細支卷煙片煙原料的片形需求分析

田 震 胡宗玉 許 強 張玉海 紀銘陽 陳 超 黃長庚 葛霓志 徐如彥

(1.江蘇中煙工業(yè)有限責任公司，江蘇 南京 210019；2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001；3.華環(huán)國際煙草有限公司，安徽 滁州 233121；4.福建省三明金葉復烤有限公司，福建 三明 365001；5.云南煙葉復烤有限責任公司，云南 昆明 650000)

煙絲結構影響卷煙質量[1]，而葉片的結構分布是影響煙絲結構的重要因素[2]，隨著細支卷煙的快速發(fā)展以及行業(yè)對細支卷煙質量的日益關注，卷煙工藝對片煙原料和煙絲結構提出了更高要求，傳統(tǒng)的葉片和煙絲結構難以適應細支卷煙的質量控制需求。

葉片結構是指打葉后葉片中不同大小的葉片所占的比例[3]，葉片結構的測定主要是利用篩分方法使不同尺寸的片煙分離，結果以各層或某層篩網上的累積質量占總質量的比例來表示[4-5]。圖像分析法被廣泛應用于葉片面積的檢測[6-9]，余娜等[10]利用建立的基于圖像法的葉片面積分布在線檢測系統(tǒng)檢測打后煙葉的葉片面積，同時采用粒度分形理論建立葉片的分布分形模型。目前，中國煙草科技工作者[11-15]對葉片結構和煙絲結構的關系進行了較多研究，發(fā)現葉片結構中>12.7 mm的葉片對煙絲結構中>3.2 mm的煙絲有顯著影響，而<12.7 mm的葉片對<1.4 mm的煙絲有顯著影響。此外，李善蓮等[16-18]也通過建立檢測與表征方法研究了片煙尺寸分布對煙絲結構及卷煙質量的影響規(guī)律。然而對于片煙形狀的表征及與煙絲結構的關系方面鮮有報道。

試驗擬結合《卷煙工藝規(guī)范(2016版)》提出的片形系數定義，系統(tǒng)開發(fā)片形表征方法，根據片形系數表征結果與視覺感官判定結果的符合度確定適宜的片形表征方法。同時，分析片形系數與長絲波動、碎絲波動及碎絲率的相關關系，以期為打葉復烤加工過程中片煙形狀的調控技術研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

片煙原料：云南、福建、河南等煙葉基地；

煙葉綜合測試臺：GTM-600型，上海創(chuàng)和億電子科技發(fā)展有限公司；

振動分選機：CA24型，北京長征高科技公司；

篩網：38.1 mm和50.8 mm，由振動分選篩CA23改造；

煙絲結構測定儀：YQ-2型，鄭州嘉德機電科技有限公司；

切絲機：切絲寬度0.9 mm，實驗室自制。

1.2 方法

1.2.1 片形表征方法 在打葉后匯總皮帶處隨機抽取片煙樣品，分別將其展開鋪在煙葉綜合測試臺獲取圖像，應用Matlab軟件對圖像進行二值化處理，去除圖像中面積小于指定像素面積的圖像區(qū)域和干擾圖像區(qū)域，計算每個片煙樣品的面積、周長、最小外接圓面積、最大內切圓面積、最小外接矩形面積；在此基礎上，系統(tǒng)開發(fā)了以下6種片形表征方法。

(1)圓弧度系數法：片煙面積對應的理論圓弧長度與實際邊緣弧長的比值。

(2)圓度率法：片煙最大內切圓面積與其面積的比值。

(3)面積比外接圓面積法：片煙面積與其最小外接圓面積的比值。

(4)面積比周長平方法：片煙面積與周長平方的比值。

(5)內切圓比外接圓法：片煙最大內切圓面積與最小外接圓面積的比值。

(6)面積比外接矩形面積法：片煙面積與其最小外接矩形面積比值。

綜合6種片形表征方法的片形系數與視覺感官判定結果的符合度，選取較為適宜的片形表征方法，并建立不同片煙尺寸規(guī)格的片形數據庫。

1.2.2 模擬切絲原理 按照片煙面積比例分布，從片形數據庫隨機抽取符合江蘇中煙細支卷煙片煙原料質量要求的片煙組合，每次抽取片煙數量為5 000片；將抽取的片煙圖像在二維平面進行360°旋轉切絲，每旋轉1°形成一組煙絲長度數據，并根據不同規(guī)格煙絲長度的臨界值將煙絲長度數據轉化為煙絲結構，每個片煙可形成360組煙絲結構數據；再從每個片煙形成的360組煙絲結構數據中隨機抽取一組數據，研究片煙片形系數與煙絲結構的相關關系；其中，片煙和煙絲結構隨機抽取次數均為100次。

1.2.3 樣品制備 分別收集振動分選機CA24和自制篩網各篩網上的片煙樣品828個，其中篩網規(guī)格分別為50.80，38.10，25.40，12.70，6.35，2.36 mm；每個樣品按照四分法選取30片以上片煙，應用煙葉綜合測試臺檢測片形系數，取其均值作為該樣品的片形系數；按片煙規(guī)格和片形系數大小制備114個樣品，每個樣品0.5 kg。

2 結果與分析

2.1 片形表征方法的確定

根據片煙樣品與圓形的接近程度，分別在振動分選機的不同篩網上隨機選取若干樣品，共計選取了17個片煙樣品。由10名評委根據樣品與圓形的接近程度進行排序，綜合評委排序進行編號，并通過綜合測試臺獲取片煙樣品的原始色彩圖像(見圖1)。利用不同的片形表征方法，計算得出相應的片形系數，驗證其與視覺感官判定的符合情況(見表1)。

圖1 原始色彩圖像

由表1可知，相較其他評價方法，圓度率法與視覺感官判定的結果符合度最高，不符合數為1。由圖2可知，圓度率越大的片煙形狀越接近圓形，與煙草行業(yè)《卷煙工藝規(guī)范(2016版)》中葉片形狀系數的定義要求基本一致，即葉片形狀與圓形葉片形狀的接近程度越接近圓形，葉片形狀系數越高；圓度率在0.1～0.2，0.2～0.3，0.3～0.4，0.4～0.5，0.5～0.6，0.6～0.7，>0.7各個范圍內片煙圖像的規(guī)則程度基本一致。因此，確定圓度率法為適宜的片形表征方法進行后續(xù)研究。

圖2 不同片煙圓度率示意圖

2.2 片形系數數據庫的建立

建立了包含近30萬個片形系數的數據庫，煙葉片形系數分布見圖3。由圖3可知，煙葉片形系數大部分介于0.30與0.60之間，均值為0.428，呈正態(tài)分布。

圖3 煙葉片形系數分布

2.3 片煙片形需求的模擬研究

試驗發(fā)現片煙的片形系數與長絲波動的相關性系數都在0.60以上。隨機選取一次抽樣模擬數據進行分析，結果見圖4。由圖4可知，當片形系數<0.40時，長絲波動的范圍和均值均較大，當片形系數>0.40時，長絲的波動范圍基本在15%范圍內、均值基本在10%范圍內。

圖4 片形系數與長絲波動關系

同時，模擬了相同面積(160 mm2)的圓形片煙、正方形片煙、正三角形片煙、長方形片煙(長寬比1∶2)切絲(切絲寬度0.9 mm)后與碎絲率(<1 mm)之間的關系，結果見表2。由表2可知，隨著片形系數的升高，碎絲率和碎絲率波動呈降低趨勢。目前細支卷煙產品煙絲結構中碎絲率均<3.5%。因此，為進一步提升細支卷煙煙絲結構中長絲率的穩(wěn)定性、降低碎絲率及其波動，綜合煙葉片形與長絲波動及碎絲率之間的關系，可初步確定細支卷煙片煙原料片形系數需求為>0.41。

表2 不同片煙片形系數與碎絲率關系

2.4 片煙片形需求的實驗室研究

收集打葉過程中6層篩網的片煙，計算出不同尺寸規(guī)格片煙的片形系數，制備了114個樣品，每個樣品0.5 kg(見表3)。

表3 試驗樣品分布情況

對樣品進行實驗室切絲(切絲寬度0.9 mm)，利用煙絲結構測定儀檢測其煙絲結構。分別使用A、B、C、D表示片形系數為<0.350，0.350～0.428，0.428～0.452，>0.452，分別使用1、2、3、4、5、6表示片煙規(guī)格2.36～6.35，6.35～12.70，12.70～25.40，25.40～38.10，38.10～50.80，>50.80 mm，不同片形系數不同規(guī)格的片煙與其切絲后煙絲結構的對應關系見表4。

由表3和表4可知，片形系數最小(<0.35)的片煙基本集中于小片，切絲后其整絲率最小，碎絲率最大；片煙規(guī)格為6.35～12.70 mm時，整絲率隨片形系數的增加而增加，碎絲率隨片形系數的增加而減?。黄瑹熞?guī)格分別為12.7～25.4，25.4～38.1，>50.8 mm時，整絲率變化不明顯，碎絲率隨片形系數的增加而減小。當片形系數>0.428時，碎絲率基本在2%以下。

表4 不同片形系數不同規(guī)格的片煙與煙絲結構的對應關系

3 結論

研究表明，通過圖像采集和處理設計開發(fā)的6種片形表征方法中，“圓度率法”所得的片形系數與感官判定結果符合度最高，能夠直觀、準確地表征片煙形狀與圓形的接近程度。利用該方法建立打葉后片煙原料片形系數數據庫，通過理論模擬切絲研究了片形系數與碎絲率的關系，并通過實驗室切絲試驗，研究了不同尺寸規(guī)格片煙的片形系數與煙絲結構的關系，最終確定了細支卷煙片煙原料片形系數>0.428。研究從理論模擬和實驗室試驗等方面對細支卷煙原料片形需求進行了探索，待其調控技術具備批量生產能力后，可制備不同片形系數的片煙樣品在制絲生產線進行試驗研究和生產驗證，進一步優(yōu)化完善細支、中支和常規(guī)等不同品類卷煙的片煙原料片形系數需求。