不同调控因素对打叶复烤成品片烟质量均匀性的影响

尹 旭，王 戈，徐其敏，张 鑫，窦家宇，吴晓梅

(1.华环国际烟草有限公司，安徽凤阳 233121；2.上海烟草集团有限公司技术中心，上海 200082)

当前均质化加工技术作为支撑打叶复烤未来发展的重要技术之一，相关应用研究主要集中在通过在线、离线检测手段获得烟叶原料烟碱含量，再根据烟碱含量进行高低混配，从而实现成品片烟烟碱含量的均匀、稳定[1-4]。烟叶常规化学成分除了包含烟碱外，还有糖、氮、氯、钾等多种成分。烟叶颜色作为评判烤烟外观质量的一个重要指标，与烟叶评吸质量和化学成分等内在质量存在较强关联[5-9]。因此，在打叶复烤环节利用现代技术手段提高片烟产品内在化学成分、外观颜色等指标的均匀性研究具有重要的意义。笔者利用在线近红外分析技术、烟叶颜色计算机识别技术检测烟叶的烟碱含量、光谱特征值以及颜色值，结合企业打叶复烤均质化控制工艺及装备特点，研究“烟碱”“烟碱+颜色”“光谱”“光谱+颜色”“颜色”5种调控因素对成品片烟均质化的影响，以期从多个维度提升成品片烟质量的均匀性和稳定性，为打叶复烤均质化工艺技术的改进提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料、主要设备与仪器

1.1.1试验材料。试验材料为由中部烟叶原料组成的A、B、C、D、E、F、G 7个配打模块。

1.1.2主要设备与仪器。Armor 711 在线近红外光谱仪(德国Carl Zeiss公司，PDA阵列型InGaAs检测器，波长范围900～1 700 nm，光斑直径30 mm)；基恩士CV-X100a工业相机[日本Keyence公司，CCD彩色/黑白切换式面阵相机，相机像素640(H)X492(V)、32万像素彩色，镜头CV90]；ANTARIS傅里叶变换型近红外光谱仪(美国Thermo Fisher公司)；SEAL AutoAnalyzer 3 连续流动分析仪。

1.2 试验方法

1.2.1不同因素调控方案。烟叶原料按照模块设计要求通过分选混配线投料混配的同时进行在线分选，然后利用Armor 711 在线近红外光谱仪、基恩士CV-X100a工业相机在线实时检测分选后每架烟叶(约350 kg)的烟碱含量、光谱特征值、颜色值等信息。分选生产结束后，根据模块物料数量，按照“烟碱”“烟碱+颜色”“光谱”“光谱+颜色”“颜色”5种调控因素(图1)进行均匀性调控生产试验。最后，分析同一模块不同调控因素的调控效果以及不同模块相同调控因素的调控规律。

1.2.2烟叶化学成分含量、光谱特征值、颜色值检测。

1.2.2.1分选后烟叶烟碱含量检测。使用 Armor 711 在线近红外光谱仪(光谱分辨率10 nm，扫描波长910～2 200 nm，扫描频次30次/s，检测器为InGaAs，检测器二极管阵列数为256，背景自动校正30 min)在线采集光谱信息，按照文献[10]的方法建立烟碱在线近红外检测模型，在线检测分选后每架烟叶的烟碱含量。

图1 不同因素均质化调控工艺流程Fig.1 The process flow of homogenized control by different factors

1.2.2.2分选后烟叶光谱特征值检测。使用 Armor 711在线近红外光谱仪在线采集近红外光谱，剔除异常光谱并进行预处理后，再利用投影、多种群遗传算法[11]构建光谱定性检测模型，实时检测分选后每架烟叶的光谱特征值。

1.2.2.3烟叶颜色值检测。使用基恩士CV-X100a工业相机(像素512×480，相机快门速度1/1 000，CCD敏感设定6.4，采集频次20次/s，光源类型为环形光源)采集烟叶样本颜色的孟塞尔信号数据，按照文献[12]的方法建立烟叶颜色值检测模型，进行烟叶颜色值检测。

1.2.2.4片烟成品化学成分检测。片烟成品每25箱取一个综合样， 使用 SEAL AutoAnalyzer 3 连续流动分析仪，按照文献[13-17]的方法进行烟碱、总糖、总氮、钾、氯含量的检测。

2 结果与分析

依据“1.2.2”的方法检测片烟成品的化学成分含量及颜色值，再按照配方模块分别计算不同调控因素下成品片烟化学成分含量和颜色值的变异系数(CV值)，通过CV值判断各调控因素的优劣。由表1可知，试验模块烟碱含量CV值总体水平在3.00%以下，不同调控因素下B模块烟碱含量CV值变化较小，D、F模块烟碱含量CV值变化较大。因此，不同因素对B模块片烟成品烟碱含量均匀性的影响较小，其对D、F模块片烟成品烟碱含量均匀性的影响较大。各试验模块总糖含量CV值总体水平在3.00%以下，不同调控因素对B、C、E 3个模块的影响较大。各试验模块总氮含量CV值总体水平在2.00%以下，除了F模块的“烟碱+颜色”调控因素外，不同因素对各模块总氮含量均匀性的影响无明显差异。各试验模块钾含量CV值平均值在6.00%左右，除不同调控因素对C、D模块钾含量均匀性的影响较小外，对其他模块的影响均较大。不同模块氯含量CV值为4.00%～30.00%，波动较大，不同调控因素对A、G模块氯含量均匀性的影响较大。不同模块的颜色值CV值为0.59%～2.11%，相同模块不同调控因素间的极差在0.40%以上。

表1 各模块不同调控因素下片烟成品化学成分含量和颜色值的CV值分析Table 1 CV analysis of the content of the chemical components and color value of finished tobacco lamina regulated by different factors in each module 单位：%

由表1可知，不同调控因素下成品片烟烟碱含量CV值均值大小排序为“烟碱+颜色”>“颜色”>“光谱”=“光谱+颜色”>“烟碱”。成对t检验结果(表2)表明，在检验水平为0.05时，“烟碱”与“烟碱+颜色”因素间存在显著差异；在检验水平为0.10时，“烟碱”与“颜色”调控因素间存在明显差异；“烟碱”与“光谱”“光谱+颜色”间无显著差异。通过对片烟烟碱含量CV值的t检验发现：在检验水平为0.05时，“烟碱+颜色”与“光谱”“光谱+颜色”调控因素间存在显著差异，“光谱”与“光谱+颜色”间无显著差异。从烟碱含量均匀性角度来看，“烟碱+颜色”和“颜色”调控因素对于降低成品片烟烟碱含量CV值的效果较“烟碱”调控因素更差，“光谱”“光谱+颜色”“烟碱”3种调控因素的调控效果基本一致。

表2 “烟碱”与其他调控因素成品片烟烟碱CV值成对t检验结果 Table 2 Paired t-test results of CV value between “nicotine” and other regulatory factors

针对成品片烟其他指标的均匀性进行t检验，比较不同调控因素之间的差异。结果发现：对于片烟总糖含量CV值，“烟碱+颜色”与“烟碱”“光谱”“光谱+颜色”因素之间在检验水平为0.05时存在显著差异；“烟碱+颜色”与“颜色”因素之间在检验水平为0.10时存在显著差异；其他调控因素之间无显著差异。“烟碱+颜色”调控因素下成品片烟总糖含量CV值均值最大，因此“烟碱+颜色”因素对于成品片烟总糖含量均匀性的调控效果较其他调控因素更差。对于片烟总氮和钾含量的CV值，不同调控因素间无明显差异。各调控因素下成品片烟氯含量CV均值大小排序为“烟碱”>“光谱”>“烟碱+颜色”>“光谱+颜色”>“颜色”。t检验结果表明，在检验水平为0.05水平时，“烟碱”与“光谱+颜色”“颜色”调控因素之间存在显著差异；在检验水平为0.10时，“烟碱”与“烟碱+颜色”及“光谱”与“光谱+颜色”之间存在显著差异；其他调控因素间无显著差异。因此，从成品片烟氯含量均匀性角度来看，“烟碱”因素的调控效果最差，“光谱+颜色”因素的调控效果优于“光谱”，而“烟碱+颜色”“光谱+颜色”“颜色”3种调控因素的调控效果基本一致。

由图2可知，E、F模块各调控因素颜色值CV值大小顺序为“烟碱”>“光谱”>“烟碱+颜色”>“颜色”>“光谱+颜色”。与“烟碱”调控因素相比，“光谱”“颜色”“烟碱+颜色”“光谱+颜色”调控因素下成品片烟颜色值CV值均值分别下降0.51、0.67、0.72、0.87百分点，降幅分别达到34.46%、45.27%、48.65%和58.78%。

相关分析结果表明，调控后成品片烟的不同指标CV值之间存在一定的相关性,其中烟碱含量与总氮、钾、氯含量CV值均呈一定程度的正相关，总糖含量和氯含量CV值呈负相关，颜色值CV值和其他5项化学指标的CV值无显著相关(表3)。

图2 不同调控因素对颜色值CV值的影响 Fig.2 Effects of different regulation factors on CV value of the color value

3 结论与讨论

“烟碱”“烟碱+颜色”“光谱”“光谱+颜色”和“颜色”5种调控因素对成品片烟不同指标均匀性的调控效果有一定程度的影响。其中“光谱”“光谱+颜色”“烟碱”3种调控因素对烟碱和总糖含量均匀性的调控效果无明显差异，调控效果较好。“烟碱+颜色”“光谱+颜色”“颜色”3种调控因素对氯含量均匀性的调控效果均较好。“颜色”调控因素能够明显提升成品片烟颜色值和氯含量的均匀性，但是 “烟碱+颜色”会降低成品片烟烟碱和总糖含量的均匀性，“颜色”因素不宜与“烟碱”因素组合。“光谱”因素较“烟碱”因素能够一定程度提高成品片烟颜色值的均匀性，同时“光谱+颜色”因素能够使成品片烟的烟碱含量、总糖含量、氯含量以及颜色值的均匀性控制在较高水平，“光谱”因素宜与“颜色”因素组合。不同调控因素对总氮和钾含量的均匀性无明显影响。相关分析结果表明，调控后成品片烟不同指标的均匀性存在一定的相关关系。不同调控因素对不同模块不同指标均匀性的影响程度不同。

表3 不同指标CV值之间的Pearson相关分析Table 3 Pearson correlation analysis of the CV values of different indices

该研究对比了不同模块5种调控因素对成品片烟质量均匀性的影响，也可引入其他理化指标。其他打叶复烤企业可以根据自身的工艺装备以及配打模块的原料质量特点选择适宜的调控因素，满足不同卷烟品牌的个性化均质化要求。