基于干燥脫水量的葉絲滾筒干燥加工強度品質(zhì)校正技術(shù)

鄒 泉，陳 冉，趙云川，李 新，李韶陽，趙 娟，李瓊柱，喬曉輝*，趙 劍

1. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市紅錦路367 號 650231

2. 紅塔煙草（集團）有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠，云南省玉溪市紅塔大道118 號 653100

提升葉絲制造過程穩(wěn)定性、減小批間產(chǎn)品品質(zhì)波動是目前卷煙制造企業(yè)面臨的共性問題。對葉絲制造過程來說，葉絲干燥工序的加工強度對產(chǎn)品感官品質(zhì)的影響尤為突出［1-2］，該工序加工強度主要取決于所使用的熱能，熱能的大小受限于干燥前后的脫水量。受生產(chǎn)加工環(huán)境的影響，片煙至葉絲工段物料含水率散失的不可控性使干燥脫水量處于波動狀態(tài)，進而導(dǎo)致了產(chǎn)品品質(zhì)的批間波動，因此干燥工序?qū)ιa(chǎn)環(huán)境變化的適應(yīng)性調(diào)控具有重要意義。目前，有關(guān)穩(wěn)定葉絲干燥段加工強度的研究多集中于對干燥前后葉絲含水率控制的優(yōu)化和對烘絲機設(shè)備運行模式的優(yōu)化［3-7］，而干燥脫水量作為表征產(chǎn)品加工強度的關(guān)鍵指標(biāo)，尚缺少當(dāng)干燥脫水量偏離時，如何確保產(chǎn)品感官品質(zhì)批間較高一致性的相關(guān)研究。因此，以紅塔（煙草）集團有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠品牌為研究對象，利用均勻設(shè)計法［8-10］建立相應(yīng)的產(chǎn)品品質(zhì)特性指標(biāo)回歸模型，開發(fā)了基于多因素匹配的品質(zhì)校正技術(shù)，旨在為干燥脫水量偏移的批次提供適宜的參數(shù)匹配，提升產(chǎn)品品質(zhì)的批間一致性。

1 問題分析

目前大部分煙草加工企業(yè)，葉絲制造環(huán)境均未采用恒溫恒濕控制。在來料參數(shù)一定的條件下，天氣氣候、生產(chǎn)時段等不可控因素對車間溫濕度的影響，是導(dǎo)致干燥段脫水量和加工強度可控性差、批間感官質(zhì)量波動的主要原因。針對此問題，以玉溪卷煙廠某品牌卷煙為例，在干燥脫水量4.5%～6.5%范圍內(nèi)，按照0.5%梯度抽取正常生產(chǎn)的卷制樣品，按國標(biāo)進行感官質(zhì)量評價，烘絲工藝參數(shù)及感官評價結(jié)果見表1、表2。

由表1 和表2 可知：①1#～5#樣品在烘絲過程中筒壁溫度、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，說明目前的烘絲參數(shù)控制批間穩(wěn)定性較好；②干燥脫水量（以含水率的減少表示）的變化對產(chǎn)品的香韻、煙氣、舒適性方面均有較大影響，并隨變化幅度的增大影響程度也增大。

表1 不同干燥脫水量樣品的烘絲工藝參數(shù)Tab.1 Cut strip drying parameters at different dehydrating levels

表2 不同干燥脫水量樣品的感官評價結(jié)果Tab.2 Sensory evaluation results for samples with different dehydrating levels （分）

2 基于干燥脫水量的品質(zhì)校正技術(shù)

2.1 干燥脫水量分級評判標(biāo)準(zhǔn)

在制絲批量試驗的基礎(chǔ)上，通過不同脫水量半成品與產(chǎn)品設(shè)計值的感官對比評價，確定了企業(yè)大部分在制品標(biāo)準(zhǔn)干燥脫水量值并納入工藝標(biāo)準(zhǔn)。同時針對干燥脫水量，選擇中、高端代表性品牌各1 個，以標(biāo)準(zhǔn)值為起點，等梯度制備了不同脫水量純?nèi)~絲半成品，采用YC/T138 感官三點檢驗方法按90%置信區(qū)間進行符合性評價，評價結(jié)果見表3。

表3 干燥脫水量的感官符合性評價結(jié)果Tab.3 Evaluation results of sensory compliance for different dehydrating levels

由表3 可知：①干燥脫水量對純?nèi)~絲半成品感官質(zhì)量有明顯影響，感官質(zhì)量在不同干燥脫水量條件下有一定的感官可接受閾值。②根據(jù)感官波動接受度，兩牌號在批次脫水量與標(biāo)準(zhǔn)值差值等于0.5 時略有差異，按照從嚴(yán)評判原則，定義批次脫水量與標(biāo)準(zhǔn)值差值在0.2～0.5 時為品質(zhì)可接受區(qū)間；與標(biāo)準(zhǔn)值差值≥0.5 時為品質(zhì)不可接受區(qū)間，與標(biāo)準(zhǔn)值差值≤0.2 時為品質(zhì)穩(wěn)定區(qū)間，見表4。

表4 干燥脫水量分級評判標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Grading criteria for dehydrating level

2.2 表征制絲加工強度的感官評價方法

2.2.1 試驗設(shè)計及評價方法

以玉溪卷煙廠某品牌全配方葉組為試驗材料，不添加香糖料及梗絲，分別按高、中、低3 個加工強度等距設(shè)計試驗，其他工藝條件固定（真空回潮后貯存20 min、松散回潮后貯存60 min、潤葉加料后貯存120 min），試驗參數(shù)見表5。試驗葉絲使用正常煙用材料在GD121 卷煙機進行卷制，進行單支質(zhì)量分選后，置入恒溫恒濕箱中在溫度22 ℃、相對濕度60%條件下平衡48 h 后進行感官質(zhì)量評價。

表5 加工強度工藝參數(shù)Tab.5 Technical parameters of processing intensity

按《煙葉質(zhì)量風(fēng)格特色感官評價方法》［11］要求對香氣特性、煙氣特性、口感特性進行評價。依據(jù)《煙葉質(zhì)量風(fēng)格特色感官評價方法》［11］并結(jié)合云產(chǎn)煙葉香韻風(fēng)格，初步篩選了清香、烘烤香、焦香、辛香、酸香、果香、奶香、花香、膏香、青滋香10 個指標(biāo)作為香韻風(fēng)格的評價項目。感官評價人員13人，均持有國家煙草專賣局檢驗人員資格證書，評吸實驗室環(huán)境溫度22 ℃，相對濕度60%。

2.2.2 結(jié)果與分析

2.2.2.1 加工強度對香氣特性的影響

不同加工強度樣品的香氣特性評價結(jié)果見表6。由表6 可以看出，在試驗條件下，加工強度的變化對煙草本香、香氣量、香氣質(zhì)均有一定程度的影響。3 個指標(biāo)中變化較明顯的是香氣質(zhì)，香氣質(zhì)中的細膩度、圓潤感隨加工強度變化而變化。

表6 不同加工強度樣品的香氣特性評價結(jié)果Tab.6 Evaluation results of aroma characteristics for samples of different processing intensities （分）

2.2.2.2 加工強度對煙氣特性的影響

不同加工強度樣品的煙氣特性評價結(jié)果見表7。由表7 可以看出，在試驗條件下，加工強度的變化對濃度、刺激性、雜氣均有一定程度的影響，但對勁頭無影響。3 個指標(biāo)中影響變化較明顯的依次是刺激性、雜氣、濃度。

表7 不同加工強度樣品的煙氣特性評價結(jié)果Tab.7 Evaluation results of smoke characteristics for samples of different processing intensities （分）

2.2.2.3 加工強度對口感特性的影響

不同加工強度樣品的口感特性評價結(jié)果見表8。由表8 可以看出，在試驗條件下，加工強度的變化對干凈度、濕潤感、回味均有一定程度的影響，但對濕潤感、回味影響較小，對干凈度影響較為明顯。

2.2.2.4 加工強度對香韻風(fēng)格的影響

不同加工強度樣品的香韻風(fēng)格評價結(jié)果見表9。由表9 可以看出，在試驗條件下，受加工強度影響較大的是焦香、烘烤香、清香3 個指標(biāo)，其他指標(biāo)變化不明顯。

2.2.3 表征制絲加工強度感官評價方法的建立

根據(jù)評價結(jié)果對評吸指標(biāo)進行篩選，得到受加工強度變化的強相關(guān)指標(biāo)為清香、烘烤香、焦香、細膩度、圓潤感、雜氣、刺激性、干凈度8 個指標(biāo)。將8 個指標(biāo)劃分為3 類，即：表征煙氣形態(tài)的指標(biāo)（細膩度、圓潤感、雜氣），表征舒適性的指標(biāo)（刺激性、干凈度），表征香韻的指標(biāo)（清香、烘烤香、焦香），并以（烘烤香+焦香）/清香的值作為葉絲加工適宜度特征值的評價指標(biāo)。評價方法見表10。

表8 不同加工強度樣品的口感特性評價結(jié)果Tab.8 Evaluation results of taste characteristics for samples of different processing intensities （分）

表9 不同加工強度樣品的香韻風(fēng)格評價結(jié)果Tab.9 Evaluation results of aroma note style for samples of different processing intensities （分）

表10 制絲加工強度感官評價方法Tab.10 Sensory evaluation methods for primary processing intensity

2.3 品質(zhì)校正模型的建立

2.3.1 試驗設(shè)計及評價方法

2.3.1.1 試驗設(shè)計

以玉溪卷煙廠某品牌全配方葉組為試驗材料，其標(biāo)準(zhǔn)脫水量值為5.5%，由表4 可知其品質(zhì)可接受區(qū)間為5.0%＜脫水量＜6.0%，以區(qū)間外每增加或減少0.2%為梯度，在各梯度下采用“均勻試驗設(shè)計方法”按5 水平設(shè)置3 個加工強度影響因子（物料流量、HT 溫度、筒壁溫度），詳值見表11。在MATLAB 平臺采用Stepwise 函數(shù)進行二次多項式逐步回歸分析，分析加工強度因子對感官質(zhì)量的影響規(guī)律，以此建立脫水量在不可接受區(qū)間條件下的品質(zhì)校正模型，并按目前品類脫水量標(biāo)準(zhǔn)進行聚類分析，選擇代表性品牌進行模型驗證與優(yōu)化。

2.3.1.2 評價方法

按2.2.3 小節(jié)中建立的“制絲加工強度感官評價方法”進行感官質(zhì)量評價，香韻以“特征值”［（（烘烤香+焦香）/清香）］為響應(yīng)變量，煙氣特征以細膩度、圓潤感、雜氣的幾何平均值為響應(yīng)變量，舒適性以刺激、干凈度的幾何平均值為響應(yīng)變量。

表11 不同脫水量下加工強度均勻試驗條件Tab.11 Conditions for uniform test of processing intensity at different dehydrating levels

各脫水量試驗條件下，與標(biāo)準(zhǔn)脫水量樣品、參數(shù)不修正樣品同步進行評價，并進行加工強度、香韻特征符合、煙氣特征符合、舒適性符合的比較分析。

2.3.2 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

采用均勻試驗設(shè)計方法，完成不同脫水量下加工強度因子試驗共12 組、60 次試驗，以脫水量6.0%～6.2%試驗為例，試驗過程數(shù)據(jù)及評價結(jié)果見表12。

表12 試驗過程數(shù)據(jù)及感官評價結(jié)果Tab.12 Data of test process and sensory evaluation results

2.3.3 二次多項式逐步回歸模型的建立及分析

（1）香韻特征模型：Y1=1.408-0.056 3Xa-0.631 5Xc+0.281XbXc

RMSE=0.002 4，AdjR-sq=0.99，F(xiàn)=4 583.36，P=0.010 8，P小于0.05 說明模型是獨立顯著的。在試驗范圍內(nèi)，Xb與Xc存在交互作用，Xb與Xc交互項對香韻特征值的作用是正向的；Xa和Xc的一次項對香韻特征值的作用是反向的。為考察各因數(shù)對香韻特征的影響，以香韻特征分別對筒壁溫度、HT溫度和流量求偏導(dǎo)：

?Y1/?Xa=-0.056 3＜0，說明筒壁溫度對香韻特征的影響為負值，即隨著筒壁溫度的上升，香韻特征值下降。

?Y1/?Xb=0.281Xc＞0，說明 HT 溫度對香韻特征的影響為正值，即隨著HT 溫度的上升，香韻特征值上升，其上升幅度取決于流量，流量越大上升幅度越大。

?Y1/?Xc=-0.631+0.281Xb＜0（線性變換后Xa、Xb、Xc值均在 0 到 1 范圍內(nèi)），說明流量對香韻特征的影響為負值，即隨著流量的上升，香韻特征值下降。其下降幅度取決于HT 溫度，HT 溫度越高下降幅度越小。

（2）舒適特征模型：Y2=3.526-0.397Xc-0.716XaXa+1.406XaXc

RMSE=0.014 3，AdjR-sq=0.97，F(xiàn)=48.37，P=0.05，在試驗范圍內(nèi)，方程基本顯著。Xa與Xc存在交互作用，Xa與Xc交互項對舒適性的作用是正向的，而Xa平方項和Xc的一次項對舒適性的作用是反向的。為考察各因數(shù)對舒適性的影響，以舒適性分別對筒壁溫度、HT 溫度和流量求偏導(dǎo)。

?Y2/?Xa=-1.432Xa+1.406Xc，筒壁溫度對舒適性的影響取決于筒壁溫度與流量的比值，當(dāng)Xa/Xc＞0.982 時，筒壁溫度對舒適性的影響為負值；當(dāng)Xa/Xc＜0.982 時，筒壁溫度對舒適性的影響為正值；Xa/Xc=0.982 時，筒壁溫度對舒適性無影響。

?Y2/?Xb=0，HT 溫度對舒適性無影響。

?Y2/?Xc=-0.397+1.406Xa，流量對舒適性的影響取決于筒壁溫度的大小，當(dāng)Xa＞0.28 時，流量對舒適性的影響為正值；當(dāng)Xa＜0.28 時，流量對舒適性的影響為負值；當(dāng)Xa=0.28 時，流量對舒適性無影響。

（3）煙氣特征模型：Y3=3.717-0.053 1XaXb-0.180XcXc

RMSE=0.002 5，AdjR-sq=0.96，F(xiàn)=56.77，P=0.017，P＜0.05 說明模型是獨立顯著的。在試驗范圍內(nèi)Xa與Xb存在交互作用，Xc平方項和Xa與Xb交互項對煙氣特征值的作用是反向的。為考察各因數(shù)對煙氣特征的影響，以煙氣特征分別對筒壁溫度、HT 溫度和流量求偏導(dǎo)。

?Y3/?Xa=-0.053 1Xb＜0，說明筒壁溫度對煙氣特征的影響為負值，即隨著筒壁溫度的上升，煙氣特征值下降，其下降幅度隨著HT 溫度的增加而增大。

?Y3/?Xb=-0.053 1Xa＜0，說明 HT 溫度對煙氣特征的影響為負值，即隨著HT 溫度的上升，煙氣特征值下降，其下降幅度隨著筒壁溫度的增加而增大。

?Y3/?Xc=-0.360Xc＜0，說明流量對煙氣特征的影響為負值，即隨著流量的上升，煙氣特征值下降，其下降幅度隨著流量的增加而增大。

2.3.4 模型驗證

（1）模型可靠性驗證

取因子A、B、C 在試驗范圍內(nèi)的中心值，即筒壁溫度 136 ℃、HT 溫度 61 ℃、流量 5 400 kg/h 進行驗證實驗，結(jié)果見表13。由表13 可知，驗證結(jié)果的相對誤差均小于5%，說明模型可靠。

表13 因子中心值驗證結(jié)果Tab.13 Verification result of factor center value

（2）模型優(yōu)化驗證

以標(biāo)準(zhǔn)脫水量5.5%下的對照樣為各指標(biāo)的望目值，控制香韻特征符合度（望目值為1.16）在95%以上、舒適性（望目值為4.00）和煙氣特征（望目值為3.93）符合度在90%以上，利用所建模型進行計算并驗證，并與實際脫水量6.0%下的不校正樣品進行比對，驗證結(jié)果見表14。由表14 可知，利用模型優(yōu)化的參數(shù)明顯降低了樣品的加工強度，香韻特征值符合性提升顯著，舒適性與煙氣特征有一定提高，樣品感官質(zhì)量總體達到可接受區(qū)間。

2.4 品質(zhì)校正技術(shù)

2.4.1 主要品牌加工強度特征品類界定及加工強度程度劃分

以加工強度特征值為衡量指標(biāo)，按香韻風(fēng)格特征值的近似程度并結(jié)合各品牌脫水量標(biāo)準(zhǔn)值進行聚類分析，完成玉溪卷煙廠主要生產(chǎn)牌號品類劃分，見表15。同時依據(jù)實際脫水量與標(biāo)準(zhǔn)值的差異大小進行加工強度的程度劃分，見表16。

表14 脫水量6.0%～6.2%優(yōu)化驗證結(jié)果Tab.14 Optimized verification results of dehydration level of 6.0%-6.2%

表15 玉溪卷煙廠主要品類感官特征標(biāo)準(zhǔn)Tab.15 Sensory characteristic standards for main brand categories of Yuxi Cigarette Factory （分）

表16 各加工強度及取值范圍Tab.16 Value range of processing intensity

2.4.2 品質(zhì)校正參數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立

按不同品類的香韻、舒適性、煙氣特征的望目值為輸出變量，對各品類不同脫水量偏移程度下的影響因子（筒壁溫度、HT 溫度、物料流量）進行回歸分析，并對回歸后香韻、舒適性、煙氣特征值與望目值符合度較高的參數(shù)進行整理匯總，建立品質(zhì)校正模型基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，見表17。

2.5 系統(tǒng)集成

將品質(zhì)校正技術(shù)在中控MES 系統(tǒng)中進行集成，完成加工強度品質(zhì)校正系統(tǒng)的研發(fā)，系統(tǒng)運行邏輯見圖1，系統(tǒng)批次品質(zhì)校正參數(shù)見圖2。制絲干燥段生產(chǎn)啟動后，系統(tǒng)自動以牌號工藝標(biāo)準(zhǔn)下達關(guān)鍵特性指標(biāo)，生產(chǎn)開始后，系統(tǒng)計算批次脫水量并計算所在區(qū)間，對于超出可接受區(qū)間批次，系統(tǒng)自動判定脫水量程度等級并調(diào)用品質(zhì)校正參數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進行參數(shù)校正。

3 效果驗證

選擇品類Ⅲ玉溪（和諧）品牌，選擇程度U3、L2 進行驗證，驗證結(jié)果見表18。由表18 可以看出：通過參數(shù)校正后，香韻特征及舒適性符合度均達到95.0%以上，煙氣特征符合度達到90.0%以上，總體品質(zhì)均達到可接受范圍。

表17 品質(zhì)校正模型基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫Tab.17 Basic parameter database of quality correction model

圖1 系統(tǒng)運行邏輯圖Fig.1 System operation logic diagram

圖2 系統(tǒng)批次校正參數(shù)Fig.2 System batch correction parameters

表18 品類Ⅲ驗證結(jié)果Tab.18 Verification results of brand category Ⅲ

表19 品類Ⅳ驗證結(jié)果Tab.19 Verification results of brand category Ⅳ

選擇品類Ⅳ以紅塔山（經(jīng)典100）品牌選擇程度U3、L3 進行驗證，驗證結(jié)果見表19。由表19 可以看出：通過參數(shù)校正后，香韻特征符合度均達到97.0%以上，舒適性及煙氣特征符合度達到92.0%以上，總體品質(zhì)指標(biāo)均達到可接受范圍。

選擇玉溪（軟）牌號進行系統(tǒng)應(yīng)用驗證，應(yīng)用前后各跟蹤取樣30 批次進行評價，驗證結(jié)果見表20。由表20 可以看出，系統(tǒng)應(yīng)用后，香韻特征（加工強度）符合度較應(yīng)用前提升12.8 百分點，批間感官質(zhì)量評價得分波動降低53.3%。

表20 系統(tǒng)應(yīng)用效果統(tǒng)計Tab.20 Statistical table of system application effect

4 結(jié)論

（1）通過對不同干燥脫水量純?nèi)~絲半成品的感官評價，并以產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定區(qū)間、可接受區(qū)間、不可接受區(qū)間界定干燥脫水量層級，得到了葉絲滾筒干燥工序預(yù)控與校正的基礎(chǔ)判定標(biāo)準(zhǔn)；通過系統(tǒng)評價加工強度與感官質(zhì)量、香韻指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性以及指標(biāo)變化的顯著性和易識別性，將“烤香、焦香之和與清香的比值”作為表征加工強度的感官特征值，建立了可準(zhǔn)確評判葉絲加工強度的適宜度的感官評價方法。

（2）利用均勻試驗設(shè)計實現(xiàn)不同脫水量區(qū)間的最優(yōu)參數(shù)匹配，建立香韻特征、舒適性、煙氣特征的二次多項式逐步回歸模型，開發(fā)了“加工強度品質(zhì)校正技術(shù)”，可為脫水量偏離標(biāo)準(zhǔn)的批次提供適宜的參數(shù)匹配。

（3）將品質(zhì)校正技術(shù)在中控MES 系統(tǒng)中進行集成，研發(fā)了加工強度品質(zhì)校正系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用后香韻特征（加工強度）符合度較應(yīng)用前提升12.8百分點，批間感官質(zhì)量評價得分波動降低53.3%。