不同尺寸片烟在各级打叶风分单元中的分布和品质变化规律

王 戈，万明宇，刘 威，徐玮杰，陈康康，陈 斌，丁 冉，徐其敏，杨 凯*

1.上海烟草集团有限责任公司技术中心，上海市浦东新区秀浦路3733号 200120 2.华环国际烟草有限公司, 安徽省滁州市凤阳县门台子工业园 233121

打叶复烤作为承接烟草农业种植和卷烟工业生产的纽带［1］，其工艺任务是对烟叶进行梗、叶分离，并对分离出的片烟进行筛分和干燥，便于片烟醇化、贮存，保证片烟满足制丝生产要求［2］。成品片烟是由各级打叶单元风分器分离出的片烟汇总而成，但由于烟叶不同区位的耐加工特性［3-4］和化学成分含量［5-6］存在差异，导致各级风分器分离出的片烟的理化指标各不相同，直接影响着成品片烟的品质。现阶段，随着打叶复烤精细化加工能力的提升，科研人员开始逐渐关注不同打叶风分单元分离片烟的差异和变化规律。梁淼等［7］研究了叶梗分离工序中各级打叶风分后片烟尺寸的差异，结果表明各级打叶单元汇总片烟的特征尺寸及均匀性随打叶级数增加逐渐降低。高占勇等［8］、王玉真等［9］分别研究了云南C3F初烤烟叶在不同打叶风分单元化学成分和色度的变化规律，结果显示不同打叶风分单元的片烟内在化学品质和色度均存在明显的分类现象。但关于各级打叶风分单元中不同尺寸片烟的差异性研究仍鲜见报道。因此，以2021年四川初烤烟叶为研究对象，研究了各级打叶风分单元分离出的不同尺寸片烟的流量、化学成分和感官品质的变化规律，为叶梗分离工序中片烟的精细化分类分级和个性化调配利用提供参考，旨在提高打叶复烤的均质化加工水平和烟叶资源的综合利用能力。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

2021年四川产区C2F等级初烤原烟共计9.00万担（4.5×106kg），将其按照初配方要求进行工业二次分选后进行配方打叶加工。

打叶复烤生产线（生产能力12 000 kg/h，叶梗分离工序由5级打叶单元串联而成，各风分器编号结果见图1，华环国际烟草有限公司）。

图1 打叶复烤生产线叶梗分离工序示意图Fig.1 Schematic diagram of lamina-stem separation procedure of a threshing and redrying line

叶片振动分选机（25.4、12.7、6.35和2.36 mm网筛，美国Cardwell公司）；AAS-305D连续流动分析仪（美国API公司）；FED115热风循环烘箱（德国Binder公司）；CSM-I旋风磨［60目（250μm）网筛，北京一轻研究院有限公司］；DFS197粉碎机（上海鼎广机械设备有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 片烟取样和筛分

待稳定生产后，在各风分器出口处进行截面取样，每次取（3 000±300）g，取5次，按照GB/T 21137［10］的方法分别检测片烟尺寸分布并实现不同尺寸片烟（大片、中片、小片、碎片）的分离，将分离后的样品按风分口编号分别存放并混合均匀。完成上述操作记为取样1次，每天取样1次，共取3 d。

1.2.2 片烟流量测算

待稳定生产后，在各风分器出口处分别截取片烟30 min，截取结束后称量并记录样品质量。完成上述操作记为测算流量1次，每天测算1次，共测算3 d。

1.2.3 烤烟化学成分可用性指数CCUI

参照“中国烟草种植区划”的研究成果［11］，选取主要化学成分中的烟碱、总氮、还原糖、钾及其衍生指标糖碱比、氮碱比和钾氯比作为不同尺寸烤烟化学成分可用性的参评指标。利用隶属函数对各参评指标进行百分制赋值。常用的隶属函数类型有抛物线型、S型、反S型等，结合前人关于烤烟化学成分可用性和化学质量综合评价的研究成果［11-13］，确定隶属函数。

烤烟烟碱、总氮、还原糖含量和糖碱比、氮碱比的隶属函数类型为抛物线型，表达式为：

烤烟钾含量和钾氯比的隶属函数类型为S型，表达式为：

式中：x1、x2、x3、x4分别为各参评指标的下临界值、最优值下限、最优值上限和上临界值；x为各参评指标的实际值。结合上海烟草集团有限责任公司中高端品牌烟叶原料保障的实际情况和相关研究成果［14-17］，确定四川中部烟初配方模块各参评指标隶属函数的拐点，并参考文献［11］设置参评指标权重，见表1。

表1 参评指标的隶属函数类型、拐点及权重Tab.1 Membership function types，inflection points and weights of evaluation indexes

烤烟化学成分可用性指数（Chemical Components Usability Index，CCUI）采用隶属度函数模型与指数和法来确定。CCUI值越大，烤烟原料的化学成分协调性越好。CCUI的计算方式是：

式中：Ci为第i个化学成分指标量化分数；Pi为第i个化学成分指标的权重。

1.2.4 感官品质评价

由上海烟草集团有限责任公司具备烟草行业感官品质鉴定资质的7位人员完成，感官品质指标的选择和计算方式参照文献［11］中的方法，感官总分T的计算方式是：

2 结果与讨论

2.1 各级打叶风分单元片烟流量和叶片结构的变化趋势分析

2.1.1 片烟流量变化趋势

各级打叶风分单元片烟流量的变化趋势见图2。由图2可以看出：①各级风分单元分选出的片烟流量存在明显差异，其中1-1和1-2的流量最大，贡献度分别达到30.3%和20.5%。②在同一打叶单元中，一级风分单元分选出的片烟流量最大，且随风分级数的增加，片烟流量有逐级减小的趋势。③以打叶单元为分析维度，随打叶单元级数的增加，片烟流量逐级降低，其中一级打叶单元为生产线贡献了64.7%的片烟流量，与四打十一分生产线一级打叶单元62%～69%的出叶量结果类似［18］，而五级打叶单元仅贡献了3.1%。

图2 各级打叶风分单元片烟流量的变化趋势Fig.2 Variation trends of strip flows in all pneumatic separators and threshing units

2.1.2 片烟结构变化趋势

各级打叶风分单元片烟结构的变化趋势见图3。由图3可见：①各级风分单元分选出的片烟结构存在明显差异，且大片率的变化范围最大，其中大片率的极大值出现在1-6（80.7%），而极小值出现在5-1（1.7%）。②对相同打叶单元中的各级风分单元进行比较，一级风分单元（1-1、2-1和3-1）分选出的片烟的尺寸最小，且随风分级数的增加，片烟尺寸有逐级增大的趋势。③以打叶单元为分析维度，随打叶单元级数的增加，大片率逐级降低，中片率、小片率、碎片率和碎末率逐级升高（五级打叶单元的中片率除外），片烟尺寸逐级减小。上述现象与文献［8］报道的基本一致，产生上述叶片结构差异的原因是，碎末和碎片主要源于打叶器对烟叶的破碎作用，且碎末和碎片的悬浮速度较低，更容易在各级打叶单元的第一级风分器中分选出来，导致同一打叶单元内片烟尺寸随风分级数的增加而逐级增大；进入二至五级打叶单元的物料是上一级打叶单元风选剩余的烟梗和梗带叶，残余的烟叶尺寸较小，再加上随打叶级数的增加，框栏尺寸逐级缩窄，最终导致各打叶单元的片烟尺寸逐级减小。

图3 各级打叶风分单元片烟叶片结构的变化趋势Fig.3 Variation trends of tobacco strip structure in all pneumatic separators and threshing units

2.1.3 各级打叶单元对不同尺寸片烟的贡献度差异

结合各级打叶风分单元片烟流量和片烟结构的结果，分析了各级打叶单元对不同尺寸片烟的贡献度（图4）。一级打叶单元对大片、中片、小片和碎片的贡献度均最高，贡献度依次为75.8%、57.2%、44.1%和35.2%。对于碎末，五级打叶单元的贡献度最高（29.5%），略高于一级打叶单元（29.3%）。以打叶单元为分析维度，比较同一打叶单元对于不同尺寸片烟的贡献度差异，发现一级打叶单元对大片的贡献度最高（75.8%），二、三级打叶单元对中片的贡献度较高（17.5%和14.3%），四级打叶单元对碎片的贡献度最高（23.1%），五级打叶单元对碎末的贡献度最高（29.5%）。

图4 各级打叶单元对不同尺寸片烟的贡献度Fig.4 Contribution degrees of all threshing units to tobacco strips of different sizes

2.2 各级打叶风分单元不同尺寸片烟参评指标和CCUI的变化趋势分析

选取烤烟化学成分可用性指数7个参评指标中权重最高的还原糖、烟碱、糖碱比和氮碱比4个指标进行变化趋势分析，其中各级打叶单元的化学成分数据由2.1中片烟流量和片烟结构的结果加权获得［例如，三级打叶单元的大片总糖含量=（大片总糖含量3-i×大片率3-i×片烟流量3-i）÷大片率3-i×片烟流量3-i）］，见图5。结果显示：①不同尺寸片烟的还原糖、烟碱、糖碱比和氮碱比4个指标在15级风分口和5级打叶单元中均存在明显差异和一定的变化规律，其中碎片在15级风分口的差异最大，还原糖、烟碱、糖碱比和氮碱比的极差分别为5.07、0.30、4.61和0.10。②随着打叶单元级数的增加，不同尺寸片烟还原糖和糖碱比的差异逐渐减小，趋于一致。③还原糖和糖碱比的变化规律较类似，片烟尺寸越小，还原糖含量和糖碱比越低；大片和中片的还原糖和糖碱比随着风分和打叶级数的增加变化较小，大片略有降低的趋势，而中片略有升高的趋势；小片和碎片的还原糖和糖碱比随着风分和打叶级数的增加有明显升高的趋势，且碎片的升高幅度更明显。④对于烟碱含量，总体上碎片的烟碱含量较低，而大、中和小片的烟碱含量的差异较小；随打叶单元级数的增加，大片的烟碱含量呈现逐渐上升的变化趋势，中、小和碎片的烟碱含量从一打单元到三打单元逐渐降低而从三打单元到五打单元逐渐升高；在同一打叶单元中，碎片的烟碱含量随风分级数的增加呈现降低的趋势。⑤对于氮碱比指标，片烟尺寸越小，氮碱比越高，且碎片的氮碱比显著大于大、中、小片，说明碎片含有较多非烟碱形式的氮元素（蛋白氮、氨基酸态氮、铵态氮、硝态氮等）；随打叶单元级数的增加，大片的氮碱比呈现先减后增的趋势，而中片、小片和碎片呈现先增后减的趋势。

图5 各级风分口和打叶单元不同尺寸片烟参评指标的变化趋势Fig.5 Variation trends of evaluation indexes of different size strips in all pneumatic separators and threshing units

为了系统比较各级打叶风分单元不同尺寸片烟的化学成分可用性的差异，使用CCUI指标进行评价（见图6）。评价结果表明碎片的化学成分可用性明显小于大、中和小片，且随着打叶级数的增加碎片的化学成分可用性逐级提高。具体到各级风分口，1-1～1-6和2-1风分口产出碎片的化学成分可用性最低，1-1～1-3风分口产出小片的化学成分可用性较低。

图6 各级打叶风分单元烤烟化学成分可用性指数CCUI的变化趋势Fig.6 Variation trends of CCUI of flue-cured tobacco in all pneumatic separators and threshing units

2.3 各级打叶风分单元不同尺寸片烟参评指标的聚类分析

各级打叶风分单元不同尺寸片烟参评指标的聚类分析结果见图7。由图7可知，若将15级风分口的片烟样品分为两大类，各级风分口的碎片和1-1～1-5风分口的小片聚为一类，其余样品聚为一类。若将15级风分口的片烟样品分为三大类，则1-1～1-6和2-1风分口的碎片聚为一类，其余风分口的碎片和1-1～1-5风分口的小片聚为一类，其余样品聚为一类。通过聚类分析，可以直观地看出碎片和1-1～1-5风分口产出的小片与其余大、中、小片差异较明显；聚焦碎片，1-1～1-6和2-1风分口的碎片与其余风分口产出的碎片存在差异，与CCUI的评价结果基本相同。

图7 各级打叶风分单元不同尺寸片烟参评指标的聚类分析Fig.7 Cluster analysis of evaluation indexes of different size strips in all threshing and pneumatic separating units

2.4 各级打叶单元不同尺寸片烟感官品质变化趋势分析

依据2.1中片烟流量和叶片结构的数据进行加权并计算各级风分单元不同尺寸片烟的占比，精准还原出各级打叶单元不同尺寸片烟的感官评吸样品［例如，三级打叶单元的大片感官评吸样品中3-i（i=1，2，3）大片样品的占比=（大片率3-i×片烟流量3-i）÷（大片率3-i×片烟流量3-i）］，感官评吸结果见图8。由图8可知，整体来看，随着片烟尺寸的减小，片烟感官质量有下降的趋势，与文献［19］报道的结果一致，其中各级打叶单元的大片和中片感官品质差异较小；随打叶级数的增加，不同尺寸片烟的感官品质均呈现先增后减的趋势，其中大、中片的极大值点出现在二级打叶单元，小片和碎片的极大值则分别出现在三级和四级打叶单元。需要指出的是，五打单元碎片的感官品质较差，与上文化学成分和CCUI的评价结果存在差异。通过问询参与感官品质评价的专家，发现多数专家认为该样品透发性不足，压香严重，刺激性较大，且表现为尖刺状的酸性刺激，最终导致碎片的感官品质排序为四级打叶＞三级打叶＞五级打叶＞二级打叶＞一级打叶。

图8 各级打叶单元不同尺寸片烟的感官品质Fig.8 Sensory quality scores of different size strips separated by different threshing units

3 结论

以2021年四川初烤烟叶为研究对象，通过比较各级打叶风分单元分离出的不同尺寸片烟的流量、化学成分和感官品质的变化趋势，得到以下结论：①随打叶单元级数的增加，片烟流量逐级降低，其中一级打叶单元贡献了64.7%的片烟流量。②在各级打叶单元中，碎片和小片更容易在第一级风分口处被分离出。③碎片的化学成分可用性明显小于大、中和小片，随着打叶级数的增加碎片的化学成分可用性逐级提高。④不同尺寸片烟的感官品质随打叶级数的增加呈现先增后减的趋势，大片和中片的感官品质最优点出现在二级打叶单元，小片和碎片则分别出现在三级和四级打叶单元。