畢思強， 楊 杰， 王國良， 文 武， 周 東， 劉 洋， 周進華，李新鋒， 谷曉懂， 徐大勇， 范明登， 杜 薇*

(1．山東中煙工業(yè)有限責任公司 青州卷煙廠， 山東 青州 262500； 2．四川中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，四川 成都 200082； 3.福建省龍巖金葉復烤有限公司， 福建 龍巖 364102； 4.中國煙草總公司 鄭州煙草研究院， 河南 鄭州 450001)

0 引言

【研究意義】片煙大小、形狀是影響煙絲結構的主要因素[1-2]。近年來，煙草行業(yè)提出“降大片，提中片”的要求，片煙結構的控制理念已從傳統(tǒng)的追求大片率和大中片率向控制大片率、提升中片率轉變[3-4]。傳統(tǒng)的煙片結構難以適應新時代卷煙治理控制要求。通過建立片煙形狀表征方法，研究不同打葉方式對不同部位、不同等級煙葉形狀特征和結構的影響，對有效提高打葉質量和卷煙加工質量具有重要現實意義?！厩叭搜芯窟M展】羅登山等[5]研究表明，影響葉片結構的因素主要有煙葉原料的物理特性、加工工藝和設備等。劉志平等[6]研究發(fā)現，大于12.7 mm葉片比例對3.2 mm以上葉絲比例有顯著影響，小于12.7 mm葉片比例對1.4 mm以下葉絲比例有顯著影響。婁元菲等[7]分析河南許昌、貴州畢節(jié)和福建三明3個煙葉主產地主栽烤煙品種力學與打葉特性發(fā)現，福建三明翠碧1號打葉耐打性較好，煙葉造碎較小。楊洋等[8]研究發(fā)現，下部葉采用“兩段式”全葉加工、中部葉采用“兩段式”去葉基加工、上部葉采用“三段式”全葉加工可提高打葉復烤煙葉的質量。徐大勇等[9-11]提出基于計算機視覺片煙形狀測量方法，分別使用傅里葉描述子和分形維數2種方法對片煙形狀進行定量描述；提供了片煙形狀表征的新方法?！狙芯壳腥朦c】片煙結構的測定主要是利用篩分法，但此方法無法準確地描述不同區(qū)間內葉片尺寸的連續(xù)分布情況和均勻性。目前鮮見利用片煙形狀表征方法分析不同打葉方式對打后片煙形狀、大小及其均勻性影響的研究報道?！緮M解決的關鍵問題】采用片煙大小及其分布檢測系統(tǒng)，檢測打后煙葉的片煙形狀，分析不同分切打葉方式對不同等級片煙的緊致度和小島法分維數的影響，為打葉復烤實時檢測、即時調整打葉工藝參數提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 煙葉樣品 福建B2F、福建B12F、福建C3F、福建C2FX與C3FX混樣(下稱福建C23FX)、福建X2F、福建X3F、陜西B3F與陜西B4F混樣煙葉(下稱陜西B34F)及福建三明尤溪X3F，福建中煙工業(yè)有限責任公司提供。在打葉后匯總皮帶隨機選取所需各等級煙葉樣品，每個樣品2 kg。

1.1.2 儀器 Retsch AS400篩分儀，德國Retsch公司；PL3001-S型電子天平(感量0.01 g)，瑞士Mettler公司；CA8011型片煙大小及其分布檢測系統(tǒng)，鄭州煙草研究院提供。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

1) 相同加工條件下不同部位片煙的形狀特征。在同一生產線上，同一加工條件下，對具有代表性的上、中和下部煙葉分別分切成不同大小的片煙，參照文獻[12]的方法將片煙面積劃為不同區(qū)間(0～300 mm2、300～500 mm2、500～1 000 mm2、1 000～1 500 mm2、1 500～2 000 mm2、2 000～3 000 mm2、3 000～5 000 mm2及>5 000 mm2)，然后對比分析不同部位片煙的片煙結構，即此面積區(qū)間煙葉占總煙葉面積的比例。

2) 不同分切打葉方式對片煙大小形狀的影響。以福建B2F煙葉為樣品，設4個處理，即對同一等級片煙在切把時分別切1刀(即在解把切把時將把煙平均分成2段，該法為常用方法)、切2刀(即將把煙平均分成3段)、不分切和分類打(切斷后葉基與葉身分類)打葉。參照文獻[13-15]的方法將不同分切打葉方式打后片煙的面積-周長作對數擬合計算其小島法分形維數，以對比分析同一等級不同分切打葉方式片煙的形狀分布特征。

3) 不同打葉參數對片煙形狀的影響。打輥類型：對比耳座式打輥復烤線與圓盤式打輥復烤線對不同等級煙葉打后形狀的影響，分析不同類型打輥對不同等級片煙緊致度的影響?？驒诔叽纾涸谕淮蛉~機組上采用2組不同規(guī)格的框欄(表1)對不同等級煙葉進行打葉，檢測打后片煙大小及形狀。

表1 不同規(guī)格框欄配置

1.2.2 指標測定

1) 片煙緊致度。緊致度(J)是周長(L)的平方與面積(A)的比值，用于描述形狀的緊湊程度，緊致度越小形狀越緊湊，緊致度越大形狀越復雜。生產實踐表明，形狀緊湊的片煙切后煙絲造碎較少，有利于減少制絲過程中的損耗。根據YC/T 449—2012煙葉片煙大小及其分布的測定葉面積法進行片煙面積測量與數據處理[13]。利用片煙大小及其分布檢測系統(tǒng)測試葉片面積[14-15]。

式中，a為常數，D為分形維數，L為片煙周長，A為片煙面積。

1.3 數據統(tǒng)計與分析

采用Execl 2010和Minitab 2017進行數據統(tǒng)計與分析，并繪圖。

2 結果與分析

2.1 相同加工條件下不同等級各部位片煙形狀特征

由表2可知，隨片煙面積增加，各部位片煙緊致度均呈增加趨勢。片煙面積越小，越接近于圓形。對于不同等級各部位片煙，片煙面積0～300 mm2時緊致度基本一致；隨片煙面積增大，緊致度差異也增大，片煙面積≤1 000 mm2時，不同等級片煙緊致度差異不顯著(福建B2F除外)；片煙面積≥1 500 mm2時，不同部位片煙緊致度存在顯著差異，平均緊致度上部煙(85.96)<中部煙(118.74)<下部煙(129.5)。說明，在相同加工條件下，上部煙最緊致，下部煙形狀最復雜。通過片煙面積-周長對數擬合曲線得不同等級片煙的分形維數分別為福建B2F 1.26、陜西B34F 1.28、福建C3F 1.29、福建X2F 1.30及福建X3F 1.30，表現為福建X2F 1.30=福建X3F>福建C3F>陜西B34F>福建B2F，即分形維數上部煙<中部煙<下部煙。表明，不同部位分形維數與緊致度呈現相同變化趨勢。

表2 不同等級各部位片煙的緊致度

2.2 不同分切打葉方式各級大小片煙結構及緊致度

2.2.1 各級大小片煙的占比 由表3可知，不同分切打葉方式對福建B2F片煙結構存在影響。切1刀與切2刀的打葉方式打后各級片煙結構差異不大，其差值在0.30%～4.82%；但切1刀與切2刀時350～1 300 mm2片煙結構高于不分切和分類打方式，較不分切方式分別高7.39%和6.82%，較分類打方式分別高31.51%和30.81%；0～200 mm2片煙結構較不分切方式分別低23.76%和23.09%，與分類打方式接近。4種分切打葉方式打后片煙結構隨片煙面積增加均呈先降后升趨勢。

表3 不同分切打葉方式打后片煙結構(福建B2F)

2.2.2 緊致度 由表4可知，隨片煙面積增加，不同分切打葉方式福建B2F各級片煙的緊致度均呈增加趨勢。片煙面積為0～400 mm2時不同打葉方式打后片煙的緊致度基本一致，為16.28～17.93，差異不顯著；片煙面積為400～1 600 mm2和2 000～4 000 mm2時不分切打葉方式緊致度分別為44.38～59.69和68.85～82.23，顯著大于其余打葉方式，其余打葉方式間差異不顯著；片煙面積為4 000～5 000 mm2時不分切方式緊致度顯著大于其余打葉方式，切1刀方式緊致度顯著大于切2刀和分類打打葉方式，切2刀與分類打間差異不顯著。表明，片煙面積越大緊致度差異越大；切1刀、切2刀與分類打打后各級片煙的緊致度基本一致；不分切打葉方式緊致度較大，打后片煙較不緊湊。

表4 不同分切打葉方式各級片煙的緊致度(福建B2F)

2.2.3 分形維數 不同分切打葉方式打后片煙分形維數為1.27～1.31，表現為不分切(1.31)>分類打(1.28)>切1刀(1.27)=切2刀(1.27)，切1刀和切2刀與分類打的分形維數基本一致，不分切打葉方式較其余3種方式分形維數大，打后片煙最不緊致。

綜上所述，分切打葉方式對打后片煙形狀和大小均有一定影響，分切后打葉片煙形狀更加緊致，但分切刀數對大小形狀均無顯著影響。

2.3 不同打輥類型和框欄尺寸處理片煙的形狀特征

2.3.1 打輥類型 從圖1看出，不同類型打輥打后各級大小片煙和各部位片煙的緊致度存在差異。

1) 各級片煙的緊致度。耳座式打輥和圓盤式打輥打后，隨片煙面積增大，不同等級片煙緊致度逐漸增加。相同等級煙葉采用圓盤式打輥打后片煙緊致度小于耳座式打輥，平均低22.58%。

2) 各部位片煙的緊致度。打輥類型對片煙形狀影響較大。耳座式打輥和圓盤式打輥打后片煙緊致度總體呈上、中部煙好于下部煙，其緊致度表現為下部煙>中部煙≈上部煙，耳座式打輥下部煙緊致度較中部煙和上部煙分別高18.34%和19.85%；2種類型打輥打后片煙緊致度存在明顯差異，各部位片煙的緊致度均表現為耳座式打輥>圓盤式打輥，耳座式打輥上、中和下部煙緊致度分別較圓盤式打輥高47.48%、22.96%和29.56%，圓盤式打輥打后片煙形狀更緊致。

2.3.2 框欄尺寸 為滿足生產需要，上、中和下部煙葉應分別提高350～1 300 mm2、300～1 100 mm2和500～1 600 mm2的片煙結構，減少300 mm2以下片煙結構結構。從表5看出，不同框欄打后各部位煙葉不同等級片煙的結構不同。其中，采用框欄組合B打葉后，上部煙0～200 mm2和中部煙0～100 mm2片煙結構變化不大，但350～1 300 mm2和300～1 100 mm2片煙結構明顯提高，分別較組合A提高13.29%和155.59%；下部煙采用框欄組合B打葉后，500～1 600 mm2片煙結構變化不大，但0～300 mm2片煙結構明顯減少，較組合A減少28.51%。

不同部位煙葉采用不同框欄(組合A和組合B)打后片煙的分形維數表現為福建B12F分別為1.20和1.18，福建C23FX均為

表5 不同框欄組合打后各級片煙結構

1.21，福建X3F分別為1.27和1.25。表明，2組框欄打后片煙分形維數無顯著差異，但下部煙分形維數較上、中部稍高，組合A下部煙較上、中部煙分別高5.83%和4.96%，組合B下部煙較上、中部煙分別高5.93%和3.31%。從圖2看出，隨片煙面積增加，不同框欄組合打后煙葉的緊致度均呈上升趨勢；組合A下部煙平均緊致度較上、中部煙分別高108.25%和139.82%，組合B下部煙緊致度較上、中部煙分別高67.38%和33.88%；下部煙緊致度組合A較組合B高27.81%，組合A和組合B上中部煙葉緊致度基本無差別。說明對于不同框欄加工方式，下部煙較上、中部煙有不同的力學特性。

綜上所述，在試驗設計范圍內，較大尺寸的框欄有利于打后葉片結構的優(yōu)化，同時減少下部煙葉片形狀復雜程度。

3 討論

研究結果表明，不同分切打葉方式對福建B2F片煙結構存在影響，切1刀與切2刀的打葉方式打后各級片煙結構差異不大，但2種打葉方式350～1 300 mm2片煙結構高于不分切和分類打方式，<200 mm2片煙結構較不分切方式低，與分類打方式接近；4種分切打葉方式打后片煙結構隨片煙面積增加均呈先降后升趨勢。堵勁松等[2]采用灰色關聯法分析煙絲結構分布與卷煙物理指標的相關關系發(fā)現，煙絲結構分布的最好長度應為2.00～4.75 mm，以獲得較為理想的卷煙物理指標及其穩(wěn)定性。趙佳成等[4]分析不同切絲寬度對成品煙絲結構及其分布穩(wěn)定性的影響規(guī)律發(fā)現，不同切絲寬度對成品煙絲結構影響較大，成品煙絲中長絲率隨切絲寬度增加而增加，但成品煙絲結構分布穩(wěn)定性降低。羅登山等[5]認為，煙葉原料的物理特性、加工工藝和設備等是影響葉片結構的主要因素，不同尺寸葉片的比例變化對煙絲結構有影響，進而影響卷煙質量。劉志平等[6]研究葉片大小與葉絲尺寸的關系認為，在卷煙生產中，葉絲結構中>3.2 mm和<1.4 mm葉絲的比例是衡量制絲線加工水平的重要工藝參數，葉片>12.7 mm對>3.2 mm葉絲的比例有顯著影響，葉片≤12.7 mm對≤1.4 mm葉絲的比例有顯著影響。楊洋等[8]研究發(fā)現，分切加工方式對不同部分打葉復烤煙葉質量的影響存在差異，下部葉采用“兩段式”全葉加工、中部葉采用“兩段式”去葉基加工、上部葉采用“三段式”全葉加工可明顯提高打葉復烤煙葉的質量。本研究結果與上述研究結果相似。

研究結果表明，緊致度和分形維數能更加精確地表示片煙形狀特征，采用緊致度能細分相同等級不同面積片煙形狀特征，利用分形維數和緊致度可描述不同部位片煙的形態(tài)特征。證明，分形維數和緊致度2種方法對片煙形狀具有可靠的描述能力。根據結果看，緊致度和分型維數對片煙形狀的表征效果基本一致。面積越大的片煙，緊致度越大，分形維數越大，形狀越復雜，切絲時邊緣越容易切出碎絲，為“降大片，提中片”提供了新的指導方向。下部煙緊致度和分形維數大于中部煙和上部煙，應是由于其物理指標(抗張力、斷裂伸長量及葉質重等)較中上部煙更低所致。

目前研究僅關注不同加工條件、不同設備對片煙結構的影響，以及如何控制片煙的結構、調節(jié)片煙大小，未考慮片煙形狀對后續(xù)加工生產的影響。同時研究發(fā)現，葉片的大小和形狀存在耦合關系，未來如何實現2個因素的解耦控制，仍需要通過大量試驗、特殊工藝的改進和設備改造進一步研究。

4 結論

加工條件相同時，平均緊致度上部煙(85.96)<中部煙(118.74)<下部煙(129.5)，分形維數上部煙(1.27)<中部煙(1.29)<下部煙(1.30)；上部煙最緊致，下部煙形狀最復雜。分切打葉方式對打后片煙形狀和大小均有一定的影響，分切后打葉片煙形狀更加緊致，但分切刀數對各級片煙的緊致度均無顯著影響。打輥類型對片煙形狀影響較大，圓盤式打輥打后片煙緊致度小于耳座式打輥。尺寸較大的框欄能生產出結構和形狀更符合制絲需求的片煙，同時對下部煙形狀有明顯影響?？傊?，可利用片煙大小及其分布系統(tǒng)測定不同打葉方式對片煙形狀、結構及其均勻性的影響；引入緊致度和分形維數評價方法，不僅能夠得到更接近真實煙絲尺寸的評價標準，還可為煙絲結構與片煙結構的模型關聯研究打下基礎。