不同长度成品烟丝的化学品质评价

杨 勇，刘 静，唐 军，张 雯，李思源，高 辉*

(1.云南同创检测技术股份有限公司，云南 昆明 650106；2.云南中烟工业有限责任公司，云南 昆明 650231；3.红云红河烟草(集团)有限责任公司，云南 昆明 650231)

产品质量的稳定性是影响一个企业或品牌发展的重要因素，对于中国烟草行业，随着近些年大品牌的构建和企业的联合重组，行业越来越重视推进产品的精益管理和研发，进一步提升卷烟产品质量及其稳定性，提高中式卷烟在国际市场上的竞争力。在卷烟制造过程中，烟丝结构是影响卷烟产品质量的重要因素之一，影响的主要指标包括卷烟物理特性[1-3]、烟气成分[4]和感官质量[5]等。在切丝宽度确定后，所谓烟丝结构主要是指不同长度烟丝质量所占的比例。因此，通过研究成品烟丝中不同长度烟丝化学品质的差异性，可以揭示烟丝结构影响卷烟烟气成分、感官质量及其稳定性的根本原因，为卷烟产品质量稳定性控制方法的研究提供数据支撑。有关烟丝结构方面的研究包括其表征方法[6-7]、化学成分差异性[5]、对卷烟物理特性[1-3]及烟气成分[4]的影响等，而关于成品烟丝中不同长度烟丝内在化学品质的综合评价研究尚未见报道。本研究利用烟丝筛分仪对云烟某规格卷烟的成品烟丝进行筛分，并检测成品烟丝中不同长度烟丝的6项常规化学指标，并利用各项常规化学指标的隶属函数类型、隶属度值及TOPSIS模型综合评价不同长度烟丝内在化学品质的差异性及变化趋势，旨在揭示烟丝结构影响卷烟化学品质、烟气成分、感官质量及其稳定性的根本原因，为卷烟产品质量稳定性控制方法的研究提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

云烟某规格卷烟在线生产的成品烟丝，由红云红河烟草(集团)有限责任公司昆明卷烟厂提供。该规格卷烟配方成品烟丝由薄板丝(含再造烟叶丝)、气流丝和梗丝掺配组成，薄板丝占68%(其中再造烟叶丝占7%)、气流丝占23%、梗丝占9%。

1.2 试验方法

1.2.1 取样方法 在成品烟丝风力送丝前每间隔30 s取成品烟丝样品约500 g，共取样30次，作为下一步筛分的烟丝样品。

1.2.2 成品烟丝的筛分 利用AS 400型旋转筛分仪(筛网孔径依次为4.75、4.00、2.50、2.00、1.60、1.00 mm)对成品烟丝样品进行筛分。筛分条件：旋转速度设置为220 r/min，每间隔1 min变换1次旋转方向，每次筛分时间为10 min。将筛分后的相同长度区间的烟丝样品存放在一起，最后分别将每个长度区间的烟丝样品混匀，再从每个长度区间的大样品中取样3次用于化学成分检测。分别用S1～S7表示不同长度范围的成品烟丝试验样品。其中，样品长度：S1>4.75 mm、4.00 mm

1.2.3 化学成分的检测 按照行业标准YC/T 159─2002、YC/T 161─2002、YC/T 160─2002、YC/T 217─2007和YC/T 162─2011规定的方法利用AA3型连续流动分析仪检测不同长度烟丝样品中的总糖、还原糖、总氮、总植物碱、钾和氯的含量。

1.2.4 基于模糊TOPSIS法的综合评价模型 (1)化学成分指标的隶属度归一化常规化学成分是影响烟叶内在质量的基础[8]。烟叶中主要的常规化学成分在很大程度上决定了烟气的特性，进而影响烟叶的内在品质和协调性[9]。因此，选择总糖、还原糖、总氮、总植物碱、钾、氯、糖碱比、氮碱比和钾氯比9项指标作为不同长度烟丝化学品质的综合评价指标[10]。根据生产实践经验与相关研究结果[11-12]，确定9项化学成分指标的隶属函数类型、隶属度值与权重值，见公式(1)、公式(2)与表1。隶属函数取值范围0～1，其值越高，表明烟叶或烟丝化学成分质量越好。由m个烟丝样本的n个化学成分评价指标构成原始评价矩阵，记为A=(aij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。采用模糊隶属度函数对化学成分指标进行归一化处理。

表1 常规化学指标的隶属度函数类型、拐点及权重

对于抛物线型指标：

(1)

对于S型指标：

(2)

各项化学指标经隶属度函数归一化处理后，再乘以各自的权重系数(Wj)建立标准评价矩阵B=(bij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

(2)TOPSIS综合评价模型

TOPSIS法是一种有效的多指标、多目标决策分析法：基于归一化后的评价指标矩阵，找出有限方案中的最优方案和最劣方案(分别用最优向量和最劣向量表示)，然后分别计算诸评价对象与最优方案和最劣方案的距离，获得各评价对象与最优方案的相对接近程度，以此作为评价优劣的依据[13]。

在建立常规化学指标标准评价矩阵(B)的基础上，从中确定最优向量和最劣向量的评价值集合：

A+={b1+,b2+,…,bn+}={(maxbij∣j∈J1),i=1,2,…,m}

(3)

A-={b1-,b2-,…,bn-={(minbij∣j∈J2),i=1,2,…,m}

(4)

其中，J1为所有评价指标中最大值的集合；J2为所有评价指标中最小值的集合。

不同长度烟丝化学指标的评价值与最优向量和最劣向量之间的距离可利用如下的n维欧氏距离公式进行计算：

(5)

(6)

不同长度烟丝内在化学品质的TOPSIS评价值计算为公式(7)，根据TOPSIS评价值的大小即可对不同长度烟丝的内在化学品质进行评价。

(7)

2 结果与分析

2.1 不同长度烟丝常规化学指标的测定结果

7种不同长度成品烟丝的9项化学指标数据检测结果如表2所示。由表2可以看出，随着烟丝长度从大到小，总糖、还原糖、总植物碱、糖碱比呈逐渐降低的变化趋势；总氮、氮碱比呈逐渐增加的变化趋势；氯离子和钾离子含量呈先增加后降低的变化趋势；钾氯比呈先降低后增加的变化趋势。综合分析得出，不同长度烟丝的每一项化学指标均存在较大差异，必然导致其内在综合化学品质存在一定的差异。

表2 不同长度烟丝常规化学成分的检测结果

2.2 不同长度烟丝常规化学指标的标准化处理

根据公式(1)、公式(2)及表1中的隶属度、权重，建立了7种不同长度烟丝参评化学指标的标准化评价矩阵，结果见表3。

2.3 不同长度烟丝内在化学品质综合评价

利用表3中的标准化评价矩阵，根据公式(3)、公式(4)确定评价不同长度成品烟丝内在化学品质的最优向量和最劣向量的指标集合如表4所示。

根据公式(5)和公式(6)分别计算不同长度烟丝样品化学指标的评价值与最优向量和最劣向量之间的欧氏距离(表5)。与最优向量的欧氏距离越小，表明该长度烟丝样品的内在化学品质与协调性越好；与最劣向量的欧氏距离越小，表明该长度烟丝样品的内在化学品质与协调性越差。

表3 不同长度烟丝常规化学指标的标准化评价矩阵(加权后)

表4 不同长度烟丝常规化学指标的最优向量与最劣向量

表5 不同长度烟丝样品与最优向量、最劣向量的欧氏距离

根据表5中不同长度烟丝样品与最优向量、最劣向量的距离，根据公式(7)计算表征烟丝内在化学品质的TOPSIS评价值(图1)。TOPSIS评价值越大，表明烟丝的综合化学品质越好，反之就越差。公式(7)在TOPSIS评价值的计算过程中考虑了参评样本与最劣向量之间的关系(Li-)，有效避免了参评样本的Li+值相同时无法进行优劣排序的问题，因此与Li+值相比更具有代表性。

由图1可以看出，在成品烟丝中，随着烟丝长度从大到小，烟丝的内在化学品质(TOPSIS评价值)总体呈先升高后降低的抛物线型变化趋势。整个变化趋势在S3处出现异常现象，且S3长度烟丝样品的化学品质相对最差，这个现象恰好与实际情况相吻合。在成品烟丝筛分过程中发现，配方烟丝中的梗丝和再造烟叶丝主要集中在第3层筛网上，占到该层筛网上烟丝总量的70%以上。梗丝和再造烟叶丝的化学品质远低于正常烟丝，因此，S3长度烟丝的化学品质相对最差。此外，S4和S5长度的烟丝样品化学品质相对最优。

3 讨论与结论

本研究对云烟某一类规格卷烟成品烟丝中不同长度烟丝的常规化学成分及其综合品质进行了分析，结果发现各项化学指标均呈现规律性变化趋势。随着烟丝长度从大到小，总糖、还原糖、总植物碱的质量分数及糖碱比呈逐渐降低的变化趋势，总氮的质量分数及氮碱比呈逐渐增加的变化趋势，钾和氯的质量分数呈先增加后降低的变化趋势，钾氯比呈先降低后增加的变化趋势，上述变化规律与周冰等[5]的研究结果一致。内在化学品质的综合评价结果表明，烟丝长度从大到小，其化学品质总体呈先增加后降低的变化趋势，其中，S4(2.00～2.50 mm)和S5(1.60～2.00 mm)长度的烟丝化学品质相对最优。由此可见，在成品烟丝中，并不是长丝的比例越大越好，而是应该增加中短丝的比例，适当降低长丝和碎丝的比例，这与堵劲松等[1]在研究烟丝结构对卷烟物理指标的影响时得出的结论基本一致。同时，本研究的结果表明，S3长度烟丝(2.50～4.00 mm)的内在化学品质在7种长度烟丝样品中最差。在成品烟丝筛分试验中发现，配方烟丝中的梗丝和再造烟叶丝主要集中分布在第3层筛网上，梗丝和再造烟叶的主要原料均为烟梗，其化学品质远低于正常烟叶，因此，S3长度烟丝的化学品质最差。

相关研究表明，烟丝中的常规化学成分与卷烟焦油释放量显著相关[14-16]。结合本文的研究结果，可以推测出不同长度烟丝的焦油释放量也存在一定差异。因此，若成品烟丝在输送与卷制过程中，其烟丝结构波动较大，势必会造成卷烟成品的内在化学品质及焦油释放量产生一定的波动，影响卷烟感官质量的稳定性[5]。

图1 不同长度烟丝化学品质的TOPSIS评价值

在卷烟成品烟丝中，烟丝长度的差异性是由其化学特性所决定的。烟叶或烟丝的内在化学特性是决定其力学特性的物质基础，在打叶复烤和制丝过程中也很大程度上决定了片烟面积大小和烟丝长度的差异性[17-18]，由此反映出了不同长度烟丝的内在化学品质存在较大的差异性。

本研究结果表明，在同一规格卷烟的成品烟丝中，随着烟丝长度从大到小，各项常规化学指标呈现出规律性变化趋势，烟丝内在综合化学品质呈先升高后降低的变化趋势，S4(2.00～2.50 mm)和S5(1.60～2.00 mm)长度的烟丝化学品质相对最优。由于配方烟丝中的梗丝和再造烟叶丝主要集中在第3层筛网上，因此，S3(2.50～4.00 mm)长度烟丝的内在化学品质相对最差。