控制方式及算法对复烤烟片化学成分均匀性的影响

王发勇，吴 涛，汪显国，时 敬，潘志玲，胡春华，黄 浩，王家俊

(1.红云红河烟草(集团)有限责任公司，昆明 650231；2.云南中烟工业有限责任公司，昆明 650011；3.广东中烟工业有限责任公司，广州 510620)

【研究意义】《卷烟工艺规范》(2016)明确提出批内烟碱变异系数≤5.0%的化学成分均质化控制标准[1]，意在通过烟叶内在化学成分的均质化控制，提高卷烟工业原料的内在均匀性来提升最终卷烟产品的质量稳定性。【前人研究进展】围绕加工批次均匀混配的主题，行业打叶复烤领域的科技工作者和技术人员针对混配控制和近红外光谱应用等方面进行了探索[2-6]，应用混配柜进行二次混配[7]、选叶检测烟碱再搭配出库[8]、应用手持式近红外光谱仪检测烟碱[9]等方面入手，均取得了不同程度降低烟碱变异系数的结果。企业对于烟碱的均匀性控制，目前主要依赖于企业内部设备的高效利用，而控制方式是重点。在平库条件下，以原烟单等级的小产地、烟碱相近为货位单元，通过混配后入库、出库投料混配的方式控制[10]，对烟碱的均匀混配有明显效果。有研究表明，混配柜对复烤烟片的化学成分均匀性贡献度最大[11]，所以混配柜的设备潜力挖掘也极富意义。高架库是平库的升级控制设备实施，是信息化与现代物流的集成产品，也可提高复烤烟片烟碱的均匀性与稳定性[12-13]。以上研究分别从平库、高架库以及在线近红外的检测应用和过程混配的角度来寻求提升复烤成品烟片烟碱稳定性，但是从控制方式和备料算法组合应用考察烟碱及糖碱比等化学指标的研究鲜有涉及。【本研究切入点】在平库条件下，设计针对烟碱的不同控制方式与算法搭配的组合方法，对比复烤成品烟片烟碱及派生值的调控情况，并进行验证。【拟解决的关键问题】寻求满足打叶复烤不同原料及配方均匀性生产需求的优选方法。

1 材料与方法

1.1 材料、设备和仪器

试验材料选择云南红河烟区典型烟叶，品种1为K326，品种2为云87，等级选择上等烟C3F、中等烟C4F，验证材料选择混合配方模块WBBSF(B1F+B2F)品种为K326，为上等烟。每个生产批次投料量105 000 kg。

恒温干燥箱(美国Precision scientific公司,型号：605)；粉碎机(美国Thomas Scientific公司，型号：MODEL4)；傅里叶变换近红外光谱仪(美国尼高力仪器公司，型号：Antaris Ⅱ)。

1.2 方法

1.2.1 实验室化学成分检测 工商交接时，每车每等级初烤烟叶按照10%的比例抽样，样品密封好送至实验室进行样品检测预处理，后应用傅里叶变换近红外光谱仪进行化学成分检测(初烤烟叶取样数量不小于60个)。初烤烟叶经工商交接后，按照正常流程入原烟周转库堆码。抽样数据与原烟周转库堆码货位相对应，便于出库计算。

复烤成品烟片在烟片复烤机机尾取样。待设备稳定运行30 min后取样，采取连续多次(≥5次)抓取方式进行取样，每20 min/次，共30个样品，用于反映处理效果及状态。

实验室预处理包括：混合、切丝、烘丝、混合、磨样5个步骤，最终取检测物料质量≥80 g、水分≤12%、粒度≤0.4 mm。检测内容包括烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾、氯、淀粉、总挥发碱。

1.2.2 算法设计 (1)同一货位堆码物料的烟碱表征值使用该货位初烤烟叶的均值表示，其计算公式为：

(1)

式中，mi表示同一入库货位的入库重量之和；ci表示同一入库货位的抽检烟碱值。

(2)常规出库算法。根据配方要求，按照重量比例搭配对应出库原则为：

(2)

式中，配方比例分别为a%、b%、c%，批次总出库重量为M，对应货位的出库重量为Mh、Mm、Ml。

(3)均质化出库算法。假设两组货位满足出库条件,则“重量+烟碱”算法方程组如下：

mk1+mk2=M

(3)

(4)

1.2.3 加工流程 按照图1流程进行。

图1 打叶复烤烟碱控制工艺流程Fig.1 Process flow of threshing and redrying nicotine control

1.2.4 试验设计 T0为常规投料方式，不进行烟碱的算法搭配，仅完成投料配方的完整性。T1与T2根据烟碱值与重量的综合算法搭配出料，但是T1在入库时仅检测初烤烟叶的烟碱值后即入库堆码，而T2在检测烟碱值时分高、中、低分类入库堆码，见表1。

表1 试验设计

2 结果与分析

2.1 试验原料情况

由表2可知，K326、云87的C3F、C4F总糖变异系数为12.66%～17.82%，还原糖变异系数为11.92%～18.37%，烟碱变异系数为18.21%～20.31%，总糖/烟碱值变异系数为26.53%～34.31%，还原糖/烟碱值变异系数为25.19%%～31.96%，变异系数总体表现出总糖/烟碱>还原糖/烟碱>烟碱>总糖≈还原糖的趋势。用变异系数来衡量原料的稳定性，初烤烟叶的主要化学成分及其派生值存在较大的波动，特别是总糖/烟碱值的稳定性最差，为打叶复烤化学成分均质化生产带来客观的难度。

2.2 控制方式与算法搭配对复烤烟片均匀性的影响

由表3可知，在不同品种、不同等级条件下，3种处理方式T0、T1、T2对复烤片烟总糖均值、还原糖均值、总糖/烟碱均值和还原糖/烟碱均值的影响差异不显著，但对总糖变异系数、还原糖变异系数、烟碱均值、烟碱变异系数、总糖/烟碱的变异系数、还原糖/烟碱变异系数的影响有显著差异(P<0.05)，具体表现为：在对总糖变异系数、还原糖变异系数、烟碱均值的影响中，处理T0、T1差异不显著，处理T2与处理T0、T1有显著差异(P<0.05)。在对烟碱变异系数、总糖/烟碱的变异系数、还原糖/烟碱的变异系数的影响中，处理T0、T1、T2之间都有显著差异(P<0.05)，说明不同处理方式主要对各指标的变异系数有影响，而对各指标的均值影响不大。其中，经配方混配后(包括处理T0、T1、T2)，总糖、还原糖、烟碱、总糖/烟碱值、还原糖/烟碱值的变异系数最大值分别为8.64%、8.18%、8.88%、13.17%、13.97%，与表2相比较，其变异系数均有不同程度的降低，说明完成配方混配对复烤烟片的均匀性具有一定效用。处理T0虽没有考虑烟碱混配因素，但是打叶复烤生产中应用配方柜进行配方混配，而在配方混配的过程中，存在客观的自然混配环节，因此一定程度上对化学成分及其派生值具有降低作用。

表2 试验材料主要化学成分及其派生值

处理T0与T1，无论是K326，还是云87，其C3F、C4F的总糖、还原糖变异系数相差不大，而烟碱、总糖/烟碱值、还原糖/烟碱值的变异系数差异明显，但是从烟碱变异系数≤5.0%的要求来看，处理T0与处理T1尚不能完成要求。处理T2，K326和云87品种的C3F、C4F的总糖变异系数控制在2.20%～3.65%，还原糖变异系数为3.52%～5.81%,烟碱变异系数为3.21%～3.50%，总糖/烟碱为5.89%～6.10%，还原糖/烟碱为5.86%～6.06%，主要化学成分和变异系数控制最佳。尽管T1在混配中加入烟碱的因素，但是在入库时没有针对烟碱值作分类堆码，而仅是对货位堆码物料进行烟碱累加混算，实际在货位上初烤烟叶的内在化学成分变异较大，应用算法搭配出料，烟碱的混配效果极为有限，同时总糖/烟碱值及还原糖/烟碱值的变异系数也处于较大的范围内。说明来料检测初烤烟叶化学成分(烟碱)，按烟碱值高、中、低分类堆码，运用组合方程式算法进行搭配出料，配方柜混配能达到最佳的复烤烟片均匀性混配效果。

2.3 控制方式与算法对烟片均匀程度的影响

烟草行业内，对于复烤片烟均匀性使用内在化学成分的变异系数进行表征，具体是以烟碱变异系数为主、辅以糖碱比(总糖/烟碱)变异系数进行衡量。

表3 控制方式与算法对复烤烟片主要化学成分及其派生值的影响

由表4可知，不同处理方式应用于不同品种、不同等级的试验材料时，其混配均匀性均起到降幅≥50.99%的明显效果，总体变异系数下降幅度呈现出T0

表4 不同处理复烤烟片烟碱、总糖/烟碱值变异系数降幅对比

2.4 加工批次验证

上述试验针对不同品种、不同等级烟叶筛选打叶复烤混配均匀性控制的最佳方法，为验证该方法的普适性，选取云87品种，WBBSF配方模块(B1F+B2F混合生产)进行验证。验证方法见“1.1 材料、设备和仪器”“1.2.1 实验室化学成分检测”“1.2.2 算法设计”，控制方式按照T2执行。

由表5可知，经控制和算法组合应用后，烟碱变异系数为2.99%，降幅为83.44%，总糖/烟碱值变异系数为5.60%，降幅为78.76%。同表3与表4对比，其试验效果趋于一致。此外，还原糖及还原糖/烟碱变异系数均处于较小值，说明T2的控制方法和算法组合具有针对不同品种、不同等级、不同配方生产的实用性。

表5 控制方式与算法对来料及复烤烟片主要化学成分及派生值的影响

3 讨 论

3.1 烟叶化学成分均质加工是卷烟原料质量稳定的前提

烟叶属于农产品，其质量受品种[14-15]、土壤[16]、生态区[17-18]、农艺措施[19-21]、采收方式[22]等因素的影响而表现不尽相同，质量差异客观存在。当烟叶经工商交接后，需要进行打叶复烤加工生产成为复烤烟片，才能完成从农产品向工业原料的转变。研究表明，烟叶内在质量与感官质量呈正相关，其适宜的内在化学成分含量以及各化学成分的协调[23-24]，最终影响到卷烟质量的稳定性。对于初烤烟叶的内在化学成分的研究表明，除不同部位的烟叶内在化学成分的差异外，同一部位及等级的烟叶在年际间及年际内，其内在化学成分均存在显著的波动，烟叶质量也因此存在客观的波动[25-26]。如何从烟叶生产及卷烟制造的各个工序环节中降低烟叶质量的波动性，提高卷烟成品的质量，一直是烟草科技研究者以及企业技术人员努力的目标。目前，烟草行业打叶复烤领域以烟碱变异系数来衡量成品烟片的均匀性，目的在于将卷烟成品的质量稳定性控制延伸至打叶复烤生产环节，形成全卷烟工业工艺流程的协同优化再造，通过加工过程烟叶原料内在化学成分的均匀性来保证最终卷烟产品质量的稳定。《卷烟工艺规范》(2016)[1]明确规定批次烟碱变异系数为≤5.0%，而烟草行业的优秀指标为≤3.5%，但是基于卷烟原料属于农业产品的实际，初烤烟烟叶的烟碱变异系数普遍>20%，对完成打叶复烤化学成分均质化生产带来挑战。

3.2 控制方式及算法调控烟碱变异系数具有普适性

打叶复烤成品烟片化学成分的稳定性控制，目前研究重点在于平库或高架库、配方混配柜以及在线化学成分检测系统的综合应用。对复烤前的烟片进行在线化学成分检测，将不合格烟片送至混配柜进行二次混配，通过近红外光谱在线检测结果与工艺设备的联动控制，提高了复烤烟片混配的均匀性[7]，王发勇等[27]也有类似工艺设想，本研究中重点在于仓库的堆码及算法搭配的组合应用，再由混配柜进行配方混配，烟碱变异系数明显降低，可见，除了混配柜的混配方法外，在上游工序进行协同控制，也能达到较好的化学成分均质的效果。王宏铝等[8]在选叶环节，利用在线近红外光谱检测烟叶化学成分，并按照检测结果进行高低分类，生产投料时按照高低搭配的方法进行控制，成品烟碱变异系数控制到2.78%。两者研究的思路类似，但是前者的研究需要在工商交接后进行二次选叶，投料生产烟叶等级合格率更高，客观条件上减小了打叶复烤生产烟叶的质量波动性，而本研究针对可直接进行打叶复烤的烟叶，减少选叶环节，可在烟叶质量波动较大的情况下进行烟碱控制，烟碱变异系数达到行业优秀指标。尹旭等[12]利用配方高架库的自动控制功能对烟碱进行控制，烟碱变异系数控制到2.53%。配方高架库的控制核心在烟叶化学成分的检测以及基于检测后进行算法搭配控制，与本研究的控制思路类似，但是在算法、控制成本和设备投资上，本研究的普适性更强。

3.3 控制方式及算法具备均匀性拓展指标的调控效果

打叶复烤烟片均匀性评价，何结望等[28]认为变异系数法可作为质量均匀性的评价方法，且化学成分指标选择糖碱比具有较好的代表性。本研究中以烟碱为主要控制因素，连同总糖、还原糖以及还原糖/烟碱值的控制效果进行探讨，发现控制烟碱的同时，复烤烟片的以上各类指标均得到不同程度的改善，说明烟碱控制具有总体的调控效应，也为均匀性指标的扩展提供了一定的参考思路。

打叶复烤化学成分均质化生产，最终表现于复烤烟片的均匀性。在平库条件下，针对工商交接后即可打叶复烤生产的常规烟叶，设计在工商交接时进行实验室化学成分检测，依据检测烟碱值进行区间划分，入库分高、中、低分类堆码，并组合运用算法进行初烤烟叶的搭配，对不同品种、不同等级、不同配方等方面进行了烟碱、总糖、还原糖、总糖/烟碱值、还原糖/烟碱值的变异系数控制研究，形成了具体的烟碱控制方式、搭配算法以及工艺流程，即可人工算法搭配，也可开发软件进行自动控制，具有普遍的适用性。研究中同时揭示了不同控制方法和算法搭配对复烤烟片主要化学成分及其派生值的控制降幅效果，还延伸出烟碱控制对其它化学指标的调控作用，为打叶复烤均匀性混配控制提供了一种普遍实用、简单便捷、成本较优、效果明显的方法，同时对其它稳定性可使用指标引出参考方向。

4 结 论

在平库条件下，对比不同复烤烟片化学成分控制方法，以烟碱为主，额外考察了化学成分派生值的表现，系统对比控制方法与算法搭配相组合的方式，结果表明，在完成配方混配的条件下，在工商交接时测定烟碱值，后根据烟碱值进行仓库内高、中、低分类堆码，再利用“烟碱+重量”算法搭配出库，复烤烟片烟碱变异系数≤3.51%，降幅≥80.76%，糖碱比变异系数≤6.10%，降幅≥77.80%，此外，对于还原糖及还原糖/烟碱值变异系数也具调控效应，且在不同配方生产的试验验证中，烟碱变异系数2.99%，超过烟草行业的优秀指标，说明对初烤烟叶进行高、中、低分类堆码，再根据“重量+烟碱”的组合方式搭配出料，能满足复烤烟片均匀性的生产要求。