基于造纸法再造烟叶原料预测产品化学成分的方法

秦 瑜，熊 珍，张文军，李 锐，刘 静，米 兰，吴建霖，周桂园

(中烟施伟策(云南)再造烟叶有限公司，云南 玉溪 653100)

造纸法再造烟叶以烟梗、烟末、碎片及烟叶等“下脚料”为主要原料，经造纸工艺加工得到制品[1-2].再造烟叶具有填充值高、燃烧性能好和焦油释放量低等诸多优点，对降低卷烟成本、节约原材料消耗以及生产低焦低耗卷烟均具有重大意义[3-5].因此被广泛应用于卷烟的开发和生产上，再造烟叶产品的生产及其在卷烟中掺配比例不断增加，为此再造烟叶产品品质的优劣，直接影响到其在卷烟产品中的应用.再造烟叶化学成分含量与产品品质有着密切的关系[4].作为常规化学成分的总糖、还原糖、总氮和烟碱等指标，目前行业通常采用连续流动分析仪、近红外等方法进行测定，连续流动分析仪程序较为繁琐，检测时间长，耗费试剂[5-7]；而现多数采用近红外光谱分析技术，其经济适用，快速精确，但是该方法仅针对快速检测[8-11]，但不能从已知的原料配方中直接或间接地预测生产出的再造烟叶化学成分含量，相关预测方法目前尚未见到报道，本文结合再造烟叶生产工艺及物料衡算法，通过计算对再造烟叶产品风格品质特性有重要意义的化学成分留存率和转移率，探索再造烟叶产品化学成分与原料化学成分之间的关联性，建立相应的计算方法.

1 材料和方法

1.1 仪器设备

Futura 2连续流动自动化学分析仪，HY-5A多用调速振荡器，FW-200多功能万能粉碎机， DHG-9076A烘箱，BSA223SCW千分之一电子天平，BSA2202SCW百分之一电子天平，常规玻璃仪器等.

1.2 样品及处理方式

本次研究的原料样品取自中烟施伟策(云南)再造烟叶有限公司(以下简称：中烟施伟策)，部分原料在生产过程中经预处理获得，包括来自玉溪、昆明、楚雄、大理等地的烟梗、烟末、碎片、片烟；再造烟叶样品是由中烟施伟策经造纸法再造烟叶生产工艺生产的产品；试验所需的样品均通过40 ℃烘箱干燥2 h后，研磨成粉末密封保存备用.

1.3 数据检测

按照行业标准检测常规化学指标：采用YC/T159-2002《烟草及烟草制品 水溶性糖的测定 连续流动法》检测总糖；YC/T160-2002《烟草及烟草制品 总植物碱的测定 连续流动法》检测烟碱；YC/T217-2007《烟草及烟草制品 钾的测定 连续流动法》检测钾；YC/T162-2011《烟草及烟草制品 氯的测定 连续流动法》检测氯等.

2 结果与讨论

2.1 计算方法

文中结合再造烟叶生产工艺及物料衡算法，通过试验分析获取决定再造烟叶产品品质的主要化学成分留存率和转移率参数，探索再造烟叶产品化学成分与原料化学成分之间的关联性，建立相应的计算方式.

物料衡算法就是根据质量守恒定律进行物料平衡计算的方法，其基本原理是在无任何损耗的理想条件下，无论生产过程中物料发生的是物理变化还是化学变化，基准物从投入到产出的质量是守恒的.运用物料衡算法计算再造烟叶化学成分含量，留存率和转移率参数是确保结果可靠的关键性指标，在实际运算中把生产过程的物料守恒关系概化，预测再造烟叶成分含量时，其输出为预处理原料的化学成分与未预处理原料化学成分的总和.

配方原料经过提取、抄造、涂布等加工工序得到再造烟叶产品，在各加工工序过程不考虑损耗的情况下，根据配方原料在配方中的占比，对原料的检测数据进行校正值计算，推导公式如下：

(1)

式中：M为未预处理配方原料某项化学成分校正值；a为未预处理配方原料某项化学成分检测值；x为未预处理原料配方比例；N为未预处理配方原料数量.

由于再造烟叶生产原料存在部分低品质烟梗原料，针对该部分原料进行预处理，预处理的原料化学成分统计值计算推导公式如下：

(2)

式中：m为预处理配方原料某项化学成分统计值；b为预处理配方原料某项化学成分检测值；y为预处理原料配方比例；n为预处理配方原料数量.

原料预处理加工后，化学成分含量流失，计算原料中留存下来的化学成分含量留存率推导公式如下：

(3)

式中：ω为留存率；c为预处理后原料某项化学成分含量；g为预处理前原料某项化学成分含量.

基准物料化学成分在实际生产过程中存在不同程度的损耗，通过计算产品中化学成分的转移率作为校正系数，推导公式如下：

(4)

式中：υ为转移率；p为成品某项化学成分含量统计均值；e为配方原料某项化学成分统计均值.

再造烟叶成分含量计算的输出公式为预处理原料的化学成分与未预处理原料化学成分的总和，将上式(1)、(2)、(3)、(4)整合得到计算公式如下：

(5)

式中：Z为再造烟叶某项化学成分含量预测值.

2.2 方法的验证

选取中烟施伟策某规格型号的再造烟叶对推导公式进行验证计算，该规格型号产品的留存率和转移率如表1；配方原料中无需预处理的原料21种，其校正值的计算结果如表2；需预处理原料7种，其统计值的计算结果如表3.

表1 预处理原料的留存率及转移率 %

表2 未预处理原料检测值及校正值 %

表3 预处理原料检测值及统计值 %

表4 产品预测值分析 %

由表4预测值与实测平均值之间的相对偏差可以看出，偏差程度最大的是总氮，其次是硝酸盐，其它指标相对偏差均在6%以下；除总氮和硝酸盐外，其它指标均在实测的最大值和最小值区间范围内；由于再造烟叶生产原料复杂多样、化学成分含量波动较大，在预测产品单项指标时对预测结果造成较大影响，出现相对偏差偏大的情况，但均在可接受范围.从而可知，该预测推导公式的预测效果较好，准确性能满足从原料到再造烟叶成品的化学成分预测.

3 方法的准确性

表5 产品预测值与实测值对比表 %

注：相对偏差=(预测值-实测值)/预测值×100%.

对RT01、RT02、RT03、RT04 4个不同规格型号产品化学成分含量进行预测验证，从表5中可以看出：RT01、RT02、RT03、RT04产品预测值的相对偏差总体较小.RT01产品氯离子相对偏差较大，但其余指标的相对偏差均在10%以下；RT01和RT02中氯离子相对偏差分别是10.77%、6.85%.其中RT04预测值与实测平均值总体吻合度较高，该再造烟叶配方原料无需进行预处理的原料，直接进行产品化学成分含量的预测，绝对偏差均在6%以下.由此可见，该预测方法具有较好的准确性、普适性，将其用于造纸法再造烟叶化学成分含量预测，预测值具有较高的参考价值.

4 结语

研究结果表明，以留存率和转移率参数为关键性指标建立造纸法再造烟叶化学成分预测方法，预测产品各主要化学成分含量具有一定的可行性.该方法测算出的总糖、还原糖、总氮和烟碱等相对偏差在6%以下，且具有较高的预测精度，说明该预测方法在造纸法再造烟叶生产上有一定的应用价值.该方法存在一定的局限性，主要表现为再造烟叶产品化学成分含量偏高或偏低，预测相对偏差稍大.其主要原因可能有：再造烟叶生产原料均来自打叶复烤和卷烟加工过程产生的下脚料，原料本身化学成分波动较大、难以控制；同时生产投料差异，难以对每一批原料进行取样检测；加工过程调香工序引入的香基化学成分复杂.从而导致产品个别化学指标实测值与预测值偏差较大.

如上所述，原料波动、取样方式及加工工序等因素势必会引起预测值与产品实测值差异，即对预测结果的准确性产生影响.为提高该方法在各因素影响条件下的预测精度，还需对原料及造纸法再造烟叶加工工序各环节进行细致分析，探寻影响预测方法的影响因子，同时发现其规律.但是，结合目前实际生产，采用该预测方法能够实现并满足再造烟叶化学成分含量预测需求，预测值具有较高的参考价值.