打叶复烤均质化加工核心指标控制的研究进展
2022-11-18杨家琪何晓健潘志玲郭宇锋刘跃荣张晓皎王发勇
杨家琪,何晓健,潘志玲,郭宇锋,何 锦,刘跃荣,张晓皎,王发勇
(红云红河烟草(集团) 有限责任公司,云南 昆明 650231)
0 引言
打叶复烤均质化加工是卷烟原料质量保障的核心内容,也是“卷烟质量上水平”的关键前提。均质化加工是配方均匀性的延伸内容,是控制内容与手段的丰富和集成。其中,配方均匀性主要是通过工业分级、模块组配、投料混配等综合技术手段实现成品片烟内在属性的均匀稳定[1]。而对于复烤片烟的均质化,其质量均匀性评价指标方法中主要的评价内容包括叶片结构、化学成分和含水率的变异系数评价等[2],为满足均质化加工的内在要求,对成品片烟的烟碱及水分变异系数、叶片结构、非烟物质、装箱密度等关键指标实现有效控制就显得尤其重要。
烟草行业内的科研和生产工作者围绕如何降低成品烟碱变异系数、水分变异系数,稳定装箱密度和控制非烟物质含量,得到合理的烟片结构进行了大量研究并取得了相应的成果,但是随着中式卷烟的发展,将对均质化加工水平提出更高的要求。
1 均质化加工是原料保障的重要措施
烟草生长的生态条件对烟叶的品质起着决定性作用,不同的生长环境会对烤烟内在的化学成分及不同物质积累产生重要影响[3]。由于各烟区气候、土壤条件迥异,原烟品质也有不同的表现。例如,在云南生态区范围内,文大荣[4]选取云南不同州(市)烤烟,对其主要化学成分进行差异性分析。结果表明,各州(市) 烤烟的烟碱、总糖、还原糖、总氮等均存在显著性差异。
同时,由于工商交接过程环节多、管理复杂,烟叶等级质量受混低和混部位影响明显,等级质量存在较大波动。有研究表明,全国烟叶在工商交接环节等级合格率的幅度变化达44.9%~71.5%,烟叶等级合格率的大幅波动会对烟叶感官品质及烟碱、糖碱比有较明显的影响[5-9]。
原烟来料品质的不稳定性,使得打叶复烤生产中各指标控制困难。原料的品质波动给后续加工的品质控制增加了难度,成品的稳定性指标也会受到影响。为保证卷烟产品的内在质量,在复烤生产中实行均质化加工,对烟叶的主要物理、化学指标进行调控,为后续生产环节供应稳定、优质的烟叶原料。
2 均质化加工对卷烟原料加工质量的影响
2.1 烟碱变异系数控制
烟碱又称为尼古丁,既是烟草中一种代表性化学成分,也是烟草中含氮生物碱的主要成分,产品中烟碱含量的多少能直接影响感官品质。在打叶复烤烟碱变异系数的控制过程中,对其影响最大的环节是投料段[10]。目前,烟碱均匀性调控的方法主要以按原烟烟碱值高进行低搭配控制为主。平库模式下,沈晗等人[11]对比分析了3 种不同调控模式下的烟碱控制水平,得出“混配组合”的调控模式下成品片烟烟碱CV 最优。高架库模式下,尹旭等人[12]通过试验得出,高架库自动控制功能能够得到成品片烟烟碱CV 值较优的结果(2.53%)。基于原烟在线烟碱预测模型得到的成品烟碱变异系数可由常规加工的7.83%下降至2.78%[13]。
吴有祥等人[14]对烟叶模块烟碱变异系数与几个因子的相关性分析得出烟叶模块烟碱变异系数与烟叶模块数量呈极显著正相关,与模块的部位和等级个数相关性不明显。陈明等人[15]研究结果表明,烟叶挑选工序对烟碱均匀性的贡献很大,经过挑选工序后,原烟烟碱变异系数平均下降35.70%,挑选后的原烟再进行混配,烟碱变异系数平均下降至48.86%。
王戈等人[16]除对烟碱进行调控外,还增加了烟叶颜色定性值和光谱定性值2 个调控因子,通过单一模式和组合模式的调控,成品片烟烟碱变异系数可控制在3%以下。通过此调控手段,其他主要化学成分的变异系数也有明显下降。
在平库条件下,将烟叶烟碱作为调控因子,以其含量作为调控参数,进行原烟分类和搭配的均质化调控方法,所要检测的烟叶样本量比较大,花费的时间较多,同时原烟的分类入库及出库操作较为复杂,所需的库容较大,人工需求量较多。而高架库模式下进行调控精确度更高、人工需求量少,但是总体投入和运行成本高。此外,化学成分的均匀性仅使用烟碱指标进行评价相对来说较为片面,对于总糖、钾、氯等其他重要化学成分未进行调控。
2.2 水分均匀性控制
成品片烟含水率是烟片醇化安全的关键指标,烟叶水分过大则烟叶霉变损坏,水分过小则加工、运输中造碎增加且不利于后续烟叶的发酵醇化。为了满足烟叶安全贮藏和自然醇化的需求,经过复烤加工后的烟叶含水率应满足卷烟工艺规范中规定的10.5%~13.0%[17],并且均衡一致。
李琳琴[18]通过试验得出,烟叶属性及烤机干燥段和回潮段出口水分是决定复烤后烟叶水分的主要因素。对油分和糖分含量高的烟叶,烤透率应≥98%,复烤后烟叶水分尽量趋中下限能较好地保证烟叶品质。潘武宁等人[19]研究发现,“烤透率”在很大程度上影响烤后烟叶的水分均匀性。通过提高复烤工序烤透率,对回潮后烟叶含水率的均匀性有正面影响。王苏红[20]提出要增强在线控制能力,构建SPC 系统,通过关键位置数据采集和质量检测数据的及时反馈,达到对产品质量的快速精准控制。
2.3 非烟物质控制
烟叶中的非烟物质在烟草燃烧时易产生对产品质量有较大影响的杂气与刺激性气体,且由于烟草制品使用时的特殊性,一部分非烟物质如塑料经高温分解后产生的气体对人体健康有害,而金属、石块等杂物除影响产品质量外还会损害设备,不利于安全生产。因此,行业内一直十分重视对非烟物质的管控,卷烟工艺规范要求成品片烟中一类非烟物质含量为0,二、三类非烟物质含量控制标准为<0.00665%[17]。
张长华等人[21]认为,非烟物质主要在采收后的环节产生,其中以人工合成类杂物含量最高。刘佳妮等人[22]认为,非烟物质来源于大田、编烟、分级、收购等多个环节,可建立重点非烟物质监督清单和非烟物质污染快速评估数据库,在烟叶收购时对烟农的产品进行及时检测并反馈数据。还可以建立农民评价和激励体系,对收购前烟叶中的杂物进行控制。
在打叶复烤生产中,非烟物质去除主要为人工挑选除杂和设备除杂有机结合进行。人工除杂易受到熟练度、注意力等因素的影响,杂物除净率有限。设备除杂中运用的筛沙机、光电除杂设备、风选除杂设备、金属检测剔除装置等均能对某些类别杂物的去除取得较好的效果,但是不同设备也存在着各自的局限性。筛沙机能够将烟叶上黏附的大部分砂土、烟虫、虫卵筛除,风选除杂能够分离烟叶中的羽毛、塑料等密度较小的杂物,金属探测设备能有效剔除金属杂物[23]。刘洪标等人[24]开发的复合分拣系统通过风选除杂和光电除杂的复合使用使得挑选质量和剔除效率都有明显的提升。刘斌等人[25]设计开发的在线片烟精选系统,对含梗烟及青霉烟的有效剔除率分别为91%,75%,对杂物有效剔除率为92%,达到或高于人工选叶水平。对于较难去除的麻丝、杂草等杂物使用双向麻丝剔除机后,麻丝、杂草比例可降至0.00198%和0.00014%[26]。
2.4 叶片结构控制
成品片烟叶片结构是指打叶复烤后不同规格叶片的占比情况, 主要包括大片率、中片率、小片率、碎片率、叶中含梗率、梗含叶率等几个指标。由于叶片结构指标过多且关系复杂,毛福利,何结望等人[27-28]应用灰色关联聚类分析的方法得出其核心指标为中片率、小片率和叶含梗率。打叶复烤后的叶片结构直接影响着后续工段的加工效率和质量,刘志平等人[29]认为打后最适宜的叶片为近方形,尺寸为10~35 mm 内的叶片。目前,在打叶复烤加工中降低大片率、提升中片率、控制碎片率、降低叶含梗率成为片型结构新的追求方向。
皇甫东有等人[30]研究表明,1 次润叶的水分和温度控制不同会对大中片率、碎片率和叶中含梗率产生显著影响,而2 次润叶的水分和温度不同则对碎片率、叶中含梗率影响显著,且1 次润叶对成品片烟结构的影响大于2 次润叶。杨洋等人[31]对各加工工段与成品片烟结构进行相关性分析,发现1 次、2 次润叶“润透率”与大片率、小片率、碎片率、碎末率、叶中含梗率呈负相关,与中片率呈正相关;打叶风分工段强度与大片率、碎片率、碎末率呈负相关,与中片率呈正相关。徐大勇等人[32]研究表明,片烟收缩率与复烤温度呈正相关,且在相同温度下不同部位烟叶片烟收缩率下部叶>中部叶>上部叶。
在设备方面,孔祥等人[33]不同打叶框栏形状对叶片结构影响的研究表明,采用六边形框栏替代菱形框栏,大片率降低13%,中片率提高12%,叶含梗下降0.5%。一级、二级打叶使用六边形框栏比使用菱形框栏打后叶片结构更加合理。张腾健等人[34]分切工艺对打叶复烤全过程加工质量的研究表明,通过切把头处理后的叶片结构中的中片率提高,同时叶中含梗率比例下降。王斌[35]综合物理和经济指标,认为在打叶时将叶含梗率控制在上部叶为1.3%~1.8%,中部1.0%~1.5%,下部1.5%~2.0%较为适宜。王鹏泽等人[36]从工艺设备途径、参数、设备改造3 个方面对调控打叶复烤叶片结构的措施进行了综述,提出可建立起区域性的打叶复烤研究平台、实验室等,对复烤加工中的叶片结构及片型进行深入、系统、科学的研究。
2.5 片烟装箱密度控制
片烟装箱密度直接影响着制丝质量和烟支卷制质量。烟草行业标准[37]规定片烟密度偏差率≤10.0%为合格,均质化加工要求片烟密度偏差率≤8.0%,对片烟装箱的均匀性要求有所提高。
片烟装箱密度的控制需要依托打包设备和装箱密度的检测数据。有研究认为,使用X 射线进行检测,准确度优于9 点取样法,且检测值波动小[38]。使用烟箱密度检测装置结合反馈控制可对烟箱密度向有利方向进行调整,在生产中使用片烟密度偏差率检测装置,进行在线检测和实时自动调整控制,可实现片烟装箱密度的有效控制[39-40]。
肖忠祥等人[41]通过对打包设备进行调整和改进,装箱密度偏差由改造前的28.6%下降至改造后的8.9%,符合烟草行业标准。使用液压型打包机装箱密度均匀性波动较大是复烤企业生产中普遍存在的问题,陈磊等人[42]设计研发的一种反馈自动控制系统,可实现打包装箱密度在线自动调节,避免了人为调整匀料装置的不确定性带来的装箱密度波动,同时减轻了劳动强度。在使用该系统后,DVR 由使用前12.6%下降至7.6%,已能够满足均质化加工对片烟密度偏差率的要求。
3 结语
3.1 化学成分控制
化学成分中的烟碱控制可将重心前移到烟叶物流及投料环节上,从入库及出库环节即开始进行化学成分调配。首先,利用在线近红外检测等手段对入库时的原烟烟碱值进行检测,“平库”条件下可根据检验结果,按照烟碱值高、中、低区间进行原烟分类堆码,然后根据需求计算烟碱值高低占比搭配投料出库,再结合分选、混配等工序来进一步降低烟碱波动。高架库则可利用其自动控制功能进行烟碱高中低搭配出库以控制烟碱变异系数。
化学成分均质化控制除目前选取的烟碱变异系数这一指标外,对总糖、钾、氯等几个重要的化学成分也可以进行调控。借鉴烟碱调控方法,利用近红外检测对总糖、氯、钾等其他重要化学成分同时进行检测。根据检测数据进行计算后搭配出库,以达到对各重要化学成分进行多重调控的目的。
3.2 叶片结构优化
打叶复烤加工中“降大、提中、控碎”的片型结构追求,可以使用六边形框栏等新型打叶装备,与烟叶分切加工技术相结合,提高中片率。还可以通过改善工艺路径,对打后叶片中的大片进行筛分,筛出的大片再次打叶或进行剪切,以减少大片、提升中片。
改良和升级检测设备,将使用人力的离线叶片结构检测改为在打叶风分线上检测,可提高检测效率做到打后叶片结构、叶中含梗率的实时在线检测,即可根据检测结果快速调整生产参数。进一步明确叶片结构的优化目标“按需备料”。根据后续工序加工中对于叶片尺寸的不同需求调整不同的加工策略。
3.3 非烟物质控制
非烟物质的控制要从杂物产生源头抓起。通过杂物监测数据建立起每个环节重点杂物控制清单,在种植、采收、初烤等过程严格控制杂物混入,在收购、仓储、加工环节防止再次污染。原烟收购时,进行含杂水平检测并分析杂物来源,将原料含杂情况及时反馈给上游工序和产区公司,有针对性地做好生产和加工杂物管控和去除工作。采集种植、烤制、收购、生产关键环节信息,建立起杂物追溯体系,提高全过程杂物控制能力。引入新型除杂设备,通过在打叶复烤生产线上复合使用筛沙机、光电除杂设备、风选除杂设备、金属检测剔除装置、麻丝剔除机等,结合人工挑选、手拣去除杂物达到非烟物质的有效去除。
3.4 全过程参数优化
各加工环节调控参数多,参数控制复杂,各参数间或还存在关联影响,单纯依靠操作人员经验控制波动性大。通过采集生产过程中关键控制环节,如润叶水分、温度控制参数,打叶风分控制参数,使用大数据建模分析,准确找到每个工序的关键参数变量与主要质量指标间的相互对应关系,明确参数调整依据。根据加工参数预测过程质量、依据质量指标反馈指导参数调整的加工管控状态。
打叶复烤均质化加工各项指标的追求要回归到最终产品的质量需求和成本控制上,而不应一味地追求指标先进性。均质化加工应该从多方面、多维度出发,烟碱变异系数、水分变异系数、叶片结构、非烟物质及装箱密度为均质化加工中一些较有代表性和重要的控制指标,但是不应该局限于此。还可以考虑纳入糖碱比等对卷烟品质有比较重要影响的指标。在今后的均质化加工中还需继续提升控制水平,探索新方法,以求均质化加工获得更好的成效。