控制方式及算法對復(fù)烤煙片化學(xué)成分均勻性的影響

王發(fā)勇，吳 濤，汪顯國，時 敬，潘志玲，胡春華，黃 浩，王家俊

(1.紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司，昆明 650231；2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，昆明 650011；3.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣州 510620)

【研究意義】《卷煙工藝規(guī)范》(2016)明確提出批內(nèi)煙堿變異系數(shù)≤5.0%的化學(xué)成分均質(zhì)化控制標(biāo)準(zhǔn)[1]，意在通過煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的均質(zhì)化控制，提高卷煙工業(yè)原料的內(nèi)在均勻性來提升最終卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】圍繞加工批次均勻混配的主題，行業(yè)打葉復(fù)烤領(lǐng)域的科技工作者和技術(shù)人員針對混配控制和近紅外光譜應(yīng)用等方面進(jìn)行了探索[2-6]，應(yīng)用混配柜進(jìn)行二次混配[7]、選葉檢測煙堿再搭配出庫[8]、應(yīng)用手持式近紅外光譜儀檢測煙堿[9]等方面入手，均取得了不同程度降低煙堿變異系數(shù)的結(jié)果。企業(yè)對于煙堿的均勻性控制，目前主要依賴于企業(yè)內(nèi)部設(shè)備的高效利用，而控制方式是重點。在平庫條件下，以原煙單等級的小產(chǎn)地、煙堿相近為貨位單元，通過混配后入庫、出庫投料混配的方式控制[10]，對煙堿的均勻混配有明顯效果。有研究表明，混配柜對復(fù)烤煙片的化學(xué)成分均勻性貢獻(xiàn)度最大[11]，所以混配柜的設(shè)備潛力挖掘也極富意義。高架庫是平庫的升級控制設(shè)備實施，是信息化與現(xiàn)代物流的集成產(chǎn)品，也可提高復(fù)烤煙片煙堿的均勻性與穩(wěn)定性[12-13]。以上研究分別從平庫、高架庫以及在線近紅外的檢測應(yīng)用和過程混配的角度來尋求提升復(fù)烤成品煙片煙堿穩(wěn)定性，但是從控制方式和備料算法組合應(yīng)用考察煙堿及糖堿比等化學(xué)指標(biāo)的研究鮮有涉及?！颈狙芯壳腥朦c】在平庫條件下，設(shè)計針對煙堿的不同控制方式與算法搭配的組合方法，對比復(fù)烤成品煙片煙堿及派生值的調(diào)控情況，并進(jìn)行驗證?！緮M解決的關(guān)鍵問題】尋求滿足打葉復(fù)烤不同原料及配方均勻性生產(chǎn)需求的優(yōu)選方法。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備和儀器

試驗材料選擇云南紅河煙區(qū)典型煙葉，品種1為K326，品種2為云87，等級選擇上等煙C3F、中等煙C4F，驗證材料選擇混合配方模塊WBBSF(B1F+B2F)品種為K326，為上等煙。每個生產(chǎn)批次投料量105 000 kg。

恒溫干燥箱(美國Precision scientific公司,型號：605)；粉碎機(jī)(美國Thomas Scientific公司，型號：MODEL4)；傅里葉變換近紅外光譜儀(美國尼高力儀器公司，型號：Antaris Ⅱ)。

1.2 方法

1.2.1 實驗室化學(xué)成分檢測 工商交接時，每車每等級初烤煙葉按照10%的比例抽樣，樣品密封好送至實驗室進(jìn)行樣品檢測預(yù)處理，后應(yīng)用傅里葉變換近紅外光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(初烤煙葉取樣數(shù)量不小于60個)。初烤煙葉經(jīng)工商交接后，按照正常流程入原煙周轉(zhuǎn)庫堆碼。抽樣數(shù)據(jù)與原煙周轉(zhuǎn)庫堆碼貨位相對應(yīng)，便于出庫計算。

復(fù)烤成品煙片在煙片復(fù)烤機(jī)機(jī)尾取樣。待設(shè)備穩(wěn)定運行30 min后取樣，采取連續(xù)多次(≥5次)抓取方式進(jìn)行取樣，每20 min/次，共30個樣品，用于反映處理效果及狀態(tài)。

實驗室預(yù)處理包括：混合、切絲、烘絲、混合、磨樣5個步驟，最終取檢測物料質(zhì)量≥80 g、水分≤12%、粒度≤0.4 mm。檢測內(nèi)容包括煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氯、淀粉、總揮發(fā)堿。

1.2.2 算法設(shè)計 (1)同一貨位堆碼物料的煙堿表征值使用該貨位初烤煙葉的均值表示，其計算公式為：

(1)

式中，mi表示同一入庫貨位的入庫重量之和；ci表示同一入庫貨位的抽檢煙堿值。

(2)常規(guī)出庫算法。根據(jù)配方要求，按照重量比例搭配對應(yīng)出庫原則為：

(2)

式中，配方比例分別為a%、b%、c%，批次總出庫重量為M，對應(yīng)貨位的出庫重量為Mh、Mm、Ml。

(3)均質(zhì)化出庫算法。假設(shè)兩組貨位滿足出庫條件,則“重量+煙堿”算法方程組如下：

mk1+mk2=M

(3)

(4)

1.2.3 加工流程 按照圖1流程進(jìn)行。

圖1 打葉復(fù)烤煙堿控制工藝流程Fig.1 Process flow of threshing and redrying nicotine control

1.2.4 試驗設(shè)計 T0為常規(guī)投料方式，不進(jìn)行煙堿的算法搭配，僅完成投料配方的完整性。T1與T2根據(jù)煙堿值與重量的綜合算法搭配出料，但是T1在入庫時僅檢測初烤煙葉的煙堿值后即入庫堆碼，而T2在檢測煙堿值時分高、中、低分類入庫堆碼，見表1。

表1 試驗設(shè)計

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗原料情況

由表2可知，K326、云87的C3F、C4F總糖變異系數(shù)為12.66%～17.82%，還原糖變異系數(shù)為11.92%～18.37%，煙堿變異系數(shù)為18.21%～20.31%，總糖/煙堿值變異系數(shù)為26.53%～34.31%，還原糖/煙堿值變異系數(shù)為25.19%%～31.96%，變異系數(shù)總體表現(xiàn)出總糖/煙堿>還原糖/煙堿>煙堿>總糖≈還原糖的趨勢。用變異系數(shù)來衡量原料的穩(wěn)定性，初烤煙葉的主要化學(xué)成分及其派生值存在較大的波動，特別是總糖/煙堿值的穩(wěn)定性最差，為打葉復(fù)烤化學(xué)成分均質(zhì)化生產(chǎn)帶來客觀的難度。

2.2 控制方式與算法搭配對復(fù)烤煙片均勻性的影響

由表3可知，在不同品種、不同等級條件下，3種處理方式T0、T1、T2對復(fù)烤片煙總糖均值、還原糖均值、總糖/煙堿均值和還原糖/煙堿均值的影響差異不顯著，但對總糖變異系數(shù)、還原糖變異系數(shù)、煙堿均值、煙堿變異系數(shù)、總糖/煙堿的變異系數(shù)、還原糖/煙堿變異系數(shù)的影響有顯著差異(P<0.05)，具體表現(xiàn)為：在對總糖變異系數(shù)、還原糖變異系數(shù)、煙堿均值的影響中，處理T0、T1差異不顯著，處理T2與處理T0、T1有顯著差異(P<0.05)。在對煙堿變異系數(shù)、總糖/煙堿的變異系數(shù)、還原糖/煙堿的變異系數(shù)的影響中，處理T0、T1、T2之間都有顯著差異(P<0.05)，說明不同處理方式主要對各指標(biāo)的變異系數(shù)有影響，而對各指標(biāo)的均值影響不大。其中，經(jīng)配方混配后(包括處理T0、T1、T2)，總糖、還原糖、煙堿、總糖/煙堿值、還原糖/煙堿值的變異系數(shù)最大值分別為8.64%、8.18%、8.88%、13.17%、13.97%，與表2相比較，其變異系數(shù)均有不同程度的降低，說明完成配方混配對復(fù)烤煙片的均勻性具有一定效用。處理T0雖沒有考慮煙堿混配因素，但是打葉復(fù)烤生產(chǎn)中應(yīng)用配方柜進(jìn)行配方混配，而在配方混配的過程中，存在客觀的自然混配環(huán)節(jié)，因此一定程度上對化學(xué)成分及其派生值具有降低作用。

表2 試驗材料主要化學(xué)成分及其派生值

處理T0與T1，無論是K326，還是云87，其C3F、C4F的總糖、還原糖變異系數(shù)相差不大，而煙堿、總糖/煙堿值、還原糖/煙堿值的變異系數(shù)差異明顯，但是從煙堿變異系數(shù)≤5.0%的要求來看，處理T0與處理T1尚不能完成要求。處理T2，K326和云87品種的C3F、C4F的總糖變異系數(shù)控制在2.20%～3.65%，還原糖變異系數(shù)為3.52%～5.81%,煙堿變異系數(shù)為3.21%～3.50%，總糖/煙堿為5.89%～6.10%，還原糖/煙堿為5.86%～6.06%，主要化學(xué)成分和變異系數(shù)控制最佳。盡管T1在混配中加入煙堿的因素，但是在入庫時沒有針對煙堿值作分類堆碼，而僅是對貨位堆碼物料進(jìn)行煙堿累加混算，實際在貨位上初烤煙葉的內(nèi)在化學(xué)成分變異較大，應(yīng)用算法搭配出料，煙堿的混配效果極為有限，同時總糖/煙堿值及還原糖/煙堿值的變異系數(shù)也處于較大的范圍內(nèi)。說明來料檢測初烤煙葉化學(xué)成分(煙堿)，按煙堿值高、中、低分類堆碼，運用組合方程式算法進(jìn)行搭配出料，配方柜混配能達(dá)到最佳的復(fù)烤煙片均勻性混配效果。

2.3 控制方式與算法對煙片均勻程度的影響

煙草行業(yè)內(nèi)，對于復(fù)烤片煙均勻性使用內(nèi)在化學(xué)成分的變異系數(shù)進(jìn)行表征，具體是以煙堿變異系數(shù)為主、輔以糖堿比(總糖/煙堿)變異系數(shù)進(jìn)行衡量。

表3 控制方式與算法對復(fù)烤煙片主要化學(xué)成分及其派生值的影響

由表4可知，不同處理方式應(yīng)用于不同品種、不同等級的試驗材料時，其混配均勻性均起到降幅≥50.99%的明顯效果，總體變異系數(shù)下降幅度呈現(xiàn)出T0

表4 不同處理復(fù)烤煙片煙堿、總糖/煙堿值變異系數(shù)降幅對比

2.4 加工批次驗證

上述試驗針對不同品種、不同等級煙葉篩選打葉復(fù)烤混配均勻性控制的最佳方法，為驗證該方法的普適性，選取云87品種，WBBSF配方模塊(B1F+B2F混合生產(chǎn))進(jìn)行驗證。驗證方法見“1.1 材料、設(shè)備和儀器”“1.2.1 實驗室化學(xué)成分檢測”“1.2.2 算法設(shè)計”，控制方式按照T2執(zhí)行。

由表5可知，經(jīng)控制和算法組合應(yīng)用后，煙堿變異系數(shù)為2.99%，降幅為83.44%，總糖/煙堿值變異系數(shù)為5.60%，降幅為78.76%。同表3與表4對比，其試驗效果趨于一致。此外，還原糖及還原糖/煙堿變異系數(shù)均處于較小值，說明T2的控制方法和算法組合具有針對不同品種、不同等級、不同配方生產(chǎn)的實用性。

表5 控制方式與算法對來料及復(fù)烤煙片主要化學(xué)成分及派生值的影響

3 討 論

3.1 煙葉化學(xué)成分均質(zhì)加工是卷煙原料質(zhì)量穩(wěn)定的前提

煙葉屬于農(nóng)產(chǎn)品，其質(zhì)量受品種[14-15]、土壤[16]、生態(tài)區(qū)[17-18]、農(nóng)藝措施[19-21]、采收方式[22]等因素的影響而表現(xiàn)不盡相同，質(zhì)量差異客觀存在。當(dāng)煙葉經(jīng)工商交接后，需要進(jìn)行打葉復(fù)烤加工生產(chǎn)成為復(fù)烤煙片，才能完成從農(nóng)產(chǎn)品向工業(yè)原料的轉(zhuǎn)變。研究表明，煙葉內(nèi)在質(zhì)量與感官質(zhì)量呈正相關(guān)，其適宜的內(nèi)在化學(xué)成分含量以及各化學(xué)成分的協(xié)調(diào)[23-24]，最終影響到卷煙質(zhì)量的穩(wěn)定性。對于初烤煙葉的內(nèi)在化學(xué)成分的研究表明，除不同部位的煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的差異外，同一部位及等級的煙葉在年際間及年際內(nèi)，其內(nèi)在化學(xué)成分均存在顯著的波動，煙葉質(zhì)量也因此存在客觀的波動[25-26]。如何從煙葉生產(chǎn)及卷煙制造的各個工序環(huán)節(jié)中降低煙葉質(zhì)量的波動性，提高卷煙成品的質(zhì)量，一直是煙草科技研究者以及企業(yè)技術(shù)人員努力的目標(biāo)。目前，煙草行業(yè)打葉復(fù)烤領(lǐng)域以煙堿變異系數(shù)來衡量成品煙片的均勻性，目的在于將卷煙成品的質(zhì)量穩(wěn)定性控制延伸至打葉復(fù)烤生產(chǎn)環(huán)節(jié)，形成全卷煙工業(yè)工藝流程的協(xié)同優(yōu)化再造，通過加工過程煙葉原料內(nèi)在化學(xué)成分的均勻性來保證最終卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定?！毒頍煿に囈?guī)范》(2016)[1]明確規(guī)定批次煙堿變異系數(shù)為≤5.0%，而煙草行業(yè)的優(yōu)秀指標(biāo)為≤3.5%，但是基于卷煙原料屬于農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的實際，初烤煙煙葉的煙堿變異系數(shù)普遍>20%，對完成打葉復(fù)烤化學(xué)成分均質(zhì)化生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)。

3.2 控制方式及算法調(diào)控?zé)焿A變異系數(shù)具有普適性

打葉復(fù)烤成品煙片化學(xué)成分的穩(wěn)定性控制，目前研究重點在于平庫或高架庫、配方混配柜以及在線化學(xué)成分檢測系統(tǒng)的綜合應(yīng)用。對復(fù)烤前的煙片進(jìn)行在線化學(xué)成分檢測，將不合格煙片送至混配柜進(jìn)行二次混配，通過近紅外光譜在線檢測結(jié)果與工藝設(shè)備的聯(lián)動控制，提高了復(fù)烤煙片混配的均勻性[7]，王發(fā)勇等[27]也有類似工藝設(shè)想，本研究中重點在于倉庫的堆碼及算法搭配的組合應(yīng)用，再由混配柜進(jìn)行配方混配，煙堿變異系數(shù)明顯降低，可見，除了混配柜的混配方法外，在上游工序進(jìn)行協(xié)同控制，也能達(dá)到較好的化學(xué)成分均質(zhì)的效果。王宏鋁等[8]在選葉環(huán)節(jié)，利用在線近紅外光譜檢測煙葉化學(xué)成分，并按照檢測結(jié)果進(jìn)行高低分類，生產(chǎn)投料時按照高低搭配的方法進(jìn)行控制，成品煙堿變異系數(shù)控制到2.78%。兩者研究的思路類似，但是前者的研究需要在工商交接后進(jìn)行二次選葉，投料生產(chǎn)煙葉等級合格率更高，客觀條件上減小了打葉復(fù)烤生產(chǎn)煙葉的質(zhì)量波動性，而本研究針對可直接進(jìn)行打葉復(fù)烤的煙葉，減少選葉環(huán)節(jié)，可在煙葉質(zhì)量波動較大的情況下進(jìn)行煙堿控制，煙堿變異系數(shù)達(dá)到行業(yè)優(yōu)秀指標(biāo)。尹旭等[12]利用配方高架庫的自動控制功能對煙堿進(jìn)行控制，煙堿變異系數(shù)控制到2.53%。配方高架庫的控制核心在煙葉化學(xué)成分的檢測以及基于檢測后進(jìn)行算法搭配控制，與本研究的控制思路類似，但是在算法、控制成本和設(shè)備投資上，本研究的普適性更強(qiáng)。

3.3 控制方式及算法具備均勻性拓展指標(biāo)的調(diào)控效果

打葉復(fù)烤煙片均勻性評價，何結(jié)望等[28]認(rèn)為變異系數(shù)法可作為質(zhì)量均勻性的評價方法，且化學(xué)成分指標(biāo)選擇糖堿比具有較好的代表性。本研究中以煙堿為主要控制因素，連同總糖、還原糖以及還原糖/煙堿值的控制效果進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)控制煙堿的同時，復(fù)烤煙片的以上各類指標(biāo)均得到不同程度的改善，說明煙堿控制具有總體的調(diào)控效應(yīng)，也為均勻性指標(biāo)的擴(kuò)展提供了一定的參考思路。

打葉復(fù)烤化學(xué)成分均質(zhì)化生產(chǎn)，最終表現(xiàn)于復(fù)烤煙片的均勻性。在平庫條件下，針對工商交接后即可打葉復(fù)烤生產(chǎn)的常規(guī)煙葉，設(shè)計在工商交接時進(jìn)行實驗室化學(xué)成分檢測，依據(jù)檢測煙堿值進(jìn)行區(qū)間劃分，入庫分高、中、低分類堆碼，并組合運用算法進(jìn)行初烤煙葉的搭配，對不同品種、不同等級、不同配方等方面進(jìn)行了煙堿、總糖、還原糖、總糖/煙堿值、還原糖/煙堿值的變異系數(shù)控制研究，形成了具體的煙堿控制方式、搭配算法以及工藝流程，即可人工算法搭配，也可開發(fā)軟件進(jìn)行自動控制，具有普遍的適用性。研究中同時揭示了不同控制方法和算法搭配對復(fù)烤煙片主要化學(xué)成分及其派生值的控制降幅效果，還延伸出煙堿控制對其它化學(xué)指標(biāo)的調(diào)控作用，為打葉復(fù)烤均勻性混配控制提供了一種普遍實用、簡單便捷、成本較優(yōu)、效果明顯的方法，同時對其它穩(wěn)定性可使用指標(biāo)引出參考方向。

4 結(jié) 論

在平庫條件下，對比不同復(fù)烤煙片化學(xué)成分控制方法，以煙堿為主，額外考察了化學(xué)成分派生值的表現(xiàn)，系統(tǒng)對比控制方法與算法搭配相組合的方式，結(jié)果表明，在完成配方混配的條件下，在工商交接時測定煙堿值，后根據(jù)煙堿值進(jìn)行倉庫內(nèi)高、中、低分類堆碼，再利用“煙堿+重量”算法搭配出庫，復(fù)烤煙片煙堿變異系數(shù)≤3.51%，降幅≥80.76%，糖堿比變異系數(shù)≤6.10%，降幅≥77.80%，此外，對于還原糖及還原糖/煙堿值變異系數(shù)也具調(diào)控效應(yīng)，且在不同配方生產(chǎn)的試驗驗證中，煙堿變異系數(shù)2.99%，超過煙草行業(yè)的優(yōu)秀指標(biāo)，說明對初烤煙葉進(jìn)行高、中、低分類堆碼，再根據(jù)“重量+煙堿”的組合方式搭配出料，能滿足復(fù)烤煙片均勻性的生產(chǎn)要求。