基于煙葉顏色、光譜特性表征的打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工技術(shù)

王 戈，徐瑋杰，張 鑫，徐其敏，朱 焱，楊 凱*

1.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，上海市楊浦區(qū)長陽路717 號(hào) 200082

2.華環(huán)國際煙草有限公司，安徽省滁州市鳳陽縣門臺(tái)子工業(yè)園 233121

在煙草產(chǎn)業(yè)鏈中，打葉復(fù)烤是銜接煙葉種植和卷煙生產(chǎn)的重要一環(huán)。如今，卷煙工業(yè)企業(yè)愈發(fā)重視卷煙產(chǎn)品的均質(zhì)化生產(chǎn)［1-3］，作為服務(wù)于卷煙工業(yè)企業(yè)的“第一車間”，打葉復(fù)烤廠所生產(chǎn)片煙的均勻性也引起越來越多的關(guān)注。提高配方打葉均勻性的關(guān)鍵是選擇合適的調(diào)控因子，控制好生產(chǎn)過程中的備料、鋪葉擺把、貯葉、投料等物料重組關(guān)鍵環(huán)節(jié)。楊凱等［4］抽取煙堿作為調(diào)控因子，通過不同投料模式的組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)成品片煙煙堿均勻性的有效控制。王宏鋁等［5］利用在線煙堿預(yù)測模型對(duì)煙葉進(jìn)行分類堆放和加工，實(shí)現(xiàn)了均質(zhì)化加工。尹旭等［6］同樣選擇煙葉煙堿含量為參數(shù)，利用高架庫的自動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化配方打葉。近幾年來，打葉復(fù)烤均質(zhì)化的調(diào)控水平穩(wěn)步提升，但是絕大多數(shù)研究選取的調(diào)控因子依舊是煙堿。僅僅依靠煙堿指標(biāo)過于片面，無法實(shí)現(xiàn)烤后片煙內(nèi)、外在綜合品質(zhì)的均質(zhì)化。目前，除煙堿外其他調(diào)控因子的研究鮮有報(bào)道。

烤煙煙葉的顏色與化學(xué)成分中的煙堿、總糖有顯著相關(guān)性［7］，也與感官評(píng)吸的香氣質(zhì)和香氣量極顯著相關(guān)［8］。因此，顏色可以作為一種提高成品片煙外觀質(zhì)量均勻性和內(nèi)在品質(zhì)均勻性的調(diào)控手段。近紅外光譜包含了絕大多數(shù)的物質(zhì)組成信息，可以廣泛應(yīng)用于定性和定量分析領(lǐng)域，被譽(yù)為具有解決全球農(nóng)業(yè)分析的潛力［9］。煙葉的近紅外光譜可以預(yù)估煙葉的化學(xué)組成［10-11］，也可以反映煙葉的香型風(fēng)格［12］、物理特性［13］等品質(zhì)特征。鑒于近紅外光譜蘊(yùn)含著豐富、全面的煙葉信息，使近紅外光譜有望成為一種多維度的綜合均質(zhì)化調(diào)控工具和評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，在調(diào)控?zé)焿A的基礎(chǔ)上，引入了顏色定性值、光譜定性值2 個(gè)新的調(diào)控因子，旨在實(shí)現(xiàn)打葉復(fù)烤多指標(biāo)、多維度的均質(zhì)化。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

2017 年遼寧、陜西、湖北、重慶、山東5 個(gè)產(chǎn)區(qū)C3F 等級(jí)烤煙共計(jì)2.0 萬擔(dān)（1.0×106kg），將其按照初配方要求進(jìn)行配方加工。

Armor711 在線近紅外光譜儀（德國Carl Zeiss公司）；CV-X200 面陣相機(jī)（日本Keyence 公司）；AntarisⅡ傅里葉變換近紅外光譜儀（美國Thermo Fisher 公司）；AAS-305D 連續(xù)流動(dòng)分析儀（美國API 公司）；FED115 熱風(fēng)循環(huán)烘箱（德國Binder 公司）；CSM-I 旋風(fēng)磨［60 目（250 μm）網(wǎng)篩，北京一輕研究院研制］；DFS197 粉碎機(jī)（上海鼎廣機(jī)械設(shè)備有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 在線檢測

5 個(gè)產(chǎn)地的煙葉按照比例要求進(jìn)行配方投料。利用在線近紅外光譜儀和面陣相機(jī)實(shí)時(shí)采集皮帶上煙葉的煙堿、顏色和光譜信息，煙架裝滿后反饋架滿信號(hào)，上位機(jī)將對(duì)應(yīng)煙堿、顏色和光譜信息賦予煙架后，送入高架庫。

在線顏色信息采集參數(shù)：

檢測高度：（15±5）cm；像素大小：512×480；相機(jī)快門速度：1/1 000；CCD 敏感設(shè)定：6.4；采集頻次：5 s/次；光源類型：環(huán)形光源。輸出數(shù)據(jù)：平均色調(diào)H，平均飽和度S，平均明亮程度V。

在線光譜信息采集參數(shù)：

檢測高度：（17±5）cm；光譜分辨率：10 nm；掃描波長：910～2 200 nm；掃描頻次：5 s/次；檢測器：InGaAs；檢測器二極管陣列數(shù)：256；背景自動(dòng)校正：30 min。

1.2.1.1 顏色定性值的計(jì)算

顏色定性值的計(jì)算方法同文獻(xiàn)［14］。先將采集到的RGB 顏色空間圖像轉(zhuǎn)換為孟塞爾信號(hào)，之后將采集到的孟塞爾信號(hào)進(jìn)行連續(xù)投影，選擇投影向量的類內(nèi)距離與類內(nèi)密度乘積最大的投影方向計(jì)算煙葉顏色定性值。

1.2.1.2 光譜定性值的計(jì)算

光譜定性值的計(jì)算采用投影尋蹤（Projection pursuit）算法，該算法的基本思想是將高維的光譜數(shù)據(jù)通過一定的投影方向投影到低維子空間，使得局部投影點(diǎn)盡可能密集，最好凝聚成若干個(gè)點(diǎn)團(tuán)，而在整體上投影點(diǎn)團(tuán)之間盡可能散開。本研究中采用Friedman-Tukey 投影指標(biāo)［15］，并使用遺傳算法［16］求解最佳投影方向。

1.2.2 不同因子調(diào)控

將高架庫內(nèi)同配方模塊的原煙隨機(jī)、平均分為5 個(gè)投料批次，利用高架庫自動(dòng)控制功能，分別按照“煙堿”、“光譜”、“顏色”、“煙堿+顏色”和“光譜+顏色”5 種調(diào)控模式生成出庫隊(duì)列，進(jìn)行均質(zhì)化配方打葉。高架庫調(diào)控的流程圖見圖1。

1.2.3 成品檢測

成品片煙每20 箱取一個(gè)綜合樣（“煙堿”、“光譜”、“顏色”、“煙堿+顏色”和“光譜+顏色”5 種調(diào)控模式的樣品數(shù)分別為30、31、31、31、33），使用旋風(fēng)磨磨制成60 目粉末，利用AntarisⅡ傅里葉變換近紅外光譜儀檢測常規(guī)化學(xué)成分，留存樣品的近紅外光譜數(shù)據(jù)用于光譜離散度和相似度分析。

1.2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2.4.1 化學(xué)成分整體均勻性K

式中：S1～S6分別為成品片煙的煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氯的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為成品片煙的煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氯的平均值。

圖1 不同高架庫調(diào)控模式的流程圖Fig.1 A flow-chart of different regulation modes based on a high-bay warehouse

1.2.4.2 光譜離散度T

對(duì)成品片煙樣品的近紅外光譜進(jìn)行無監(jiān)督模式的投影分析（主成分分析，PCA），用第一、第二主成分值t1、t2做t1/t2平面圖，求得各投料批次的光譜投影中心值和第一、第二主成分值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。式中t1、t2分別為光譜投影的第一、第二主成分平均值；s1、s2分別為光譜投影的第一、第二主成分值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.2.4.3 光譜相似度Dij

式中：Rij是光譜Xi和Yj之間的局部相關(guān)系數(shù)；Sxy+Syx是光譜Xi和Yj之間的相似距離。局部相關(guān)系數(shù)和相似距離的計(jì)算方法見文獻(xiàn)［17］，其中移動(dòng)窗口k=7。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同調(diào)控模式對(duì)成品片煙化學(xué)成分整體均勻性的影響

表1 為不同調(diào)控模式下成品片煙主要化學(xué)成分的均值和變異系數(shù)。5 個(gè)投料批次的主要化學(xué)成分的均值基本相同，化學(xué)成分批次間變異系數(shù)的差異源于調(diào)控模式的不同。以化學(xué)成分整體均勻性K 值來評(píng)價(jià)不同模式對(duì)于成品片煙化學(xué)成分的綜合調(diào)控能力，結(jié)果為：光譜調(diào)控＞煙堿+顏色調(diào)控＞顏色調(diào)控＞煙堿調(diào)控＞光譜+顏色調(diào)控。

表1 不同調(diào)控模式下成品片煙主要化學(xué)成分的均值、變異系數(shù)和K 值Tab.1 Mean values and CVs of main chemical components in finished leaf strips and K values under different regulation modes （%）

2.1.1 單因子調(diào)控模式

單因子調(diào)控模式是指煙堿調(diào)控、光譜調(diào)控和顏色調(diào)控3 種。3 種調(diào)控模式成品片煙煙堿、總糖、還原糖、總氮的變異系數(shù)以及以煙堿調(diào)控模式數(shù)據(jù)為對(duì)照，光譜、顏色調(diào)控模式與之相比變異系數(shù)的下降度結(jié)果見表2。由表2 可以看出，在煙堿調(diào)控模式下，片煙煙堿和總氮的均勻性得到了較好的控制。但是，對(duì)于和煙堿含量相關(guān)性較弱的化學(xué)成分的控制能力不足，如總糖和還原糖。顏色調(diào)控模式對(duì)于片煙煙堿、總氮和還原糖控制能力較強(qiáng)，變異系數(shù)下降度分別為15.0%、22.7%和29.8%。對(duì)照煙堿調(diào)控模式，光譜調(diào)控模式下，常規(guī)化學(xué)成分中總糖、還原糖和總氮的均勻性明顯優(yōu)于煙堿調(diào)控模式，下降度為16.1%～28.0%；而煙堿的變異系數(shù)基本保持不變，下降度為－0.9%。3 種單因子調(diào)控模式中，光譜調(diào)控模式在保持煙堿均勻性的同時(shí)，對(duì)于其他主要化學(xué)成分也具有較強(qiáng)的綜合調(diào)控能力。

表2 單因子調(diào)控模式的變異系數(shù)下降度Tab.2 Reduction of CV under the single-factor regulation mode （%）

2.1.2 組合調(diào)控模式

組合調(diào)控模式包括煙堿+顏色調(diào)控和光譜+顏色調(diào)控。煙堿+顏色調(diào)控是指在組間煙堿值分布均勻的前提下，盡量保證顏色的均勻。組合調(diào)控模式下成品片煙煙堿、總糖、還原糖、總氮的變異系數(shù)及其下降度見表3。由表3 可以看出：①相比于煙堿調(diào)控，顏色定性值調(diào)控因子的引入使煙堿、總糖、還原糖、總氮的變異系數(shù)有不同程度的降低，下降幅度為3.0%～28.1%。顏色調(diào)控對(duì)煙堿調(diào)控起到了正向協(xié)同調(diào)控的作用。光譜+顏色調(diào)控模式是指在組間光譜值分布均勻的前提下，盡量保證顏色值的均勻。相比于光譜調(diào)控，顏色調(diào)控的引入削弱了對(duì)各項(xiàng)化學(xué)成分的調(diào)控能力，其中最為核心的煙堿、總糖、還原糖和總氮的變異系數(shù)下降度分別為－17.4%、－39.1%、－27.4%和－35.8%。在該配方模塊中，顏色調(diào)控對(duì)光譜調(diào)控起到了反向協(xié)同調(diào)控的作用，嚴(yán)重削弱了光譜調(diào)控模式的控制能力。

表3 組合調(diào)控模式的變異系數(shù)下降度Tab.3 Reduction of CV under the double-factor regulation modes （%）

2.2 不同調(diào)控模式對(duì)成品片煙近紅外光譜的影響

2.2.1 光譜離散度

對(duì)片煙近紅外光譜進(jìn)行無監(jiān)督模式的投影分析（主成分分析，PCA），通過公式（2）可以得到不同調(diào)控模式下的光譜離散度，光譜離散度指標(biāo)可以反映光譜的離散程度。如表4 所示，5 種調(diào)控模式光譜離散度排序?yàn)椋汗庾V＋顏色調(diào)控＞煙堿調(diào)控＞顏色調(diào)控＞光譜調(diào)控＞煙堿＋顏色調(diào)控，說明在光譜＋顏色調(diào)控模式下成品片煙近紅外光譜的投影分布最為分散，即光譜＋顏色調(diào)控模式下成品片煙的光譜均勻性最差。

表4 不同調(diào)控模式下的光譜投影標(biāo)偏和光譜離散度Tab.4 Standard deviations of spectral projection and spectral dispersion under different regulation modes

2.2.2 光譜相似度

不同調(diào)控模式下的光譜相似度如圖2 所示。光譜調(diào)控模式和煙堿+顏色調(diào)控模式的批內(nèi)光譜相似性最好。若以光譜相似度為評(píng)判指標(biāo)，則5種調(diào)控模式的調(diào)控能力排序?yàn)椋汗庾V調(diào)控≈煙堿+顏色調(diào)控＞顏色調(diào)控＞煙堿調(diào)控＞光譜+顏色調(diào)控。

2.3 光譜評(píng)價(jià)指標(biāo)與化學(xué)成分均勻性的關(guān)系

為了研究近紅外光譜評(píng)價(jià)指標(biāo)與傳統(tǒng)化學(xué)成分評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的聯(lián)系，對(duì)化學(xué)成分整體均勻性K 值和光譜離散度、光譜相似度作相關(guān)性分析，如圖3?？梢钥闯?，光譜離散度和光譜相似度與K 值有較顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.85 和0.96。

圖2 不同調(diào)控模式下成品片煙近紅外光譜的光譜相似度Fig.2 Near-infrared spectral similarity of finished strips under different regulation modes

圖3 化學(xué)成分整體均勻性K 值與光譜指標(biāo)之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between chemical component consistency（K value）and spectral indexes

光譜離散度和光譜相似度是衡量光譜波動(dòng)情況的兩個(gè)角度，光譜的波動(dòng)確實(shí)能夠反映常規(guī)化學(xué)成分的波動(dòng)情況。因此，光譜評(píng)價(jià)指標(biāo)除了可以評(píng)價(jià)各批次成品片煙光譜穩(wěn)定性外，還可以定性地比較各批次成品片煙主要化學(xué)成分的均勻性，實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)、多維度的均質(zhì)化。

3 結(jié)論

①基于高架庫實(shí)施煙堿、光譜、顏色、煙堿+顏色和光譜+顏色5 種調(diào)控模式后，成品片煙煙堿均得到了有效控制，變異系數(shù)在3%以下。②5 種調(diào)控模式對(duì)于成品片煙化學(xué)成分整體均勻性調(diào)控能力排序?yàn)椋汗庾V調(diào)控＞煙堿+顏色調(diào)控＞顏色調(diào)控＞煙堿調(diào)控＞光譜+顏色調(diào)控；對(duì)于成品片煙近紅外光譜均勻性調(diào)控能力排序?yàn)椋汗庾V調(diào)控≈煙堿+顏色調(diào)控＞顏色調(diào)控＞煙堿調(diào)控＞光譜+顏色調(diào)控。③光譜離散度和光譜相似度與K 值有較顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.85 和0.96。此外，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，配方人員可以根據(jù)原料情況、均質(zhì)化重點(diǎn)和預(yù)期結(jié)果靈活選擇不同的調(diào)控因子和調(diào)控模式，以滿足卷煙工業(yè)企業(yè)公司個(gè)性化的打葉復(fù)烤均質(zhì)化需求。