不同分切打葉方式對片煙形狀特征的影響

畢思強， 楊 杰， 王國良， 文 武， 周 東， 劉 洋， 周進華，李新鋒， 谷曉懂， 徐大勇， 范明登， 杜 薇*

(1．山東中煙工業(yè)有限責任公司 青州卷煙廠， 山東 青州 262500； 2．四川中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，四川 成都 200082； 3.福建省龍巖金葉復(fù)烤有限公司， 福建 龍巖 364102； 4.中國煙草總公司 鄭州煙草研究院， 河南 鄭州 450001)

0 引言

【研究意義】片煙大小、形狀是影響煙絲結(jié)構(gòu)的主要因素[1-2]。近年來，煙草行業(yè)提出“降大片，提中片”的要求，片煙結(jié)構(gòu)的控制理念已從傳統(tǒng)的追求大片率和大中片率向控制大片率、提升中片率轉(zhuǎn)變[3-4]。傳統(tǒng)的煙片結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)新時代卷煙治理控制要求。通過建立片煙形狀表征方法，研究不同打葉方式對不同部位、不同等級煙葉形狀特征和結(jié)構(gòu)的影響，對有效提高打葉質(zhì)量和卷煙加工質(zhì)量具有重要現(xiàn)實意義。【前人研究進展】羅登山等[5]研究表明，影響葉片結(jié)構(gòu)的因素主要有煙葉原料的物理特性、加工工藝和設(shè)備等。劉志平等[6]研究發(fā)現(xiàn)，大于12.7 mm葉片比例對3.2 mm以上葉絲比例有顯著影響，小于12.7 mm葉片比例對1.4 mm以下葉絲比例有顯著影響。婁元菲等[7]分析河南許昌、貴州畢節(jié)和福建三明3個煙葉主產(chǎn)地主栽烤煙品種力學(xué)與打葉特性發(fā)現(xiàn)，福建三明翠碧1號打葉耐打性較好，煙葉造碎較小。楊洋等[8]研究發(fā)現(xiàn)，下部葉采用“兩段式”全葉加工、中部葉采用“兩段式”去葉基加工、上部葉采用“三段式”全葉加工可提高打葉復(fù)烤煙葉的質(zhì)量。徐大勇等[9-11]提出基于計算機視覺片煙形狀測量方法，分別使用傅里葉描述子和分形維數(shù)2種方法對片煙形狀進行定量描述；提供了片煙形狀表征的新方法?！狙芯壳腥朦c】片煙結(jié)構(gòu)的測定主要是利用篩分法，但此方法無法準確地描述不同區(qū)間內(nèi)葉片尺寸的連續(xù)分布情況和均勻性。目前鮮見利用片煙形狀表征方法分析不同打葉方式對打后片煙形狀、大小及其均勻性影響的研究報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用片煙大小及其分布檢測系統(tǒng)，檢測打后煙葉的片煙形狀，分析不同分切打葉方式對不同等級片煙的緊致度和小島法分維數(shù)的影響，為打葉復(fù)烤實時檢測、即時調(diào)整打葉工藝參數(shù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 煙葉樣品 福建B2F、福建B12F、福建C3F、福建C2FX與C3FX混樣(下稱福建C23FX)、福建X2F、福建X3F、陜西B3F與陜西B4F混樣煙葉(下稱陜西B34F)及福建三明尤溪X3F，福建中煙工業(yè)有限責任公司提供。在打葉后匯總皮帶隨機選取所需各等級煙葉樣品，每個樣品2 kg。

1.1.2 儀器 Retsch AS400篩分儀，德國Retsch公司；PL3001-S型電子天平(感量0.01 g)，瑞士Mettler公司；CA8011型片煙大小及其分布檢測系統(tǒng)，鄭州煙草研究院提供。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

1) 相同加工條件下不同部位片煙的形狀特征。在同一生產(chǎn)線上，同一加工條件下，對具有代表性的上、中和下部煙葉分別分切成不同大小的片煙，參照文獻[12]的方法將片煙面積劃為不同區(qū)間(0～300 mm2、300～500 mm2、500～1 000 mm2、1 000～1 500 mm2、1 500～2 000 mm2、2 000～3 000 mm2、3 000～5 000 mm2及>5 000 mm2)，然后對比分析不同部位片煙的片煙結(jié)構(gòu)，即此面積區(qū)間煙葉占總煙葉面積的比例。

2) 不同分切打葉方式對片煙大小形狀的影響。以福建B2F煙葉為樣品，設(shè)4個處理，即對同一等級片煙在切把時分別切1刀(即在解把切把時將把煙平均分成2段，該法為常用方法)、切2刀(即將把煙平均分成3段)、不分切和分類打(切斷后葉基與葉身分類)打葉。參照文獻[13-15]的方法將不同分切打葉方式打后片煙的面積-周長作對數(shù)擬合計算其小島法分形維數(shù)，以對比分析同一等級不同分切打葉方式片煙的形狀分布特征。

3) 不同打葉參數(shù)對片煙形狀的影響。打輥類型：對比耳座式打輥復(fù)烤線與圓盤式打輥復(fù)烤線對不同等級煙葉打后形狀的影響，分析不同類型打輥對不同等級片煙緊致度的影響?？驒诔叽纾涸谕淮蛉~機組上采用2組不同規(guī)格的框欄(表1)對不同等級煙葉進行打葉，檢測打后片煙大小及形狀。

表1 不同規(guī)格框欄配置

1.2.2 指標測定

1) 片煙緊致度。緊致度(J)是周長(L)的平方與面積(A)的比值，用于描述形狀的緊湊程度，緊致度越小形狀越緊湊，緊致度越大形狀越復(fù)雜。生產(chǎn)實踐表明，形狀緊湊的片煙切后煙絲造碎較少，有利于減少制絲過程中的損耗。根據(jù)YC/T 449—2012煙葉片煙大小及其分布的測定葉面積法進行片煙面積測量與數(shù)據(jù)處理[13]。利用片煙大小及其分布檢測系統(tǒng)測試葉片面積[14-15]。

式中，a為常數(shù)，D為分形維數(shù)，L為片煙周長，A為片煙面積。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Execl 2010和Minitab 2017進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 相同加工條件下不同等級各部位片煙形狀特征

由表2可知，隨片煙面積增加，各部位片煙緊致度均呈增加趨勢。片煙面積越小，越接近于圓形。對于不同等級各部位片煙，片煙面積0～300 mm2時緊致度基本一致；隨片煙面積增大，緊致度差異也增大，片煙面積≤1 000 mm2時，不同等級片煙緊致度差異不顯著(福建B2F除外)；片煙面積≥1 500 mm2時，不同部位片煙緊致度存在顯著差異，平均緊致度上部煙(85.96)<中部煙(118.74)<下部煙(129.5)。說明，在相同加工條件下，上部煙最緊致，下部煙形狀最復(fù)雜。通過片煙面積-周長對數(shù)擬合曲線得不同等級片煙的分形維數(shù)分別為福建B2F 1.26、陜西B34F 1.28、福建C3F 1.29、福建X2F 1.30及福建X3F 1.30，表現(xiàn)為福建X2F 1.30=福建X3F>福建C3F>陜西B34F>福建B2F，即分形維數(shù)上部煙<中部煙<下部煙。表明，不同部位分形維數(shù)與緊致度呈現(xiàn)相同變化趨勢。

表2 不同等級各部位片煙的緊致度

2.2 不同分切打葉方式各級大小片煙結(jié)構(gòu)及緊致度

2.2.1 各級大小片煙的占比 由表3可知，不同分切打葉方式對福建B2F片煙結(jié)構(gòu)存在影響。切1刀與切2刀的打葉方式打后各級片煙結(jié)構(gòu)差異不大，其差值在0.30%～4.82%；但切1刀與切2刀時350～1 300 mm2片煙結(jié)構(gòu)高于不分切和分類打方式，較不分切方式分別高7.39%和6.82%，較分類打方式分別高31.51%和30.81%；0～200 mm2片煙結(jié)構(gòu)較不分切方式分別低23.76%和23.09%，與分類打方式接近。4種分切打葉方式打后片煙結(jié)構(gòu)隨片煙面積增加均呈先降后升趨勢。

表3 不同分切打葉方式打后片煙結(jié)構(gòu)(福建B2F)

2.2.2 緊致度 由表4可知，隨片煙面積增加，不同分切打葉方式福建B2F各級片煙的緊致度均呈增加趨勢。片煙面積為0～400 mm2時不同打葉方式打后片煙的緊致度基本一致，為16.28～17.93，差異不顯著；片煙面積為400～1 600 mm2和2 000～4 000 mm2時不分切打葉方式緊致度分別為44.38～59.69和68.85～82.23，顯著大于其余打葉方式，其余打葉方式間差異不顯著；片煙面積為4 000～5 000 mm2時不分切方式緊致度顯著大于其余打葉方式，切1刀方式緊致度顯著大于切2刀和分類打打葉方式，切2刀與分類打間差異不顯著。表明，片煙面積越大緊致度差異越大；切1刀、切2刀與分類打打后各級片煙的緊致度基本一致；不分切打葉方式緊致度較大，打后片煙較不緊湊。

表4 不同分切打葉方式各級片煙的緊致度(福建B2F)

2.2.3 分形維數(shù) 不同分切打葉方式打后片煙分形維數(shù)為1.27～1.31，表現(xiàn)為不分切(1.31)>分類打(1.28)>切1刀(1.27)=切2刀(1.27)，切1刀和切2刀與分類打的分形維數(shù)基本一致，不分切打葉方式較其余3種方式分形維數(shù)大，打后片煙最不緊致。

綜上所述，分切打葉方式對打后片煙形狀和大小均有一定影響，分切后打葉片煙形狀更加緊致，但分切刀數(shù)對大小形狀均無顯著影響。

2.3 不同打輥類型和框欄尺寸處理片煙的形狀特征

2.3.1 打輥類型 從圖1看出，不同類型打輥打后各級大小片煙和各部位片煙的緊致度存在差異。

1) 各級片煙的緊致度。耳座式打輥和圓盤式打輥打后，隨片煙面積增大，不同等級片煙緊致度逐漸增加。相同等級煙葉采用圓盤式打輥打后片煙緊致度小于耳座式打輥，平均低22.58%。

2) 各部位片煙的緊致度。打輥類型對片煙形狀影響較大。耳座式打輥和圓盤式打輥打后片煙緊致度總體呈上、中部煙好于下部煙，其緊致度表現(xiàn)為下部煙>中部煙≈上部煙，耳座式打輥下部煙緊致度較中部煙和上部煙分別高18.34%和19.85%；2種類型打輥打后片煙緊致度存在明顯差異，各部位片煙的緊致度均表現(xiàn)為耳座式打輥>圓盤式打輥，耳座式打輥上、中和下部煙緊致度分別較圓盤式打輥高47.48%、22.96%和29.56%，圓盤式打輥打后片煙形狀更緊致。

2.3.2 框欄尺寸 為滿足生產(chǎn)需要，上、中和下部煙葉應(yīng)分別提高350～1 300 mm2、300～1 100 mm2和500～1 600 mm2的片煙結(jié)構(gòu)，減少300 mm2以下片煙結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。從表5看出，不同框欄打后各部位煙葉不同等級片煙的結(jié)構(gòu)不同。其中，采用框欄組合B打葉后，上部煙0～200 mm2和中部煙0～100 mm2片煙結(jié)構(gòu)變化不大，但350～1 300 mm2和300～1 100 mm2片煙結(jié)構(gòu)明顯提高，分別較組合A提高13.29%和155.59%；下部煙采用框欄組合B打葉后，500～1 600 mm2片煙結(jié)構(gòu)變化不大，但0～300 mm2片煙結(jié)構(gòu)明顯減少，較組合A減少28.51%。

不同部位煙葉采用不同框欄(組合A和組合B)打后片煙的分形維數(shù)表現(xiàn)為福建B12F分別為1.20和1.18，福建C23FX均為

表5 不同框欄組合打后各級片煙結(jié)構(gòu)

1.21，福建X3F分別為1.27和1.25。表明，2組框欄打后片煙分形維數(shù)無顯著差異，但下部煙分形維數(shù)較上、中部稍高，組合A下部煙較上、中部煙分別高5.83%和4.96%，組合B下部煙較上、中部煙分別高5.93%和3.31%。從圖2看出，隨片煙面積增加，不同框欄組合打后煙葉的緊致度均呈上升趨勢；組合A下部煙平均緊致度較上、中部煙分別高108.25%和139.82%，組合B下部煙緊致度較上、中部煙分別高67.38%和33.88%；下部煙緊致度組合A較組合B高27.81%，組合A和組合B上中部煙葉緊致度基本無差別。說明對于不同框欄加工方式，下部煙較上、中部煙有不同的力學(xué)特性。

綜上所述，在試驗設(shè)計范圍內(nèi)，較大尺寸的框欄有利于打后葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時減少下部煙葉片形狀復(fù)雜程度。

3 討論

研究結(jié)果表明，不同分切打葉方式對福建B2F片煙結(jié)構(gòu)存在影響，切1刀與切2刀的打葉方式打后各級片煙結(jié)構(gòu)差異不大，但2種打葉方式350～1 300 mm2片煙結(jié)構(gòu)高于不分切和分類打方式，<200 mm2片煙結(jié)構(gòu)較不分切方式低，與分類打方式接近；4種分切打葉方式打后片煙結(jié)構(gòu)隨片煙面積增加均呈先降后升趨勢。堵勁松等[2]采用灰色關(guān)聯(lián)法分析煙絲結(jié)構(gòu)分布與卷煙物理指標的相關(guān)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，煙絲結(jié)構(gòu)分布的最好長度應(yīng)為2.00～4.75 mm，以獲得較為理想的卷煙物理指標及其穩(wěn)定性。趙佳成等[4]分析不同切絲寬度對成品煙絲結(jié)構(gòu)及其分布穩(wěn)定性的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，不同切絲寬度對成品煙絲結(jié)構(gòu)影響較大，成品煙絲中長絲率隨切絲寬度增加而增加，但成品煙絲結(jié)構(gòu)分布穩(wěn)定性降低。羅登山等[5]認為，煙葉原料的物理特性、加工工藝和設(shè)備等是影響葉片結(jié)構(gòu)的主要因素，不同尺寸葉片的比例變化對煙絲結(jié)構(gòu)有影響，進而影響卷煙質(zhì)量。劉志平等[6]研究葉片大小與葉絲尺寸的關(guān)系認為，在卷煙生產(chǎn)中，葉絲結(jié)構(gòu)中>3.2 mm和<1.4 mm葉絲的比例是衡量制絲線加工水平的重要工藝參數(shù)，葉片>12.7 mm對>3.2 mm葉絲的比例有顯著影響，葉片≤12.7 mm對≤1.4 mm葉絲的比例有顯著影響。楊洋等[8]研究發(fā)現(xiàn)，分切加工方式對不同部分打葉復(fù)烤煙葉質(zhì)量的影響存在差異，下部葉采用“兩段式”全葉加工、中部葉采用“兩段式”去葉基加工、上部葉采用“三段式”全葉加工可明顯提高打葉復(fù)烤煙葉的質(zhì)量。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果相似。

研究結(jié)果表明，緊致度和分形維數(shù)能更加精確地表示片煙形狀特征，采用緊致度能細分相同等級不同面積片煙形狀特征，利用分形維數(shù)和緊致度可描述不同部位片煙的形態(tài)特征。證明，分形維數(shù)和緊致度2種方法對片煙形狀具有可靠的描述能力。根據(jù)結(jié)果看，緊致度和分型維數(shù)對片煙形狀的表征效果基本一致。面積越大的片煙，緊致度越大，分形維數(shù)越大，形狀越復(fù)雜，切絲時邊緣越容易切出碎絲，為“降大片，提中片”提供了新的指導(dǎo)方向。下部煙緊致度和分形維數(shù)大于中部煙和上部煙，應(yīng)是由于其物理指標(抗張力、斷裂伸長量及葉質(zhì)重等)較中上部煙更低所致。

目前研究僅關(guān)注不同加工條件、不同設(shè)備對片煙結(jié)構(gòu)的影響，以及如何控制片煙的結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)片煙大小，未考慮片煙形狀對后續(xù)加工生產(chǎn)的影響。同時研究發(fā)現(xiàn)，葉片的大小和形狀存在耦合關(guān)系，未來如何實現(xiàn)2個因素的解耦控制，仍需要通過大量試驗、特殊工藝的改進和設(shè)備改造進一步研究。

4 結(jié)論

加工條件相同時，平均緊致度上部煙(85.96)<中部煙(118.74)<下部煙(129.5)，分形維數(shù)上部煙(1.27)<中部煙(1.29)<下部煙(1.30)；上部煙最緊致，下部煙形狀最復(fù)雜。分切打葉方式對打后片煙形狀和大小均有一定的影響，分切后打葉片煙形狀更加緊致，但分切刀數(shù)對各級片煙的緊致度均無顯著影響。打輥類型對片煙形狀影響較大，圓盤式打輥打后片煙緊致度小于耳座式打輥。尺寸較大的框欄能生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)和形狀更符合制絲需求的片煙，同時對下部煙形狀有明顯影響?？傊衫闷瑹煷笮〖捌浞植枷到y(tǒng)測定不同打葉方式對片煙形狀、結(jié)構(gòu)及其均勻性的影響；引入緊致度和分形維數(shù)評價方法，不僅能夠得到更接近真實煙絲尺寸的評價標準，還可為煙絲結(jié)構(gòu)與片煙結(jié)構(gòu)的模型關(guān)聯(lián)研究打下基礎(chǔ)。