基于在線近紅外光譜分析的原煙精選均質(zhì)化調(diào)控方法

劉華友 周順峰 朱傳才 宋智勇 帥鳴 李軍 彭邱強(qiáng)

摘要?為提高配方打葉時(shí)每次備料的原煙內(nèi)部品質(zhì)均勻性，在精選原煙裝框皮帶上安裝在線近紅外光譜儀，實(shí)時(shí)檢測裝框原煙煙堿含量，采用“分區(qū)域，分區(qū)間”入庫、“大小值煙框搭配”的出庫方式。結(jié)果表明，與采用隨機(jī)入庫、出庫方式相比，該方法有效提高了備料原煙的煙堿均勻性，變異系數(shù)降低了50.1%。

關(guān)鍵詞?原煙;NIRS;精選;均質(zhì)化加工

中圖分類號?TS44+3?文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2021）03-0193-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.051

Abstract?In?order?to?improve?the?uniformity?of?the?internal?quality?of?the?raw?materials?for?each?preparation?when?the?formula?was?applied，?the?online?nearinfrared?spectrometer?was?installed?on?the?selected?original?cigarette?frame?belt?to?detect?the?nicotine?content?of?the?original?smoke?in?real?time.?The?storage?method?of?“subregional，?interregional”?warehousing，?and?“bigsmall?smoke?frame?matching”?was?used.?Compared?with?the?random?storage?and?delivery?methods，?this?method?effectively?improved?the?nicotine?uniformity?of?the?raw?materials?prepared?and?reduced?the?coefficient?of?variation?by?50.1%.

Key?words?Raw?tobacco;NIRS;Selection;Homogenization?processing

打葉復(fù)烤后的成品片煙經(jīng)過醇化、制絲等工藝后成為直接用于成品的煙絲，因此打葉復(fù)烤后的成品片煙不僅需要體現(xiàn)出功能性的風(fēng)格特征，而且還需要具有良好的產(chǎn)品一致性和穩(wěn)定性，化學(xué)成分含量是評價(jià)成品片煙內(nèi)部品質(zhì)的指標(biāo)[1]?。在原煙復(fù)烤過程中控制其化學(xué)成分含量，使化學(xué)成分含量一致是均質(zhì)化加工的關(guān)鍵步驟[2]?。

近紅外光（NIR）是介于紫外-可見光和中紅外光之間的一種電磁波，其波長范圍為780～2?526?nm，反映含氫基團(tuán)X—H（如C—H、N—H、O—H等）振動(dòng)的倍頻和合頻吸收，適用于含氫基團(tuán)有機(jī)物質(zhì)（如煙草的煙堿、總糖和還原糖）的檢測[3-5]?。近紅外光譜技術(shù)與傳統(tǒng)檢測方法相比具有簡單、快速、實(shí)時(shí)、高效等優(yōu)點(diǎn)，適用于過程分析和在線分析，是質(zhì)量控制的理想手段，其在煙草行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛[6-8]?。

目前配方打葉或者單等級打葉時(shí)在原煙進(jìn)入打葉復(fù)烤之前皮帶上安裝在線近紅外檢測其化學(xué)值，根據(jù)均質(zhì)化加工算法實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化加工，以平庫為例的云南煙葉復(fù)烤有限公司瀘西復(fù)烤廠[9]?、山東煙葉復(fù)烤有限公司諸城復(fù)烤廠[10]?等、以高架庫為例的華環(huán)國際煙草有限公司[11]?等，不管是平庫模式還是高架庫模式，該方法可以控制一個(gè)庫容的原煙化學(xué)值均勻一致，在庫與庫之間原煙化學(xué)值卻沒有辦法使其均勻一致。如何使整個(gè)批次庫與庫之間的原煙化學(xué)值保持均勻一致是該研究的重要內(nèi)容之一。筆者采用在線近紅外光譜儀檢測精選后的煙葉，然后按著一定的算法進(jìn)行入選后原煙庫，在投料時(shí)按照一定的規(guī)則出庫進(jìn)行備料，這樣確保每次備料的各等級原煙化學(xué)值均勻一致。

1?材料與方法

1.1?材料與儀器

1.1.1?試驗(yàn)材料。試驗(yàn)原煙入庫時(shí)間為2018年，原等級為C2F，產(chǎn)地為湖南省永州市。

1.1.2?主要儀器。ARMOR?711在線近紅外光譜儀（德國Carl?Zeiss公司），PDA陣列無可移動(dòng)部件，光源為50?W/12?V鹵素?zé)簦ㄥ兘穑行z測光斑直徑30?mm，信噪比小于104，掃描速度為45條光譜/s，波長范圍為800～2?500?nm。

1.2?均質(zhì)化調(diào)控方法

環(huán)型線精選后的各批次煙葉經(jīng)過在線近紅外光譜儀檢測后裝入煙框，當(dāng)煙框裝滿后計(jì)算該煙框的化學(xué)值均值，然后按照均質(zhì)化算法規(guī)則入庫，打葉復(fù)烤備料時(shí)各批次原煙按照一定的規(guī)則出庫進(jìn)行備料。

1.3?算法流程

1.3.1?選后原煙庫區(qū)間劃分。

將選后原煙庫分成n個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域按照化學(xué)值的大小再分成化學(xué)值大區(qū)間和化學(xué)值小區(qū)間。例如，將選后原煙庫劃分成3個(gè)區(qū)域，例如A、B、C?3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)間再分成化學(xué)值大區(qū)間和化學(xué)值小區(qū)間A（AX、AD）、B（BX、BD）和C（CX、CD），如圖1所示。

1.3.2?入庫規(guī)則。

（1）每個(gè)批次最開始裝滿的n框原煙分別安裝順序進(jìn)入n個(gè)區(qū)域中的大區(qū)間，如分成3個(gè)區(qū)域，那么前面3框分別進(jìn)入3個(gè)區(qū)域中的AD、BD和CD區(qū)間。

（2）計(jì)算n個(gè)區(qū)域的中所有煙框化學(xué)值的平均值，記為Ymean，計(jì)算公式如下：

式中，n為該批次中所有煙框數(shù)量，yi為第i框原煙化學(xué)值。

（3）當(dāng)?shù)趈框裝滿之后，該框標(biāo)記為Uj，其中j>n。

（4）分別計(jì)算n個(gè)區(qū)域的煙箱數(shù)量Kp，p=1，2，…，n。

（5）計(jì)算n個(gè)區(qū)域中煙箱數(shù)量的極差e：

式中，max（Kp）為煙框數(shù)量最多的區(qū)域，min（Kp）為煙箱數(shù)量最少的區(qū)域。

（6）計(jì)算n個(gè)區(qū)域中各區(qū)域中煙框化學(xué)值總和Tp。

（7）如果e>2，找出最小煙箱數(shù)對應(yīng)的區(qū)域Kp，min，Uj進(jìn)入?yún)^(qū)域Kp，min，如果Uj對應(yīng)的化學(xué)值Q>Ymean，Uj進(jìn)入Kp，min區(qū)域的大值區(qū)間，否則進(jìn)入Kp，min區(qū)域的小值區(qū)間。

如果e≤2，Uj進(jìn)入N個(gè)區(qū)域中化學(xué)值總和最小的區(qū)域Tp，min，?如果Uj對應(yīng)的化學(xué)值Q>Ymean，Uj進(jìn)入Tp，min區(qū)域的大值區(qū)間，否則進(jìn)入Tp，min區(qū)域的小值區(qū)間。

1.3.3?出庫規(guī)則。

當(dāng)生產(chǎn)備料時(shí)，該批次每次出庫數(shù)量為C時(shí)，那么區(qū)域Kp中大值區(qū)間和小值區(qū)間各出C/2框，按順序?qū)⑺袇^(qū)域的煙框出完。

2?結(jié)果與分析

2.1?調(diào)控指標(biāo)的選擇?表1為在線近紅外模型中的外部驗(yàn)證結(jié)果，根據(jù)表1中的結(jié)果篩選出最大的調(diào)控指標(biāo)（RWB）。

式中，yi，actual為第i樣品參考方法的測定值，i，actual為驗(yàn)證集所有樣本參考方法測定值的平均值，yi，predicted為驗(yàn)證集預(yù)測過程中第i樣品的預(yù)測值，n為驗(yàn)證集的樣品數(shù)。

2.2?選后煙葉入庫

2.2.1?選后煙葉檢測。

選后等級C2FA1所有煙框數(shù)量為1?660個(gè)，煙堿含量為（2.372±0.227）%，變異系數(shù)為9.587%。C2FA1等級煙框煙堿含量如圖2所示。

2.2.2?選后原煙庫區(qū)間劃分。

將選后等級C2FA1的原煙庫分A、B、C?3個(gè)區(qū)域，然后再將A區(qū)域分成大值區(qū)間AD和小值區(qū)間AX，同理將B區(qū)域分成BD、BX區(qū)間，C區(qū)域分成CD、CX區(qū)間。圖3b為該等級入原煙庫后個(gè)區(qū)間的煙堿含量均值，其中AD區(qū)間的煙堿含量均值為2.486%，AX區(qū)間的煙堿均值為2.272%，BD區(qū)間煙堿含量均值為2.479%，BX區(qū)間煙堿含量均值為2.262%，CD區(qū)間煙堿含量均值為2.483%，CX區(qū)間煙堿含量均值為2.251%。A區(qū)域煙堿含量均值為2.379%，B區(qū)域煙堿含量均值2.371%，C區(qū)域煙堿含量均值為2.367%。

圖3a為各區(qū)間煙框數(shù)量，其中AD區(qū)間的煙箱數(shù)量為275個(gè)，AX區(qū)間的煙箱數(shù)量為277個(gè)，BD區(qū)間的煙箱數(shù)量為276個(gè)，BX區(qū)間的煙箱數(shù)量為277個(gè)，CD區(qū)間的煙箱數(shù)量為278個(gè)，CX區(qū)間的煙箱數(shù)量為276個(gè)。

從圖3可以看出，每個(gè)區(qū)間的煙箱數(shù)量非常接近，極值不大于3，且每個(gè)大區(qū)域的煙堿含量均值幾乎相等，各大值區(qū)間的煙堿均值幾乎相等，各小值區(qū)間的煙堿含量均值幾乎相等。

2.3?出庫?生產(chǎn)投料時(shí)，C2FA1每次按照10框出庫拉到備料車間，各區(qū)域的大值區(qū)間和小值區(qū)間各出50%即5框，每個(gè)區(qū)間最后不足5框的當(dāng)作尾料。對均質(zhì)化出庫方式和隨機(jī)出庫方式進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。從表2可以看出，采用均質(zhì)化出庫煙堿含量的變異系數(shù)較非均質(zhì)化出庫方式降低了50.1%。圖4為2種出庫方式煙堿含量均值的比較。

3?結(jié)論

采用“分區(qū)域，分區(qū)間”的均質(zhì)化入庫方式，出庫時(shí)大小值區(qū)間煙框搭配出庫，該均質(zhì)化調(diào)控方式可以有效提高備料原煙煙堿均勻性，降低煙堿含量的變異系數(shù)。

利用在線近紅外光譜儀檢測選后原煙每框煙堿含量，可以節(jié)省人工取樣和化學(xué)檢測的人工成本和時(shí)間成本，符合節(jié)能減排的理念。

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