控制方式及算法對復烤煙片化學成分均勻性的影響

王發勇，吳 濤，汪顯國，時 敬，潘志玲，胡春華，黃 浩，王家俊

(1.紅云紅河煙草(集團)有限責任公司，昆明 650231；2.云南中煙工業有限責任公司，昆明 650011；3.廣東中煙工業有限責任公司，廣州 510620)

【研究意義】《卷煙工藝規范》(2016)明確提出批內煙堿變異系數≤5.0%的化學成分均質化控制標準[1]，意在通過煙葉內在化學成分的均質化控制，提高卷煙工業原料的內在均勻性來提升最終卷煙產品的質量穩定性?！厩叭搜芯窟M展】圍繞加工批次均勻混配的主題，行業打葉復烤領域的科技工作者和技術人員針對混配控制和近紅外光譜應用等方面進行了探索[2-6]，應用混配柜進行二次混配[7]、選葉檢測煙堿再搭配出庫[8]、應用手持式近紅外光譜儀檢測煙堿[9]等方面入手，均取得了不同程度降低煙堿變異系數的結果。企業對于煙堿的均勻性控制，目前主要依賴于企業內部設備的高效利用，而控制方式是重點。在平庫條件下，以原煙單等級的小產地、煙堿相近為貨位單元，通過混配后入庫、出庫投料混配的方式控制[10]，對煙堿的均勻混配有明顯效果。有研究表明，混配柜對復烤煙片的化學成分均勻性貢獻度最大[11]，所以混配柜的設備潛力挖掘也極富意義。高架庫是平庫的升級控制設備實施，是信息化與現代物流的集成產品，也可提高復烤煙片煙堿的均勻性與穩定性[12-13]。以上研究分別從平庫、高架庫以及在線近紅外的檢測應用和過程混配的角度來尋求提升復烤成品煙片煙堿穩定性，但是從控制方式和備料算法組合應用考察煙堿及糖堿比等化學指標的研究鮮有涉及?！颈狙芯壳腥朦c】在平庫條件下，設計針對煙堿的不同控制方式與算法搭配的組合方法，對比復烤成品煙片煙堿及派生值的調控情況，并進行驗證?！緮M解決的關鍵問題】尋求滿足打葉復烤不同原料及配方均勻性生產需求的優選方法。

1 材料與方法

1.1 材料、設備和儀器

試驗材料選擇云南紅河煙區典型煙葉，品種1為K326，品種2為云87，等級選擇上等煙C3F、中等煙C4F，驗證材料選擇混合配方模塊WBBSF(B1F+B2F)品種為K326，為上等煙。每個生產批次投料量105 000 kg。

恒溫干燥箱(美國Precision scientific公司,型號：605)；粉碎機(美國Thomas Scientific公司，型號：MODEL4)；傅里葉變換近紅外光譜儀(美國尼高力儀器公司，型號：Antaris Ⅱ)。

1.2 方法

1.2.1 實驗室化學成分檢測 工商交接時，每車每等級初烤煙葉按照10%的比例抽樣，樣品密封好送至實驗室進行樣品檢測預處理，后應用傅里葉變換近紅外光譜儀進行化學成分檢測(初烤煙葉取樣數量不小于60個)。初烤煙葉經工商交接后，按照正常流程入原煙周轉庫堆碼。抽樣數據與原煙周轉庫堆碼貨位相對應，便于出庫計算。

復烤成品煙片在煙片復烤機機尾取樣。待設備穩定運行30 min后取樣，采取連續多次(≥5次)抓取方式進行取樣，每20 min/次，共30個樣品，用于反映處理效果及狀態。

實驗室預處理包括：混合、切絲、烘絲、混合、磨樣5個步驟，最終取檢測物料質量≥80 g、水分≤12%、粒度≤0.4 mm。檢測內容包括煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氯、淀粉、總揮發堿。

1.2.2 算法設計 (1)同一貨位堆碼物料的煙堿表征值使用該貨位初烤煙葉的均值表示，其計算公式為：

(1)

式中，mi表示同一入庫貨位的入庫重量之和；ci表示同一入庫貨位的抽檢煙堿值。

(2)常規出庫算法。根據配方要求，按照重量比例搭配對應出庫原則為：

(2)

式中，配方比例分別為a%、b%、c%，批次總出庫重量為M，對應貨位的出庫重量為Mh、Mm、Ml。

(3)均質化出庫算法。假設兩組貨位滿足出庫條件,則“重量+煙堿”算法方程組如下：

mk1+mk2=M

(3)

(4)

1.2.3 加工流程 按照圖1流程進行。

圖1 打葉復烤煙堿控制工藝流程Fig.1 Process flow of threshing and redrying nicotine control

1.2.4 試驗設計 T0為常規投料方式，不進行煙堿的算法搭配，僅完成投料配方的完整性。T1與T2根據煙堿值與重量的綜合算法搭配出料，但是T1在入庫時僅檢測初烤煙葉的煙堿值后即入庫堆碼，而T2在檢測煙堿值時分高、中、低分類入庫堆碼，見表1。

表1 試驗設計

2 結果與分析

2.1 試驗原料情況

由表2可知，K326、云87的C3F、C4F總糖變異系數為12.66%～17.82%，還原糖變異系數為11.92%～18.37%，煙堿變異系數為18.21%～20.31%，總糖/煙堿值變異系數為26.53%～34.31%，還原糖/煙堿值變異系數為25.19%%～31.96%，變異系數總體表現出總糖/煙堿>還原糖/煙堿>煙堿>總糖≈還原糖的趨勢。用變異系數來衡量原料的穩定性，初烤煙葉的主要化學成分及其派生值存在較大的波動，特別是總糖/煙堿值的穩定性最差，為打葉復烤化學成分均質化生產帶來客觀的難度。

2.2 控制方式與算法搭配對復烤煙片均勻性的影響

由表3可知，在不同品種、不同等級條件下，3種處理方式T0、T1、T2對復烤片煙總糖均值、還原糖均值、總糖/煙堿均值和還原糖/煙堿均值的影響差異不顯著，但對總糖變異系數、還原糖變異系數、煙堿均值、煙堿變異系數、總糖/煙堿的變異系數、還原糖/煙堿變異系數的影響有顯著差異(P<0.05)，具體表現為：在對總糖變異系數、還原糖變異系數、煙堿均值的影響中，處理T0、T1差異不顯著，處理T2與處理T0、T1有顯著差異(P<0.05)。在對煙堿變異系數、總糖/煙堿的變異系數、還原糖/煙堿的變異系數的影響中，處理T0、T1、T2之間都有顯著差異(P<0.05)，說明不同處理方式主要對各指標的變異系數有影響，而對各指標的均值影響不大。其中，經配方混配后(包括處理T0、T1、T2)，總糖、還原糖、煙堿、總糖/煙堿值、還原糖/煙堿值的變異系數最大值分別為8.64%、8.18%、8.88%、13.17%、13.97%，與表2相比較，其變異系數均有不同程度的降低，說明完成配方混配對復烤煙片的均勻性具有一定效用。處理T0雖沒有考慮煙堿混配因素，但是打葉復烤生產中應用配方柜進行配方混配，而在配方混配的過程中，存在客觀的自然混配環節，因此一定程度上對化學成分及其派生值具有降低作用。

表2 試驗材料主要化學成分及其派生值

處理T0與T1，無論是K326，還是云87，其C3F、C4F的總糖、還原糖變異系數相差不大，而煙堿、總糖/煙堿值、還原糖/煙堿值的變異系數差異明顯，但是從煙堿變異系數≤5.0%的要求來看，處理T0與處理T1尚不能完成要求。處理T2，K326和云87品種的C3F、C4F的總糖變異系數控制在2.20%～3.65%，還原糖變異系數為3.52%～5.81%,煙堿變異系數為3.21%～3.50%，總糖/煙堿為5.89%～6.10%，還原糖/煙堿為5.86%～6.06%，主要化學成分和變異系數控制最佳。盡管T1在混配中加入煙堿的因素，但是在入庫時沒有針對煙堿值作分類堆碼，而僅是對貨位堆碼物料進行煙堿累加混算，實際在貨位上初烤煙葉的內在化學成分變異較大，應用算法搭配出料，煙堿的混配效果極為有限，同時總糖/煙堿值及還原糖/煙堿值的變異系數也處于較大的范圍內。說明來料檢測初烤煙葉化學成分(煙堿)，按煙堿值高、中、低分類堆碼，運用組合方程式算法進行搭配出料，配方柜混配能達到最佳的復烤煙片均勻性混配效果。

2.3 控制方式與算法對煙片均勻程度的影響

煙草行業內，對于復烤片煙均勻性使用內在化學成分的變異系數進行表征，具體是以煙堿變異系數為主、輔以糖堿比(總糖/煙堿)變異系數進行衡量。

表3 控制方式與算法對復烤煙片主要化學成分及其派生值的影響

由表4可知，不同處理方式應用于不同品種、不同等級的試驗材料時，其混配均勻性均起到降幅≥50.99%的明顯效果，總體變異系數下降幅度呈現出T0

表4 不同處理復烤煙片煙堿、總糖/煙堿值變異系數降幅對比

2.4 加工批次驗證

上述試驗針對不同品種、不同等級煙葉篩選打葉復烤混配均勻性控制的最佳方法，為驗證該方法的普適性，選取云87品種，WBBSF配方模塊(B1F+B2F混合生產)進行驗證。驗證方法見“1.1 材料、設備和儀器”“1.2.1 實驗室化學成分檢測”“1.2.2 算法設計”，控制方式按照T2執行。

由表5可知，經控制和算法組合應用后，煙堿變異系數為2.99%，降幅為83.44%，總糖/煙堿值變異系數為5.60%，降幅為78.76%。同表3與表4對比，其試驗效果趨于一致。此外，還原糖及還原糖/煙堿變異系數均處于較小值，說明T2的控制方法和算法組合具有針對不同品種、不同等級、不同配方生產的實用性。

表5 控制方式與算法對來料及復烤煙片主要化學成分及派生值的影響

3 討 論

3.1 煙葉化學成分均質加工是卷煙原料質量穩定的前提

煙葉屬于農產品，其質量受品種[14-15]、土壤[16]、生態區[17-18]、農藝措施[19-21]、采收方式[22]等因素的影響而表現不盡相同，質量差異客觀存在。當煙葉經工商交接后，需要進行打葉復烤加工生產成為復烤煙片，才能完成從農產品向工業原料的轉變。研究表明，煙葉內在質量與感官質量呈正相關，其適宜的內在化學成分含量以及各化學成分的協調[23-24]，最終影響到卷煙質量的穩定性。對于初烤煙葉的內在化學成分的研究表明，除不同部位的煙葉內在化學成分的差異外，同一部位及等級的煙葉在年際間及年際內，其內在化學成分均存在顯著的波動，煙葉質量也因此存在客觀的波動[25-26]。如何從煙葉生產及卷煙制造的各個工序環節中降低煙葉質量的波動性，提高卷煙成品的質量，一直是煙草科技研究者以及企業技術人員努力的目標。目前，煙草行業打葉復烤領域以煙堿變異系數來衡量成品煙片的均勻性，目的在于將卷煙成品的質量穩定性控制延伸至打葉復烤生產環節，形成全卷煙工業工藝流程的協同優化再造，通過加工過程煙葉原料內在化學成分的均勻性來保證最終卷煙產品質量的穩定?！毒頍煿に囈幏丁?2016)[1]明確規定批次煙堿變異系數為≤5.0%，而煙草行業的優秀指標為≤3.5%，但是基于卷煙原料屬于農業產品的實際，初烤煙煙葉的煙堿變異系數普遍>20%，對完成打葉復烤化學成分均質化生產帶來挑戰。

3.2 控制方式及算法調控煙堿變異系數具有普適性

打葉復烤成品煙片化學成分的穩定性控制，目前研究重點在于平庫或高架庫、配方混配柜以及在線化學成分檢測系統的綜合應用。對復烤前的煙片進行在線化學成分檢測，將不合格煙片送至混配柜進行二次混配，通過近紅外光譜在線檢測結果與工藝設備的聯動控制，提高了復烤煙片混配的均勻性[7]，王發勇等[27]也有類似工藝設想，本研究中重點在于倉庫的堆碼及算法搭配的組合應用，再由混配柜進行配方混配，煙堿變異系數明顯降低，可見，除了混配柜的混配方法外，在上游工序進行協同控制，也能達到較好的化學成分均質的效果。王宏鋁等[8]在選葉環節，利用在線近紅外光譜檢測煙葉化學成分，并按照檢測結果進行高低分類，生產投料時按照高低搭配的方法進行控制，成品煙堿變異系數控制到2.78%。兩者研究的思路類似，但是前者的研究需要在工商交接后進行二次選葉，投料生產煙葉等級合格率更高，客觀條件上減小了打葉復烤生產煙葉的質量波動性，而本研究針對可直接進行打葉復烤的煙葉，減少選葉環節，可在煙葉質量波動較大的情況下進行煙堿控制，煙堿變異系數達到行業優秀指標。尹旭等[12]利用配方高架庫的自動控制功能對煙堿進行控制，煙堿變異系數控制到2.53%。配方高架庫的控制核心在煙葉化學成分的檢測以及基于檢測后進行算法搭配控制，與本研究的控制思路類似，但是在算法、控制成本和設備投資上，本研究的普適性更強。

3.3 控制方式及算法具備均勻性拓展指標的調控效果

打葉復烤煙片均勻性評價，何結望等[28]認為變異系數法可作為質量均勻性的評價方法，且化學成分指標選擇糖堿比具有較好的代表性。本研究中以煙堿為主要控制因素，連同總糖、還原糖以及還原糖/煙堿值的控制效果進行探討，發現控制煙堿的同時，復烤煙片的以上各類指標均得到不同程度的改善，說明煙堿控制具有總體的調控效應，也為均勻性指標的擴展提供了一定的參考思路。

打葉復烤化學成分均質化生產，最終表現于復烤煙片的均勻性。在平庫條件下，針對工商交接后即可打葉復烤生產的常規煙葉，設計在工商交接時進行實驗室化學成分檢測，依據檢測煙堿值進行區間劃分，入庫分高、中、低分類堆碼，并組合運用算法進行初烤煙葉的搭配，對不同品種、不同等級、不同配方等方面進行了煙堿、總糖、還原糖、總糖/煙堿值、還原糖/煙堿值的變異系數控制研究，形成了具體的煙堿控制方式、搭配算法以及工藝流程，即可人工算法搭配，也可開發軟件進行自動控制，具有普遍的適用性。研究中同時揭示了不同控制方法和算法搭配對復烤煙片主要化學成分及其派生值的控制降幅效果，還延伸出煙堿控制對其它化學指標的調控作用，為打葉復烤均勻性混配控制提供了一種普遍實用、簡單便捷、成本較優、效果明顯的方法，同時對其它穩定性可使用指標引出參考方向。

4 結 論

在平庫條件下，對比不同復烤煙片化學成分控制方法，以煙堿為主，額外考察了化學成分派生值的表現，系統對比控制方法與算法搭配相組合的方式，結果表明，在完成配方混配的條件下，在工商交接時測定煙堿值，后根據煙堿值進行倉庫內高、中、低分類堆碼，再利用“煙堿+重量”算法搭配出庫，復烤煙片煙堿變異系數≤3.51%，降幅≥80.76%，糖堿比變異系數≤6.10%，降幅≥77.80%，此外，對于還原糖及還原糖/煙堿值變異系數也具調控效應，且在不同配方生產的試驗驗證中，煙堿變異系數2.99%，超過煙草行業的優秀指標，說明對初烤煙葉進行高、中、低分類堆碼，再根據“重量+煙堿”的組合方式搭配出料，能滿足復烤煙片均勻性的生產要求。