关于烟叶配方打叶均质化控制的应用研究

王献友 孟昭文 李屹 秦家文

【摘 要】烟碱含量是表征烟叶风格特征极为重要的因素之一。复烤企业通常采用大量的人工进行手工选叶，将同等级的烟叶按照一定的规则分类，然后按照配方比例结合分级结果进行混合投料，从而保证原料的均匀性和协调性。但这种加工模式不仅消耗大量的人力和财力，而且人的感官评价存在差异性，使得分级结果不可靠。因此，复烤企业引入在线近红外参与配打烟叶烟碱含量的均质化控制，与常规加工方式相比，经过二次配方控制后，成品片烟烟碱变异系数从7.10%降为2.59%，应用表明均匀性控制效果极其显著。

【关键词】均质化控制；配方打叶；原烟；烟碱含量；近红外光谱仪

中图分类号： TS44 文献标识码： A 文章编号： 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

配方模块打叶技术是指按一定的比例，將不同等级、相同或不同产区的原烟均匀掺配在一起打叶复烤，形成一个质量稳定的片烟等级或配方模块，以供卷烟工业企业配方使用。换言之，配方打叶复烤不仅完成了叶梗的分离，而且也实现了打后片烟内在质量特性、感官评吸质量的均匀与稳定，提高了烟叶间的混合均匀度，消除了烟叶原料间的品质差异，为卷烟企业实现卷烟配方奠定了原料基础。复烤是原料加工的重要环节，是原料质量的重要保障。原烟是整个加工过程中内在指标波动最大的阶段，在原料环节进行质量控制最为行之有效，对最终成品的控制效果也最为明显。

烟碱含量是表征烟叶风格特征极为重要的因素之一。随着科技的发展，在线检测设备和检测技术的不断更新，在线实时检测烟叶烟碱含量已成为可能，复烤企业可以通过监控烟叶烟碱值来控制原料加工的稳定性和均匀性。近红外光谱仪是一种精密度较高的检测仪器，检测环境需要达到相对恒温恒湿的条件。但考虑到复烤生产环节，现场粉尘较大、机械震动严重、温湿度高且不稳定、流量变化不稳定等恶劣生产环境，笔者拟使用针对烟草行业生产的Carl Zeiss在线近红外光谱仪实时检测原烟内在化学成分，以了解烟叶化学成分的含量和趋势，实时掌握加工烟叶质量动态，控制原料加工的稳定性和均匀性，为卷烟生产原料采购、配方设计、加香加料等提供必要的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 样品

在某复烤厂进行均质化配方控制试验， 试验时将需要加工配方原烟总量一分为二，一部分进行常规生产，另一部分进行均质化配方控制。两种加工方式均按照实际挑出的A类烟进行混配进入打叶复烤环节，控制加工工艺条件，保证二者在相同工艺条件下加工。

实验原料为云南丽江B2F、云南普洱B2F、云南红河B1F、云南临沧B2F、云南昭通B2F，具体配方等级及重量见表1。

1.2 近红外光谱采集

仪器采用Carl Zeiss ARMOR 711 二极管阵列型在线近红漫反射光谱仪，仪器性能参数见表2。

1.3 化学指标的测定

利用Thermo Fisher Antaris连续流动化学分析仪检测原烟、成品片烟化学成分含量。检测按照如下方法：烟碱（YC/T160），总糖（YC/T159）、总氮（YC/T 161）、钾（YC/T217）、氯（YC/T162）。

1.4 建模算法

在主成分回归（PCR）中，只对光谱阵X进行分解，消除无用的噪声信息。同样，浓度阵Y也包含有无用信息，应对其作同样的处理，且在分解光谱阵X时应考虑浓度阵Y的影响，PLS就是基于以上思想提出的多元回归方法。

PLS首先对光谱阵X和浓度阵Y进行分解，其模型为：

X=TPT+E

Y=UQT+F

T和U分别X为Y和矩阵的得分矩阵；P和Q分别为X和Y矩阵的载荷矩阵；E和F分别为X和Y的PLS拟合残差矩阵。

PLS的第二步是将T和U作线性回归：

U=TB

B=（TTT）-1TTY

在预测时，首先根据P求出未知样品光谱阵X未知的得分T未知，然后由下式的到浓度预测值：Y未知=T未知BQ。

在实际的PLS算法中，PLS把矩阵分解和回归并为一步，即X和Y矩阵的分解同时进行，并且将Y的信息引入到X矩阵分解过程中，在每计算一个新主成分前，将X的得分T与Y的得分U进行交换，使得X主成分直接与Y关联，这就克服了PCR只对X进行分解的缺点。

1.5 均质化控制过程

按照常规和基于化学值的均质化加工方式进行打叶复烤，每50箱检测成品片烟化学值。首先，通过对原烟化学值的管理，对原烟挑选进行出库指导，实现在挑选环节的第一次化学值均性配方。其次，利用安装于挑选线皮带处的在线近红外化学分析仪对挑选烟叶进行在线化学值检测，将检测结果与烟框结合，在打叶复烤投料前进行二次配方管理，并对成品片烟每隔50箱抽样化检，分别计算两种加工方式成品片烟烟碱变异系数。同时计算原烟入库、分选、在线近红外检测环节烟叶化学值。

2 取样及检测

2.1 取样建模

试验前，利用安装于挑选皮带处的在线近红外获取原烟光谱，并进行在线取样。样品共计150个，按照从建模样品等级分布、可看出，用于建模的样品等级包括了上部烟、中部烟、下部烟。模型样品集基本涵盖所有生产线上的等级，保证模型的预测能力。

首先，随机对样品集进行划分，根据相关系数和光谱方差法，选择与烟叶化学成分相关的21个波长点；其次，采用散射校正、一阶导数13点平滑对光谱预处理；最后，利用片最小二乘法，在样品检测化学值与光谱曲线间建立拟合关系，建立相应的烟碱、总糖、总氮等定标模型，并进行模型外部验证。从建模结果分析，烟碱模型分辨度为2.0，相关系数0.824，平均相对误差6.12%，模型预测精度、预测能力、适应性和稳定性均能满足生产需要。

2.2 原烟烟包化学值分布

配方涉及丽江B2F、普洱B2F、红河B1F、昭通B2F、临沧B2F，每个等级从垛位不同部位取十包，同一等级烟包拆包后放入同一烟框，然后在挑选皮带上投料铺叶，进行在线近红外扫描采集烟叶光谱，并在线取样送检。从表3检测结果可以看出，配方中不同等级原料烟垛位取样检测结果变异系数范围为9.40%～22.54%，表明不同等级及同一等级烟叶烟碱含量差异较大。

2.3 分选后半成品化学值分布

在分选车间，对分选后的5个等级A类烟按比例取样送检，具体结果见表4，分析后发现A类烟半成品CV值范围为10-16%。

2.4 在线取样模型外部验证

5个等级分选后的A类烟，按照实际挑出比例进行在线混配，混配后的半成品经在线近红外扫描，并在线取样送检，进行模型外部验证，实验室近红外检测与在线近红外预测结果比较见表5。从表中数据可以看出，丽江B2F与普洱B2F混配在线取样35个，红河B1F、临沧B2F与昭通B2F混配在线取样28个，经在线近红外与实验室近红外检测，烟碱平均相对误差低于10%。63个样品实验室近红外检测变异系数为15.15%，在线近红外预测结果变异系数为10.86%。

2.5 成品片烟化学值分布

打叶复烤时，化检室每隔50箱取进行成品片烟取样化检，常规加工共计取样37个；均质化配方控制共计取样34个，具体检测结果如表6-7，分析后看出烟碱变异系数由7.10%降为2.59%，表明采用均质化配方打叶控制方式，烟叶内部烟碱含量均匀稳定。由图1还可以看出，总糖、还原糖、总氮、钾、氯等指标均匀性也显著提高。

通过原烟入库、半成品取样、混配在线取样、成品片烟取样化检结果可以看出，烟碱变异系数逐个环节加以控制，烟碱变异系数逐步降低（图2），最终成品片烟烟碱CV值控制在2.59%。后期分选车间改造完成，加上优化均匀性控制流程，成品片烟烟碱CV值还有进一步提升的空间。

3 结论

为了了解在线近红外参与均质化配方打叶与常规配方打叶成品片烟烟碱变异系数差异，将同一配方原料烟一份为二，采用两种加工模式进行配方打叶复烤。为了更清晰地了解原烟加工各个环节烟碱含量的变化，对不同环节烟叶取样化检，计算各环节烟碱变异系数。

应用结果表明，采用常规方式配方打叶复烤，烟碱含量波动随机性较大，势必造成成品片烟烟碱变异系数较大，即烟碱含量不均匀，加工烟叶质量不稳定。而采用在线近红外参与的均质化配方打叶复烤，成品片烟烟碱变异系数从7.10%降为2.59%，提高了4.51个百分点，均匀性控制效果显著提高，表明均质化配方打叶切实可行，且加工烟叶内在质量均匀稳定，取得了良好的质量和经济效益，为卷烟生产、配方设计、加香加料等提供强有力的技术支持。

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