關于煙葉配方打葉均質化控制的應用研究

王獻友 孟昭文 李屹 秦家文

【摘 要】煙堿含量是表征煙葉風格特征極為重要的因素之一。復烤企業通常采用大量的人工進行手工選葉，將同等級的煙葉按照一定的規則分類，然后按照配方比例結合分級結果進行混合投料，從而保證原料的均勻性和協調性。但這種加工模式不僅消耗大量的人力和財力，而且人的感官評價存在差異性，使得分級結果不可靠。因此，復烤企業引入在線近紅外參與配打煙葉煙堿含量的均質化控制，與常規加工方式相比，經過二次配方控制后，成品片煙煙堿變異系數從7.10%降為2.59%，應用表明均勻性控制效果極其顯著。

【關鍵詞】均質化控制；配方打葉；原煙；煙堿含量；近紅外光譜儀

中圖分類號： TS44 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）01-0018-002

【Abstract】Nicotine content is one of the most important factors to characterize tobacco leaf style.Companies usually is obtained using a large number of artificial manually selected， will work with grades of tobacco classification according to certain rules， and then according to the formula ratio combining with the classification results are mixed feeding， so as to ensure the uniformity of raw materials and coordination.However， this processing mode not only consumes a lot of manpower and financial resources， but also has different sensory evaluation， which makes the classification results unreliable.Enterprise is obtained， therefore， to introduce the online near-infrared participation with homogenization of nicotine content in tobacco control， compared with the conventional processing methods， after secondary control formula， finished piece of smoke nicotine from 7.10% to 2.59% of variation coefficient， uniformity of the application show that control effect is extremely significant.

【Key words】Homogenization control；The recipe leaves；The original smoke；Nicotine content；Near-infrared spectrometer

0 前言

配方模塊打葉技術是指按一定的比例，將不同等級、相同或不同產區的原煙均勻摻配在一起打葉復烤，形成一個質量穩定的片煙等級或配方模塊，以供卷煙工業企業配方使用。換言之，配方打葉復烤不僅完成了葉梗的分離，而且也實現了打后片煙內在質量特性、感官評吸質量的均勻與穩定，提高了煙葉間的混合均勻度，消除了煙葉原料間的品質差異，為卷煙企業實現卷煙配方奠定了原料基礎。復烤是原料加工的重要環節，是原料質量的重要保障。原煙是整個加工過程中內在指標波動最大的階段，在原料環節進行質量控制最為行之有效，對最終成品的控制效果也最為明顯。

煙堿含量是表征煙葉風格特征極為重要的因素之一。隨著科技的發展，在線檢測設備和檢測技術的不斷更新，在線實時檢測煙葉煙堿含量已成為可能，復烤企業可以通過監控煙葉煙堿值來控制原料加工的穩定性和均勻性。近紅外光譜儀是一種精密度較高的檢測儀器，檢測環境需要達到相對恒溫恒濕的條件。但考慮到復烤生產環節，現場粉塵較大、機械震動嚴重、溫濕度高且不穩定、流量變化不穩定等惡劣生產環境，筆者擬使用針對煙草行業生產的Carl Zeiss在線近紅外光譜儀實時檢測原煙內在化學成分，以了解煙葉化學成分的含量和趨勢，實時掌握加工煙葉質量動態，控制原料加工的穩定性和均勻性，為卷煙生產原料采購、配方設計、加香加料等提供必要的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品

在某復烤廠進行均質化配方控制試驗， 試驗時將需要加工配方原煙總量一分為二，一部分進行常規生產，另一部分進行均質化配方控制。兩種加工方式均按照實際挑出的A類煙進行混配進入打葉復烤環節，控制加工工藝條件，保證二者在相同工藝條件下加工。

實驗原料為云南麗江B2F、云南普洱B2F、云南紅河B1F、云南臨滄B2F、云南昭通B2F，具體配方等級及重量見表1。

1.2 近紅外光譜采集

儀器采用Carl Zeiss ARMOR 711 二極管陣列型在線近紅漫反射光譜儀，儀器性能參數見表2。

1.3 化學指標的測定

利用Thermo Fisher Antaris連續流動化學分析儀檢測原煙、成品片煙化學成分含量。檢測按照如下方法：煙堿（YC/T160），總糖（YC/T159）、總氮（YC/T 161）、鉀（YC/T217）、氯（YC/T162）。

1.4 建模算法

在主成分回歸（PCR）中，只對光譜陣X進行分解，消除無用的噪聲信息。同樣，濃度陣Y也包含有無用信息，應對其作同樣的處理，且在分解光譜陣X時應考慮濃度陣Y的影響，PLS就是基于以上思想提出的多元回歸方法。

PLS首先對光譜陣X和濃度陣Y進行分解，其模型為：

X=TPT+E

Y=UQT+F

T和U分別X為Y和矩陣的得分矩陣；P和Q分別為X和Y矩陣的載荷矩陣；E和F分別為X和Y的PLS擬合殘差矩陣。

PLS的第二步是將T和U作線性回歸：

U=TB

B=（TTT）-1TTY

在預測時，首先根據P求出未知樣品光譜陣X未知的得分T未知，然后由下式的到濃度預測值：Y未知=T未知BQ。

在實際的PLS算法中，PLS把矩陣分解和回歸并為一步，即X和Y矩陣的分解同時進行，并且將Y的信息引入到X矩陣分解過程中，在每計算一個新主成分前，將X的得分T與Y的得分U進行交換，使得X主成分直接與Y關聯，這就克服了PCR只對X進行分解的缺點。

1.5 均質化控制過程

按照常規和基于化學值的均質化加工方式進行打葉復烤，每50箱檢測成品片煙化學值。首先，通過對原煙化學值的管理，對原煙挑選進行出庫指導，實現在挑選環節的第一次化學值均性配方。其次，利用安裝于挑選線皮帶處的在線近紅外化學分析儀對挑選煙葉進行在線化學值檢測，將檢測結果與煙框結合，在打葉復烤投料前進行二次配方管理，并對成品片煙每隔50箱抽樣化檢，分別計算兩種加工方式成品片煙煙堿變異系數。同時計算原煙入庫、分選、在線近紅外檢測環節煙葉化學值。

2 取樣及檢測

2.1 取樣建模

試驗前，利用安裝于挑選皮帶處的在線近紅外獲取原煙光譜，并進行在線取樣。樣品共計150個，按照從建模樣品等級分布、可看出，用于建模的樣品等級包括了上部煙、中部煙、下部煙。模型樣品集基本涵蓋所有生產線上的等級，保證模型的預測能力。

首先，隨機對樣品集進行劃分，根據相關系數和光譜方差法，選擇與煙葉化學成分相關的21個波長點；其次，采用散射校正、一階導數13點平滑對光譜預處理；最后，利用片最小二乘法，在樣品檢測化學值與光譜曲線間建立擬合關系，建立相應的煙堿、總糖、總氮等定標模型，并進行模型外部驗證。從建模結果分析，煙堿模型分辨度為2.0，相關系數0.824，平均相對誤差6.12%，模型預測精度、預測能力、適應性和穩定性均能滿足生產需要。

2.2 原煙煙包化學值分布

配方涉及麗江B2F、普洱B2F、紅河B1F、昭通B2F、臨滄B2F，每個等級從垛位不同部位取十包，同一等級煙包拆包后放入同一煙框，然后在挑選皮帶上投料鋪葉，進行在線近紅外掃描采集煙葉光譜，并在線取樣送檢。從表3檢測結果可以看出，配方中不同等級原料煙垛位取樣檢測結果變異系數范圍為9.40%～22.54%，表明不同等級及同一等級煙葉煙堿含量差異較大。

2.3 分選后半成品化學值分布

在分選車間，對分選后的5個等級A類煙按比例取樣送檢，具體結果見表4，分析后發現A類煙半成品CV值范圍為10-16%。

2.4 在線取樣模型外部驗證

5個等級分選后的A類煙，按照實際挑出比例進行在線混配，混配后的半成品經在線近紅外掃描，并在線取樣送檢，進行模型外部驗證，實驗室近紅外檢測與在線近紅外預測結果比較見表5。從表中數據可以看出，麗江B2F與普洱B2F混配在線取樣35個，紅河B1F、臨滄B2F與昭通B2F混配在線取樣28個，經在線近紅外與實驗室近紅外檢測，煙堿平均相對誤差低于10%。63個樣品實驗室近紅外檢測變異系數為15.15%，在線近紅外預測結果變異系數為10.86%。

2.5 成品片煙化學值分布

打葉復烤時，化檢室每隔50箱取進行成品片煙取樣化檢，常規加工共計取樣37個；均質化配方控制共計取樣34個，具體檢測結果如表6-7，分析后看出煙堿變異系數由7.10%降為2.59%，表明采用均質化配方打葉控制方式，煙葉內部煙堿含量均勻穩定。由圖1還可以看出，總糖、還原糖、總氮、鉀、氯等指標均勻性也顯著提高。

通過原煙入庫、半成品取樣、混配在線取樣、成品片煙取樣化檢結果可以看出，煙堿變異系數逐個環節加以控制，煙堿變異系數逐步降低（圖2），最終成品片煙煙堿CV值控制在2.59%。后期分選車間改造完成，加上優化均勻性控制流程，成品片煙煙堿CV值還有進一步提升的空間。

3 結論

為了了解在線近紅外參與均質化配方打葉與常規配方打葉成品片煙煙堿變異系數差異，將同一配方原料煙一份為二，采用兩種加工模式進行配方打葉復烤。為了更清晰地了解原煙加工各個環節煙堿含量的變化，對不同環節煙葉取樣化檢，計算各環節煙堿變異系數。

應用結果表明，采用常規方式配方打葉復烤，煙堿含量波動隨機性較大，勢必造成成品片煙煙堿變異系數較大，即煙堿含量不均勻，加工煙葉質量不穩定。而采用在線近紅外參與的均質化配方打葉復烤，成品片煙煙堿變異系數從7.10%降為2.59%，提高了4.51個百分點，均勻性控制效果顯著提高，表明均質化配方打葉切實可行，且加工煙葉內在質量均勻穩定，取得了良好的質量和經濟效益，為卷煙生產、配方設計、加香加料等提供強有力的技術支持。

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