基于層次分析和響應面設計的煙絲膨脹工藝優(yōu)化

丁乃紅 寇霄騰 張 卉 趙春雷 何金華 雷 振 徐迎波

(1. 安徽中煙工業(yè)有限責任公司蚌埠卷煙廠，安徽 蚌埠 233010；2. 安徽中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，安徽 合肥 230088)

膨脹煙絲在卷煙中能起到減害降焦、提升煙絲填充性能和卷煙煙氣透發(fā)性等功能，因此在卷煙配方中至關重要。學者們對膨脹煙絲加工工藝進行了大量研究，趙玉潔等[1]對CO2煙絲膨脹線工藝參數(shù)與膨脹煙絲化學成分關系進行了探討，發(fā)現(xiàn)在蒸汽施加量一定時，工藝氣體溫度較高，膨脹煙絲煙氣中焦油、煙堿量較低。牛勇等[2]對CO2膨脹處理對煙絲部分香味成分的影響進行了研究，確定了有利于CO2膨脹煙絲感官質量的適宜加工條件。張建勛等[3]對改善CO2膨脹煙絲結構做了探討，研究了膨脹溫度、氣體流量等工藝參數(shù)對填充值、整絲率的影響，并對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，結果表明：當工藝氣體溫度為355 ℃，飽和蒸汽流量為600 kg/h時，膨脹煙絲結構最佳；膨脹前煙絲水分以22%為宜；在膨脹煙絲中施加保潤劑，能明顯增強煙絲的抗碎性。徐俊等[4]研究了CO2膨脹處理對煙絲物理結構的影響，結果表明，煙絲膨脹后，整絲率顯著性下降，填充值顯著性上升，碎絲率變化不顯著。不同等次和部位的煙絲膨脹前后結構指標變化存在一定差異，下等煙、下部煙和上部煙的整絲率顯著下降，碎絲率增加較多，而中部煙和中上等煙整絲率保持較好，碎絲增加較少。熊安言等[5]研究了CO2葉絲膨脹線工藝參數(shù)對煙氣成分的影響?？到饚X等[6]以膨脹煙絲的整絲率為參考指標，在單因素試驗基礎上，通過DOE試驗設計，運用曲面響應法研究干冰膨脹工藝參數(shù)對膨脹煙絲整絲率的影響，結果表明，膨脹煙絲整絲率最佳工藝參數(shù)為浸漬含水率20.0%，工藝氣體溫度300 ℃，工藝氣體流速32 m/s。目前對膨脹煙絲工藝參數(shù)優(yōu)化研究僅局限在對煙絲物理、化學和感官質量的單指標分析優(yōu)化，而忽略了加工參數(shù)對各項質量指標的綜合影響。層次分析法[7]可以將研究對象作為一個系統(tǒng)，按各評價指標對研究對象影響的程度進行權重確定，最后進行綜合評價。

試驗擬采用層次分析法對各項質量指標進行綜合評價，確定加工后膨脹煙絲各質量指標權重，對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理后得到綜合質量得分。以綜合質量得分為因變量，采用響應面設計法[8-10]對膨脹煙絲加工工藝條件進行優(yōu)化，為保障膨脹煙絲的順利轉線提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

某一配方的膨脹煙絲原料：安徽中煙工業(yè)有限責任公司蚌埠卷煙廠。

1.2 儀器設備

CO2葉絲膨脹線：570 kg/h型，北京達特煙草成套設備技術開發(fā)有限責任公司；

恒溫恒濕箱：BF540型，德國Binder公司；

煙絲填充值測定儀：YDZ430型，中國煙草總公司鄭州煙草研究院；

葉絲振動分選篩：YQ-2型，中國煙草總公司鄭州煙草研究院；

電子天平：ABS204-S型，感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司。

1.3 方法

1.3.1 CO2膨脹煙絲工藝流程

備絲→計量→葉絲浸漬→松散膨脹→冷卻回潮→葉絲風選→貯存

1.3.2 層次分析法確定各因變量權重 采用層次分析法確定各因變量權重，旨在將多個因變量合成為一個變量，便于最優(yōu)參數(shù)的確定，研究因變量為煙絲綜合質量得分(整絲率、填充值和感官質量)，整絲率測定按YC/T 178—2003執(zhí)行，填充值測定按YC/T 152—2001執(zhí)行，感官質量評價按YCT 415—2011執(zhí)行。

1.3.3 各質量指標數(shù)據(jù)標準化處理 由于要分析的系統(tǒng)中因變量物理意義不同，故其量綱不一定相同，為了便于分析，需對數(shù)據(jù)進行標準化處理。采用均值化方法[11]對試驗結果數(shù)據(jù)進行標準化處理，方法如下：

(1)

式中：

對原始矩陣均值化處理后，得到矩陣為

xi={xi(1),xi(2),xi(3)},i=0,1,2,3,…，

(2)

(3)

式中：

xi(1)——感官質量得分均值化；

xi(2)——整絲率均值化；

xi(3)——填充值均值化；

綜合質量得分為

(4)

式中：

xi——各指標的標準化數(shù)值；

Wi——權重，%；

k——質量指標。

1.3.4 單因素試驗 以加工后膨脹煙絲綜合質量得分為考核指標，采用1.3.2的評價方法，選取浸漬時間(20，30，40，50，60 s)，工藝氣溫度(250，270，290，310，330 ℃)，熱風風速(34，36，38，40，42 m/s)，蒸汽施加量(400，450，500，550，600 kg/h)4個因素進行單因素試驗，每組試驗重復3次，確定每個因素對膨脹煙絲綜合質量得分(Y)的影響范圍。在進行單因素試驗時，其他非因素指標均按照各個因素水平中間值進行加工試驗。

1.3.5 響應面法試驗設計 根據(jù)單因素試驗的結果，確定出膨脹煙絲綜合質量得分影響因素和各因素的水平范圍，從而得出響應面法的試驗方案。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析 采用Design-Export 8.0.6和Excel 2013等軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 因變量指標權重

(1) 判斷矩陣的構建：選取由從事質量管理、工藝研究和產(chǎn)品研發(fā)的10位專家，根據(jù)卷煙國標、工作經(jīng)驗、消費者調查等，共同討論構造出判斷矩陣，見表1，通過計算各指標權重得出：W(0.10,0.17,0.73)，即整絲率0.1，填充值0.17，感官質量0.73。

表1 判斷矩陣U-Uj

(2) 判斷矩陣一致性檢驗：

(5)

式中：

CR——判斷矩陣U-Uj的一致性比率；

n——矩陣階數(shù)；

λmax——最大特征根；

RI——平均隨機一致性指標。

通過計算CR=0.03<0.1，因此判斷矩陣滿足一致性。

2.2 膨脹煙絲加工單因素試驗

由圖1可知，膨脹煙絲加工綜合質量得分，隨著浸漬時間的延長呈現(xiàn)明顯上升趨勢，當浸漬時間為40 s時綜合質量得分達到最大(為1.051)，當浸漬時間進一步延長后，呈現(xiàn)出趨近平衡的趨勢，綜合考慮生產(chǎn)效率，適宜浸漬時間為40 s；工藝氣溫度主要影響煙草細胞膨脹以及感官質量，隨著工藝氣溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當工藝氣溫度為290 ℃時綜合質量得分達到最大(為1.052)，綜合考慮適宜工藝氣溫度為290 ℃；隨著熱風風速的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當熱風風速為38 m/s時綜合質量得分達到最大(為1.048)，確定38 m/s為適宜熱風風速；蒸汽施加量主要影響工藝氣熱焓值，進一步影響煙絲脫水效率和感官質量，隨著蒸汽施加量的增大呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢，當蒸汽施加量為500 kg/h時綜合質量得分達到最大(為1.049)，因此確定適宜蒸汽施加量為500 kg/h。

圖1 單因素試驗對綜合質量的影響

2.3 響應面優(yōu)化試驗

2.3.1 響應面試驗結果及模型分析 以單因素試驗結果為基礎，采用Box-Behnken試驗設計，利用Box-Behnken中心設計原理，選擇浸漬時間、工藝氣溫度、熱風風速、蒸汽施加量4個因素作為主要考察因素，每個因素選取3個水平，以成品膨脹煙絲綜合質量得分為考察指標，運用Design-Export軟件設計一個四因素三水平中心組合設計，因素及水平見表2，試驗結果見表3，方差分析見表4。

通過Design-Export軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析擬合，得到浸漬時間、工藝氣溫度、熱風風速和蒸汽施加量對膨脹煙絲綜合質量指標的回歸方程為：

Y=-23.757 25+0.024 473A+0.104 85B+0.395 63C+6.089 17E-003D+1.250 00E-006AB+8.750 00E-005AC-2.053 91E-018AD+1.687 50E-004BC+1.250 00E-006BD-2.500 00E-005CD-3.386 67E-004A2-1.924 79E-004B2-5.716 67E-003C2-5.496 67E-006D2。

(6)

表2 響應面設計因素和水平編碼值

表3 Box-Behnken試驗設計與結果

表4 煙絲綜合質量回歸分析模型方差分析表?

通過表4模型回歸分析結果可以看出，回歸模型P<0.000 1，表明回歸模型達到極顯著水平；方程決定系數(shù)R2=0.990 9，表明該方程擬合度較高，可用該模型對膨脹煙絲綜合質量的情況進行分析和預測；失擬項F=3.11，P=0.142 7>0.05，表明回歸模型失擬不顯著，表明此模型試驗誤差小，可以用來預測膨脹煙絲加工綜合質量。其中A、B的P值<0.05，表明浸漬時間和工藝氣溫度對膨脹煙絲綜合質量有顯著影響，4個因素影響順序是浸漬時間>工藝氣溫度>熱風風速>蒸汽施加量。

2.3.2 各因素的交互作用及優(yōu)化 根據(jù)回歸模型繪制各因素交互作用曲面圖(圖2)。浸漬時間、工藝氣溫度、熱風風速和蒸汽施加量四因素及其交互作用對響應值的影響結果可通過該組圖直觀反映出來。對該響應面模型進一步求導和解逆矩陣，可以得到膨脹煙絲綜合質量的極值點，即浸漬時間41.60 s、工藝氣溫度290.82 ℃、熱風風速38.10 m/s和蒸汽施加量500.37 kg/h，在此條件下，模型預測膨脹煙絲綜合質量可達1.052。根據(jù)實際生產(chǎn)情況，選取浸漬時間42 s、工藝氣溫度291 ℃、熱風風速38 m/s和蒸汽施加量500 kg/h的條件下對其模型進行驗證，實驗進行3次重復，測得膨脹煙絲綜合質量平均值為1.051，與預測基本一致。

圖2 各因素交互作用圖

3 結果

通過對膨脹煙絲工藝參數(shù)進行優(yōu)化研究，得到最佳加工工藝參數(shù)為：浸漬時間42 s、工藝氣溫度291 ℃、熱風風速38 m/s、蒸汽施加量500 kg/h，綜合質量得分為1.052。相較于傳統(tǒng)的對單一質量指標進行評價，此種評價方法更加全面，也更有利于指導膨脹煙絲工藝加工。

但試驗只對膨脹煙絲單一產(chǎn)品進行了研究，而膨脹煙絲作為卷煙產(chǎn)品的一種重要組分，在與卷煙產(chǎn)品的配伍性方面的研究今后還需作更深次的研究。同時試驗對膨脹煙絲綜合質量的研究未考慮對化學成分的影響，也是后期可進一步研究的方向。