基于灰色關(guān)聯(lián)法的短支煙煙絲結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王天怡 高尊華 范 磊 楚 晗 李靜浩 李 曉 姚二民

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河南 鄭州 450000；3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司許昌卷煙廠，河南 許昌 461000)

隨著消費(fèi)者生活水平和健康意識的提高，低焦油卷煙迎來新的發(fā)展機(jī)遇。在眾多低焦油卷煙類型中，短支卷煙由于其獨(dú)特的外觀和舒適的口感，更受年輕消費(fèi)者的喜愛。而煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙品質(zhì)的影響至關(guān)重要[1]225-228，如長絲率過高會導(dǎo)致卷制出現(xiàn)竹節(jié)煙，對煙支的單支重、密度等物理指標(biāo)的穩(wěn)定性都有很大影響，進(jìn)而影響卷煙燃吸品質(zhì)[2]。而且煙絲結(jié)構(gòu)的波動具有傳遞性，會影響卷煙生產(chǎn)的穩(wěn)定性[3-4]，應(yīng)通過適當(dāng)降低長絲率和碎絲率，提高中絲率的方法，使煙絲結(jié)構(gòu)均勻化，穩(wěn)定卷煙生產(chǎn)，獲得較好的卷制質(zhì)量[5]。

姚光明等[6]研究表明，當(dāng)煙絲整絲率達(dá)到80%以上時(shí)，可使煙絲填充值穩(wěn)定提高、卷煙單支質(zhì)量顯著降低。申曉峰等[7]研究表明，不同長度煙絲對卷煙單支重量和煙支密度及其穩(wěn)定性的影響程度不同，5.60 mm以上煙絲的影響較小，2.80～4.75 mm煙絲的影響最大。堵勁松等[8]研究發(fā)現(xiàn)，分布在2.00～4.75 mm的煙絲結(jié)構(gòu)，減少1.40 mm以下的煙絲比例可獲得較為理想的卷煙物理指標(biāo)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)多是對常規(guī)卷煙煙絲結(jié)構(gòu)和物理指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行研究，并未見對短支煙煙絲結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的報(bào)道。

本試驗(yàn)擬對主要工序的煙絲進(jìn)行篩分，分析短支煙煙絲結(jié)構(gòu)存在的問題，通過灰色關(guān)聯(lián)法研究工序間煙絲結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性，查找影響其波動的因素，并用煙絲截短設(shè)備對煙絲結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高短支卷煙物理質(zhì)量的穩(wěn)定性，為提高卷制質(zhì)量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

短支煙煙絲：河南中煙許昌卷煙廠。

1.2 儀器與設(shè)備

多功能檢測振篩：Y2SJO型，篩網(wǎng)孔徑為10.00，9.00，8.00，6.50，5.00，4.00，3.35，2.50，1.00 mm，徐州市鐵建機(jī)械制造有限公司；

煙絲在線振動分選機(jī)：CA25A型，南京大樹智能科技股份有限公司；

煙支綜合測試臺：KCOMI2000型，德國Bogwalt公司；

煙絲截短設(shè)備：TYQ-A型，河南省金馬機(jī)電設(shè)備有限公司；

電子天平：PL3001-SMettler型，感量0.1 g，瑞士SMettler公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 制樣 待卷煙加工線各設(shè)備參數(shù)運(yùn)行穩(wěn)定后，分別在切絲后、烘絲后、加香后和卷煙機(jī)料斗處隨機(jī)取樣4 000 g，單次取樣時(shí)間間隔30 min，每批次取樣4次?；旌暇鶆蚝笱b入密封袋中，放置于溫度(20±1)℃、相對濕度(60±5)%的恒溫恒濕箱中平衡48 h，備用。

1.3.2 檢測方法

(1)煙絲結(jié)構(gòu)檢測：采用振動頻率40.00 Hz，每間隔1 min變更一次旋轉(zhuǎn)方向，每次篩分3 min的條件，將各工序煙絲樣品篩分為10個(gè)區(qū)間，每個(gè)樣品煙絲篩分3次，每次篩分樣品質(zhì)量約1 000 g。

(2)煙支物理質(zhì)量檢測：參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9-13]，檢測卷煙質(zhì)量、吸阻、通風(fēng)率、密度、硬度、圓周、含末率及端部落絲量。

1.3.3 優(yōu)化方法 采用灰色關(guān)聯(lián)法[14]以下一工序煙絲尺寸分布比例為母序列、上一工序煙絲尺寸分布比例為子序列，按式(1)計(jì)算關(guān)聯(lián)度。

(1)

式中：

γ——關(guān)聯(lián)度；

Kij——第i個(gè)子序列的第j個(gè)參數(shù)和母序列(0序列)的第j個(gè)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)；

N——樣本數(shù)。

根據(jù)γ表示關(guān)聯(lián)程度，進(jìn)而確定影響煙絲結(jié)構(gòu)均勻性的具體煙絲尺寸，通過在切絲后安裝煙絲截短設(shè)備對其切短，由切短前后煙絲結(jié)構(gòu)變化情況考察其優(yōu)化效果。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.0軟件繪制不同工序的煙絲結(jié)構(gòu)分布，Matlab 2016軟件[15]對不同工序間煙絲結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，找出影響卷煙質(zhì)量的具體煙絲尺寸。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工序的煙絲結(jié)構(gòu)分析

取切絲后、烘絲后、加香后、卷煙機(jī)料斗處煙絲樣品進(jìn)行在線振動分選后，得到各工序的煙絲結(jié)構(gòu)，即整絲(>2.50 mm)率、長絲(>3.35 mm)率、中絲(2.50～3.35 mm)率和碎絲(<1.00 mm)率。以煙絲尺寸為橫坐標(biāo)，尺寸分布比例為縱坐標(biāo)，繪制不同工序的煙絲結(jié)構(gòu)圖(圖1)。

由圖1可知，不同工序的煙絲結(jié)構(gòu)各有差異，但整體來看，整絲率分布在70.00%～80.00%；長絲率有很大比重，占40.00%以上；中絲率次之，占20.00%～30.00%；碎絲率波動較小，在2.00%以下。在短支卷煙煙絲的加工過程中，煙絲結(jié)構(gòu)變化較大，整絲率和長絲率都在逐漸下降，中絲率上升，短絲率比較穩(wěn)定。根據(jù)文獻(xiàn)[1]225-226中目前的工藝技術(shù)現(xiàn)狀，要求成品煙支在卷制前整絲率>80.00%，碎絲率<2.00%，短支卷煙煙支長度小于常規(guī)煙，煙絲結(jié)構(gòu)要求更加嚴(yán)格。顯然，卷煙廠的品牌短支卷煙在卷制前整絲率偏低，長絲率偏高，不利于短支卷煙物理質(zhì)量的穩(wěn)定。

圖1 不同工序的煙絲結(jié)構(gòu)Figure 1 Cut tobacco structure in different processes

2.2 不同工序間煙絲尺寸分布的關(guān)聯(lián)性

為進(jìn)一步改善煙絲結(jié)構(gòu)，查找影響卷制質(zhì)量的煙絲尺寸，將各工序的煙絲樣品按照1.2中的方法進(jìn)行篩分，通過獲得的10層煙絲分布，計(jì)算各尺寸煙絲分布比例。采用Matlab軟件計(jì)算兩兩工序之間煙絲結(jié)構(gòu)的灰色關(guān)聯(lián)度(表1～3)，并按照關(guān)聯(lián)度大小將其分為微關(guān)聯(lián)，弱關(guān)聯(lián)，較強(qiáng)關(guān)聯(lián)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)4個(gè)作用強(qiáng)度，采用最短距離法對關(guān)聯(lián)度進(jìn)行聚類分析。

由表1可知，切絲后6.50～8.00 mm尺寸的煙絲與烘絲后3.35～8.00 mm尺寸的煙絲有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，其中切絲后4.00～5.00 mm的煙絲與烘絲后3.35～4.00 mm的煙絲關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)，關(guān)聯(lián)度為0.787 3；切絲后4.00～10.00 mm 尺寸的煙絲與烘絲后2.50～3.35 mm尺寸的中絲有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。烘絲后的中長絲主要受切絲后長絲影響，切絲后煙絲與烘絲后同尺寸或下一尺寸關(guān)系密切，原因是切絲后煙絲經(jīng)過烘絲工序后都有不同程度的造碎，但烘絲后煙絲水分增加，長絲由于煙絲較長，容易卷曲粘連，故中長絲關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)。因此，控制好切絲后6.50～8.00 mm 的煙絲可以調(diào)整烘絲后3.35～8.00 mm煙絲。

由表2可知，烘絲后3.35～6.50，5.00～10.00 mm尺寸的長煙絲分別與加香后3.35～4.00，5.00～6.50 mm尺寸的長煙絲有較強(qiáng)正關(guān)聯(lián)性，其中，烘絲后5.00～6.50 mm 與加香后3.35～4.00 mm的煙絲關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)，關(guān)聯(lián)度達(dá)到0.445 5；烘絲后3.35～8.00 mm尺寸的煙絲與加香后2.50～3.35 mm尺寸的中絲呈強(qiáng)正關(guān)聯(lián)性。說明烘絲后的長絲比例影響加香后的中長絲比例，烘絲后的煙絲輸送入加香滾筒后，由于滾筒內(nèi)壁上齒釘?shù)淖饔?，使煙絲有了一定的造碎，中絲由于吸濕性更快，不易造碎，關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)。故調(diào)整烘絲后3.35～10.00 mm煙絲可以更好地改善加香后2.50～6.50 mm煙絲。

表1 切絲后煙絲結(jié)構(gòu)與烘絲后煙絲結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)度?Table 1 Correlation between shredded tobacco structure and shredded tobacco structure after shredding mm

? 關(guān)聯(lián)度數(shù)值的正負(fù)表示影響趨勢，正值表示增進(jìn)，負(fù)值表示削弱；a、b、c、d分別對應(yīng)為微關(guān)聯(lián)、弱關(guān)聯(lián)、較強(qiáng)關(guān)聯(lián)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

表2 烘絲后煙絲結(jié)構(gòu)與加香后煙絲結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)度?Table 2 Correlation between shredded tobacco structure and flavored tobacco structure after drying mm

? 關(guān)聯(lián)度數(shù)值的正負(fù)表示影響趨勢，正值表示增進(jìn)，負(fù)值表示削弱；a、b、c、d分別對應(yīng)為微關(guān)聯(lián)、弱關(guān)聯(lián)、較強(qiáng)關(guān)聯(lián)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

表3 加香后煙絲結(jié)構(gòu)與卷煙機(jī)料斗處煙絲結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)度?Table 3 Correlation between the structure of tobacco after flavoring and the structure of tobacco in the hopper of cigarette machine mm

? 關(guān)聯(lián)度數(shù)值的正負(fù)表示影響趨勢，正值表示增進(jìn)，負(fù)值表示削弱；a、b、c、d分別對應(yīng)為微關(guān)聯(lián)、弱關(guān)聯(lián)、較強(qiáng)關(guān)聯(lián)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

由表3可知，加香后3.35～8.00 mm尺寸的煙絲與卷煙機(jī)料斗處3.35～8.00 mm尺寸的長煙絲有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性；加香后2.50～8.00 mm尺寸的煙絲與卷煙機(jī)料斗處2.50～3.35 mm尺寸的中絲有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。加香后到卷制前煙絲貯存于貯絲柜中，煙絲中各組分充分混合均勻，水分和溫度得到了平衡，并未經(jīng)過強(qiáng)加工，故加香后的煙絲與料斗處同尺寸煙絲關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。影響卷制質(zhì)量穩(wěn)定性的長絲主要來源加香后3.35～8.00 mm尺寸的煙絲，對卷制前卷煙機(jī)料斗處的中絲有著正關(guān)聯(lián)作用的是加香后的中長絲。

2.3 煙絲結(jié)構(gòu)優(yōu)化

因切絲后長絲率最高，且煙絲柔軟，分切不易造碎，故在切絲后安裝煙絲截短設(shè)備對煙絲結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。由2.2分析可知，切絲后6.50～8.00 mm的煙絲對卷制前即卷煙機(jī)料斗處>3.35 mm的煙絲影響最大，調(diào)整設(shè)備打輥參數(shù)以便于截取10.00 mm以下煙絲，安裝設(shè)備待卷煙加工線穩(wěn)定生產(chǎn)后，檢測卷煙機(jī)料斗處的煙絲結(jié)構(gòu)和成品短支卷煙物理質(zhì)量，并與優(yōu)化前對比(表4～6)。

表4 煙絲截短設(shè)備處理前后煙絲結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果Table 4 Results of tobacco structure detection before and after treatment %

表5 煙絲結(jié)構(gòu)變化結(jié)果Table 5 Results of tobacco structure changes %

由表4、5可知，優(yōu)化后，短支卷煙卷制前整絲率略有降低，長絲率顯著降低，中絲率顯著增加，碎絲率有所增加。與優(yōu)化前相比，長絲率降低6.24%，降低了10.79%；中絲率增加3.55%，增加了15.13%。說明在切絲后對6.50～8.00 mm的長絲進(jìn)行截短，卷制前的煙絲結(jié)構(gòu)得到明顯改善。

表6 優(yōu)化前后卷煙物理質(zhì)量檢測結(jié)果Table 6 Physical quality test results of cigarettes before and after optimization

由表6可知，優(yōu)化后，短支卷煙的單支質(zhì)量標(biāo)偏為0.019 g，降低了9.52%；吸阻標(biāo)偏為32.50 Pa，降低了2.11%；煙支硬度標(biāo)偏為1.83%，降低22.46%；含末率為1.62%，變化不顯著；端部落絲量為8.6 mg/支，降低了23.21%。經(jīng)過煙絲截?cái)嘣O(shè)備優(yōu)化煙絲結(jié)構(gòu)后，短支煙各項(xiàng)物理質(zhì)量指標(biāo)均有改善，有力保障了卷煙質(zhì)量的穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過分析短支煙煙絲結(jié)構(gòu)，針對其制絲過程中出現(xiàn)整絲率偏低，長絲率偏高的問題，采用灰色關(guān)聯(lián)法對工序間煙絲結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究，確定對卷制質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)影響的煙絲尺寸為切絲后6.50～8.00 mm，通過在切絲后增設(shè)煙絲截短設(shè)備，對其進(jìn)行切短處理后，長絲率降低了10.79%，中絲率增加了15.13%，卷煙質(zhì)量標(biāo)偏降低了9.52%，吸阻標(biāo)偏降低了2.11%，硬度標(biāo)偏降低了22.46%，端部落絲量降低了23.21%，煙絲結(jié)構(gòu)和卷煙質(zhì)量得到明顯改善。本試驗(yàn)將煙絲尺寸更加細(xì)分，對總體煙絲尺寸分布變化的作用進(jìn)行全面探究，滿足短支煙煙絲結(jié)構(gòu)的高要求，為改善煙絲結(jié)構(gòu)，提升卷制質(zhì)量提供了新思路和方法。但卷煙企業(yè)針對不同的卷煙品牌，其加工工藝有所差異，應(yīng)根據(jù)實(shí)際加工情況，通過查找不同工序之間煙絲結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性，確定與之適應(yīng)的煙絲結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。