海南制浆树种中主要成分的近红外分析与模型优化

作者：吴珽; 梁龙; 朱华; 邓拥军; 房桂干^*

来源：光谱学与光谱分析, 2021, 41(05): 1404-1409.

• 近红外
• 遗传算法
• 特征波段
• 综纤维素
• 木质素

为提高制浆树种的利用效率,缓解国内制浆造纸原料短缺的现状,降低行业污染与总体成本,尝试将近红外光谱技术用于海南省制浆树种的成分含量分析,以期根据实时所得成分含量相应调整工艺参数。用结构简单、易改装的全息光栅分光近红外光谱仪采集了海南省常见的适龄制浆树种(尾细桉、尾巨桉、尾叶桉、马占相思和粗果相思)共205个样本的近红外光谱,按传统实验室方法分析其主要成分——综纤维素和木质素的含量。选择合适的预处理方法与偏最小二乘法结合,建立了两种分析模型,并通过遗传算法剔除不相关的变量,筛选出特征波段,明确综纤维素和木质素的特征吸收,优化了模型。其中综纤维素分析模型建立时采用Savitzky-Golay 13点3倍平滑、矢量归一化和一阶导数预处理原始光谱,1 150.3～2 362.0nm波段参与建模。筛选出的波段包含了1 188～1 196nm之间CH3中C—H伸缩振动的二级倍频吸收,1 742～1 633nm区间内O—H伸缩振动的一级倍频,2 112nm附近O—H变形振动、O—H伸缩振动的合频等纤维素的特征吸收;也包含了1 470～1 495nm之间O—H伸缩振动的一级倍频,1 906和1 911nm附近C=O伸缩振动的二级倍频等聚戊糖的特征吸收。模型RMSEP值为0.55%,绝对偏差范围为-0.91%～0.87%。木质素分析模型建立时采用Savitzky-Golay 13点3倍平滑、多元信号校正和二阶导数预处理原始光谱,1 137.6～1 872.5和2 131.0～2 424.1nm波段参与建模。筛选出的波段包含了1 143nm附近苯环C—H伸缩振动的二级倍频吸收和CH3的C—H伸缩振动的二级倍频吸收,1 670～1 684nm处苯环C—H伸缩振动的一级倍频,2 205nm附近C—H、 CO伸缩振动的合频等木质素的特征吸收。模型RMSEP值为0.45%,绝对偏差范围为-0.76%～0.79%。两个模型的RPD值分别为4.71和3.47,均能满足制浆树种主要成分在线快速分析测定的工业需求。同时,本研究为制浆树种近红外表征体系的建立提供了理论依据,对近红外技术助力制浆造纸工业由自动化向智能化转变具有较为显著的意义。

• 单位
  中国林业科学研究院林产化学工业研究所; 江苏省生物质能源与材料重点实验室; 金东纸业（江苏）股份有限公司; 生物质化学利用国家工程实验室