不同長度成品煙絲的化學品質評價

楊 勇，劉 靜，唐 軍，張 雯，李思源，高 輝*

(1.云南同創檢測技術股份有限公司，云南 昆明 650106；2.云南中煙工業有限責任公司，云南 昆明 650231；3.紅云紅河煙草(集團)有限責任公司，云南 昆明 650231)

產品質量的穩定性是影響一個企業或品牌發展的重要因素，對于中國煙草行業，隨著近些年大品牌的構建和企業的聯合重組，行業越來越重視推進產品的精益管理和研發，進一步提升卷煙產品質量及其穩定性，提高中式卷煙在國際市場上的競爭力。在卷煙制造過程中，煙絲結構是影響卷煙產品質量的重要因素之一，影響的主要指標包括卷煙物理特性[1-3]、煙氣成分[4]和感官質量[5]等。在切絲寬度確定后，所謂煙絲結構主要是指不同長度煙絲質量所占的比例。因此，通過研究成品煙絲中不同長度煙絲化學品質的差異性，可以揭示煙絲結構影響卷煙煙氣成分、感官質量及其穩定性的根本原因，為卷煙產品質量穩定性控制方法的研究提供數據支撐。有關煙絲結構方面的研究包括其表征方法[6-7]、化學成分差異性[5]、對卷煙物理特性[1-3]及煙氣成分[4]的影響等，而關于成品煙絲中不同長度煙絲內在化學品質的綜合評價研究尚未見報道。本研究利用煙絲篩分儀對云煙某規格卷煙的成品煙絲進行篩分，并檢測成品煙絲中不同長度煙絲的6項常規化學指標，并利用各項常規化學指標的隸屬函數類型、隸屬度值及TOPSIS模型綜合評價不同長度煙絲內在化學品質的差異性及變化趨勢，旨在揭示煙絲結構影響卷煙化學品質、煙氣成分、感官質量及其穩定性的根本原因，為卷煙產品質量穩定性控制方法的研究提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

云煙某規格卷煙在線生產的成品煙絲，由紅云紅河煙草(集團)有限責任公司昆明卷煙廠提供。該規格卷煙配方成品煙絲由薄板絲(含再造煙葉絲)、氣流絲和梗絲摻配組成，薄板絲占68%(其中再造煙葉絲占7%)、氣流絲占23%、梗絲占9%。

1.2 試驗方法

1.2.1 取樣方法 在成品煙絲風力送絲前每間隔30 s取成品煙絲樣品約500 g，共取樣30次，作為下一步篩分的煙絲樣品。

1.2.2 成品煙絲的篩分 利用AS 400型旋轉篩分儀(篩網孔徑依次為4.75、4.00、2.50、2.00、1.60、1.00 mm)對成品煙絲樣品進行篩分。篩分條件：旋轉速度設置為220 r/min，每間隔1 min變換1次旋轉方向，每次篩分時間為10 min。將篩分后的相同長度區間的煙絲樣品存放在一起，最后分別將每個長度區間的煙絲樣品混勻，再從每個長度區間的大樣品中取樣3次用于化學成分檢測。分別用S1～S7表示不同長度范圍的成品煙絲試驗樣品。其中，樣品長度：S1>4.75 mm、4.00 mm

1.2.3 化學成分的檢測 按照行業標準YC/T 159─2002、YC/T 161─2002、YC/T 160─2002、YC/T 217─2007和YC/T 162─2011規定的方法利用AA3型連續流動分析儀檢測不同長度煙絲樣品中的總糖、還原糖、總氮、總植物堿、鉀和氯的含量。

1.2.4 基于模糊TOPSIS法的綜合評價模型 (1)化學成分指標的隸屬度歸一化常規化學成分是影響煙葉內在質量的基礎[8]。煙葉中主要的常規化學成分在很大程度上決定了煙氣的特性，進而影響煙葉的內在品質和協調性[9]。因此，選擇總糖、還原糖、總氮、總植物堿、鉀、氯、糖堿比、氮堿比和鉀氯比9項指標作為不同長度煙絲化學品質的綜合評價指標[10]。根據生產實踐經驗與相關研究結果[11-12]，確定9項化學成分指標的隸屬函數類型、隸屬度值與權重值，見公式(1)、公式(2)與表1。隸屬函數取值范圍0～1，其值越高，表明煙葉或煙絲化學成分質量越好。由m個煙絲樣本的n個化學成分評價指標構成原始評價矩陣，記為A=(aij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。采用模糊隸屬度函數對化學成分指標進行歸一化處理。

表1 常規化學指標的隸屬度函數類型、拐點及權重

對于拋物線型指標：

(1)

對于S型指標：

(2)

各項化學指標經隸屬度函數歸一化處理后，再乘以各自的權重系數(Wj)建立標準評價矩陣B=(bij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

(2)TOPSIS綜合評價模型

TOPSIS法是一種有效的多指標、多目標決策分析法：基于歸一化后的評價指標矩陣，找出有限方案中的最優方案和最劣方案(分別用最優向量和最劣向量表示)，然后分別計算諸評價對象與最優方案和最劣方案的距離，獲得各評價對象與最優方案的相對接近程度，以此作為評價優劣的依據[13]。

在建立常規化學指標標準評價矩陣(B)的基礎上，從中確定最優向量和最劣向量的評價值集合：

A+={b1+,b2+,…,bn+}={(maxbij∣j∈J1),i=1,2,…,m}

(3)

A-={b1-,b2-,…,bn-={(minbij∣j∈J2),i=1,2,…,m}

(4)

其中，J1為所有評價指標中最大值的集合；J2為所有評價指標中最小值的集合。

不同長度煙絲化學指標的評價值與最優向量和最劣向量之間的距離可利用如下的n維歐氏距離公式進行計算：

(5)

(6)

不同長度煙絲內在化學品質的TOPSIS評價值計算為公式(7)，根據TOPSIS評價值的大小即可對不同長度煙絲的內在化學品質進行評價。

(7)

2 結果與分析

2.1 不同長度煙絲常規化學指標的測定結果

7種不同長度成品煙絲的9項化學指標數據檢測結果如表2所示。由表2可以看出，隨著煙絲長度從大到小，總糖、還原糖、總植物堿、糖堿比呈逐漸降低的變化趨勢；總氮、氮堿比呈逐漸增加的變化趨勢；氯離子和鉀離子含量呈先增加后降低的變化趨勢；鉀氯比呈先降低后增加的變化趨勢。綜合分析得出，不同長度煙絲的每一項化學指標均存在較大差異，必然導致其內在綜合化學品質存在一定的差異。

表2 不同長度煙絲常規化學成分的檢測結果

2.2 不同長度煙絲常規化學指標的標準化處理

根據公式(1)、公式(2)及表1中的隸屬度、權重，建立了7種不同長度煙絲參評化學指標的標準化評價矩陣，結果見表3。

2.3 不同長度煙絲內在化學品質綜合評價

利用表3中的標準化評價矩陣，根據公式(3)、公式(4)確定評價不同長度成品煙絲內在化學品質的最優向量和最劣向量的指標集合如表4所示。

根據公式(5)和公式(6)分別計算不同長度煙絲樣品化學指標的評價值與最優向量和最劣向量之間的歐氏距離(表5)。與最優向量的歐氏距離越小，表明該長度煙絲樣品的內在化學品質與協調性越好；與最劣向量的歐氏距離越小，表明該長度煙絲樣品的內在化學品質與協調性越差。

表3 不同長度煙絲常規化學指標的標準化評價矩陣(加權后)

表4 不同長度煙絲常規化學指標的最優向量與最劣向量

表5 不同長度煙絲樣品與最優向量、最劣向量的歐氏距離

根據表5中不同長度煙絲樣品與最優向量、最劣向量的距離，根據公式(7)計算表征煙絲內在化學品質的TOPSIS評價值(圖1)。TOPSIS評價值越大，表明煙絲的綜合化學品質越好，反之就越差。公式(7)在TOPSIS評價值的計算過程中考慮了參評樣本與最劣向量之間的關系(Li-)，有效避免了參評樣本的Li+值相同時無法進行優劣排序的問題，因此與Li+值相比更具有代表性。

由圖1可以看出，在成品煙絲中，隨著煙絲長度從大到小，煙絲的內在化學品質(TOPSIS評價值)總體呈先升高后降低的拋物線型變化趨勢。整個變化趨勢在S3處出現異常現象，且S3長度煙絲樣品的化學品質相對最差，這個現象恰好與實際情況相吻合。在成品煙絲篩分過程中發現，配方煙絲中的梗絲和再造煙葉絲主要集中在第3層篩網上，占到該層篩網上煙絲總量的70%以上。梗絲和再造煙葉絲的化學品質遠低于正常煙絲，因此，S3長度煙絲的化學品質相對最差。此外，S4和S5長度的煙絲樣品化學品質相對最優。

3 討論與結論

本研究對云煙某一類規格卷煙成品煙絲中不同長度煙絲的常規化學成分及其綜合品質進行了分析，結果發現各項化學指標均呈現規律性變化趨勢。隨著煙絲長度從大到小，總糖、還原糖、總植物堿的質量分數及糖堿比呈逐漸降低的變化趨勢，總氮的質量分數及氮堿比呈逐漸增加的變化趨勢，鉀和氯的質量分數呈先增加后降低的變化趨勢，鉀氯比呈先降低后增加的變化趨勢，上述變化規律與周冰等[5]的研究結果一致。內在化學品質的綜合評價結果表明，煙絲長度從大到小，其化學品質總體呈先增加后降低的變化趨勢，其中，S4(2.00～2.50 mm)和S5(1.60～2.00 mm)長度的煙絲化學品質相對最優。由此可見，在成品煙絲中，并不是長絲的比例越大越好，而是應該增加中短絲的比例，適當降低長絲和碎絲的比例，這與堵勁松等[1]在研究煙絲結構對卷煙物理指標的影響時得出的結論基本一致。同時，本研究的結果表明，S3長度煙絲(2.50～4.00 mm)的內在化學品質在7種長度煙絲樣品中最差。在成品煙絲篩分試驗中發現，配方煙絲中的梗絲和再造煙葉絲主要集中分布在第3層篩網上，梗絲和再造煙葉的主要原料均為煙梗，其化學品質遠低于正常煙葉，因此，S3長度煙絲的化學品質最差。

相關研究表明，煙絲中的常規化學成分與卷煙焦油釋放量顯著相關[14-16]。結合本文的研究結果，可以推測出不同長度煙絲的焦油釋放量也存在一定差異。因此，若成品煙絲在輸送與卷制過程中，其煙絲結構波動較大，勢必會造成卷煙成品的內在化學品質及焦油釋放量產生一定的波動，影響卷煙感官質量的穩定性[5]。

圖1 不同長度煙絲化學品質的TOPSIS評價值

在卷煙成品煙絲中，煙絲長度的差異性是由其化學特性所決定的。煙葉或煙絲的內在化學特性是決定其力學特性的物質基礎，在打葉復烤和制絲過程中也很大程度上決定了片煙面積大小和煙絲長度的差異性[17-18]，由此反映出了不同長度煙絲的內在化學品質存在較大的差異性。

本研究結果表明，在同一規格卷煙的成品煙絲中，隨著煙絲長度從大到小，各項常規化學指標呈現出規律性變化趨勢，煙絲內在綜合化學品質呈先升高后降低的變化趨勢，S4(2.00～2.50 mm)和S5(1.60～2.00 mm)長度的煙絲化學品質相對最優。由于配方煙絲中的梗絲和再造煙葉絲主要集中在第3層篩網上，因此，S3(2.50～4.00 mm)長度煙絲的內在化學品質相對最差。