GB/T 16447《煙草和煙草制品調(diào)節(jié)和測(cè)試的 大氣環(huán)境》規(guī)定的條件；所述標(biāo)準(zhǔn)方法是指按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 152-2001《卷煙煙絲填充值的 測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。
[0011] 上述標(biāo)準(zhǔn)方法是取一份煙絲試樣，平衡煙絲水分至12?13%，稱取10克，精確 至0. 001克，將試樣放入測(cè)量桶內(nèi)，使試樣受到29. 4 + 0. 5N的均勻壓力，試驗(yàn)3次，按照 d= n r2h/m計(jì)算得到填充值，最終測(cè)定結(jié)果次測(cè)定結(jié)果的算術(shù)平均值表示；其中，d為煙 絲填充值，r為測(cè)量桶內(nèi)半徑，h為受壓后的試樣高度，m為試樣的質(zhì)量。
[0012] 進(jìn)一步，所述步驟（5)的預(yù)處理是指對(duì)原始光譜進(jìn)行平滑和一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理。
[0013] 進(jìn)一步，所述步驟（6)中檢測(cè)及剔除異常值是采用檢測(cè)杠桿值的方法，具體通過(guò)下 列步驟： 按下列公式計(jì)算樣品杠桿值： 馬=,^,--仔吁尸-《1- 其中，化為樣品杠桿值，^動(dòng)樣品巧勺因子向量，尸7為建模集的因子得分矩陣，&為 與的轉(zhuǎn)置； 當(dāng)樣品杠桿值大于3k/n，其中k為主成分?jǐn)?shù)，n為樣品個(gè)數(shù)，其光譜對(duì)回歸具有顯著的 影響，應(yīng)剔除。
[0014] 進(jìn)一步，所述步驟（7)的模型驗(yàn)證是采用t檢驗(yàn)方法確定驗(yàn)證樣品集輸入步驟（6) 的定量模型所得的預(yù)測(cè)值與相應(yīng)的步驟4所得樣品參考值是否有統(tǒng)計(jì)意義上的偏差：即， 將步驟（6)所建立的填充值指標(biāo)的定量模型的預(yù)測(cè)值與步驟（4)的樣品參考值t值與自由 度cU的臨界值t(a，dv-i)進(jìn)行比較，取顯著水平a=0.〇 5,當(dāng)I t I <t(a，dv-i),概率P〉〇.〇5時(shí)， 說(shuō)明兩種方法的檢測(cè)結(jié)果不存在顯著性差異，模型驗(yàn)證成功，該模型可用于測(cè)定造紙法再 造煙葉的填充值。
[0015] PLS模型是主成分回歸校正方法（PCR)的發(fā)展。在主成分回歸分析中，通過(guò)一定的 主因子數(shù)對(duì)光譜矩陣進(jìn)行分解。W達(dá)到數(shù)據(jù)降維消除無(wú)用信息(噪聲)的目的。而在PLS回 歸分析中，除了對(duì)光譜矩陣進(jìn)行分解外，同時(shí)也對(duì)濃度矩陣進(jìn)行分解降維，并引入相互間的 信息。其原理如下： (1)矩陣分解的模型為： Am X p=Tm X kPk X P 巧A Cm X n二Um X kQk X n巧C 其中，A為光譜矩陣；C為濃度或性質(zhì)矩陣；T為光譜矩陣的得分矩陣；U為濃度矩陣的 得分矩陣；P為光譜矩陣的載荷矩陣-主成分矩陣；Q為濃度矩陣的載荷矩陣-主成分矩陣； EA為應(yīng)用PLS進(jìn)行回歸分析時(shí)引入的光譜誤差矩陣；EC為應(yīng)用PLS進(jìn)行回歸分析時(shí)引入的 濃度誤差矩陣；m為樣本數(shù)；P為波長(zhǎng)數(shù)；k為主成分?jǐn)?shù)。
[0016] (2)得分矩陣T、U的回歸分析，求出相關(guān)系數(shù)矩陣B UmXk=TmX^kXk (3)在預(yù)測(cè)分析時(shí)，按AmXp=TmX kPkXP+EA由樣品的光譜矩陣A未知和分解得到的載 荷矩陣P，求出樣品的得分矩陣T未知，在根據(jù)C未知=T未知BQ求出未知樣品的濃度。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為；本發(fā)明提供近紅外漫反射光譜技術(shù)測(cè)定 造紙法再造煙葉填充值的方法，簡(jiǎn)單、易行、快速，采用近紅外光譜無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅能提 高分析效率，節(jié)約成本，對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)定再造煙葉填充值，提高檢測(cè)效率，客觀反應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量， 具有明顯實(shí)用性。本發(fā)明方法具有檢測(cè)速度快，無(wú)污染，綠色環(huán)保，準(zhǔn)確度高、重現(xiàn)性好等優(yōu) 點(diǎn)，適用于再造煙葉產(chǎn)品填充值的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)分析、快速檢測(cè)及其產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)。 對(duì)于穩(wěn)定控制造紙法再造煙葉產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)，發(fā)揮造紙法再造煙葉穩(wěn)定卷煙產(chǎn)品質(zhì)量和塑 造卷煙風(fēng)格具有明顯的有益效果。
[0018] a.分析速度快；測(cè)量一個(gè)樣品3min內(nèi)完成，通過(guò)建立的填充值模型可迅速測(cè)定再 造煙葉產(chǎn)品的填充值，