基于DOE分析法的打葉復烤長梗得率工藝優(yōu)化

摘要 ［目的］優(yōu)化打葉復烤長梗得率工藝，提高煙草打葉復烤長梗得率。［方法］以陜甘產區(qū)的中部煙配打模塊為供試材料，以打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速為研究對象，采用全因子試驗設計及DOE，探索打葉流量、三打打輥轉速和四打打輥轉速對長梗得率的影響，并構建相應的數學回歸模型。［結果］打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速3個因子主效應及打葉流量與三打打輥轉速間的交互作用對長梗得率均有顯著影響，而打葉流量與四打打輥轉速間的交互作用、三打打輥轉速與四打打輥轉速間的交互作用對長梗得率均沒有顯著影響。長梗得率與打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速及打葉流量與三打打輥轉速間的交互作用四者間存在有效的回歸模型。最優(yōu)的指標參數為打葉流量9 500 kg/h、三打打輥轉速650 r/min、四打打輥轉速750 r/min，平均長梗得率達到最大值15.285 0%，合意度最好。［結論］長梗得率與打葉流量、三打打輥轉速和四打打輥轉速存在一定的回歸關系，通過回歸關系確定了最佳長梗得率的打葉流量、三打打輥轉速和四打打輥轉速指標參數。

關鍵詞 煙草；DOE分析法；打葉流量；三打打輥轉速；四打打輥轉速；長梗得率

中圖分類號 TS 44+3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）20-0163-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.20.040

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Optimization of Long Stem Yield in Tobacco Leaf Processing Based on DOE Analysis Method

GUAN Sai-sai， XU Hong-yu， WANG Zi-zhong et al

（China Tobacco Gansu Industrial Co.， Ltd.， Lanzhou， Gansu 730050）

Abstract ［Objective］ In order to optimize the process of long stem yield and improve the long stem yield in tobacco leaf processing. ［Method］ Taking the middle leaf of Shaanxi-Gansu flue-cured tobacco as test materials and taking flow rate， three beating roller speed， four beating roller speed as the objects， by the principle of full factor experiments and DOE analysis method， mathematical regression models between long stem yield and flow rate， three beating roller speed， four beating roller speed were constructed. ［Result］ The results showed that： flow rate， three beating roller speed， four beating roller speed and interaction of flow rate with three beating roller speed had significant influence on the long stem yield， the interaction of flow rate with four beating roller speed and the interaction of three beating roller speed with four beating roller speed had no significant dAGMqmgjkv33I/pl8CC8ooNLdgDznAgTUq9P9dicwPs=influence on the long stem yield. There was an effective regression model between long stem yield and flow rate， three beating roller speed， four beating roller speed and interaction of flow rate with three beating roller speed. When flow rate was 9 500 kg/h， three beating roller speed was 650 r/min， and four beating roller speed was 750 r/min， the average long stem yield reached the maximum value of 15.285 0% and the best. ［Conclusion］ Comprehensive comparison suggested that there is a certain regression relationship between long stem yield and flow rate， three beating roller speed， four beating roller speed， the optimal parameters of flow rate， three beating roller speed， four beating roller speed for long stem yield were determined through the certain regression relationship.

Key words Tobacco;DOE analysis method;Flow rate;Three beating roller speed;Four beating roller speed;Long stem yield

長梗不僅是煙草工業(yè)企業(yè)打葉復烤回收的副產品［1-2］，還是制造卷煙的重要原料［3］，優(yōu)化煙草打葉復烤長梗得率工藝，提高煙草長梗得率，能夠增強煙草工業(yè)企業(yè)長梗保障能力。范興等［4］研究發(fā)現，長梗糖的質量分數偏高，呈現高鉀、低堿、低木質素的特點。李炎強等［5］研究發(fā)現，煙梗中的醛類物質中性香味成分約是葉片的2.31倍。祁林等［6］研究發(fā)現，隨著梗絲長度縮短，揮發(fā)性有機酸總量呈線性升高趨勢，揮發(fā)性致香物質及兩類揮發(fā)性化學物質總量呈逐漸升高的拋物線形變化趨勢。在煙葉打葉復烤過程中，長梗質量受多種因素影響，肖雷雨［7］研究發(fā)現，為了提高打葉后的長梗率，中下部葉適當降低打葉機轉速，上部葉適當提高打葉機轉速。劉利鋒等［8］研究發(fā)現，7.62 cm框欄下的長梗率較8.89 cm框欄略有提高。白寅良等［9］研究提出了一套提升打葉復烤成品長梗率的關鍵參數模型，提升成品長梗率。梁淼等［10］研究發(fā)現，長梗率隨篩分片煙尺寸減少逐級降低。孫承順等［11］研究發(fā)現，把葉分離后長梗率平均增幅達2.4%。孫革等［12］提出了一種打葉復烤線全懸浮式流量控制方案，準確控制了打葉復烤煙葉流量。但通過單個工藝參數調控長梗得率，作用有限。近幾年，甘肅煙草工業(yè)有限責任公司采購的長梗供不應求，為了進一步提高長梗的自給水平，筆者通過全因子試驗設計，分析長梗得率與打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速間的關系，研究多個工藝參數對長梗得率的影響，優(yōu)化打葉復烤長梗得率的工藝，旨在為適宜長梗得率下打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速最優(yōu)參數的確定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗基本情況

供試材料為陜甘產區(qū)的中部煙配打模塊（陜西C3L-AB等級煙葉和甘肅C3L-AB等級煙葉）。試驗于2021年在咸陽煙葉復烤加工生產線進行，甘肅煙草工業(yè)有限責任公司2020年度陜甘產區(qū)中部煙模塊的平均長梗得率為13.83%。

1.2 試驗設計

采用全因子試驗設計，甘肅煙草工業(yè)有限責任公司的打葉復烤人員和咸陽煙葉復烤有限責任公司人員根據打葉復烤經驗，共同分析選擇了與長梗得率密切相關的3個試驗因子及因子水平，即打葉流量（高水平9 500 kg/h、低水平8 500 kg/h）、三打打輥轉速（高水平750 r/min、低水平650 r/min）、四打打輥轉速（高水平850 r/min、低水平750 r/min），做3因素2水平全因子試驗，以長梗得率為響應變量，設置打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速3個因子，安排4個中心點，共12個試驗處理（即23+4），各因子相應的水平設計如表1所示。

用MINITAB16.0軟件對試驗處理進行隨機化試驗排序［13-14］，結果如表2所示。

1.3 測定指標及方法

每個處理設置1個生產班次，在煙葉打葉復烤過程中，每個生產班次在預回潮工序前統計投烤原煙過磅質量，在煙梗包裝工序收集長梗，并對其進行稱重，計算長梗得率。

Y=G1G2×100%（1）

式（1）中：Y為長梗得率（%）；G1為長梗質量（kg）；G2為投烤原煙質量（kg）。

1.4 統計分析

用MINITAB16.0軟件對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 擬合選定模型

試驗以長梗得率為響應變量，/AVCz9/n3Qr+Irt6AzCqJuP/x1BjoyrFYbrMw4tPnCQ=分析打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速3個因子對長梗得率的影響，結果見表3。

通過MINITAB16.0軟件對試驗結果數據進行模型擬合，保留顯著項打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速3個因子主效應，打葉流量與三打打輥轉速交互效應，剔除不顯著項打葉流量與四打打輥轉速交互效應、三打打輥轉速與四打打輥轉速交互效應，綜合可得打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速對長梗得率影響的回歸模型為：

Y=14.535 0+0.458 7×X1-9 000500-0.298 8×X2-70050-0.136 2×X3-80050+0.143 8×X1-9 000500×X2-70050（2）

式（2）中：Y為長梗得率；X1為打葉流量；X2為三打打輥轉速；X3為四打打輥轉速。

2.1.1 分析評估回歸的顯著性?；貧w顯著性能通過主效應、失擬項和彎曲項的P值衡量。若主效應P值大于0.05，說明回歸模型總體無效；失擬項的P值小于0.05，說明模型缺失重要項；彎曲項的P值小于0.05，說明模型中自變量因子需進行變換［13-14］。由表4可知，主效應P=0.000，小于0.05，說明回歸總效果是顯著的；彎曲項P=0.77 大于0.05，可以認為該數據并無彎曲現象；失擬項P=0.676，大于0.05，可以認為回歸并無失擬現象。綜合以上分析，說明回歸模型有效。

2.1.2 分析評估回歸的總效果。確定系數（R-Sq）及調整的確定系數能夠衡量擬合的總效果［13-14］。由表5可知，R-Sq 和R-Sq調整、R-Sq和R-Sq預測之間的差距較小，且R-Sq調整為93.32%，說明回歸效果較好；3個因子主效應、打葉流量與三打打輥轉速交互效應的P值均小于0.05，說明這些效應在統計上是顯著的，表明模型整體效果較好。

2.1.3 分析評估回歸各項效應的顯著性。由表5可知，打葉流量項、三打打輥轉速項、四打打輥轉速項、打葉流量與三打打輥轉速交互效應項的P值均小于0.05，說明回歸模型中的3個自變量因子效應、打葉流量與三打打輥轉速交互效應均是顯著的，模型整體效果較好。

2.2 殘差診斷

ANOVA分析、回歸系數估計結合殘差診斷能夠綜合評價模型效果，基于殘差的狀況能夠診斷模型與數據擬合的效果［13-14］。由圖1可知，長梗得率的殘差圖正常，其散點圖并無漏斗形或喇叭形，殘差對各自變量圖正常，其散點圖并無彎曲趨勢，無需對模型中的長梗得率、打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速進行變換。

綜上所述，長梗得率與打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速之間的有效數學回歸模型為：

Y=14.535 0+0.458 7×X1-9 000500-0.298 8×X2-70050-0.136 2×X3-80050+0.143 8×X1-9 000500×X2-70050（3）

式（3）中：Y為長梗得率；X1為打葉流量；X2為三打打輥轉速；X3為四打打輥轉速。

2.3 分析解釋選定模型

2.3.1 殘差診斷。在模型確定后進行殘差診斷，目的是判斷數據中是否有個別點出現異常，若全部數值之絕對值均不超過2，則表明“無異常點”［13-14］。由表6可知，擬合選定模型形成的標準化殘差列的全部數值之絕對值均不超過2，說明無異常點。

2.3.2 確認主效應及交互效應的顯著性。從圖2可知，3個主因子的回歸線均有一定的傾斜度，說明打葉流量、三打打輥轉速和四打打輥轉速3因子對于長梗得率的影響均是顯著的；在一定范圍內，提高打葉流量、降低三打打輥轉速和四打打輥轉速，能夠提高長梗得率。

由圖3可知，只有打葉流量與三打打輥轉速交互作用線明顯不平行，說明二者交互作用顯著，其余交互作用均不顯著。

2.3.3 輸出等值線圖、響應曲面圖等以確認最佳設置。等值線圖和曲面圖能夠反映影響響應變量的因子和交互作用項及其變化規(guī)律［13-14］。從圖4、5可知（只有打葉流量和三打打輥轉速交互作用顯著，四打打輥轉速設定在最佳值750 r/min），等高線彎曲，曲面偏離平面嚴重，說明打葉流量、三打打輥轉速主效應及其交互作用對長梗得率的影響是顯著的，長梗得率的最大值在打葉流量9 500 kg/h、三打打輥轉速650 r/min、四打打輥轉速750 r/min時達到最大。

2.3.4

最優(yōu)化長梗得率及參數設置。由圖6可知，通過響應優(yōu)化分析，當打葉流量為9 500 kg/h、三打打輥轉速為650 r/min、四打打輥轉速為750 r/min時，平均長梗得率達到最大值15.285 0%，合意度d為1.000 0，達到最佳。

2.4 驗證試驗

當長梗得率回歸模型中打葉流量為9 500 kg/h、三打打輥轉速為650 r/min、四打打輥轉速為750 r/min時，長梗得率的擬合預測值為15.285 0%，擬合值的標準誤為0.100 2，平均長梗得率的置信區(qū)間為（15.048 1%，15.521 9%），個別長梗得率的預測區(qū)間為（14.894 7%，15.675 3%）。

由表7可知，在最佳點打葉流量9 500 kg/h、三打轉速650 r/min、四打轉速750 r/min處，6次驗證試驗長梗得率的結果均在長梗得率的95%預測區(qū)間內，其平均值為15.27%，在長梗得率的95%置信區(qū)間內，6次驗證試驗結果與長梗得率回歸模型下的新設計點處的預測響應一致，說明模型正確，預測結果可信，參數設置有效。

2.5 優(yōu)化后的長梗得率

采用最優(yōu)參數打葉流量9 500 kg/h、三打轉速650 r/min、四打轉速750 r/min設置加工，中部煙配打模塊長梗得率達到15.28%，較優(yōu)化前長粳得率13.83%顯著增加了1.45百分點，提高了10.48%。

3 結論與討論

采用全因子試驗設計，研究了煙葉打葉流量、三打打輥轉速和四打打輥轉速對長梗得率的影響，結果表明：①打葉流量、三打打輥轉速、四打打輥轉速3個因子主效應及打葉流量與三打打輥轉速交互作用對長梗得率有顯著影響，而打葉流量與四打打輥轉速交互作用、三打打輥轉速與四打打輥轉速交互作用對長梗得率沒有顯著影響。②通過3因素2水平全因子試驗，構建了長梗得率的有效回歸模型。③通過長梗得率的回歸模型分析，最佳工藝指標參數為打葉流量9 500 kg/h、三打打輥轉速650 r/min、四打打輥轉速750 r/min，平均長梗得率達到最大值15.285 0%，合意度最好，達到最佳。

綜合分析，長梗得率與打葉流量、三打打輥轉速和四打打輥轉速存在一定的回歸關系，通過回歸關系確定了最佳長梗得率的打葉流量、三打打輥轉速和四打打輥轉速參數。但在實際煙葉打葉復烤過程中，還需要結合復烤企業(yè)的硬件條件、產區(qū)煙葉的加工特性等進行深入研究，選擇適宜的打葉復烤技術指標參數，提高打葉復烤的長梗得率，提升煙葉打葉復烤加工水平，滿足工業(yè)企業(yè)的需求。

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