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基于在线近红外技术的片烟烟碱均质化系统

研究

作者：尹凡陈壮宇唐春平贺泽军

来源：《科技风》2020年第29期

摘要：为保障烟草制品的质量，有必要在打叶复烤阶段对原料进行合理地混配。本文选

用郴州产区多个等级的烟叶为试验原料，利用在线近红外分析仪建立了烟碱的预测模型。基于

在线近红外烟碱检测技术，实时检测铺料带上的原烟烟碱值，利用分选器和高架库自动进行烟

叶的分选入库，最后通过高低搭配的方式均质化自动投料出库。研究结果表明，利用在线近红

外分析仪能够准确快速地获取烟叶的烟碱值含量。采用均质化出库方式后，成品片烟的烟碱值

偏差和变异系数降低了35.71%和15.25%，极大程度地提高了烟叶打叶复烤的均质化水平。

关键词：近红外光谱;烟碱含量;高低搭配;均质化

烟草作为我国的重要经济作物，其产品质量关系到烟草企业的发展。在烟草的众多质量评

价指标中，烟碱又称尼古丁，分子式为C10H14N2，其含量与烟草制品的浓度、劲头、香气

量、香气质、余味、杂气和刺激性等感官质量存在对应关系，直接影响了烟草制品评吸质量

[1-3]。目前国内烟叶种植主要以农业个体户为主，不同来源的烟叶品质存在较大的差异[4]。

因此，需要在打叶复烤阶段对烟叶按照一定的方式进行混配，以达到均匀加工的目的。2015

年中国烟草总公司发布了《关于推进打叶复烤企业均质化生产加工的意见》，明确指出要把成

品片烟的烟碱变异系数控制到5%以内[5]。传统加工过程中是按照烟叶的颜色、部位、成熟度

等外观质量对原烟进行分类，再对分类后烟叶按照相应比例进行混配加工，从而达到均匀加工

的目的。但是受到员工在分类过程中对烟叶品质主观判断的影响，传统混配方式对烟叶质量的

均匀性提高有限。近红外光谱技术利用烟叶成分中C-H、N-H、O-H、P-H等含氢基团在红外

照射下的振动合频和倍频吸收的特点，能够实现对烟叶的物理化学特性进行快速识别[6-8]。董

小卫等人[9]利用手持式近红外分析仪对烟叶表面10个点进行信号采集，与烟叶的烟碱、总

糖、还原糖、钾和氯等化学成分进行关联，建立烟叶化学成分的近红外模型。宾俊等人[10]建

立了烟叶含水率、叶绿素和淀粉的近红外光谱模型。证明利用近红外光谱能够快速获得烟叶的

化学成分信息，为烟叶打叶复烤均质化调控工艺提供技术参考。

本文以近红外光谱和计量化学技术为基础，建立基于近红外光谱的烟碱预测模型。在投料

分选过程中利用在线近红外光谱仪对烟叶的烟碱含量进行动态检测。最后按照烟碱高低搭配原

则实现均质化配方打叶。

材料1和仪器

采自湖南省郴州的C3F、C4L、C4F煙叶原料102车，每车约15吨，共1530吨。按照每

车抽取一个综合原烟样品，共计102个，作为各车样品的抽检值以及近红外光谱仪的训练集。

Armor711在线近红外光谱仪（卡尔蔡司股份有限公司，德国）;高架库（昆船物流信息产

业有限公司，昆明）;Futura型连续流动化学分析仪（Alliance公司，法国）。

样品烟碱含量2测定

对于抽取的样品按照标准YC/T468-2013《烟草及烟草制品总植物碱的测定连续流动（硫

氰酸钾）法》[11]测定训练集样品，获得各车样品的烟碱值。按照0.2%为间隔统计了烟碱值的

分布，如图1所示。各车烟叶原料的烟碱值差异较大，烟碱值主要分布在2.0%到4.0%之间。

其中烟碱最大值高达4.9%，最小值仅为1.3%。102个样品的烟碱平均值为3.26%，标准偏差

为0.82。利用下面公式可计算该批样本的变异系数。

变异系数=样本标准偏差样本均值

计算得到的烟叶原料的烟碱值变异系数为25.15%。如此大的变异系数表明未经过任何处

理的烟叶原料因为场地来源、种植环境等因素的影响，其烟碱含量之间差异比较大。如果利用

原烟直接加工，其产品品味质量相当不稳定。

近红外光谱采集和烟碱预测模型3

近红外分析仪采用光纤漫反射方式进行测量。扫描波长为400-2000nm。利用ProcXplorer

光谱采集软件对光谱信号进行采集和分析。对于近红外光谱仪采集到的光谱信号采用标准正态

变量变换（StandardizingNormalizationVector，SNV）将检测样本数据中心化，然后除以其标

准偏差，获得平滑后光谱数据以消除样品表面散射、光程变化等对近红外漫反射光谱造成的影

响。然后采用偏最小二乘回归分析法（PartialLeastSquaresRegre