基于在線煙堿預(yù)測模型的煙葉復(fù)烤均質(zhì)化加工

王宏鋁，王筑臨，許小雙，石 超，劉 鵬

1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，杭州市建國南路288 號 310009

2.上海創(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司，上海市楊浦區(qū)鐵嶺路32 號 200092

近紅外光譜主要信息來自于樣品分子中含氫基團(tuán)（主要包括O—H、N—H、C—H、P—H 等）的振動合頻與倍頻吸收［1-2］，適合于谷物、中藥、煙草等有機(jī)物分析［3-4］。通過構(gòu)建近紅外模型，可快速檢測樣本成分含量，具有簡單、高效、無損等優(yōu)點［5-6］。配方打葉是目前最常見的復(fù)烤加工方式，配方打葉后煙葉的感官評吸質(zhì)量和混合均勻度均有所提升［7］，但是該種方式也存在一些不足。目前國內(nèi)煙葉種植多以個體農(nóng)戶為主，煙葉差異較大，常規(guī)的加工手段是按照顏色、身份等性狀進(jìn)行分類，再對分類的煙葉按比例投料達(dá)到均勻加工的目的［8-9］。但是由于工人素質(zhì)和分類評價尺度不一致，實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)煙葉穩(wěn)定性和均質(zhì)化提高幅度有限。煙堿含量是表征煙葉風(fēng)格特征的重要因素之一［10］，因此在本研究中，通過構(gòu)建在線煙堿預(yù)測模型對煙葉進(jìn)行在線實時煙堿檢測并分類堆放和加工，以控制煙葉煙堿波動，實現(xiàn)均質(zhì)化加工，提高均質(zhì)化程度。

1 材料與方法

1.1 原料、儀器與設(shè)備

2014年福建三明C2F（4000 擔(dān)）和福建三明C2L（8000 擔(dān)）等級初烤煙葉。Armor711 在線近紅外光譜儀（德國卡爾蔡司股份有限公司）；GR-200電子分析天平（感量:0.001 g，日本AND 公司）；FED240 電熱烘箱（德國Binder 公司）；X100 煙葉顏色檢測儀（上海創(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 在線煙堿預(yù)測模型的構(gòu)建

采用散射校正、一階導(dǎo)數(shù)13 點平滑對在線光譜進(jìn)行預(yù)處理，以偏最小二乘法方法建立模型，利用交互驗證確定主成分?jǐn)?shù)，并以模型決定系數(shù)R2、交互驗證均方根誤差RMSECV、樣本平均相對誤差MRE 等指標(biāo)評價模型［11-12］。

在線近紅外光譜儀參數(shù):光纖漫反射；光譜采集軟件:ProcXplorer；信息光斑大小:30 mm；分光方式:平面光柵分光；檢測器:InGaAs 檢測器；背景自動校正:30 min；掃描波長:910～2 200 nm；掃描時間:15 s。

1.2.2 加工流程

將原料分為兩份，一份進(jìn)行常規(guī)生產(chǎn)，另一份進(jìn)行基于在線煙堿預(yù)測模型的均質(zhì)化加工（以下簡稱均質(zhì)化加工方式）。加工過程中的各項工藝參數(shù)符合YC/T 146—2010 要求［13］。

均質(zhì)化加工方式:將原煙按照卷煙生產(chǎn)中設(shè)定的比例運送至挑選車間皮帶上。在皮帶上安裝在線近紅外光譜儀，利用在線煙堿預(yù)測模型檢測原煙煙堿值，煙框裝滿后發(fā)出框滿信號，上位機(jī)軟件對裝框時間內(nèi)的煙堿值進(jìn)行平均，得到的平均值作為每框煙葉的煙堿值，再依據(jù)每框煙堿值的高低進(jìn)行分類。試驗原料檢測完成后，裝框的煙葉按照煙堿值高低搭配的原則在打葉線生產(chǎn)皮帶上按比例投料。均質(zhì)化加工流程見圖1。

常規(guī)加工方式:和均質(zhì)化加工方式不同在于，常規(guī)加工方式僅對原煙進(jìn)行檢測查看煙葉均勻性情況而不進(jìn)行分類和控制。將挑選環(huán)節(jié)的煙葉裝框后送至倉庫，挑選結(jié)束后按照倉庫貨位順序依次出庫即可。常規(guī)加工流程見圖2。

圖1 均質(zhì)化加工流程圖

圖2 常規(guī)加工流程圖

1.2.3 檢測方法

原煙基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢測與分析:從原煙倉庫不同垛位取樣，隨機(jī)挑選2 個煙包，從中抽取12 片左右煙葉，組成一個混合樣本。每個等級取30 個混合樣本，送實驗室檢測煙堿含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），分析煙堿均勻性。

煙框煙堿平均值檢測與分析:對常規(guī)加工和均質(zhì)化加工得到的煙框煙堿平均值進(jìn)行統(tǒng)計，分析經(jīng)過簡單混配后的煙葉煙堿變化情況。

成品數(shù)據(jù)檢測與分析:對常規(guī)和均質(zhì)化加工得到的成品煙堿、含水率等指標(biāo)進(jìn)行檢測，分析兩種加工方式的差異性和控制效果。

煙葉煙堿按照流動分析法YC/T 160—2002［14］進(jìn)行測定；煙葉含水率、大中片率按照打葉煙葉質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)YC/T 147—2010 測定［15］；煙葉顏色:在葉片復(fù)烤機(jī)出口安裝煙葉顏色檢測儀X100，利用標(biāo)準(zhǔn)顏色HSV 模型檢測煙葉顏色，統(tǒng)計變異系數(shù)［16］。

1.2.4 打葉復(fù)烤數(shù)據(jù)共享平臺

浙江中煙打葉復(fù)烤數(shù)據(jù)共享平臺（圖3），通過該平臺自動收集在線近紅外光譜儀檢測數(shù)據(jù)、實驗室流動檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的采集、追溯和質(zhì)量分析，保證了數(shù)據(jù)的真實性和準(zhǔn)確性，便于數(shù)據(jù)多維度分析。

圖3 打葉復(fù)烤數(shù)據(jù)共享平臺系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 結(jié)果與分析

2.1 在線煙堿預(yù)測模型

利用在線近紅外光譜儀掃描煙葉光譜，取煙葉樣品并送實驗室檢測煙堿。建模樣本共422 個，等級包括上、中、下部煙葉，利用1.2.1 節(jié)的方法，構(gòu)建在線煙堿預(yù)測模型。

建模區(qū)間選擇5 800～9 000 cm-1，預(yù)處理方法選擇散射校正和一階導(dǎo)數(shù)，原始圖和處理后的光譜圖見圖4 和圖5，對光譜信息進(jìn)行提取，模型交互驗證均方根誤差RMSECV 與主成分?jǐn)?shù)的關(guān)系見圖6。由圖6 可以看出，當(dāng)主成分?jǐn)?shù)為8 時，RMSECV 趨于穩(wěn)定，因此主成分?jǐn)?shù)選擇8。利用PLS 方法建模，得到的模型決定系數(shù)R2為0.833 2（圖7），可滿足在線預(yù)測需要（R2＞0.81）。煙堿預(yù)測范圍1.13%～3.69%，覆蓋此次加工煙葉的煙堿范圍（1.45%～3.42%）。對三明C2F 和C2L 進(jìn)行取樣驗證，發(fā)現(xiàn)模型相對誤差為7.87%，模型的預(yù)測精度滿足在線預(yù)測需求（＜11%）。

圖4 建模樣本光譜圖

圖5 預(yù)處理后的光譜圖

圖6 模型交互驗證均方根誤差隨主成分?jǐn)?shù)變化圖

圖7 在線煙堿模型校正曲線

2.2 原煙煙堿均勻性

按照1.2.3 節(jié)的方法從原煙倉庫取樣，對原煙煙堿均勻性進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。從表1 可以看出，原煙的煙堿變異系數(shù)為22.49%～26.60%，變化較大。

表1 原煙樣品煙堿含量檢測結(jié)果

2.3 挑選環(huán)節(jié)煙堿均勻性

2.3.1 常規(guī)加工方式

按照常規(guī)加工方式，利用在線近紅外光譜儀對挑選皮帶上的煙葉進(jìn)行檢測，得到的煙堿平均值結(jié)果見表2。由表2 可以看出，經(jīng)過簡單混配后的煙葉煙堿變異系數(shù)有所降低，但是煙葉間的不均勻狀況依然明顯，變異系數(shù)依然較高，達(dá)到了17.35%，并且每批煙葉的變異系數(shù)不均衡。

表2 常規(guī)加工挑選環(huán)節(jié)煙堿含量檢測結(jié)果

2.3.2 均質(zhì)化加工方式

按照均質(zhì)化加工方式，利用在線近紅外光譜儀在挑選環(huán)節(jié)對皮帶上的煙葉進(jìn)行檢測，得到的煙堿含量平均值見表3。由表3 可知，均質(zhì)化加工方式下，在挑選環(huán)節(jié)，煙堿含量的變異系數(shù)依然較高，為15.97%。

表3 均質(zhì)化加工挑選環(huán)節(jié)煙堿含量檢測結(jié)果

2.4 成品煙堿和其他指標(biāo)均勻性

常規(guī)加工和均質(zhì)化加工得到的3 個批次煙葉煙堿數(shù)據(jù)的平均值（原煙、挑選、成品環(huán)節(jié)）見圖8，從圖8 可以看出，由于均質(zhì)化加工方式直接針對原煙煙堿含量高低進(jìn)行投料配比控制，故均質(zhì)化加工得到的成品煙堿變異系數(shù)（2.78%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)加工方式（7.83%）。說明基于原煙在線預(yù)測模型的均質(zhì)化加工方式對控制煙堿波動效果明顯。

圖8 常規(guī)和均質(zhì)化加工方式不同環(huán)節(jié)的煙葉煙堿變異系數(shù)變化

檢測常規(guī)加工和均質(zhì)化加工得到的3 個批次成品的含水率、顏色和大中片率數(shù)據(jù)，含水率、顏色數(shù)據(jù)結(jié)果見圖9。從圖9 可以看出:①成品含水率變異系數(shù)有所改善，可能的原因是進(jìn)行均質(zhì)化控制以后，煙葉吸濕性能更加趨于一致，因此在加工過程中含水率的變化更加平穩(wěn)。②均質(zhì)化加工的成品顏色變異系數(shù)大幅降低，由于煙葉顏色與其煙堿含量有較強的關(guān)聯(lián)性［17］，因此控制煙堿波動后，煙葉顏色也可以得到有效的控制。③葉片結(jié)構(gòu)中的大中片率變化不明顯（常規(guī)加工80.45%、均質(zhì)化加工81.13%），其原因可能是葉片結(jié)構(gòu)與設(shè)備參數(shù)狀態(tài)有著更為直接的關(guān)系，工藝條件不變的情況下，大中片率變化并不明顯。

圖9 常規(guī)與均質(zhì)化加工結(jié)果比較（n=3）

3 結(jié)論

構(gòu)建了原煙在線煙堿模型，模型決定系數(shù)R2為0.833 2，模型相對誤差為7.87%。通過原煙在線煙堿模型實時預(yù)測原煙煙堿，并依據(jù)原煙煙堿含量差異分類加工提高成品煙葉的均勻性，比較了常規(guī)加工和均質(zhì)化加工的結(jié)果。結(jié)果顯示，與常規(guī)加工相比，均質(zhì)化加工所得成品的煙堿變異系數(shù)由7.83%下降至2.78%，成品含水率變異系數(shù)由3.16%下降至2.35%，成品顏色變異系數(shù)由4.09%下降至2.07%，說明基于原煙在線預(yù)測模型的復(fù)烤過程均質(zhì)化效果明顯，煙葉品質(zhì)得到了改善。

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