劉玉葉，王建民，王 暉，李文偉*，王東飛，李 歡

1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司安陽卷煙廠，河南省安陽市龍安區(qū)煙廠路1 號 455004

2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)科學(xué)大道136 號 450001

卷煙煙絲是由葉絲、梗絲等按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求以不同比例均勻摻配的混合體［1］。煙絲中各組分的比例決定了卷煙的感官品質(zhì)和風(fēng)格特征［2］，其摻配準(zhǔn)確性和均勻性會直接影響卷煙感官品質(zhì)的均質(zhì)化水平。在卷煙加工過程中，摻配加香工序是影響煙絲摻配比例準(zhǔn)確性和均勻性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1］。但是，在風(fēng)送和卷制過程中由于摩擦、碰撞等會造成煙絲造碎［3］，風(fēng)速、煙絲含水率以及抗碎性等參數(shù)差異會導(dǎo)致煙絲各組分造碎程度不同［4-5］，葉絲、梗絲形態(tài)存在差異還可能會導(dǎo)致氣力配絲過程中出現(xiàn)煙絲分層現(xiàn)象。因此，提高風(fēng)送和卷制過程中煙絲摻配比例的精確度，對于保證不同卷接機(jī)組之間產(chǎn)品的均勻性具有重要意義。目前關(guān)于煙絲摻配均勻性的研究大多集中于評價(jià)方法的建立［6-8］和提高摻配工序的混配效果［9-11］方面。范磊等［9］通過分析摻配過程中的影響因素發(fā)現(xiàn)煙絲的松散程度和瞬時流量的均勻性及穩(wěn)定性是影響瞬時精度和實(shí)際摻配比例的主要因素。溫若愚等［10］以白肋煙摻配比例為預(yù)測指標(biāo)建立了近紅外模型，研究了不同混絲模式對煙絲混合均勻度的影響。劉棟等［11］通過標(biāo)準(zhǔn)偏差和方差降低指數(shù)評價(jià)了卷煙加工過程中煙絲混合均勻度的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明，風(fēng)送過程中煙絲的混合均勻度降低，卷制過程中煙絲的混合均勻度提高。目前，不僅對摻配加香后風(fēng)送及卷制過程中煙絲比例具體變化規(guī)律的研究鮮見報(bào)道，而且雪茄型卷煙煙絲組分變化規(guī)律的研究未見報(bào)道。

近紅外光譜技術(shù)基于不同分子中含氫基團(tuán)在近紅外譜區(qū)合頻和倍頻吸收的波長和強(qiáng)度不同，可建立校正樣品吸收光譜與其成分濃度或性質(zhì)之間的關(guān)系-校正模型，并應(yīng)用于未知樣品的測定。該技術(shù)具有分析速度快、效率高、成本低、重現(xiàn)性好以及便于實(shí)現(xiàn)在線分析等優(yōu)點(diǎn)，并在醫(yī)藥、化工、食品、環(huán)境保護(hù)和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的定性和定量檢測中得到了廣泛的應(yīng)用［12］。為此，采用近紅外技術(shù)建立一種梗絲比例檢測方法，通過對風(fēng)送、卷制前后雪茄型卷煙樣品梗絲比例進(jìn)行檢測，研究風(fēng)送和卷制過程對雪茄型卷煙煙絲中梗絲比例的影響規(guī)律，旨在為減少不同卷接機(jī)組之間的差異性，提升雪茄型卷煙產(chǎn)品的均質(zhì)化水平提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

“紅旗渠（雪茄型）”牌卷煙煙絲（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司安陽卷煙廠提供）。

DHG-9023A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒公司）；ST-07B 型400 g 多功能粉碎機(jī)（上海樹立儀器儀表公司）；ME204E/02 電子天平（感量0.000 1 g，上海梅特勒-托利多有限公司）；Antaeis II 型傅里葉變換近紅外分析儀（美國Thermo Fisher Scientific 公司）；ZJ17 型卷接機(jī)組（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，2 臺，編號1#、2#）；ZJ19 型卷接機(jī)組（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，1 臺，編號3#）。

1.2 方法

1.2.1 取樣方法

如圖1 所示，選擇同一旋盤氣力式煙絲分配系統(tǒng)及其連接的3 臺卷接機(jī)組。其中1#、2#為ZJ17卷接機(jī)組，煙絲風(fēng)送距離最近且機(jī)臺相鄰；3#為ZJ19 卷接機(jī)組，風(fēng)送距離最遠(yuǎn)且距離1#、2#機(jī)臺較遠(yuǎn)。風(fēng)分前后取樣點(diǎn)分別位于氣力配絲入口（A）、3 臺卷接機(jī)組后機(jī)身落料斗（B1、B2、B3）。卷制前后取樣點(diǎn)分別位于3 臺卷接機(jī)組后機(jī)身落料斗（B1、B2、B3）和卷接機(jī)組煙支出口（C1、C2、C3）。共取樣5 批次，每批次間隔20 min，每批次重復(fù)取樣5 次，共175 個樣品。其中，每次在A、B取樣點(diǎn)取煙絲100 g，C 取樣點(diǎn)取200 支卷煙，然后將樣品裝入自封袋中封存。自A 點(diǎn)開始取樣，A 與B、C 之間根據(jù)輸送距離、風(fēng)速和卷制時間設(shè)定一定的時間延遲，其中A、B1 時間延遲為10 s，A、B2 為15 s，A、B3為25 s，同一卷接機(jī)組B、C間延遲均為5 s。

圖1 各取樣點(diǎn)及機(jī)臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling points and cigarette makers

1.2.2 樣品制備方法

將C 取樣點(diǎn)煙支樣品中的煙絲進(jìn)行剝離，每個樣品各取50 g 煙絲放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，在39 ℃溫度下干燥4 h。之后利用粉碎機(jī)以2 900 r/min 轉(zhuǎn)速將煙絲粉碎1.5 min，放入自封袋中封存。

取15 g 所制備的煙末樣品放入5 cm 石英杯中壓實(shí)，在光譜范圍為10 000～4 000 cm-1，分辨率為8 cm-1，掃描頻率為64 次工作參數(shù)下，利用傅里葉近紅外光譜分析儀重復(fù)掃描5 次獲得平均光譜，并代入預(yù)先建好的以梗絲比例為參比值的近紅外預(yù)測模型［13］，實(shí)現(xiàn)梗絲比例的檢測。

已建立的梗絲比例近紅外預(yù)測模型［13］如圖2所示，模型的校正集相關(guān)系數(shù)為0.999 5，校正集均方根誤差為0.304，驗(yàn)證集相關(guān)系數(shù)為0.999 0，驗(yàn)證均方根誤差為0.440，外部驗(yàn)證的平均絕對偏差為0.35%，精密度試驗(yàn)的平均相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.34%。

圖2 梗絲比例近紅外預(yù)測模型Fig.2 Near infrared model for cut stem proportion

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)送及卷制過程對梗絲比例的影響

2.1.1 對梗絲比例均值的影響

表1 為不同取樣點(diǎn)煙絲中梗絲比例檢測結(jié)果，其中A 為風(fēng)送前煙絲，B1～B3 為風(fēng)送至1#～3#卷接機(jī)組的煙絲，C1～C3 為經(jīng)1#～3#卷接機(jī)組卷制成卷煙后的煙絲，并對各取樣點(diǎn)進(jìn)行LSD 多重比較，結(jié)果見表2。

由表1 和表2 可以看出，3 臺卷接機(jī)組所生產(chǎn)卷煙中的梗絲比例經(jīng)風(fēng)送和卷制后會發(fā)生顯著變化，分別平均升高10.66%、9.76%、8.33%。風(fēng)送前后梗絲比例差異為極顯著，梗絲比例平均升高1.40 百分點(diǎn)，平均變化率為7.40%。卷制前后梗絲比例差異也為極顯著，梗絲比例平均升高0.41 百分點(diǎn)，平均變化率為2.05%。風(fēng)送及卷制后，梗絲比例合計(jì)升高1.81 百分點(diǎn)，平均變化率為9.60%。

表1 不同取樣點(diǎn)和批次梗絲比例檢測結(jié)果Tab.1 Cut stem proportions from different sampling points of different batches

表1 （續(xù)）

表2 不同取樣點(diǎn)的多重比較結(jié)果Tab.2 Results of multiple comparisons of cut stem proportions from different sampling points

風(fēng)送及卷制過程均會顯著影響雪茄型卷煙煙絲中的梗絲比例，這可能是因?yàn)檠┣研途頍煙熃z中晾曬煙葉絲與梗絲的造碎程度不同所致。在本試驗(yàn)中，風(fēng)送及卷制后梗絲比例極顯著升高，與雪茄型卷煙煙絲中晾曬煙用量較多、葉絲抗碎性相對較差［14］，導(dǎo)致風(fēng)送及卷制過程中葉絲造碎程度高于梗絲有關(guān)。其中卷制前后梗絲比例變化幅度較小，與卷制過程中部分梗雜物質(zhì)被分離出來有關(guān)。因此，綜合考慮葉、梗絲的抗碎性有利于提升風(fēng)送及卷制前后梗絲比例的一致性。

以梗絲比例為響應(yīng)變量，以取樣點(diǎn)、機(jī)臺和實(shí)驗(yàn)批次為影響因素，采用一般線性模型法進(jìn)行多因素方差分析，結(jié)果見表3。由表3 可以看出，試驗(yàn)輪次、機(jī)臺及其與取樣點(diǎn)間的交互作用也達(dá)到了極顯著或顯著水平，即風(fēng)送和卷制過程對梗絲比例的影響程度會因機(jī)臺不同而異，并會隨生產(chǎn)過程發(fā)生變化。盡管機(jī)臺間存在差異性，不同試驗(yàn)輪次間也存在差異性，但均未改變梗絲比例的總體變化趨勢。

表3 多因素方差分析表Tab.3 Multi-factor variance analysis

2.1.2 對梗絲比例波動的影響

各取樣點(diǎn)5 輪次梗絲比例的變異系數(shù)見圖3。如圖3 所示，各個取樣點(diǎn)的梗絲比例變異系數(shù)介于2.57%～3.63%之間，總體變化趨勢為先升后降，這與劉棟等［15］的研究結(jié)果一致。以機(jī)臺為單位，采用Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)法對各輪次的變異系數(shù)進(jìn)行多樣本秩和檢驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示。由表4可以看出，針對3 臺卷接機(jī)組的檢驗(yàn)結(jié)果均為不顯著，說明風(fēng)送及卷制過程雖然會影響煙絲中梗絲的比例，但不影響其波動程度，梗絲比例的波動程度主要取決于煙絲摻配環(huán)節(jié)。

圖3 各取樣點(diǎn)5 輪次梗絲比例的變異系數(shù)Fig.3 Coefficient of variation of cut stem proportion from different sampling points of five batches

表4 不同機(jī)臺各取樣點(diǎn)梗絲比例變異系數(shù)的Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)Tab.4 Kruskal-Wallis test of coefficient of variation of cut stem proportion from three sampling points at different cigarette makers

2.2 不同機(jī)臺間的對比分析

2.2.1 風(fēng)送后梗絲比例在不同機(jī)臺間的對比分析

如圖3 所示，風(fēng)送后該雪茄型卷煙煙絲中梗絲比例的變化在3 臺卷接機(jī)組上表現(xiàn)出相同的趨勢，但變化程度則因機(jī)臺而異，進(jìn)而導(dǎo)致到達(dá)不同卷接機(jī)組的煙絲中的梗絲比例存在差異。表5 所示LSD多重比較結(jié)果表明，①風(fēng)送至1#～3#卷接機(jī)組的煙絲中梗絲比例均極顯著升高，分別升高了2.01、1.16和1.03 百分點(diǎn)，平均升高1.40 百分點(diǎn)。②到達(dá)1#卷接機(jī)組的煙絲中梗絲比例與2#、3#卷接機(jī)組間存在極顯著差異，分別相差0.85 和0.98 百分點(diǎn)；到達(dá)2#、3#卷接機(jī)組的煙絲中梗絲比例差異不顯著。

相同的煙絲風(fēng)送至不同的卷接機(jī)組后，梗絲比例升高的幅度不同，且表現(xiàn)為隨輸送距離延長（3#＞2#＞1#）而降低的趨勢，這顯然無法用葉、梗絲造碎程度不同來解釋。同時考慮煙絲分層或許能夠解釋上述現(xiàn)象。由于葉絲、梗絲形態(tài)的差異性，煙絲在風(fēng)送管道入口處會產(chǎn)生分層現(xiàn)象，其中梗絲（尤其是膨脹效果差、密度大的梗絲）會向下沉降，導(dǎo)致煙絲中梗絲比例降低。輸送距離越遠(yuǎn)、管道內(nèi)的風(fēng)速越低，分層現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，輸送距離短的機(jī)臺，風(fēng)速高，分層現(xiàn)象較輕、煙絲中梗絲比例偏高，加之輸送過程中葉絲造碎更嚴(yán)重，導(dǎo)致風(fēng)送后梗絲比例升高幅度大；輸送距離長的機(jī)臺，風(fēng)速低，分層現(xiàn)象較嚴(yán)重、煙絲中梗絲比例偏低，加之輸送過程中葉絲造碎較輕，導(dǎo)致風(fēng)送后梗絲比例升高幅度小?？梢?，風(fēng)送后梗絲比例的變化是造碎及煙絲分層共同作用的結(jié)果，而由于不同卷接機(jī)組輸送距離不同及輸送風(fēng)速的變化，導(dǎo)致造碎與分層現(xiàn)象或者相互疊加，或者相互抵消，從而導(dǎo)致相同煙絲風(fēng)送至不同卷接機(jī)組后，梗絲比例存在差異性。

2.2.2 卷制后梗絲比例在不同機(jī)臺間的對比分析

如圖3 所示，卷制后梗絲比例的變化在3 臺卷接機(jī)組上同樣表現(xiàn)出相同的趨勢，但變化程度則因機(jī)臺而異，進(jìn)而導(dǎo)致不同卷接機(jī)組卷制的煙支中梗絲比例也存在差異性。表6 所示LSD 多重比較結(jié)果表明：①1#卷接機(jī)組卷制前后煙絲中梗絲比例差異不顯著，2#、3#卷接機(jī)組的梗絲比例極顯著升高，分別升高了0.68、0.54 百分點(diǎn)。②1#與3#卷接機(jī)組卷制后煙絲中梗絲比例存在顯著差異性，平均相差0.44 百分點(diǎn)，1#與2#、2#與3#卷接機(jī)組間的差異不顯著。3 臺卷接機(jī)組卷制后煙絲中梗絲比例的分布趨勢與卷制前一致，說明到達(dá)各機(jī)臺煙絲中梗絲比例的差異性同樣也會在卷煙中體現(xiàn)出來。但機(jī)臺間的差異程度較卷制前有所降低，這應(yīng)當(dāng)與卷接機(jī)組機(jī)型及運(yùn)行參數(shù)如剔梗率等的差異性有關(guān)。

表5 不同機(jī)臺風(fēng)送前后梗絲比例的多重比較結(jié)果Tab.5 Results of multiple comparisons of cut stem proportion before and after pneumatic feeding

表6 不同機(jī)臺卷制前后梗絲比例的多重比較結(jié)果Tab.6 Results of multiple comparisons of cut stem proportion before and after cigarette making

3 結(jié)論

（1）雪茄型卷煙煙絲經(jīng)風(fēng)送和卷制后梗絲比例會發(fā)生顯著變化，3 臺卷接機(jī)組的平均變化率為10.66%、9.76%、8.33%，變化趨勢為經(jīng)風(fēng)送及卷制后梗絲比例遞次升高，且風(fēng)送前后的變化程度大于卷制前后。

（2）雪茄型卷煙煙絲經(jīng)風(fēng)送和卷制后梗絲比例的變異系數(shù)整體呈先升后降的變化趨勢，但Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)結(jié)果為差異不顯著，即對同一臺卷接機(jī)組而言，風(fēng)送及卷制過程不會明顯改變煙絲摻配的均勻性。

（3）雪茄型卷煙煙絲中梗絲比例的變化程度因卷接機(jī)組機(jī)臺而異，因而會導(dǎo)致不同機(jī)臺來料煙絲及卷制后煙支中梗絲比例存在差異性，部分機(jī)臺間的差異達(dá)到了顯著或極顯著水平。

綜上所述，風(fēng)送及卷制前、后梗絲比例會發(fā)生變化，機(jī)臺間梗絲比例也存在差異，產(chǎn)生差異的主要原因是葉絲、梗絲的抗碎性不同，以及煙絲分層等。因此，應(yīng)從改善原料特性、改進(jìn)風(fēng)送系統(tǒng)、優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)等方面采取綜合措施減小差異性，提升卷煙產(chǎn)品的均質(zhì)化水平。