基于平庫(kù)條件的配方打葉復(fù)烤均質(zhì)化技術(shù)

沈 晗，楊 凱*，馬思旺，徐瑋杰，羅 佳，尚關(guān)蘭，許衛(wèi)華，張 明，李 強(qiáng)，朱毓航

1. 上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，上海市楊浦區(qū)長(zhǎng)陽(yáng)路717 號(hào) 200082

2. 云南煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司，昆明市五華區(qū)圓通街51 號(hào) 650201

打葉復(fù)烤后的成品片煙不僅要體現(xiàn)出質(zhì)量風(fēng)格特征，而且要具有良好的產(chǎn)品一致性和穩(wěn)定性，打葉復(fù)烤加工過(guò)程中的煙葉混配是實(shí)現(xiàn)配方工藝目標(biāo)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品特征與均質(zhì)化的關(guān)鍵［1］。目前，多數(shù)打葉復(fù)烤配方均質(zhì)化控制方法以煙葉煙堿高低搭配來(lái)進(jìn)行調(diào)控［2-3］。王宏鋁等［4］通過(guò)構(gòu)建在線煙堿預(yù)測(cè)模型對(duì)煙葉進(jìn)行在線實(shí)時(shí)煙堿檢測(cè)并分類(lèi)堆放和加工，以控制煙葉煙堿波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化加工。楊凱等［5］利用煙葉煙堿含量作為參數(shù)參與配方，分別以化學(xué)成分調(diào)節(jié)模式、混合挑選模式以及兩者的組合模式實(shí)施投料過(guò)程的均勻性控制。尹旭等［6］以煙葉煙堿含量為參數(shù)，利用高架庫(kù)自動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化配方打葉。在平庫(kù)條件下，以煙葉煙堿含量作為參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)和搭配的均質(zhì)化調(diào)控方法，檢測(cè)的煙葉樣本量較大，時(shí)間上也有一定的滯后性，同時(shí)半成品煙葉的分類(lèi)入庫(kù)出庫(kù)操作較為復(fù)雜；而高架庫(kù)均質(zhì)化調(diào)控方法的投入和運(yùn)行成本非常高。因此，對(duì)比了3 種模式的均質(zhì)化加工控制方法，分別為“配方比例”、“混配組合”、“相似組合”模式，旨在探索出一種在平庫(kù)條件下簡(jiǎn)單有效的均質(zhì)化控制方法。

1 材料與方法

1.1 原料

2014—2018 年云南麗江、普洱、臨滄、昭通、楚雄、紅河、文山7 個(gè)產(chǎn)區(qū)C1F、C2F、C1L、C2L 等級(jí)原煙，在云南省煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司瀘西復(fù)烤廠進(jìn)行打葉復(fù)烤加工。

原煙單等級(jí)以每車(chē)依次堆放至貨位（500 擔(dān)，1擔(dān)=50 kg），并按貨位取樣檢測(cè)煙葉化學(xué)成分。將同一原煙單等級(jí)劃分為若干個(gè)“原煙貨位單元”，根據(jù)原煙單等級(jí)小產(chǎn)地（縣區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、站點(diǎn)）、煙葉化學(xué)成分檢測(cè)值（煙堿）一致或相近的原煙單等級(jí)貨位歸為一個(gè)貨位單元。原煙單等級(jí)按貨位單元依次出庫(kù)投料分選。

1.2 原煙分選方法

1.2.1 單等級(jí)打葉配方模塊

以4 萬(wàn)擔(dān)原煙單等級(jí)配方模塊為例，每個(gè)貨位單元原煙單等級(jí)數(shù)量設(shè)為2 000 擔(dān)（4 個(gè)貨位），共計(jì)20 個(gè)原煙單等級(jí)貨位單元。原煙單等級(jí)根據(jù)挑選質(zhì)量需求標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分選，形成分選后半成品原煙，假設(shè)主體煙葉原料的分選得率為70%，其余30%為次要原料。本研究中僅對(duì)挑出的70%主體半成品煙葉原料部分進(jìn)行分析，則每個(gè)貨位單元半成品原煙數(shù)量為1 400 擔(dān)，半成品原煙每框凈重設(shè)為14 擔(dān)（700 kg），每個(gè)貨位單元的半成品原煙煙框數(shù)量為100 框。

1.2.2 多等級(jí)混打配方模塊

以原煙單等級(jí)Ⅰ8 000 擔(dān)、原煙單等級(jí)Ⅱ12 000擔(dān)、原煙單等級(jí)Ⅲ10 000 擔(dān)、原煙單等級(jí)Ⅳ10 000擔(dān)混打配方（原煙配方模塊1）為例，仍設(shè)分選率為70%。每個(gè)貨位單元原煙單等級(jí)數(shù)量設(shè)為2 000擔(dān)（4 個(gè)貨位），每貨位單元分選后半成品原煙煙框數(shù)量為100 框。則各原煙單等級(jí)分選后半成品煙框數(shù)量分別為，原煙單等級(jí)Ⅰ400 框、原煙單等級(jí)Ⅱ600 框、原煙單等級(jí)Ⅲ500 框、原煙單等級(jí)Ⅳ500 框。

1.3 分選后半成品原煙入庫(kù)

1.3.1 混配后入庫(kù)

分選后半成品原煙按配方比例，在簡(jiǎn)易混配線（圖1）上進(jìn)行混配。以多等級(jí)混打配方模塊“（原煙配方模塊1）”為例，混配后半成品原煙裝箱質(zhì)量設(shè)為10 擔(dān)（500 kg），則總框數(shù)為2 800 框。按圖2 所示方式入庫(kù)擺放（實(shí)際生產(chǎn)上可根據(jù)倉(cāng)庫(kù)形狀大小調(diào)節(jié)長(zhǎng)度），整個(gè)批次需要7 個(gè)圖2 所示區(qū)域，在圖1 所示裝箱落料端口連續(xù)依次循環(huán)用（A、B、C、D、E、F、G）7 種不同顏色標(biāo)簽標(biāo)記煙框裝入混配后半成品原煙。不同顏色標(biāo)簽分不同區(qū)域擺放。每天混配量為2 800 擔(dān)，將混配后每1 400擔(dān)里的同一顏色煙框20 框（200 擔(dān)）擺放為一縱列。第1 個(gè)1 400 擔(dān)里的同一顏色標(biāo)簽煙框?yàn)橐豢v列堆放至第1 層，第2 個(gè)1 400 擔(dān)里的相同顏色煙框則為第2 層，依次類(lèi)推。

1.3.2 直接入庫(kù)

1.3.2.1 單等級(jí)配方模塊半成品原煙入庫(kù)

每個(gè)貨位單元原煙單等級(jí)的分選后半成品煙框均等地依次循環(huán)使用5 種不同顏色標(biāo)簽（A、B、C、D、E），則每個(gè)貨位單元原煙單等級(jí)每一種顏色標(biāo)簽的半成品煙框數(shù)量為20 框（每貨位單元半成品100 框÷5 種顏色=20 框）。不同顏色標(biāo)簽分選后半成品原煙煙框分不同區(qū)域擺放，每一貨位單元的同一顏色煙框20 框擺放為一縱列。第1 個(gè)貨位單元同一顏色標(biāo)簽煙框?yàn)橐豢v列堆放至第1 層，第2 貨位單元相同顏色煙框則為第2 層，依次類(lèi)推。最終形成每個(gè)顏色標(biāo)簽半成品區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)20框×寬5 框×高4 框=400 框的半成品煙框矩陣，如圖2 所示。

1.3.2.2 多等級(jí)配方模塊半成品入庫(kù)

圖1 簡(jiǎn)易混配線示意圖Fig.1 A schematic diagram of a simple blending line

圖2 混配或單等級(jí)打葉配方模塊半成品原煙煙框擺放示意圖Fig.2 A schematic diagram of semi-finished raw tobacco frame placing for blending or single grade threshing and blending modules

以多等級(jí)混打配方模塊（原煙配方模塊1）為例，半成品煙框按原煙單等級(jí)分4 個(gè)區(qū)域擺放，各原煙單等級(jí)半成品區(qū)域擺放規(guī)則為，原煙單等級(jí)Ⅰ：長(zhǎng)25 框×寬4 框×高4 框=400 框，原煙單等級(jí)Ⅱ：長(zhǎng)25 框×寬6 框×高4 框=400 框，原煙單等級(jí)Ⅲ：長(zhǎng)25 框×寬5 框×高4 框=500 框，原煙單等級(jí)Ⅳ：長(zhǎng)25 框×寬5 框×高4 框=500 框。圖3 為原煙單等級(jí)Ⅱ半成品煙框擺放示意圖，其他單等級(jí)半成品原煙類(lèi)似擺放。

1.4 半成品原煙出庫(kù)加工

1.4.1 單等級(jí)配方模塊半成品原煙出庫(kù)

如圖2 所示，每次取一個(gè)橫截面20 框（1～20）半成品原煙作為半成品加工單元，進(jìn)行打葉加工，打葉加工車(chē)間投料區(qū)相應(yīng)設(shè)置20 個(gè)鋪把臺(tái)位。每輪次取料、投料加工以橫截面20 框整面推進(jìn)，不同顏色標(biāo)簽半成品煙框（A、B、C、D、E……）分別依次出庫(kù)。

圖3 多等級(jí)混打配方模塊的單等級(jí)半成品原煙煙框擺放示意圖Fig.3 A schematic diagram of semi-finished raw tobacco frame placing for multiple-grade threshing and blending module

1.4.2 多等級(jí)配方模塊半成品原煙出庫(kù)

各單等級(jí)半成品原煙按配方比例出庫(kù)，同一單等級(jí)每輪取料為從上至下取半成品原煙矩陣橫截面的一層。原煙單等級(jí)Ⅰ煙葉每輪取4 框（1～4），原煙單等級(jí)Ⅱ煙葉每輪取6 框（1～6），原煙單等級(jí)Ⅲ煙葉每輪取5 框（1～5），原煙單等級(jí)Ⅳ煙葉每輪取5 框（1～5），每輪出庫(kù)取料共計(jì)20 框，形成一個(gè)半成品加工單元，打葉加工車(chē)間投料區(qū)相應(yīng)設(shè)置20 個(gè)鋪把臺(tái)位。

1.5 3 種調(diào)控模式

配方比例模式：原煙單等級(jí)入庫(kù)出庫(kù)分選后，分選后半成品原煙按配方比例在加工車(chē)間擺把臺(tái)鋪葉投料加工。

混配組合模式：原煙單等級(jí)按“原煙貨位單元”出庫(kù)，按配方比例進(jìn)行投料分選，分選后按“1.3.1 混配后入庫(kù)”方式混配和入庫(kù)，按照“1.4.1 單等級(jí)配方模塊半成品出庫(kù)”方式出庫(kù)加工。

相似組合模式：原煙單等級(jí)按貨位單元出庫(kù)投料分選，按照“1.3.2 直接入庫(kù)”和“1.4 半成品出庫(kù)加工”的方式進(jìn)行入庫(kù)出庫(kù)加工。

1.6 煙堿含量檢測(cè)

入庫(kù)原煙：原煙單等級(jí)以貨位為單元取樣，將所取樣品除梗后在40 ℃下干燥至含水率為9%～11%，后經(jīng)旋風(fēng)磨（網(wǎng)篩60 目）制成所需粉末樣品，并將粉末樣品放置在20～25 ℃下平衡至少4 h，利用Antaris Ⅱ傅里葉變換近紅外光譜儀按文獻(xiàn)［7］中的方法進(jìn)行煙葉煙堿含量檢測(cè)。

半成品原煙：在分選車(chē)間，以20 框分選后半成品原煙為單元取樣，檢測(cè)方法同上。

成品片煙：每等級(jí)以50 箱為取樣檢測(cè)單元，各單元按每5 箱取1 個(gè)樣品后合成綜合樣進(jìn)行煙堿含量檢測(cè)，檢測(cè)方法同上。

1.7 評(píng)價(jià)指標(biāo)

式中：CV1—相應(yīng)工序來(lái)料煙葉煙堿含量變異系數(shù)；CV2—相應(yīng)工序產(chǎn)品煙葉煙堿含量變異系數(shù)。

式中：i，j—分級(jí)工序、打葉復(fù)烤工序。

1.8 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件（IBMStatistics20）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并用鄧肯法（Duncan）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同調(diào)控模式均質(zhì)化加工效果比較

2014—2018 年云南產(chǎn)區(qū)17 個(gè)不同原煙配方模塊批次以3 種不同調(diào)控模式進(jìn)行均質(zhì)化加工的效果見(jiàn)表1。從表1 可以看出：2014—2015 年云南5個(gè)配方模塊批次，按配方比例調(diào)控模式生產(chǎn)加工，成品片煙煙堿SD 值為0.099%～0.139%，成品片煙煙堿CV 值為3.78%～7.63%，平均值為5.47%，CV 值下降度為64.95%～85.71%，說(shuō)明按配方比例調(diào)控模式，均質(zhì)化效果不理想，且批次間成品片煙煙堿CV 值很不穩(wěn)定，受原煙來(lái)料質(zhì)量情況影響較大。

2015—2017 年云南7 個(gè)原煙配方模塊批次，按混配組合調(diào)控模式生產(chǎn)加工，成品片煙煙堿SD 值為0.058%～0.083%，成品片煙煙堿CV 值為2.45%～3.90%，CV 值下降度為85.85%～91.77%，說(shuō)明按混配組合調(diào)控模式，均質(zhì)化效果好，成品片煙煙堿CV 值平均為2.92%，比配方比例調(diào)控模式下降2.55 百分點(diǎn)，且效果穩(wěn)定。

2016—2018 年云南5 個(gè)原煙配方模塊批次，按相似組合調(diào)控模式生產(chǎn)加工，成品片煙煙堿SD 值為0.066%～0.074%，成品片煙煙堿CV 值為3.01%～3.59%，CV 值下降度為87.37%～89.88%，說(shuō)明按相似組合調(diào)控模式，均質(zhì)化效果好，成品片煙煙堿CV 值平均為3.24%，比配方比例調(diào)控模式下降2.23 百分點(diǎn)，與混配組合調(diào)控模式差異不明顯，且效果較穩(wěn)定。

表1 不同調(diào)控模式均質(zhì)化加工效果Tab.1 Effects of consistent quality processing under different control modes

2014—2018 年云南產(chǎn)區(qū)17 個(gè)不同原煙配方模塊批次的3 種不同調(diào)控模式均質(zhì)化加工效果多重比較結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可以看出：①3 種不同調(diào)控模式的原煙煙堿CV 值差異不顯著，均值在28.44%～28.94%之間，說(shuō)明不同模式批次原煙來(lái)料質(zhì)量均勻性比較一致。②混配組合和相似組合調(diào)控模式生產(chǎn)成品片煙煙堿SD 值分別為0.068%和0.071%，均顯著低于配方比例調(diào)控生產(chǎn)的片煙煙堿SD 值（0.122%），且混配組合和相似組合成品片煙煙堿SD 值差異不顯著。③混配組合和相似組合調(diào)控模式生產(chǎn)成品片煙煙堿CV 值分別為2.92%和3.24%，均顯著低于配方比例調(diào)控生產(chǎn)的成品片煙煙堿CV 值（5.47%），且混配組合和相似組合成品片煙煙堿CV 值差異不顯著。④混配組合和相似組合調(diào)控模式生產(chǎn)成品片煙煙堿變異系數(shù)下降度分別為89.77%和88.88%，均顯著高于配方比例調(diào)控生產(chǎn)的成品片煙煙堿變異系數(shù)下降度（79.89%），且混配組合和相似組合片煙煙堿變異系數(shù)下降度差異不顯著。

綜上分析，混配組合和相似組合調(diào)控模式生產(chǎn)均質(zhì)化效果顯著優(yōu)于配方比例調(diào)控模式，而混配組合和相似組合調(diào)控模式生產(chǎn)均質(zhì)化效果差異不顯著。

表2 不同調(diào)控模式均質(zhì)化加工效果多重比較①Tab.2 Multiple comparisons of effects of consistent quality processing under different control modes

2.2 不同工序在降低煙葉煙堿變異系數(shù)中的作用

表3 是不同原煙配方模塊批次各工序煙葉煙堿變異系數(shù)和變異系數(shù)下降度。從表3 可看出，各批次分選后半成品原煙煙堿CV 值為13.80%～23.49%，平均值為18.92%，較原煙煙堿CV 值下降10.41 百分點(diǎn)，說(shuō)明分選能提高煙葉均勻性，但分選后半成品原煙煙堿變異系數(shù)仍然較高。各批次打葉加工后成品片煙煙堿CV 值為2.45%～3.59%，平均值為2.93%，較分選后半成品原煙煙堿CV 值下降16.00 百分點(diǎn)，說(shuō)明打葉工序?qū)μ岣邿熑~均勻性更加明顯。各批次分選工序煙葉煙堿CV 值下降貢獻(xiàn)度為20.37%～42.58%，平均值為29.08%，打葉工序煙葉煙堿CV 值下降貢獻(xiàn)度為57.42%～79.63%，平均值為70.92%，說(shuō)明降低煙葉煙堿變異系數(shù)主要依靠打葉工序?qū)崿F(xiàn)。表4 是原煙、半成品原煙、成品片煙煙堿變異系數(shù)相關(guān)性分析，由表4 可知，原煙、半成品原煙、成品片煙煙堿變異系數(shù)相關(guān)性均不顯著，說(shuō)明均質(zhì)化控制的效果與原煙來(lái)料質(zhì)量情況關(guān)系不明顯。

表3 不同原煙配方模塊批次各工序煙葉煙堿變異系數(shù)和變異系數(shù)下降度Tab.3 Nicotine coefficients of variation and their decline degrees of different raw tobacco blending modules in each processing procedure （%）

表4 原煙、半成品原煙、成品片煙煙堿變異系數(shù)相關(guān)性Tab.4 Correlations of nicotine CV between raw tobacco,semi-finished raw tobacco and finished tobacco strips

3 結(jié)論與討論

“混配組合”和“相似組合”調(diào)控模式生產(chǎn)均質(zhì)化效果較理想，且效果穩(wěn)定，降低煙葉煙堿變異系數(shù)主要依靠原煙相似性組合及有序出庫(kù)入庫(kù)和打葉工序?qū)崿F(xiàn)，不受來(lái)料原煙質(zhì)量影響。“混配組合”和“相似組合”調(diào)控模式生產(chǎn)的配方模塊成品片煙煙堿CV 值分別為2.92%和3.24%，均顯著低于“配方比例”調(diào)控生產(chǎn)的片煙煙堿CV 值（5.47%），且“混配組合”和“相似組合”片煙煙堿CV 值差異不顯著。3 種模式以“混配組合”調(diào)控模式效果相對(duì)最好，但用工和時(shí)間成本較高，占用的半成品庫(kù)存較大，且混配過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生煙葉造碎；“相似組合”調(diào)控模式效果較好、操作簡(jiǎn)單、成本低，便于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。

本研究中“相似組合”均質(zhì)化調(diào)控模式，通過(guò)原煙質(zhì)量相似性組合、半成品原煙有序入庫(kù)、出庫(kù)組合的均質(zhì)化控制方法關(guān)鍵點(diǎn)在于，在打葉復(fù)烤前能夠形成若干個(gè)可以代表整個(gè)配方模塊質(zhì)量水平的半成品原煙加工單元，依次對(duì)半成品原煙加工單元進(jìn)行投料加工，以保證整個(gè)配方模塊煙葉質(zhì)量的整體一致性和穩(wěn)定性，同時(shí)利用打葉加工車(chē)間鋪把臺(tái)和打葉復(fù)烤設(shè)備生產(chǎn)線對(duì)半成品原煙加工單元的煙葉進(jìn)行局部混配均勻，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)配方模塊的質(zhì)量均勻性。原煙質(zhì)量相似性組合是“相似組合”均質(zhì)化調(diào)控模式的重要前提，實(shí)際生產(chǎn)上，原煙單等級(jí)同一小產(chǎn)地、同一調(diào)撥時(shí)期原煙質(zhì)量相似度較高，煙葉品種、葉位、顏色等因素最為接近或一致，對(duì)原煙劃分為質(zhì)量相似貨位單元時(shí)，以上述參考因素為主，同時(shí)結(jié)合煙葉煙堿含量，還可以考慮煙葉其他外觀質(zhì)量因素等。打葉復(fù)烤片煙質(zhì)量均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)方法主要包括葉片結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和含水率的變異系數(shù)評(píng)價(jià)［8］，本研究中主要關(guān)注成品片煙內(nèi)在品質(zhì)的均勻性，采用化學(xué)成分指標(biāo)中的煙堿變異系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)打葉復(fù)烤片煙質(zhì)量的均勻性，與多數(shù)文獻(xiàn)所采用的評(píng)價(jià)方法相似［4，9-10］，要盡可能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)配方模塊片煙內(nèi)在品質(zhì)的均勻性還需要對(duì)總糖、鉀等化學(xué)成分以及顏色等其他指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［9，11］。以煙堿為單一參數(shù)進(jìn)行均質(zhì)化調(diào)控且最終片煙煙堿變異系數(shù)較小的方法和結(jié)果，在片煙品質(zhì)均勻性方面可能存在一定的缺陷，例如煙堿含量較低的下部葉與煙堿含量較高的上部葉均勻配打?yàn)槠瑹煟錈焿A含量能夠與配打的中部葉片煙煙堿相近，但片煙的內(nèi)在品質(zhì)可能相差較大。因此，本研究中并未僅以煙堿作為過(guò)程參數(shù)來(lái)進(jìn)行均質(zhì)化調(diào)控，而是綜合考慮了小產(chǎn)地、葉位、品種、顏色等因素。

本研究方法中，為便于計(jì)算和示例，數(shù)字設(shè)定盡量取整，但也較貼近實(shí)際。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可以根據(jù)配方批次量的大小、倉(cāng)庫(kù)庫(kù)容量、半成品裝框質(zhì)量，調(diào)整半成品煙框擺放區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度以及加工車(chē)間鋪料擺把臺(tái)位的數(shù)量。