基于平庫條件的配方打葉復烤均質化技術

沈 晗，楊 凱*，馬思旺，徐瑋杰，羅 佳，尚關蘭，許衛華，張 明，李 強，朱毓航

1. 上海煙草集團有限責任公司技術中心，上海市楊浦區長陽路717 號 200082

2. 云南煙葉復烤有限責任公司，昆明市五華區圓通街51 號 650201

打葉復烤后的成品片煙不僅要體現出質量風格特征，而且要具有良好的產品一致性和穩定性，打葉復烤加工過程中的煙葉混配是實現配方工藝目標的基礎，也是實現產品特征與均質化的關鍵［1］。目前，多數打葉復烤配方均質化控制方法以煙葉煙堿高低搭配來進行調控［2-3］。王宏鋁等［4］通過構建在線煙堿預測模型對煙葉進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，實現均質化加工。楊凱等［5］利用煙葉煙堿含量作為參數參與配方，分別以化學成分調節模式、混合挑選模式以及兩者的組合模式實施投料過程的均勻性控制。尹旭等［6］以煙葉煙堿含量為參數，利用高架庫自動控制功能實現均質化配方打葉。在平庫條件下，以煙葉煙堿含量作為參數進行分類和搭配的均質化調控方法，檢測的煙葉樣本量較大，時間上也有一定的滯后性，同時半成品煙葉的分類入庫出庫操作較為復雜；而高架庫均質化調控方法的投入和運行成本非常高。因此，對比了3 種模式的均質化加工控制方法，分別為“配方比例”、“混配組合”、“相似組合”模式，旨在探索出一種在平庫條件下簡單有效的均質化控制方法。

1 材料與方法

1.1 原料

2014—2018 年云南麗江、普洱、臨滄、昭通、楚雄、紅河、文山7 個產區C1F、C2F、C1L、C2L 等級原煙，在云南省煙葉復烤有限責任公司瀘西復烤廠進行打葉復烤加工。

原煙單等級以每車依次堆放至貨位（500 擔，1擔=50 kg），并按貨位取樣檢測煙葉化學成分。將同一原煙單等級劃分為若干個“原煙貨位單元”，根據原煙單等級小產地（縣區、鄉鎮、站點）、煙葉化學成分檢測值（煙堿）一致或相近的原煙單等級貨位歸為一個貨位單元。原煙單等級按貨位單元依次出庫投料分選。

1.2 原煙分選方法

1.2.1 單等級打葉配方模塊

以4 萬擔原煙單等級配方模塊為例，每個貨位單元原煙單等級數量設為2 000 擔（4 個貨位），共計20 個原煙單等級貨位單元。原煙單等級根據挑選質量需求標準進行分選，形成分選后半成品原煙，假設主體煙葉原料的分選得率為70%，其余30%為次要原料。本研究中僅對挑出的70%主體半成品煙葉原料部分進行分析，則每個貨位單元半成品原煙數量為1 400 擔，半成品原煙每框凈重設為14 擔（700 kg），每個貨位單元的半成品原煙煙框數量為100 框。

1.2.2 多等級混打配方模塊

以原煙單等級Ⅰ8 000 擔、原煙單等級Ⅱ12 000擔、原煙單等級Ⅲ10 000 擔、原煙單等級Ⅳ10 000擔混打配方（原煙配方模塊1）為例，仍設分選率為70%。每個貨位單元原煙單等級數量設為2 000擔（4 個貨位），每貨位單元分選后半成品原煙煙框數量為100 框。則各原煙單等級分選后半成品煙框數量分別為，原煙單等級Ⅰ400 框、原煙單等級Ⅱ600 框、原煙單等級Ⅲ500 框、原煙單等級Ⅳ500 框。

1.3 分選后半成品原煙入庫

1.3.1 混配后入庫

分選后半成品原煙按配方比例，在簡易混配線（圖1）上進行混配。以多等級混打配方模塊“（原煙配方模塊1）”為例，混配后半成品原煙裝箱質量設為10 擔（500 kg），則總框數為2 800 框。按圖2 所示方式入庫擺放（實際生產上可根據倉庫形狀大小調節長度），整個批次需要7 個圖2 所示區域，在圖1 所示裝箱落料端口連續依次循環用（A、B、C、D、E、F、G）7 種不同顏色標簽標記煙框裝入混配后半成品原煙。不同顏色標簽分不同區域擺放。每天混配量為2 800 擔，將混配后每1 400擔里的同一顏色煙框20 框（200 擔）擺放為一縱列。第1 個1 400 擔里的同一顏色標簽煙框為一縱列堆放至第1 層，第2 個1 400 擔里的相同顏色煙框則為第2 層，依次類推。

1.3.2 直接入庫

1.3.2.1 單等級配方模塊半成品原煙入庫

每個貨位單元原煙單等級的分選后半成品煙框均等地依次循環使用5 種不同顏色標簽（A、B、C、D、E），則每個貨位單元原煙單等級每一種顏色標簽的半成品煙框數量為20 框（每貨位單元半成品100 框÷5 種顏色=20 框）。不同顏色標簽分選后半成品原煙煙框分不同區域擺放，每一貨位單元的同一顏色煙框20 框擺放為一縱列。第1 個貨位單元同一顏色標簽煙框為一縱列堆放至第1 層，第2 貨位單元相同顏色煙框則為第2 層，依次類推。最終形成每個顏色標簽半成品區域為長20框×寬5 框×高4 框=400 框的半成品煙框矩陣，如圖2 所示。

1.3.2.2 多等級配方模塊半成品入庫

圖1 簡易混配線示意圖Fig.1 A schematic diagram of a simple blending line

圖2 混配或單等級打葉配方模塊半成品原煙煙框擺放示意圖Fig.2 A schematic diagram of semi-finished raw tobacco frame placing for blending or single grade threshing and blending modules

以多等級混打配方模塊（原煙配方模塊1）為例，半成品煙框按原煙單等級分4 個區域擺放，各原煙單等級半成品區域擺放規則為，原煙單等級Ⅰ：長25 框×寬4 框×高4 框=400 框，原煙單等級Ⅱ：長25 框×寬6 框×高4 框=400 框，原煙單等級Ⅲ：長25 框×寬5 框×高4 框=500 框，原煙單等級Ⅳ：長25 框×寬5 框×高4 框=500 框。圖3 為原煙單等級Ⅱ半成品煙框擺放示意圖，其他單等級半成品原煙類似擺放。

1.4 半成品原煙出庫加工

1.4.1 單等級配方模塊半成品原煙出庫

如圖2 所示，每次取一個橫截面20 框（1～20）半成品原煙作為半成品加工單元，進行打葉加工，打葉加工車間投料區相應設置20 個鋪把臺位。每輪次取料、投料加工以橫截面20 框整面推進，不同顏色標簽半成品煙框（A、B、C、D、E……）分別依次出庫。

圖3 多等級混打配方模塊的單等級半成品原煙煙框擺放示意圖Fig.3 A schematic diagram of semi-finished raw tobacco frame placing for multiple-grade threshing and blending module

1.4.2 多等級配方模塊半成品原煙出庫

各單等級半成品原煙按配方比例出庫，同一單等級每輪取料為從上至下取半成品原煙矩陣橫截面的一層。原煙單等級Ⅰ煙葉每輪取4 框（1～4），原煙單等級Ⅱ煙葉每輪取6 框（1～6），原煙單等級Ⅲ煙葉每輪取5 框（1～5），原煙單等級Ⅳ煙葉每輪取5 框（1～5），每輪出庫取料共計20 框，形成一個半成品加工單元，打葉加工車間投料區相應設置20 個鋪把臺位。

1.5 3 種調控模式

配方比例模式：原煙單等級入庫出庫分選后，分選后半成品原煙按配方比例在加工車間擺把臺鋪葉投料加工。

混配組合模式：原煙單等級按“原煙貨位單元”出庫，按配方比例進行投料分選，分選后按“1.3.1 混配后入庫”方式混配和入庫，按照“1.4.1 單等級配方模塊半成品出庫”方式出庫加工。

相似組合模式：原煙單等級按貨位單元出庫投料分選，按照“1.3.2 直接入庫”和“1.4 半成品出庫加工”的方式進行入庫出庫加工。

1.6 煙堿含量檢測

入庫原煙：原煙單等級以貨位為單元取樣，將所取樣品除梗后在40 ℃下干燥至含水率為9%～11%，后經旋風磨（網篩60 目）制成所需粉末樣品，并將粉末樣品放置在20～25 ℃下平衡至少4 h，利用Antaris Ⅱ傅里葉變換近紅外光譜儀按文獻［7］中的方法進行煙葉煙堿含量檢測。

半成品原煙：在分選車間，以20 框分選后半成品原煙為單元取樣，檢測方法同上。

成品片煙：每等級以50 箱為取樣檢測單元，各單元按每5 箱取1 個樣品后合成綜合樣進行煙堿含量檢測，檢測方法同上。

1.7 評價指標

式中：CV1—相應工序來料煙葉煙堿含量變異系數；CV2—相應工序產品煙葉煙堿含量變異系數。

式中：i，j—分級工序、打葉復烤工序。

1.8 數據分析

應用SPSS 統計軟件（IBMStatistics20）對數據進行分析，并用鄧肯法（Duncan）進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同調控模式均質化加工效果比較

2014—2018 年云南產區17 個不同原煙配方模塊批次以3 種不同調控模式進行均質化加工的效果見表1。從表1 可以看出：2014—2015 年云南5個配方模塊批次，按配方比例調控模式生產加工，成品片煙煙堿SD 值為0.099%～0.139%，成品片煙煙堿CV 值為3.78%～7.63%，平均值為5.47%，CV 值下降度為64.95%～85.71%，說明按配方比例調控模式，均質化效果不理想，且批次間成品片煙煙堿CV 值很不穩定，受原煙來料質量情況影響較大。

2015—2017 年云南7 個原煙配方模塊批次，按混配組合調控模式生產加工，成品片煙煙堿SD 值為0.058%～0.083%，成品片煙煙堿CV 值為2.45%～3.90%，CV 值下降度為85.85%～91.77%，說明按混配組合調控模式，均質化效果好，成品片煙煙堿CV 值平均為2.92%，比配方比例調控模式下降2.55 百分點，且效果穩定。

2016—2018 年云南5 個原煙配方模塊批次，按相似組合調控模式生產加工，成品片煙煙堿SD 值為0.066%～0.074%，成品片煙煙堿CV 值為3.01%～3.59%，CV 值下降度為87.37%～89.88%，說明按相似組合調控模式，均質化效果好，成品片煙煙堿CV 值平均為3.24%，比配方比例調控模式下降2.23 百分點，與混配組合調控模式差異不明顯，且效果較穩定。

表1 不同調控模式均質化加工效果Tab.1 Effects of consistent quality processing under different control modes

2014—2018 年云南產區17 個不同原煙配方模塊批次的3 種不同調控模式均質化加工效果多重比較結果見表2。由表2 可以看出：①3 種不同調控模式的原煙煙堿CV 值差異不顯著，均值在28.44%～28.94%之間，說明不同模式批次原煙來料質量均勻性比較一致。②混配組合和相似組合調控模式生產成品片煙煙堿SD 值分別為0.068%和0.071%，均顯著低于配方比例調控生產的片煙煙堿SD 值（0.122%），且混配組合和相似組合成品片煙煙堿SD 值差異不顯著。③混配組合和相似組合調控模式生產成品片煙煙堿CV 值分別為2.92%和3.24%，均顯著低于配方比例調控生產的成品片煙煙堿CV 值（5.47%），且混配組合和相似組合成品片煙煙堿CV 值差異不顯著。④混配組合和相似組合調控模式生產成品片煙煙堿變異系數下降度分別為89.77%和88.88%，均顯著高于配方比例調控生產的成品片煙煙堿變異系數下降度（79.89%），且混配組合和相似組合片煙煙堿變異系數下降度差異不顯著。

綜上分析，混配組合和相似組合調控模式生產均質化效果顯著優于配方比例調控模式，而混配組合和相似組合調控模式生產均質化效果差異不顯著。

表2 不同調控模式均質化加工效果多重比較①Tab.2 Multiple comparisons of effects of consistent quality processing under different control modes

2.2 不同工序在降低煙葉煙堿變異系數中的作用

表3 是不同原煙配方模塊批次各工序煙葉煙堿變異系數和變異系數下降度。從表3 可看出，各批次分選后半成品原煙煙堿CV 值為13.80%～23.49%，平均值為18.92%，較原煙煙堿CV 值下降10.41 百分點，說明分選能提高煙葉均勻性，但分選后半成品原煙煙堿變異系數仍然較高。各批次打葉加工后成品片煙煙堿CV 值為2.45%～3.59%，平均值為2.93%，較分選后半成品原煙煙堿CV 值下降16.00 百分點，說明打葉工序對提高煙葉均勻性更加明顯。各批次分選工序煙葉煙堿CV 值下降貢獻度為20.37%～42.58%，平均值為29.08%，打葉工序煙葉煙堿CV 值下降貢獻度為57.42%～79.63%，平均值為70.92%，說明降低煙葉煙堿變異系數主要依靠打葉工序實現。表4 是原煙、半成品原煙、成品片煙煙堿變異系數相關性分析，由表4 可知，原煙、半成品原煙、成品片煙煙堿變異系數相關性均不顯著，說明均質化控制的效果與原煙來料質量情況關系不明顯。

表3 不同原煙配方模塊批次各工序煙葉煙堿變異系數和變異系數下降度Tab.3 Nicotine coefficients of variation and their decline degrees of different raw tobacco blending modules in each processing procedure （%）

表4 原煙、半成品原煙、成品片煙煙堿變異系數相關性Tab.4 Correlations of nicotine CV between raw tobacco,semi-finished raw tobacco and finished tobacco strips

3 結論與討論

“混配組合”和“相似組合”調控模式生產均質化效果較理想，且效果穩定，降低煙葉煙堿變異系數主要依靠原煙相似性組合及有序出庫入庫和打葉工序實現，不受來料原煙質量影響。“混配組合”和“相似組合”調控模式生產的配方模塊成品片煙煙堿CV 值分別為2.92%和3.24%，均顯著低于“配方比例”調控生產的片煙煙堿CV 值（5.47%），且“混配組合”和“相似組合”片煙煙堿CV 值差異不顯著。3 種模式以“混配組合”調控模式效果相對最好，但用工和時間成本較高，占用的半成品庫存較大，且混配過程中會產生煙葉造碎；“相似組合”調控模式效果較好、操作簡單、成本低，便于實際生產應用。

本研究中“相似組合”均質化調控模式，通過原煙質量相似性組合、半成品原煙有序入庫、出庫組合的均質化控制方法關鍵點在于，在打葉復烤前能夠形成若干個可以代表整個配方模塊質量水平的半成品原煙加工單元，依次對半成品原煙加工單元進行投料加工，以保證整個配方模塊煙葉質量的整體一致性和穩定性，同時利用打葉加工車間鋪把臺和打葉復烤設備生產線對半成品原煙加工單元的煙葉進行局部混配均勻，從而實現整個配方模塊的質量均勻性。原煙質量相似性組合是“相似組合”均質化調控模式的重要前提，實際生產上，原煙單等級同一小產地、同一調撥時期原煙質量相似度較高，煙葉品種、葉位、顏色等因素最為接近或一致，對原煙劃分為質量相似貨位單元時，以上述參考因素為主，同時結合煙葉煙堿含量，還可以考慮煙葉其他外觀質量因素等。打葉復烤片煙質量均勻性評價指標方法主要包括葉片結構、化學成分和含水率的變異系數評價［8］，本研究中主要關注成品片煙內在品質的均勻性，采用化學成分指標中的煙堿變異系數來評價打葉復烤片煙質量的均勻性，與多數文獻所采用的評價方法相似［4，9-10］，要盡可能準確地評價配方模塊片煙內在品質的均勻性還需要對總糖、鉀等化學成分以及顏色等其他指標進行綜合評價［9，11］。以煙堿為單一參數進行均質化調控且最終片煙煙堿變異系數較小的方法和結果，在片煙品質均勻性方面可能存在一定的缺陷，例如煙堿含量較低的下部葉與煙堿含量較高的上部葉均勻配打為片煙，其煙堿含量能夠與配打的中部葉片煙煙堿相近，但片煙的內在品質可能相差較大。因此，本研究中并未僅以煙堿作為過程參數來進行均質化調控，而是綜合考慮了小產地、葉位、品種、顏色等因素。

本研究方法中，為便于計算和示例，數字設定盡量取整，但也較貼近實際。實際生產時，可以根據配方批次量的大小、倉庫庫容量、半成品裝框質量，調整半成品煙框擺放區域的長度和寬度以及加工車間鋪料擺把臺位的數量。