打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工核心指標(biāo)控制的研究進(jìn)展

楊家琪，何曉健，潘志玲，郭宇鋒，何 錦，劉躍榮，張曉皎，王發(fā)勇

（紅云紅河煙草（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司，云南 昆明 650231）

0 引言

打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工是卷煙原料質(zhì)量保障的核心內(nèi)容，也是“卷煙質(zhì)量上水平”的關(guān)鍵前提。均質(zhì)化加工是配方均勻性的延伸內(nèi)容，是控制內(nèi)容與手段的豐富和集成。其中，配方均勻性主要是通過工業(yè)分級、模塊組配、投料混配等綜合技術(shù)手段實現(xiàn)成品片煙內(nèi)在屬性的均勻穩(wěn)定[1]。而對于復(fù)烤片煙的均質(zhì)化，其質(zhì)量均勻性評價指標(biāo)方法中主要的評價內(nèi)容包括葉片結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和含水率的變異系數(shù)評價等[2]，為滿足均質(zhì)化加工的內(nèi)在要求，對成品片煙的煙堿及水分變異系數(shù)、葉片結(jié)構(gòu)、非煙物質(zhì)、裝箱密度等關(guān)鍵指標(biāo)實現(xiàn)有效控制就顯得尤其重要。

煙草行業(yè)內(nèi)的科研和生產(chǎn)工作者圍繞如何降低成品煙堿變異系數(shù)、水分變異系數(shù)，穩(wěn)定裝箱密度和控制非煙物質(zhì)含量，得到合理的煙片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究并取得了相應(yīng)的成果，但是隨著中式卷煙的發(fā)展，將對均質(zhì)化加工水平提出更高的要求。

1 均質(zhì)化加工是原料保障的重要措施

煙草生長的生態(tài)條件對煙葉的品質(zhì)起著決定性作用，不同的生長環(huán)境會對烤煙內(nèi)在的化學(xué)成分及不同物質(zhì)積累產(chǎn)生重要影響[3]。由于各煙區(qū)氣候、土壤條件迥異，原煙品質(zhì)也有不同的表現(xiàn)。例如，在云南生態(tài)區(qū)范圍內(nèi)，文大榮[4]選取云南不同州（市）烤煙，對其主要化學(xué)成分進(jìn)行差異性分析。結(jié)果表明，各州（市） 烤煙的煙堿、總糖、還原糖、總氮等均存在顯著性差異。

同時，由于工商交接過程環(huán)節(jié)多、管理復(fù)雜，煙葉等級質(zhì)量受混低和混部位影響明顯，等級質(zhì)量存在較大波動。有研究表明，全國煙葉在工商交接環(huán)節(jié)等級合格率的幅度變化達(dá)44.9%～71.5%，煙葉等級合格率的大幅波動會對煙葉感官品質(zhì)及煙堿、糖堿比有較明顯的影響[5-9]。

原煙來料品質(zhì)的不穩(wěn)定性，使得打葉復(fù)烤生產(chǎn)中各指標(biāo)控制困難。原料的品質(zhì)波動給后續(xù)加工的品質(zhì)控制增加了難度，成品的穩(wěn)定性指標(biāo)也會受到影響。為保證卷煙產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，在復(fù)烤生產(chǎn)中實行均質(zhì)化加工，對煙葉的主要物理、化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控，為后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)供應(yīng)穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的煙葉原料。

2 均質(zhì)化加工對卷煙原料加工質(zhì)量的影響

2.1 煙堿變異系數(shù)控制

煙堿又稱為尼古丁，既是煙草中一種代表性化學(xué)成分，也是煙草中含氮生物堿的主要成分，產(chǎn)品中煙堿含量的多少能直接影響感官品質(zhì)。在打葉復(fù)烤煙堿變異系數(shù)的控制過程中，對其影響最大的環(huán)節(jié)是投料段[10]。目前，煙堿均勻性調(diào)控的方法主要以按原煙煙堿值高進(jìn)行低搭配控制為主。平庫模式下，沈晗等人[11]對比分析了3 種不同調(diào)控模式下的煙堿控制水平，得出“混配組合”的調(diào)控模式下成品片煙煙堿CV 最優(yōu)。高架庫模式下，尹旭等人[12]通過試驗得出，高架庫自動控制功能能夠得到成品片煙煙堿CV 值較優(yōu)的結(jié)果（2.53%）?；谠瓱熢诰€煙堿預(yù)測模型得到的成品煙堿變異系數(shù)可由常規(guī)加工的7.83%下降至2.78%[13]。

吳有祥等人[14]對煙葉模塊煙堿變異系數(shù)與幾個因子的相關(guān)性分析得出煙葉模塊煙堿變異系數(shù)與煙葉模塊數(shù)量呈極顯著正相關(guān)，與模塊的部位和等級個數(shù)相關(guān)性不明顯。陳明等人[15]研究結(jié)果表明，煙葉挑選工序?qū)焿A均勻性的貢獻(xiàn)很大，經(jīng)過挑選工序后，原煙煙堿變異系數(shù)平均下降35.70%，挑選后的原煙再進(jìn)行混配，煙堿變異系數(shù)平均下降至48.86%。

王戈等人[16]除對煙堿進(jìn)行調(diào)控外，還增加了煙葉顏色定性值和光譜定性值2 個調(diào)控因子，通過單一模式和組合模式的調(diào)控，成品片煙煙堿變異系數(shù)可控制在3%以下。通過此調(diào)控手段，其他主要化學(xué)成分的變異系數(shù)也有明顯下降。

在平庫條件下，將煙葉煙堿作為調(diào)控因子，以其含量作為調(diào)控參數(shù)，進(jìn)行原煙分類和搭配的均質(zhì)化調(diào)控方法，所要檢測的煙葉樣本量比較大，花費的時間較多，同時原煙的分類入庫及出庫操作較為復(fù)雜，所需的庫容較大，人工需求量較多。而高架庫模式下進(jìn)行調(diào)控精確度更高、人工需求量少，但是總體投入和運行成本高。此外，化學(xué)成分的均勻性僅使用煙堿指標(biāo)進(jìn)行評價相對來說較為片面，對于總糖、鉀、氯等其他重要化學(xué)成分未進(jìn)行調(diào)控。

2.2 水分均勻性控制

成品片煙含水率是煙片醇化安全的關(guān)鍵指標(biāo)，煙葉水分過大則煙葉霉變損壞，水分過小則加工、運輸中造碎增加且不利于后續(xù)煙葉的發(fā)酵醇化。為了滿足煙葉安全貯藏和自然醇化的需求，經(jīng)過復(fù)烤加工后的煙葉含水率應(yīng)滿足卷煙工藝規(guī)范中規(guī)定的10.5%～13.0%[17]，并且均衡一致。

李琳琴[18]通過試驗得出，煙葉屬性及烤機(jī)干燥段和回潮段出口水分是決定復(fù)烤后煙葉水分的主要因素。對油分和糖分含量高的煙葉，烤透率應(yīng)≥98%，復(fù)烤后煙葉水分盡量趨中下限能較好地保證煙葉品質(zhì)。潘武寧等人[19]研究發(fā)現(xiàn)，“烤透率”在很大程度上影響烤后煙葉的水分均勻性。通過提高復(fù)烤工序烤透率，對回潮后煙葉含水率的均勻性有正面影響。王蘇紅[20]提出要增強在線控制能力，構(gòu)建SPC 系統(tǒng)，通過關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)采集和質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)的及時反饋，達(dá)到對產(chǎn)品質(zhì)量的快速精準(zhǔn)控制。

2.3 非煙物質(zhì)控制

煙葉中的非煙物質(zhì)在煙草燃燒時易產(chǎn)生對產(chǎn)品質(zhì)量有較大影響的雜氣與刺激性氣體，且由于煙草制品使用時的特殊性，一部分非煙物質(zhì)如塑料經(jīng)高溫分解后產(chǎn)生的氣體對人體健康有害，而金屬、石塊等雜物除影響產(chǎn)品質(zhì)量外還會損害設(shè)備，不利于安全生產(chǎn)。因此，行業(yè)內(nèi)一直十分重視對非煙物質(zhì)的管控，卷煙工藝規(guī)范要求成品片煙中一類非煙物質(zhì)含量為0，二、三類非煙物質(zhì)含量控制標(biāo)準(zhǔn)為<0.00665%[17]。

張長華等人[21]認(rèn)為，非煙物質(zhì)主要在采收后的環(huán)節(jié)產(chǎn)生，其中以人工合成類雜物含量最高。劉佳妮等人[22]認(rèn)為，非煙物質(zhì)來源于大田、編煙、分級、收購等多個環(huán)節(jié)，可建立重點非煙物質(zhì)監(jiān)督清單和非煙物質(zhì)污染快速評估數(shù)據(jù)庫，在煙葉收購時對煙農(nóng)的產(chǎn)品進(jìn)行及時檢測并反饋數(shù)據(jù)。還可以建立農(nóng)民評價和激勵體系，對收購前煙葉中的雜物進(jìn)行控制。

在打葉復(fù)烤生產(chǎn)中，非煙物質(zhì)去除主要為人工挑選除雜和設(shè)備除雜有機(jī)結(jié)合進(jìn)行。人工除雜易受到熟練度、注意力等因素的影響，雜物除凈率有限。設(shè)備除雜中運用的篩沙機(jī)、光電除雜設(shè)備、風(fēng)選除雜設(shè)備、金屬檢測剔除裝置等均能對某些類別雜物的去除取得較好的效果，但是不同設(shè)備也存在著各自的局限性。篩沙機(jī)能夠?qū)熑~上黏附的大部分砂土、煙蟲、蟲卵篩除，風(fēng)選除雜能夠分離煙葉中的羽毛、塑料等密度較小的雜物，金屬探測設(shè)備能有效剔除金屬雜物[23]。劉洪標(biāo)等人[24]開發(fā)的復(fù)合分揀系統(tǒng)通過風(fēng)選除雜和光電除雜的復(fù)合使用使得挑選質(zhì)量和剔除效率都有明顯的提升。劉斌等人[25]設(shè)計開發(fā)的在線片煙精選系統(tǒng)，對含梗煙及青霉煙的有效剔除率分別為91%，75%，對雜物有效剔除率為92%，達(dá)到或高于人工選葉水平。對于較難去除的麻絲、雜草等雜物使用雙向麻絲剔除機(jī)后，麻絲、雜草比例可降至0.00198%和0.00014%[26]。

2.4 葉片結(jié)構(gòu)控制

成品片煙葉片結(jié)構(gòu)是指打葉復(fù)烤后不同規(guī)格葉片的占比情況, 主要包括大片率、中片率、小片率、碎片率、葉中含梗率、梗含葉率等幾個指標(biāo)。由于葉片結(jié)構(gòu)指標(biāo)過多且關(guān)系復(fù)雜，毛福利，何結(jié)望等人[27-28]應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)聚類分析的方法得出其核心指標(biāo)為中片率、小片率和葉含梗率。打葉復(fù)烤后的葉片結(jié)構(gòu)直接影響著后續(xù)工段的加工效率和質(zhì)量，劉志平等人[29]認(rèn)為打后最適宜的葉片為近方形，尺寸為10～35 mm 內(nèi)的葉片。目前，在打葉復(fù)烤加工中降低大片率、提升中片率、控制碎片率、降低葉含梗率成為片型結(jié)構(gòu)新的追求方向。

皇甫東有等人[30]研究表明，1 次潤葉的水分和溫度控制不同會對大中片率、碎片率和葉中含梗率產(chǎn)生顯著影響，而2 次潤葉的水分和溫度不同則對碎片率、葉中含梗率影響顯著，且1 次潤葉對成品片煙結(jié)構(gòu)的影響大于2 次潤葉。楊洋等人[31]對各加工工段與成品片煙結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)1 次、2 次潤葉“潤透率”與大片率、小片率、碎片率、碎末率、葉中含梗率呈負(fù)相關(guān)，與中片率呈正相關(guān)；打葉風(fēng)分工段強度與大片率、碎片率、碎末率呈負(fù)相關(guān)，與中片率呈正相關(guān)。徐大勇等人[32]研究表明，片煙收縮率與復(fù)烤溫度呈正相關(guān)，且在相同溫度下不同部位煙葉片煙收縮率下部葉>中部葉>上部葉。

在設(shè)備方面，孔祥等人[33]不同打葉框欄形狀對葉片結(jié)構(gòu)影響的研究表明，采用六邊形框欄替代菱形框欄，大片率降低13%，中片率提高12%，葉含梗下降0.5%。一級、二級打葉使用六邊形框欄比使用菱形框欄打后葉片結(jié)構(gòu)更加合理。張騰健等人[34]分切工藝對打葉復(fù)烤全過程加工質(zhì)量的研究表明，通過切把頭處理后的葉片結(jié)構(gòu)中的中片率提高，同時葉中含梗率比例下降。王斌[35]綜合物理和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，認(rèn)為在打葉時將葉含梗率控制在上部葉為1.3%～1.8%，中部1.0%～1.5%，下部1.5%～2.0%較為適宜。王鵬澤等人[36]從工藝設(shè)備途徑、參數(shù)、設(shè)備改造3 個方面對調(diào)控打葉復(fù)烤葉片結(jié)構(gòu)的措施進(jìn)行了綜述，提出可建立起區(qū)域性的打葉復(fù)烤研究平臺、實驗室等，對復(fù)烤加工中的葉片結(jié)構(gòu)及片型進(jìn)行深入、系統(tǒng)、科學(xué)的研究。

2.5 片煙裝箱密度控制

片煙裝箱密度直接影響著制絲質(zhì)量和煙支卷制質(zhì)量。煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[37]規(guī)定片煙密度偏差率≤10.0%為合格，均質(zhì)化加工要求片煙密度偏差率≤8.0%，對片煙裝箱的均勻性要求有所提高。

片煙裝箱密度的控制需要依托打包設(shè)備和裝箱密度的檢測數(shù)據(jù)。有研究認(rèn)為，使用X 射線進(jìn)行檢測，準(zhǔn)確度優(yōu)于9 點取樣法，且檢測值波動小[38]。使用煙箱密度檢測裝置結(jié)合反饋控制可對煙箱密度向有利方向進(jìn)行調(diào)整，在生產(chǎn)中使用片煙密度偏差率檢測裝置，進(jìn)行在線檢測和實時自動調(diào)整控制，可實現(xiàn)片煙裝箱密度的有效控制[39-40]。

肖忠祥等人[41]通過對打包設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，裝箱密度偏差由改造前的28.6%下降至改造后的8.9%，符合煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。使用液壓型打包機(jī)裝箱密度均勻性波動較大是復(fù)烤企業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的問題，陳磊等人[42]設(shè)計研發(fā)的一種反饋自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)打包裝箱密度在線自動調(diào)節(jié)，避免了人為調(diào)整勻料裝置的不確定性帶來的裝箱密度波動，同時減輕了勞動強度。在使用該系統(tǒng)后，DVR 由使用前12.6%下降至7.6%，已能夠滿足均質(zhì)化加工對片煙密度偏差率的要求。

3 結(jié)語

3.1 化學(xué)成分控制

化學(xué)成分中的煙堿控制可將重心前移到煙葉物流及投料環(huán)節(jié)上，從入庫及出庫環(huán)節(jié)即開始進(jìn)行化學(xué)成分調(diào)配。首先，利用在線近紅外檢測等手段對入庫時的原煙煙堿值進(jìn)行檢測，“平庫”條件下可根據(jù)檢驗結(jié)果，按照煙堿值高、中、低區(qū)間進(jìn)行原煙分類堆碼，然后根據(jù)需求計算煙堿值高低占比搭配投料出庫，再結(jié)合分選、混配等工序來進(jìn)一步降低煙堿波動。高架庫則可利用其自動控制功能進(jìn)行煙堿高中低搭配出庫以控制煙堿變異系數(shù)。

化學(xué)成分均質(zhì)化控制除目前選取的煙堿變異系數(shù)這一指標(biāo)外，對總糖、鉀、氯等幾個重要的化學(xué)成分也可以進(jìn)行調(diào)控。借鑒煙堿調(diào)控方法，利用近紅外檢測對總糖、氯、鉀等其他重要化學(xué)成分同時進(jìn)行檢測。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算后搭配出庫，以達(dá)到對各重要化學(xué)成分進(jìn)行多重調(diào)控的目的。

3.2 葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

打葉復(fù)烤加工中“降大、提中、控碎”的片型結(jié)構(gòu)追求，可以使用六邊形框欄等新型打葉裝備，與煙葉分切加工技術(shù)相結(jié)合，提高中片率。還可以通過改善工藝路徑，對打后葉片中的大片進(jìn)行篩分，篩出的大片再次打葉或進(jìn)行剪切，以減少大片、提升中片。

改良和升級檢測設(shè)備，將使用人力的離線葉片結(jié)構(gòu)檢測改為在打葉風(fēng)分線上檢測，可提高檢測效率做到打后葉片結(jié)構(gòu)、葉中含梗率的實時在線檢測，即可根據(jù)檢測結(jié)果快速調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)。進(jìn)一步明確葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)“按需備料”。根據(jù)后續(xù)工序加工中對于葉片尺寸的不同需求調(diào)整不同的加工策略。

3.3 非煙物質(zhì)控制

非煙物質(zhì)的控制要從雜物產(chǎn)生源頭抓起。通過雜物監(jiān)測數(shù)據(jù)建立起每個環(huán)節(jié)重點雜物控制清單，在種植、采收、初烤等過程嚴(yán)格控制雜物混入，在收購、倉儲、加工環(huán)節(jié)防止再次污染。原煙收購時，進(jìn)行含雜水平檢測并分析雜物來源，將原料含雜情況及時反饋給上游工序和產(chǎn)區(qū)公司，有針對性地做好生產(chǎn)和加工雜物管控和去除工作。采集種植、烤制、收購、生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)信息，建立起雜物追溯體系，提高全過程雜物控制能力。引入新型除雜設(shè)備，通過在打葉復(fù)烤生產(chǎn)線上復(fù)合使用篩沙機(jī)、光電除雜設(shè)備、風(fēng)選除雜設(shè)備、金屬檢測剔除裝置、麻絲剔除機(jī)等，結(jié)合人工挑選、手揀去除雜物達(dá)到非煙物質(zhì)的有效去除。

3.4 全過程參數(shù)優(yōu)化

各加工環(huán)節(jié)調(diào)控參數(shù)多，參數(shù)控制復(fù)雜，各參數(shù)間或還存在關(guān)聯(lián)影響，單純依靠操作人員經(jīng)驗控制波動性大。通過采集生產(chǎn)過程中關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)，如潤葉水分、溫度控制參數(shù)，打葉風(fēng)分控制參數(shù)，使用大數(shù)據(jù)建模分析，準(zhǔn)確找到每個工序的關(guān)鍵參數(shù)變量與主要質(zhì)量指標(biāo)間的相互對應(yīng)關(guān)系，明確參數(shù)調(diào)整依據(jù)。根據(jù)加工參數(shù)預(yù)測過程質(zhì)量、依據(jù)質(zhì)量指標(biāo)反饋指導(dǎo)參數(shù)調(diào)整的加工管控狀態(tài)。

打葉復(fù)烤均質(zhì)化加工各項指標(biāo)的追求要回歸到最終產(chǎn)品的質(zhì)量需求和成本控制上，而不應(yīng)一味地追求指標(biāo)先進(jìn)性。均質(zhì)化加工應(yīng)該從多方面、多維度出發(fā)，煙堿變異系數(shù)、水分變異系數(shù)、葉片結(jié)構(gòu)、非煙物質(zhì)及裝箱密度為均質(zhì)化加工中一些較有代表性和重要的控制指標(biāo)，但是不應(yīng)該局限于此。還可以考慮納入糖堿比等對卷煙品質(zhì)有比較重要影響的指標(biāo)。在今后的均質(zhì)化加工中還需繼續(xù)提升控制水平，探索新方法，以求均質(zhì)化加工獲得更好的成效。