基于混料均勻設計的細支煙煙絲尺寸優化

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(1. 山東中煙工業有限責任公司 技術中心， 山東 青島 266101; 2. 濟南大學 化學化工學院, 山東 濟南 250022)

卷煙的煙絲由長絲、中長絲、短絲、煙末、梗簽、梗塊等部分組成，各個部分煙絲的不同尺寸所構成的分布即為煙絲結構。煙絲結構不僅是煙絲質量的一個重要指標，也是影響卷煙產品質量的重要因素[1]，因此煙絲結構的測試對卷煙產品的質量控制有重要意義。煙支卷制是整個卷煙生產的重要組成部分，也是衡量卷煙工業發展水平的重要標志，卷煙的物理指標是否符合產品質量標準，對煙支的燃吸品質有很大影響[2]。卷煙物理指標包括熄火、端部落絲量、吸阻、圓周、硬度、質量、長度、總通風率、含末率、含水率和外觀等11項[3]。長期以來，國內外研究者對卷煙物理指標的影響因素進行了一些研究，認為主要影響因素是來料煙絲狀態和卷制條件[4-6]。

煙絲結構是影響卷煙質量的重要因素之一，目前其測試主要是利用篩分法使不同尺寸的煙絲分離，結果以各層或某層篩網上累積質量占總質量的比例來表示[7]。雖然國內外研究者在常規卷煙物理指標方面開展了不少的研究工作，逐漸改善了卷煙的卷制質量[8-10]，但在細支卷煙的不同煙絲結構對卷煙物理指標的穩定性影響方面還缺乏深入和系統的研究；因此，在煙絲結構對卷煙物理指標穩定性影響方面，還需要進行進一步的研究。

本文中在煙絲尺寸分布規律研究成果的基礎上，采用帶約束條件的混料均勻設計法進行設計優化試驗[11-12]，并進行試驗數據的回歸分析及回歸方程的優化計算，得到以不同評價指標為標準的最優煙絲尺寸比例，為提高細支卷煙物理指標的穩定性，改善煙絲結構，優化細支卷煙加工參數提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料包括：“泰山”品牌某規格卷煙全配方煙葉，不含有梗絲、薄片、膨脹煙絲等摻兌物；香精香料，系某規格產品所用料液和香精。

主要儀器包括：YQ-2型葉絲振動分選篩， 鄭州煙草研究院； Retsch AS400篩分儀， 德國Retsch公司； 電子天平(0.01 g)， 瑞士Mettler公司； 電子秤(10 g)， 瑞士Mettler公司； TWES煙支水分和密度檢測儀， 德國TEWS Elektronik公司；SODIMAT綜合測試臺， 法國SODIMAT公司； YDX-2型卷煙端部落絲測試儀，中國科學院合肥智能機械研究所； PROTOS1-8卷煙機， 德國Hauni公司； 濟南卷煙廠制絲生產線。

1.2 試驗方法

按照“泰山”品牌某規格卷煙正常生產條件下進行試驗(切絲寬度為0.85 mm)，在煙絲風送至卷煙機預分配室處取樣，然后利用煙絲篩分儀，將風送后的煙絲篩分為不同尺寸規格的煙絲，根據有限制的混料均勻設計方法，不同長度的煙絲按照不同比例(X1+X2+X3+X4=1)進行配比，即X1為長度大于6.70 mm煙絲所占比例，X2為長度為>4.32～6.70 mm煙絲所占比例，X3為長度為2.50～4.32 mm煙絲所占比例，X4為長度小于2.50 mm煙絲所占比例，然后進行摻配卷制。煙支規格：濾嘴、光煙的長度分別為30、 67 mm, 周長為17 mm。

根據正常卷煙生產風送后的煙絲篩分后的尺寸分布，參考影響卷煙單支質量、煙支密度、吸阻、硬度及其穩定性影響的最大尺寸區間的分布規律[13]，確定3層篩網孔徑分別為6.70、 4.32、 2.50 mm， 并確定各煙絲長度的比例范圍為0≤X1≤0.14， 0.20≤X2≤0.35， 0.30≤X3≤0.50， 0.20≤X4≤0.35。根據該約束條件， 采用DPS數據處理系統有限制的混料均勻設計方法得到優化試驗方案(見表1)。

表1 混料均勻設計方法優化的試驗方案

卷煙物理指標按照文獻[14]中描述的方法進行測定。

2 結果與討論

2.1 不同混料組合卷煙物理指標

煙絲及卷煙樣品物理指標檢驗結果見表2。根據表中的物理指標，結合消費者對物理指標對感知需求，優先以吸阻標準偏差作為優化標準。

2.2 數學模型分析

將試驗混料數據X1、X2、X3、X4輸入DPS系統中，運用二次多項式逐步回歸分析，建立4個因素與卷煙物理指標Y之間的回歸函數模型，并對回歸方程進行顯著性檢驗。通過求得函數模型的最小值，尋求最優煙絲比例混料方案。

表2 煙絲及卷煙樣品物理指標檢測結果

通過上述回歸分析可以看出：除硬度、總通風率標準偏差和端部落絲量外，其他物理指標達到最小值時，長度大于6.70 mm的煙絲比例均小于0.08；除質量、 硬度標準偏差外， 其他物理指標達到最小值時， 長度小于2.50 mm的煙絲比例均小于0.3； 當主要物理指標達到最小值時， 長度為>4.32～6.70、 2.50～4.32 mm的煙絲比例之和為0.5～0.8， 其中長度為2.50～4.32 mm的煙絲比例略高。

各物理指標的偏相關系數及檢驗值見表3，除端部落絲量和填充值外，其余物理指標的偏相關系數均大于0.9，方程顯著性較高。

表3 物理指標的偏相關系數檢驗

2.3 最優混料的確定

通過對以上指標的最優解進行比較，并不能尋找到統一的混料比例。為了確定最優混料比例，本文中結合細支卷煙物理指標穩定性的要求，主要以消費者直接感受到的吸阻穩定性為評價指標，可以得出，X=(0.016 7，0.217 2，0.303 8，0.271 4)的混料比例組合較為適宜。

2.4 優化后混料的檢測結果

根據優化后的混料比例進行煙絲混料，制備試樣并測試其物理指標，結果見表4。測試結果表明， 該卷煙試樣的主要指標優于在產卷煙的物理指標， 同時單箱耗絲量減少了1.6%， 此混料均勻設計方法的合理性和有效性得到驗證。

3 結論

1)總結各物理指標的最優解可知， 當吸阻標準偏差最小時， 煙絲長度大約6.70 mm的比例以0.016 7最優， 長度為>4.32～6.70 mm的煙絲比例以0.217 2最優， 長度為2.50～4.32 mm的煙絲比例以0.303 8最優， 小于2.50 mm的煙絲比例以0.271 4最優。

2)除硬度、 總通風率標準偏差和端部落絲量外， 其他物理指標達到最小值時， 長度大于6.70 mm的煙絲比例均小于0.08；除質量、 硬度標準偏差外，其他主要物理指標達到最小值時，長度小于2.50 mm的煙絲比例均小于0.3； 當主要物理指標達到最小值時，長度為>4.32～6.70、 2.50～4.32 mm的煙絲比例之和為0.5～0.8，其中長度為2.50～4.32 mm的煙絲比例略高。

表4 混料優化前、后各指標檢測結果

3)利用混料均勻試驗設計可以獲得煙絲尺寸最優混料比例， 即X=(0.016 7， 0.217 2， 0.303 8， 0.271 4)。優化后的混料比例可以滿足卷煙吸阻標準偏差達到最小，同時提高了其他物理指標的穩定性，降低了煙絲消耗成本。

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