不同尺寸片煙在各級(jí)打葉風(fēng)分單元中的分布和品質(zhì)變化規(guī)律

王 戈，萬(wàn)明宇，劉 威，徐瑋杰，陳康康，陳 斌，丁 冉，徐其敏，楊 凱*

1.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，上海市浦東新區(qū)秀浦路3733號(hào) 200120 2.華環(huán)國(guó)際煙草有限公司, 安徽省滁州市鳳陽(yáng)縣門(mén)臺(tái)子工業(yè)園 233121

打葉復(fù)烤作為承接煙草農(nóng)業(yè)種植和卷煙工業(yè)生產(chǎn)的紐帶［1］，其工藝任務(wù)是對(duì)煙葉進(jìn)行梗、葉分離，并對(duì)分離出的片煙進(jìn)行篩分和干燥，便于片煙醇化、貯存，保證片煙滿足制絲生產(chǎn)要求［2］。成品片煙是由各級(jí)打葉單元風(fēng)分器分離出的片煙匯總而成，但由于煙葉不同區(qū)位的耐加工特性［3-4］和化學(xué)成分含量［5-6］存在差異，導(dǎo)致各級(jí)風(fēng)分器分離出的片煙的理化指標(biāo)各不相同，直接影響著成品片煙的品質(zhì)?，F(xiàn)階段，隨著打葉復(fù)烤精細(xì)化加工能力的提升，科研人員開(kāi)始逐漸關(guān)注不同打葉風(fēng)分單元分離片煙的差異和變化規(guī)律。梁淼等［7］研究了葉梗分離工序中各級(jí)打葉風(fēng)分后片煙尺寸的差異，結(jié)果表明各級(jí)打葉單元匯總片煙的特征尺寸及均勻性隨打葉級(jí)數(shù)增加逐漸降低。高占勇等［8］、王玉真等［9］分別研究了云南C3F初烤煙葉在不同打葉風(fēng)分單元化學(xué)成分和色度的變化規(guī)律，結(jié)果顯示不同打葉風(fēng)分單元的片煙內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)和色度均存在明顯的分類現(xiàn)象。但關(guān)于各級(jí)打葉風(fēng)分單元中不同尺寸片煙的差異性研究仍鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，以2021年四川初烤煙葉為研究對(duì)象，研究了各級(jí)打葉風(fēng)分單元分離出的不同尺寸片煙的流量、化學(xué)成分和感官品質(zhì)的變化規(guī)律，為葉梗分離工序中片煙的精細(xì)化分類分級(jí)和個(gè)性化調(diào)配利用提供參考，旨在提高打葉復(fù)烤的均質(zhì)化加工水平和煙葉資源的綜合利用能力。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

2021年四川產(chǎn)區(qū)C2F等級(jí)初烤原煙共計(jì)9.00萬(wàn)擔(dān)（4.5×106kg），將其按照初配方要求進(jìn)行工業(yè)二次分選后進(jìn)行配方打葉加工。

打葉復(fù)烤生產(chǎn)線（生產(chǎn)能力12 000 kg/h，葉梗分離工序由5級(jí)打葉單元串聯(lián)而成，各風(fēng)分器編號(hào)結(jié)果見(jiàn)圖1，華環(huán)國(guó)際煙草有限公司）。

圖1 打葉復(fù)烤生產(chǎn)線葉梗分離工序示意圖Fig.1 Schematic diagram of lamina-stem separation procedure of a threshing and redrying line

葉片振動(dòng)分選機(jī)（25.4、12.7、6.35和2.36 mm網(wǎng)篩，美國(guó)Cardwell公司）；AAS-305D連續(xù)流動(dòng)分析儀（美國(guó)API公司）；FED115熱風(fēng)循環(huán)烘箱（德國(guó)Binder公司）；CSM-I旋風(fēng)磨［60目（250μm）網(wǎng)篩，北京一輕研究院有限公司］；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 片煙取樣和篩分

待穩(wěn)定生產(chǎn)后，在各風(fēng)分器出口處進(jìn)行截面取樣，每次取（3 000±300）g，取5次，按照GB/T 21137［10］的方法分別檢測(cè)片煙尺寸分布并實(shí)現(xiàn)不同尺寸片煙（大片、中片、小片、碎片）的分離，將分離后的樣品按風(fēng)分口編號(hào)分別存放并混合均勻。完成上述操作記為取樣1次，每天取樣1次，共取3 d。

1.2.2 片煙流量測(cè)算

待穩(wěn)定生產(chǎn)后，在各風(fēng)分器出口處分別截取片煙30 min，截取結(jié)束后稱量并記錄樣品質(zhì)量。完成上述操作記為測(cè)算流量1次，每天測(cè)算1次，共測(cè)算3 d。

1.2.3 烤煙化學(xué)成分可用性指數(shù)CCUI

參照“中國(guó)煙草種植區(qū)劃”的研究成果［11］，選取主要化學(xué)成分中的煙堿、總氮、還原糖、鉀及其衍生指標(biāo)糖堿比、氮堿比和鉀氯比作為不同尺寸烤煙化學(xué)成分可用性的參評(píng)指標(biāo)。利用隸屬函數(shù)對(duì)各參評(píng)指標(biāo)進(jìn)行百分制賦值。常用的隸屬函數(shù)類型有拋物線型、S型、反S型等，結(jié)合前人關(guān)于烤煙化學(xué)成分可用性和化學(xué)質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的研究成果［11-13］，確定隸屬函數(shù)。

烤煙煙堿、總氮、還原糖含量和糖堿比、氮堿比的隸屬函數(shù)類型為拋物線型，表達(dá)式為：

烤煙鉀含量和鉀氯比的隸屬函數(shù)類型為S型，表達(dá)式為：

式中：x1、x2、x3、x4分別為各參評(píng)指標(biāo)的下臨界值、最優(yōu)值下限、最優(yōu)值上限和上臨界值；x為各參評(píng)指標(biāo)的實(shí)際值。結(jié)合上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司中高端品牌煙葉原料保障的實(shí)際情況和相關(guān)研究成果［14-17］，確定四川中部煙初配方模塊各參評(píng)指標(biāo)隸屬函數(shù)的拐點(diǎn)，并參考文獻(xiàn)［11］設(shè)置參評(píng)指標(biāo)權(quán)重，見(jiàn)表1。

表1 參評(píng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)類型、拐點(diǎn)及權(quán)重Tab.1 Membership function types，inflection points and weights of evaluation indexes

烤煙化學(xué)成分可用性指數(shù)（Chemical Components Usability Index，CCUI）采用隸屬度函數(shù)模型與指數(shù)和法來(lái)確定。CCUI值越大，烤煙原料的化學(xué)成分協(xié)調(diào)性越好。CCUI的計(jì)算方式是：

式中：Ci為第i個(gè)化學(xué)成分指標(biāo)量化分?jǐn)?shù)；Pi為第i個(gè)化學(xué)成分指標(biāo)的權(quán)重。

1.2.4 感官品質(zhì)評(píng)價(jià)

由上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司具備煙草行業(yè)感官品質(zhì)鑒定資質(zhì)的7位人員完成，感官品質(zhì)指標(biāo)的選擇和計(jì)算方式參照文獻(xiàn)［11］中的方法，感官總分T的計(jì)算方式是：

2 結(jié)果與討論

2.1 各級(jí)打葉風(fēng)分單元片煙流量和葉片結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)分析

2.1.1 片煙流量變化趨勢(shì)

各級(jí)打葉風(fēng)分單元片煙流量的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。由圖2可以看出：①各級(jí)風(fēng)分單元分選出的片煙流量存在明顯差異，其中1-1和1-2的流量最大，貢獻(xiàn)度分別達(dá)到30.3%和20.5%。②在同一打葉單元中，一級(jí)風(fēng)分單元分選出的片煙流量最大，且隨風(fēng)分級(jí)數(shù)的增加，片煙流量有逐級(jí)減小的趨勢(shì)。③以打葉單元為分析維度，隨打葉單元級(jí)數(shù)的增加，片煙流量逐級(jí)降低，其中一級(jí)打葉單元為生產(chǎn)線貢獻(xiàn)了64.7%的片煙流量，與四打十一分生產(chǎn)線一級(jí)打葉單元62%～69%的出葉量結(jié)果類似［18］，而五級(jí)打葉單元僅貢獻(xiàn)了3.1%。

圖2 各級(jí)打葉風(fēng)分單元片煙流量的變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trends of strip flows in all pneumatic separators and threshing units

2.1.2 片煙結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)

各級(jí)打葉風(fēng)分單元片煙結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：①各級(jí)風(fēng)分單元分選出的片煙結(jié)構(gòu)存在明顯差異，且大片率的變化范圍最大，其中大片率的極大值出現(xiàn)在1-6（80.7%），而極小值出現(xiàn)在5-1（1.7%）。②對(duì)相同打葉單元中的各級(jí)風(fēng)分單元進(jìn)行比較，一級(jí)風(fēng)分單元（1-1、2-1和3-1）分選出的片煙的尺寸最小，且隨風(fēng)分級(jí)數(shù)的增加，片煙尺寸有逐級(jí)增大的趨勢(shì)。③以打葉單元為分析維度，隨打葉單元級(jí)數(shù)的增加，大片率逐級(jí)降低，中片率、小片率、碎片率和碎末率逐級(jí)升高（五級(jí)打葉單元的中片率除外），片煙尺寸逐級(jí)減小。上述現(xiàn)象與文獻(xiàn)［8］報(bào)道的基本一致，產(chǎn)生上述葉片結(jié)構(gòu)差異的原因是，碎末和碎片主要源于打葉器對(duì)煙葉的破碎作用，且碎末和碎片的懸浮速度較低，更容易在各級(jí)打葉單元的第一級(jí)風(fēng)分器中分選出來(lái)，導(dǎo)致同一打葉單元內(nèi)片煙尺寸隨風(fēng)分級(jí)數(shù)的增加而逐級(jí)增大；進(jìn)入二至五級(jí)打葉單元的物料是上一級(jí)打葉單元風(fēng)選剩余的煙梗和梗帶葉，殘余的煙葉尺寸較小，再加上隨打葉級(jí)數(shù)的增加，框欄尺寸逐級(jí)縮窄，最終導(dǎo)致各打葉單元的片煙尺寸逐級(jí)減小。

圖3 各級(jí)打葉風(fēng)分單元片煙葉片結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trends of tobacco strip structure in all pneumatic separators and threshing units

2.1.3 各級(jí)打葉單元對(duì)不同尺寸片煙的貢獻(xiàn)度差異

結(jié)合各級(jí)打葉風(fēng)分單元片煙流量和片煙結(jié)構(gòu)的結(jié)果，分析了各級(jí)打葉單元對(duì)不同尺寸片煙的貢獻(xiàn)度（圖4）。一級(jí)打葉單元對(duì)大片、中片、小片和碎片的貢獻(xiàn)度均最高，貢獻(xiàn)度依次為75.8%、57.2%、44.1%和35.2%。對(duì)于碎末，五級(jí)打葉單元的貢獻(xiàn)度最高（29.5%），略高于一級(jí)打葉單元（29.3%）。以打葉單元為分析維度，比較同一打葉單元對(duì)于不同尺寸片煙的貢獻(xiàn)度差異，發(fā)現(xiàn)一級(jí)打葉單元對(duì)大片的貢獻(xiàn)度最高（75.8%），二、三級(jí)打葉單元對(duì)中片的貢獻(xiàn)度較高（17.5%和14.3%），四級(jí)打葉單元對(duì)碎片的貢獻(xiàn)度最高（23.1%），五級(jí)打葉單元對(duì)碎末的貢獻(xiàn)度最高（29.5%）。

圖4 各級(jí)打葉單元對(duì)不同尺寸片煙的貢獻(xiàn)度Fig.4 Contribution degrees of all threshing units to tobacco strips of different sizes

2.2 各級(jí)打葉風(fēng)分單元不同尺寸片煙參評(píng)指標(biāo)和CCUI的變化趨勢(shì)分析

選取烤煙化學(xué)成分可用性指數(shù)7個(gè)參評(píng)指標(biāo)中權(quán)重最高的還原糖、煙堿、糖堿比和氮堿比4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行變化趨勢(shì)分析，其中各級(jí)打葉單元的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)由2.1中片煙流量和片煙結(jié)構(gòu)的結(jié)果加權(quán)獲得［例如，三級(jí)打葉單元的大片總糖含量=（大片總糖含量3-i×大片率3-i×片煙流量3-i）÷大片率3-i×片煙流量3-i）］，見(jiàn)圖5。結(jié)果顯示：①不同尺寸片煙的還原糖、煙堿、糖堿比和氮堿比4個(gè)指標(biāo)在15級(jí)風(fēng)分口和5級(jí)打葉單元中均存在明顯差異和一定的變化規(guī)律，其中碎片在15級(jí)風(fēng)分口的差異最大，還原糖、煙堿、糖堿比和氮堿比的極差分別為5.07、0.30、4.61和0.10。②隨著打葉單元級(jí)數(shù)的增加，不同尺寸片煙還原糖和糖堿比的差異逐漸減小，趨于一致。③還原糖和糖堿比的變化規(guī)律較類似，片煙尺寸越小，還原糖含量和糖堿比越低；大片和中片的還原糖和糖堿比隨著風(fēng)分和打葉級(jí)數(shù)的增加變化較小，大片略有降低的趨勢(shì)，而中片略有升高的趨勢(shì)；小片和碎片的還原糖和糖堿比隨著風(fēng)分和打葉級(jí)數(shù)的增加有明顯升高的趨勢(shì)，且碎片的升高幅度更明顯。④對(duì)于煙堿含量，總體上碎片的煙堿含量較低，而大、中和小片的煙堿含量的差異較??；隨打葉單元級(jí)數(shù)的增加，大片的煙堿含量呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)，中、小和碎片的煙堿含量從一打單元到三打單元逐漸降低而從三打單元到五打單元逐漸升高；在同一打葉單元中，碎片的煙堿含量隨風(fēng)分級(jí)數(shù)的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。⑤對(duì)于氮堿比指標(biāo)，片煙尺寸越小，氮堿比越高，且碎片的氮堿比顯著大于大、中、小片，說(shuō)明碎片含有較多非煙堿形式的氮元素（蛋白氮、氨基酸態(tài)氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等）；隨打葉單元級(jí)數(shù)的增加，大片的氮堿比呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，而中片、小片和碎片呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。

圖5 各級(jí)風(fēng)分口和打葉單元不同尺寸片煙參評(píng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trends of evaluation indexes of different size strips in all pneumatic separators and threshing units

為了系統(tǒng)比較各級(jí)打葉風(fēng)分單元不同尺寸片煙的化學(xué)成分可用性的差異，使用CCUI指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)（見(jiàn)圖6）。評(píng)價(jià)結(jié)果表明碎片的化學(xué)成分可用性明顯小于大、中和小片，且隨著打葉級(jí)數(shù)的增加碎片的化學(xué)成分可用性逐級(jí)提高。具體到各級(jí)風(fēng)分口，1-1～1-6和2-1風(fēng)分口產(chǎn)出碎片的化學(xué)成分可用性最低，1-1～1-3風(fēng)分口產(chǎn)出小片的化學(xué)成分可用性較低。

圖6 各級(jí)打葉風(fēng)分單元烤煙化學(xué)成分可用性指數(shù)CCUI的變化趨勢(shì)Fig.6 Variation trends of CCUI of flue-cured tobacco in all pneumatic separators and threshing units

2.3 各級(jí)打葉風(fēng)分單元不同尺寸片煙參評(píng)指標(biāo)的聚類分析

各級(jí)打葉風(fēng)分單元不同尺寸片煙參評(píng)指標(biāo)的聚類分析結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知，若將15級(jí)風(fēng)分口的片煙樣品分為兩大類，各級(jí)風(fēng)分口的碎片和1-1～1-5風(fēng)分口的小片聚為一類，其余樣品聚為一類。若將15級(jí)風(fēng)分口的片煙樣品分為三大類，則1-1～1-6和2-1風(fēng)分口的碎片聚為一類，其余風(fēng)分口的碎片和1-1～1-5風(fēng)分口的小片聚為一類，其余樣品聚為一類。通過(guò)聚類分析，可以直觀地看出碎片和1-1～1-5風(fēng)分口產(chǎn)出的小片與其余大、中、小片差異較明顯；聚焦碎片，1-1～1-6和2-1風(fēng)分口的碎片與其余風(fēng)分口產(chǎn)出的碎片存在差異，與CCUI的評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同。

圖7 各級(jí)打葉風(fēng)分單元不同尺寸片煙參評(píng)指標(biāo)的聚類分析Fig.7 Cluster analysis of evaluation indexes of different size strips in all threshing and pneumatic separating units

2.4 各級(jí)打葉單元不同尺寸片煙感官品質(zhì)變化趨勢(shì)分析

依據(jù)2.1中片煙流量和葉片結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)并計(jì)算各級(jí)風(fēng)分單元不同尺寸片煙的占比，精準(zhǔn)還原出各級(jí)打葉單元不同尺寸片煙的感官評(píng)吸樣品［例如，三級(jí)打葉單元的大片感官評(píng)吸樣品中3-i（i=1，2，3）大片樣品的占比=（大片率3-i×片煙流量3-i）÷（大片率3-i×片煙流量3-i）］，感官評(píng)吸結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可知，整體來(lái)看，隨著片煙尺寸的減小，片煙感官質(zhì)量有下降的趨勢(shì)，與文獻(xiàn)［19］報(bào)道的結(jié)果一致，其中各級(jí)打葉單元的大片和中片感官品質(zhì)差異較??；隨打葉級(jí)數(shù)的增加，不同尺寸片煙的感官品質(zhì)均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，其中大、中片的極大值點(diǎn)出現(xiàn)在二級(jí)打葉單元，小片和碎片的極大值則分別出現(xiàn)在三級(jí)和四級(jí)打葉單元。需要指出的是，五打單元碎片的感官品質(zhì)較差，與上文化學(xué)成分和CCUI的評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異。通過(guò)問(wèn)詢參與感官品質(zhì)評(píng)價(jià)的專家，發(fā)現(xiàn)多數(shù)專家認(rèn)為該樣品透發(fā)性不足，壓香嚴(yán)重，刺激性較大，且表現(xiàn)為尖刺狀的酸性刺激，最終導(dǎo)致碎片的感官品質(zhì)排序?yàn)樗募?jí)打葉＞三級(jí)打葉＞五級(jí)打葉＞二級(jí)打葉＞一級(jí)打葉。

圖8 各級(jí)打葉單元不同尺寸片煙的感官品質(zhì)Fig.8 Sensory quality scores of different size strips separated by different threshing units

3 結(jié)論

以2021年四川初烤煙葉為研究對(duì)象，通過(guò)比較各級(jí)打葉風(fēng)分單元分離出的不同尺寸片煙的流量、化學(xué)成分和感官品質(zhì)的變化趨勢(shì)，得到以下結(jié)論：①隨打葉單元級(jí)數(shù)的增加，片煙流量逐級(jí)降低，其中一級(jí)打葉單元貢獻(xiàn)了64.7%的片煙流量。②在各級(jí)打葉單元中，碎片和小片更容易在第一級(jí)風(fēng)分口處被分離出。③碎片的化學(xué)成分可用性明顯小于大、中和小片，隨著打葉級(jí)數(shù)的增加碎片的化學(xué)成分可用性逐級(jí)提高。④不同尺寸片煙的感官品質(zhì)隨打葉級(jí)數(shù)的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，大片和中片的感官品質(zhì)最優(yōu)點(diǎn)出現(xiàn)在二級(jí)打葉單元，小片和碎片則分別出現(xiàn)在三級(jí)和四級(jí)打葉單元。