不同長度成品煙絲的化學(xué)品質(zhì)評價

楊 勇，劉 靜，唐 軍，張 雯，李思源，高 輝*

(1.云南同創(chuàng)檢測技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650106；2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650231；3.紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司，云南 昆明 650231)

產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性是影響一個企業(yè)或品牌發(fā)展的重要因素，對于中國煙草行業(yè)，隨著近些年大品牌的構(gòu)建和企業(yè)的聯(lián)合重組，行業(yè)越來越重視推進(jìn)產(chǎn)品的精益管理和研發(fā)，進(jìn)一步提升卷煙產(chǎn)品質(zhì)量及其穩(wěn)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(jié)構(gòu)是影響卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一，影響的主要指標(biāo)包括卷煙物理特性[1-3]、煙氣成分[4]和感官質(zhì)量[5]等。在切絲寬度確定后，所謂煙絲結(jié)構(gòu)主要是指不同長度煙絲質(zhì)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(xué)品質(zhì)的差異性，可以揭示煙絲結(jié)構(gòu)影響卷煙煙氣成分、感官質(zhì)量及其穩(wěn)定性的根本原因，為卷煙產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性控制方法的研究提供數(shù)據(jù)支撐。有關(guān)煙絲結(jié)構(gòu)方面的研究包括其表征方法[6-7]、化學(xué)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(guān)于成品煙絲中不同長度煙絲內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)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(guī)格卷煙的成品煙絲進(jìn)行篩分，并檢測成品煙絲中不同長度煙絲的6項常規(guī)化學(xué)指標(biāo)，并利用各項常規(guī)化學(xué)指標(biāo)的隸屬函數(shù)類型、隸屬度值及TOPSIS模型綜合評價不同長度煙絲內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)的差異性及變化趨勢，旨在揭示煙絲結(jié)構(gòu)影響卷煙化學(xué)品質(zhì)、煙氣成分、感官質(zhì)量及其穩(wěn)定性的根本原因，為卷煙產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性控制方法的研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

云煙某規(guī)格卷煙在線生產(chǎn)的成品煙絲，由紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司昆明卷煙廠提供。該規(guī)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(fēng)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(zhuǎn)篩分儀(篩網(wǎng)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(jìn)行篩分。篩分條件：旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為220 r/min，每間隔1 min變換1次旋轉(zhuǎn)方向，每次篩分時間為10 min。將篩分后的相同長度區(qū)間的煙絲樣品存放在一起，最后分別將每個長度區(qū)間的煙絲樣品混勻，再從每個長度區(qū)間的大樣品中取樣3次用于化學(xué)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(xué)成分的檢測 按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 159─2002、YC/T 161─2002、YC/T 160─2002、YC/T 217─2007和YC/T 162─2011規(guī)定的方法利用AA3型連續(xù)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(xué)成分指標(biāo)的隸屬度歸一化常規(guī)化學(xué)成分是影響煙葉內(nèi)在質(zhì)量的基礎(chǔ)[8]。煙葉中主要的常規(guī)化學(xué)成分在很大程度上決定了煙氣的特性，進(jìn)而影響煙葉的內(nèi)在品質(zhì)和協(xié)調(diào)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(biāo)作為不同長度煙絲化學(xué)品質(zhì)的綜合評價指標(biāo)[10]。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗與相關(guān)研究結(jié)果[11-12]，確定9項化學(xué)成分指標(biāo)的隸屬函數(shù)類型、隸屬度值與權(quán)重值，見公式(1)、公式(2)與表1。隸屬函數(shù)取值范圍0～1，其值越高，表明煙葉或煙絲化學(xué)成分質(zhì)量越好。由m個煙絲樣本的n個化學(xué)成分評價指標(biāo)構(gòu)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(shù)對化學(xué)成分指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。

表1 常規(guī)化學(xué)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)類型、拐點及權(quán)重

對于拋物線型指標(biāo)：

(1)

對于S型指標(biāo)：

(2)

各項化學(xué)指標(biāo)經(jīng)隸屬度函數(shù)歸一化處理后，再乘以各自的權(quán)重系數(shù)(Wj)建立標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)、多目標(biāo)決策分析法：基于歸一化后的評價指標(biāo)矩陣，找出有限方案中的最優(yōu)方案和最劣方案(分別用最優(yōu)向量和最劣向量表示)，然后分別計算諸評價對象與最優(yōu)方案和最劣方案的距離，獲得各評價對象與最優(yōu)方案的相對接近程度，以此作為評價優(yōu)劣的依據(jù)[13]。

在建立常規(guī)化學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評價矩陣(B)的基礎(chǔ)上，從中確定最優(yōu)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(biāo)中最大值的集合；J2為所有評價指標(biāo)中最小值的集合。

不同長度煙絲化學(xué)指標(biāo)的評價值與最優(yōu)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(jìn)行計算：

(5)

(6)

不同長度煙絲內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)的TOPSIS評價值計算為公式(7)，根據(jù)TOPSIS評價值的大小即可對不同長度煙絲的內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)進(jìn)行評價。

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同長度煙絲常規(guī)化學(xué)指標(biāo)的測定結(jié)果

7種不同長度成品煙絲的9項化學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)檢測結(jié)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(xué)指標(biāo)均存在較大差異，必然導(dǎo)致其內(nèi)在綜合化學(xué)品質(zhì)存在一定的差異。

表2 不同長度煙絲常規(guī)化學(xué)成分的檢測結(jié)果

2.2 不同長度煙絲常規(guī)化學(xué)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

根據(jù)公式(1)、公式(2)及表1中的隸屬度、權(quán)重，建立了7種不同長度煙絲參評化學(xué)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化評價矩陣，結(jié)果見表3。

2.3 不同長度煙絲內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)綜合評價

利用表3中的標(biāo)準(zhǔn)化評價矩陣，根據(jù)公式(3)、公式(4)確定評價不同長度成品煙絲內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)的最優(yōu)向量和最劣向量的指標(biāo)集合如表4所示。

根據(jù)公式(5)和公式(6)分別計算不同長度煙絲樣品化學(xué)指標(biāo)的評價值與最優(yōu)向量和最劣向量之間的歐氏距離(表5)。與最優(yōu)向量的歐氏距離越小，表明該長度煙絲樣品的內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)與協(xié)調(diào)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(nèi)在化學(xué)品質(zhì)與協(xié)調(diào)性越差。

表3 不同長度煙絲常規(guī)化學(xué)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化評價矩陣(加權(quán)后)

表4 不同長度煙絲常規(guī)化學(xué)指標(biāo)的最優(yōu)向量與最劣向量

表5 不同長度煙絲樣品與最優(yōu)向量、最劣向量的歐氏距離

根據(jù)表5中不同長度煙絲樣品與最優(yōu)向量、最劣向量的距離，根據(jù)公式(7)計算表征煙絲內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)的TOPSIS評價值(圖1)。TOPSIS評價值越大，表明煙絲的綜合化學(xué)品質(zhì)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(guān)系(Li-)，有效避免了參評樣本的Li+值相同時無法進(jìn)行優(yōu)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(nèi)在化學(xué)品質(zhì)(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(xiàn)異?，F(xiàn)象，且S3長度煙絲樣品的化學(xué)品質(zhì)相對最差，這個現(xiàn)象恰好與實際情況相吻合。在成品煙絲篩分過程中發(fā)現(xiàn)，配方煙絲中的梗絲和再造煙葉絲主要集中在第3層篩網(wǎng)上，占到該層篩網(wǎng)上煙絲總量的70%以上。梗絲和再造煙葉絲的化學(xué)品質(zhì)遠(yuǎn)低于正常煙絲，因此，S3長度煙絲的化學(xué)品質(zhì)相對最差。此外，S4和S5長度的煙絲樣品化學(xué)品質(zhì)相對最優(yōu)。

3 討論與結(jié)論

本研究對云煙某一類規(guī)格卷煙成品煙絲中不同長度煙絲的常規(guī)化學(xué)成分及其綜合品質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各項化學(xué)指標(biāo)均呈現(xiàn)規(guī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)及糖堿比呈逐漸降低的變化趨勢，總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及氮堿比呈逐漸增加的變化趨勢，鉀和氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(guī)律與周冰等[5]的研究結(jié)果一致。內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)的綜合評價結(jié)果表明，煙絲長度從大到小，其化學(xué)品質(zhì)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(xué)品質(zhì)相對最優(yōu)。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(yīng)該增加中短絲的比例，適當(dāng)降低長絲和碎絲的比例，這與堵勁松等[1]在研究煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙物理指標(biāo)的影響時得出的結(jié)論基本一致。同時，本研究的結(jié)果表明，S3長度煙絲(2.50～4.00 mm)的內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)在7種長度煙絲樣品中最差。在成品煙絲篩分試驗中發(fā)現(xiàn)，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(wǎng)上，梗絲和再造煙葉的主要原料均為煙梗，其化學(xué)品質(zhì)遠(yuǎn)低于正常煙葉，因此，S3長度煙絲的化學(xué)品質(zhì)最差。

相關(guān)研究表明，煙絲中的常規(guī)化學(xué)成分與卷煙焦油釋放量顯著相關(guān)[14-16]。結(jié)合本文的研究結(jié)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(jié)構(gòu)波動較大，勢必會造成卷煙成品的內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)及焦油釋放量產(chǎn)生一定的波動，影響卷煙感官質(zhì)量的穩(wěn)定性[5]。

圖1 不同長度煙絲化學(xué)品質(zhì)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(xué)特性所決定的。煙葉或煙絲的內(nèi)在化學(xué)特性是決定其力學(xué)特性的物質(zhì)基礎(chǔ)，在打葉復(fù)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(nèi)在化學(xué)品質(zhì)存在較大的差異性。

本研究結(jié)果表明，在同一規(guī)格卷煙的成品煙絲中，隨著煙絲長度從大到小，各項常規(guī)化學(xué)指標(biāo)呈現(xiàn)出規(guī)律性變化趨勢，煙絲內(nèi)在綜合化學(xué)品質(zhì)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(xué)品質(zhì)相對最優(yōu)。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(wǎng)上，因此，S3(2.50～4.00 mm)長度煙絲的內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)相對最差。