不同調(diào)控因素對(duì)打葉復(fù)烤成品片煙質(zhì)量均勻性的影響

尹 旭，王 戈，徐其敏，張 鑫，竇家宇，吳曉梅

(1.華環(huán)國(guó)際煙草有限公司，安徽鳳陽(yáng) 233121；2.上海煙草集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，上海 200082)

當(dāng)前均質(zhì)化加工技術(shù)作為支撐打葉復(fù)烤未來(lái)發(fā)展的重要技術(shù)之一，相關(guān)應(yīng)用研究主要集中在通過(guò)在線、離線檢測(cè)手段獲得煙葉原料煙堿含量，再根據(jù)煙堿含量進(jìn)行高低混配，從而實(shí)現(xiàn)成品片煙煙堿含量的均勻、穩(wěn)定[1-4]。煙葉常規(guī)化學(xué)成分除了包含煙堿外，還有糖、氮、氯、鉀等多種成分。煙葉顏色作為評(píng)判烤煙外觀質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，與煙葉評(píng)吸質(zhì)量和化學(xué)成分等內(nèi)在質(zhì)量存在較強(qiáng)關(guān)聯(lián)[5-9]。因此，在打葉復(fù)烤環(huán)節(jié)利用現(xiàn)代技術(shù)手段提高片煙產(chǎn)品內(nèi)在化學(xué)成分、外觀顏色等指標(biāo)的均勻性研究具有重要的意義。筆者利用在線近紅外分析技術(shù)、煙葉顏色計(jì)算機(jī)識(shí)別技術(shù)檢測(cè)煙葉的煙堿含量、光譜特征值以及顏色值，結(jié)合企業(yè)打葉復(fù)烤均質(zhì)化控制工藝及裝備特點(diǎn)，研究“煙堿”“煙堿+顏色”“光譜”“光譜+顏色”“顏色”5種調(diào)控因素對(duì)成品片煙均質(zhì)化的影響，以期從多個(gè)維度提升成品片煙質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性，為打葉復(fù)烤均質(zhì)化工藝技術(shù)的改進(jìn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料、主要設(shè)備與儀器

1.1.1試驗(yàn)材料。試驗(yàn)材料為由中部煙葉原料組成的A、B、C、D、E、F、G 7個(gè)配打模塊。

1.1.2主要設(shè)備與儀器。Armor 711 在線近紅外光譜儀(德國(guó)Carl Zeiss公司，PDA陣列型InGaAs檢測(cè)器，波長(zhǎng)范圍900～1 700 nm，光斑直徑30 mm)；基恩士CV-X100a工業(yè)相機(jī)[日本Keyence公司，CCD彩色/黑白切換式面陣相機(jī)，相機(jī)像素640(H)X492(V)、32萬(wàn)像素彩色，鏡頭CV90]；ANTARIS傅里葉變換型近紅外光譜儀(美國(guó)Thermo Fisher公司)；SEAL AutoAnalyzer 3 連續(xù)流動(dòng)分析儀。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1不同因素調(diào)控方案。煙葉原料按照模塊設(shè)計(jì)要求通過(guò)分選混配線投料混配的同時(shí)進(jìn)行在線分選，然后利用Armor 711 在線近紅外光譜儀、基恩士CV-X100a工業(yè)相機(jī)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)分選后每架煙葉(約350 kg)的煙堿含量、光譜特征值、顏色值等信息。分選生產(chǎn)結(jié)束后，根據(jù)模塊物料數(shù)量，按照“煙堿”“煙堿+顏色”“光譜”“光譜+顏色”“顏色”5種調(diào)控因素(圖1)進(jìn)行均勻性調(diào)控生產(chǎn)試驗(yàn)。最后，分析同一模塊不同調(diào)控因素的調(diào)控效果以及不同模塊相同調(diào)控因素的調(diào)控規(guī)律。

1.2.2煙葉化學(xué)成分含量、光譜特征值、顏色值檢測(cè)。

1.2.2.1分選后煙葉煙堿含量檢測(cè)。使用 Armor 711 在線近紅外光譜儀(光譜分辨率10 nm，掃描波長(zhǎng)910～2 200 nm，掃描頻次30次/s，檢測(cè)器為InGaAs，檢測(cè)器二極管陣列數(shù)為256，背景自動(dòng)校正30 min)在線采集光譜信息，按照文獻(xiàn)[10]的方法建立煙堿在線近紅外檢測(cè)模型，在線檢測(cè)分選后每架煙葉的煙堿含量。

圖1 不同因素均質(zhì)化調(diào)控工藝流程Fig.1 The process flow of homogenized control by different factors

1.2.2.2分選后煙葉光譜特征值檢測(cè)。使用 Armor 711在線近紅外光譜儀在線采集近紅外光譜，剔除異常光譜并進(jìn)行預(yù)處理后，再利用投影、多種群遺傳算法[11]構(gòu)建光譜定性檢測(cè)模型，實(shí)時(shí)檢測(cè)分選后每架煙葉的光譜特征值。

1.2.2.3煙葉顏色值檢測(cè)。使用基恩士CV-X100a工業(yè)相機(jī)(像素512×480，相機(jī)快門速度1/1 000，CCD敏感設(shè)定6.4，采集頻次20次/s，光源類型為環(huán)形光源)采集煙葉樣本顏色的孟塞爾信號(hào)數(shù)據(jù)，按照文獻(xiàn)[12]的方法建立煙葉顏色值檢測(cè)模型，進(jìn)行煙葉顏色值檢測(cè)。

1.2.2.4片煙成品化學(xué)成分檢測(cè)。片煙成品每25箱取一個(gè)綜合樣， 使用 SEAL AutoAnalyzer 3 連續(xù)流動(dòng)分析儀，按照文獻(xiàn)[13-17]的方法進(jìn)行煙堿、總糖、總氮、鉀、氯含量的檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

依據(jù)“1.2.2”的方法檢測(cè)片煙成品的化學(xué)成分含量及顏色值，再按照配方模塊分別計(jì)算不同調(diào)控因素下成品片煙化學(xué)成分含量和顏色值的變異系數(shù)(CV值)，通過(guò)CV值判斷各調(diào)控因素的優(yōu)劣。由表1可知，試驗(yàn)?zāi)K煙堿含量CV值總體水平在3.00%以下，不同調(diào)控因素下B模塊煙堿含量CV值變化較小，D、F模塊煙堿含量CV值變化較大。因此，不同因素對(duì)B模塊片煙成品煙堿含量均勻性的影響較小，其對(duì)D、F模塊片煙成品煙堿含量均勻性的影響較大。各試驗(yàn)?zāi)K總糖含量CV值總體水平在3.00%以下，不同調(diào)控因素對(duì)B、C、E 3個(gè)模塊的影響較大。各試驗(yàn)?zāi)K總氮含量CV值總體水平在2.00%以下，除了F模塊的“煙堿+顏色”調(diào)控因素外，不同因素對(duì)各模塊總氮含量均勻性的影響無(wú)明顯差異。各試驗(yàn)?zāi)K鉀含量CV值平均值在6.00%左右，除不同調(diào)控因素對(duì)C、D模塊鉀含量均勻性的影響較小外，對(duì)其他模塊的影響均較大。不同模塊氯含量CV值為4.00%～30.00%，波動(dòng)較大，不同調(diào)控因素對(duì)A、G模塊氯含量均勻性的影響較大。不同模塊的顏色值CV值為0.59%～2.11%，相同模塊不同調(diào)控因素間的極差在0.40%以上。

表1 各模塊不同調(diào)控因素下片煙成品化學(xué)成分含量和顏色值的CV值分析Table 1 CV analysis of the content of the chemical components and color value of finished tobacco lamina regulated by different factors in each module 單位：%

由表1可知，不同調(diào)控因素下成品片煙煙堿含量CV值均值大小排序?yàn)椤盁焿A+顏色”>“顏色”>“光譜”=“光譜+顏色”>“煙堿”。成對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果(表2)表明，在檢驗(yàn)水平為0.05時(shí)，“煙堿”與“煙堿+顏色”因素間存在顯著差異；在檢驗(yàn)水平為0.10時(shí)，“煙堿”與“顏色”調(diào)控因素間存在明顯差異；“煙堿”與“光譜”“光譜+顏色”間無(wú)顯著差異。通過(guò)對(duì)片煙煙堿含量CV值的t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在檢驗(yàn)水平為0.05時(shí)，“煙堿+顏色”與“光譜”“光譜+顏色”調(diào)控因素間存在顯著差異，“光譜”與“光譜+顏色”間無(wú)顯著差異。從煙堿含量均勻性角度來(lái)看，“煙堿+顏色”和“顏色”調(diào)控因素對(duì)于降低成品片煙煙堿含量CV值的效果較“煙堿”調(diào)控因素更差，“光譜”“光譜+顏色”“煙堿”3種調(diào)控因素的調(diào)控效果基本一致。

表2 “煙堿”與其他調(diào)控因素成品片煙煙堿CV值成對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果 Table 2 Paired t-test results of CV value between “nicotine” and other regulatory factors

針對(duì)成品片煙其他指標(biāo)的均勻性進(jìn)行t檢驗(yàn)，比較不同調(diào)控因素之間的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)于片煙總糖含量CV值，“煙堿+顏色”與“煙堿”“光譜”“光譜+顏色”因素之間在檢驗(yàn)水平為0.05時(shí)存在顯著差異；“煙堿+顏色”與“顏色”因素之間在檢驗(yàn)水平為0.10時(shí)存在顯著差異；其他調(diào)控因素之間無(wú)顯著差異。“煙堿+顏色”調(diào)控因素下成品片煙總糖含量CV值均值最大，因此“煙堿+顏色”因素對(duì)于成品片煙總糖含量均勻性的調(diào)控效果較其他調(diào)控因素更差。對(duì)于片煙總氮和鉀含量的CV值，不同調(diào)控因素間無(wú)明顯差異。各調(diào)控因素下成品片煙氯含量CV均值大小排序?yàn)椤盁焿A”>“光譜”>“煙堿+顏色”>“光譜+顏色”>“顏色”。t檢驗(yàn)結(jié)果表明，在檢驗(yàn)水平為0.05水平時(shí)，“煙堿”與“光譜+顏色”“顏色”調(diào)控因素之間存在顯著差異；在檢驗(yàn)水平為0.10時(shí)，“煙堿”與“煙堿+顏色”及“光譜”與“光譜+顏色”之間存在顯著差異；其他調(diào)控因素間無(wú)顯著差異。因此，從成品片煙氯含量均勻性角度來(lái)看，“煙堿”因素的調(diào)控效果最差，“光譜+顏色”因素的調(diào)控效果優(yōu)于“光譜”，而“煙堿+顏色”“光譜+顏色”“顏色”3種調(diào)控因素的調(diào)控效果基本一致。

由圖2可知，E、F模塊各調(diào)控因素顏色值CV值大小順序?yàn)椤盁焿A”>“光譜”>“煙堿+顏色”>“顏色”>“光譜+顏色”。與“煙堿”調(diào)控因素相比，“光譜”“顏色”“煙堿+顏色”“光譜+顏色”調(diào)控因素下成品片煙顏色值CV值均值分別下降0.51、0.67、0.72、0.87百分點(diǎn)，降幅分別達(dá)到34.46%、45.27%、48.65%和58.78%。

相關(guān)分析結(jié)果表明，調(diào)控后成品片煙的不同指標(biāo)CV值之間存在一定的相關(guān)性,其中煙堿含量與總氮、鉀、氯含量CV值均呈一定程度的正相關(guān)，總糖含量和氯含量CV值呈負(fù)相關(guān)，顏色值CV值和其他5項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)的CV值無(wú)顯著相關(guān)(表3)。

圖2 不同調(diào)控因素對(duì)顏色值CV值的影響 Fig.2 Effects of different regulation factors on CV value of the color value

3 結(jié)論與討論

“煙堿”“煙堿+顏色”“光譜”“光譜+顏色”和“顏色”5種調(diào)控因素對(duì)成品片煙不同指標(biāo)均勻性的調(diào)控效果有一定程度的影響。其中“光譜”“光譜+顏色”“煙堿”3種調(diào)控因素對(duì)煙堿和總糖含量均勻性的調(diào)控效果無(wú)明顯差異，調(diào)控效果較好。“煙堿+顏色”“光譜+顏色”“顏色”3種調(diào)控因素對(duì)氯含量均勻性的調(diào)控效果均較好。“顏色”調(diào)控因素能夠明顯提升成品片煙顏色值和氯含量的均勻性，但是 “煙堿+顏色”會(huì)降低成品片煙煙堿和總糖含量的均勻性，“顏色”因素不宜與“煙堿”因素組合。“光譜”因素較“煙堿”因素能夠一定程度提高成品片煙顏色值的均勻性，同時(shí)“光譜+顏色”因素能夠使成品片煙的煙堿含量、總糖含量、氯含量以及顏色值的均勻性控制在較高水平，“光譜”因素宜與“顏色”因素組合。不同調(diào)控因素對(duì)總氮和鉀含量的均勻性無(wú)明顯影響。相關(guān)分析結(jié)果表明，調(diào)控后成品片煙不同指標(biāo)的均勻性存在一定的相關(guān)關(guān)系。不同調(diào)控因素對(duì)不同模塊不同指標(biāo)均勻性的影響程度不同。

表3 不同指標(biāo)CV值之間的Pearson相關(guān)分析Table 3 Pearson correlation analysis of the CV values of different indices

該研究對(duì)比了不同模塊5種調(diào)控因素對(duì)成品片煙質(zhì)量均勻性的影響，也可引入其他理化指標(biāo)。其他打葉復(fù)烤企業(yè)可以根據(jù)自身的工藝裝備以及配打模塊的原料質(zhì)量特點(diǎn)選擇適宜的調(diào)控因素，滿足不同卷煙品牌的個(gè)性化均質(zhì)化要求。