CN111721715B - 一种基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法 - Google Patents

一种基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法，采用色差计测定不同时间点所取配方烟丝的色度值L*、a*、b*，分别计算其变异系数，再利用熵权法对每个色度值进行赋权，进而得到评价样本3个色度值的综合变异系数，最后根据色度值的综合变异系数建立了计算烟丝掺配均匀度的方法，并将该方法的测试结果与行业标准方法进行对比。结果表明色度值结合熵权法测定烟丝掺配均匀度的精密度测试的变异系数及重复性测试的变异系数符合定量分析的要求；与行业标准方法相比，对烟丝掺配均匀度的测定结果无显著差异，且测试结果的变异系数更小。该方法操作简单、无化学添加、精密度高、重复性好，适用于烟丝掺配均匀度的准确测定。

Description

一种基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法
技术领域
本发明属于卷烟生产监测技术领域，特别是指一种基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法。
背景技术
卷烟成品烟丝一般由叶丝、梗丝和再造烟叶丝掺配组成，而叶丝又由不同产区、品种、部位和等级的烟叶共同制成。叶丝、梗丝、再造烟叶丝三者之间的理化特性和颜色存在较大差异，同样，不同产区、品种、部位和等级烟叶制成的叶丝的内在化学成分和颜色总体也存在较大差异。因此，成品烟丝中不同组分的掺配均匀性直接影响卷烟产品的内在品质，各组分混合越均匀，卷烟的物理指标、烟气特性及感官质量越稳定。
近年来，关于表征烟草物料混合均匀性的研究已有较多报道。比如根据烟草混合物中某组分性质的差异检测其含量，进而表征混合均匀度的方法。以糖碱比变异系数描述烟草及其制品混合均匀度的方法。行业标准YC/T 426—2012《烟草混合均匀度的测定》上述方法的基础上进行了优化，提出了一种利用糖碱比与钾质量分数的乘积作为特征值来测定烟草混合均匀度的方法。还有技术基于烟草物料中不同组分燃烧热解行为的差异，提出了一种利用热重分析法测定烟丝掺配均匀度的方法。此外，现有技术中还分别从烟支密度分布以及利用近红外光谱技术识别配方烟丝中各组分掺配比例等角度对成品烟丝或烟支内烟丝的均匀性进行了评价和预测。
然而上述标准及方法一般对仪器设备要求较高、检测指标繁多、操作繁琐，或涉及多种化学试剂，或数据处理复杂并需要建立识别模型。随着国外色度学理论与实践的发展，国内烟草行业也逐步引入色度这一指标，并在与烟叶理化指标的相关性研究、烟叶加工质量评价、再造梗丝回填率测定等方面得到了有效应用。结果表明，色度值L*(从黑到白，表示明度值)、a*(从绿到红，表示红度值)、b*(从蓝到黄，表示黄度值)与烟叶的多种内在化学成分和物理指标存在显著或极显著相关。说明色度值能够较好的反映不同理化特性烟草物料的差异性，而配方烟丝中的各组分物料(梗丝、再造烟叶丝以及不同产区、品种、部位和等级烟叶制成的叶丝)在理化特性及颜色上存在较大差异，为利用色差法评价成品烟丝中各组分的掺配均匀性奠定了基础。为此，利用色度值结合熵权法建立一种能准确快速测定配方烟丝掺配均匀度的方法，旨在为卷烟在制品加工质量的评价和维护提供技术支撑。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法，以解决现有技术的检测标准及检测方法对仪器设备要求较高、检测指标繁多、操作繁琐，或涉及多种化学试剂，或数据处理复杂并需要建立识别模型的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法，包括以下步骤：
S1、烟丝取样
在任一批次生产时间内，在相同取样位置，每隔设定间隔取样一次，共取i次，烟丝样品标记为Ai，其中i为自然数；
S2、色度值测定
使用色差计测定每一烟丝样品的CIE-L*a*b*色空间值，其中L*为从黑到白，表示明度值，a*为从绿到红，表示红度值，b*为从蓝到黄，表示黄度值；用j取1,2,3的自然数表示某一色度指标；
S3、将烟丝样品Ai分别进行色度值测定，得到i个烟丝样品3个色度值的数值矩阵Xij，并计算每个色度指标的平均值
Figure BDA0002526462880000021
标准偏差/>
Figure BDA0002526462880000022
及其变异系数
Figure BDA0002526462880000023
S4、熵权法确定不同色度值的权重系数
利用公式(1)对烟丝的色度值的数值矩阵Xij的每列指标数据进行归一化处理：
Figure BDA0002526462880000031
将归一化处理的每一列的属性值X′1j,X′2j,…,X′ij视为信息量的分布，利用公式(2)计算色度指标j的信息熵Ej，色度值的熵权系数wj通过公式(3)计算：
Figure BDA0002526462880000032
Figure BDA0002526462880000033
式中：0≤wj≤1，
Figure BDA0002526462880000034
S5、利用公式(4)计算i个烟丝样品j个色度指标的综合变异系数CVA，利用公式(5)计算烟丝掺配均匀度H值：
Figure BDA0002526462880000035
H＝(1-CVA)×100％ (5)。
优选的，取样位置在烟丝掺配加香出口振槽处。
优选的，将烟丝样品分别置于45℃的烘箱中干燥1h，用旋风磨粉碎并过60目筛，所得粉末再分别置于20±1℃、相对湿度为65±2％的恒温恒湿箱中平衡48h后备用。
优选的，所述色度值测定方法为，取设定重量的上述的任一烟丝样品的粉末置于透明装置内，用压样器将粉末压紧压平，并任选三个不同的位置进行测定，色差计每连续测定三次计算一次平均值。
本发明的有益效果是：
本技术方案首先通过计算评价样本3个色度值的变异系数，再利用熵权法对每个色度值进行赋权，得到评价样本色度值的综合变异系数，最后利用综合变异系数计算烟丝的掺配均匀度。本技术方案的精密度高、重复性好，符合定量分析的要求。与行业标准方法相比，本方法测定结果的变异系数更小，说明其准确性更高；本方法操作简单、仪器成本低、无化学试剂添加，适用于烟丝掺配均匀度的准确测定。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。
本申请提供一种基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法，在以下的实施例中，选用云烟品牌A～D 4个牌号卷烟的成品烟丝样品，烟丝配方如表1所示。
表1 卷烟牌号A～D烟丝配方组成
牌号 叶丝/％ 梗丝/％ 再造烟叶丝/％
A 75 15 10
B 84 6 10
C 80 13 7
D 83 10 7
FED可编程热风循环烘箱、KBF 540恒温恒湿箱(德国Binder公司)；CT410旋风磨(丹麦Foss公司)；石英杯(内径49mm，高22mm，美国Thermo Fisher Scientific公司)；DC-P3型全自动测色色差计(北京兴光测色仪器公司)；AB204-S型电子天平(感量0.0001g，瑞士Mettler Toledo公司)；AA3连续流动仪(德国BRAN+LUEBBE公司)。
在本申请的以下实施例中，i和j的取值均为自然数，在以后不进行重复说明。
在一个批次生产时间内，在烟丝掺配加香出口振槽的横截面处分5次取样，每隔20min取样1次，每次约100g。A～D四个牌号5个不同时间点的烟丝样品记为Ai、Bi、Ci、Di(i取1,2,3,…,10的自然数)。将各配方烟丝分别置于45℃的烘箱中干燥1h，用旋风磨粉碎并过60目(粒径：250μm)筛，所得粉末再分别置于(20±1)℃、相对湿度为(65±2)％的恒温恒湿箱中平衡48h后备用。
每次取任一烟丝样品约10g的烟丝粉末置于石英杯中，用压样器将其尽量压紧压平，使用色差计测定烟末的CIE-L*a*b*色空间值：L*(从黑到白，表示明度值)、a*(从绿到红，表示红度值)、b*(从蓝到黄，表示黄度值)。用j(j取1,2,3的自然数)表示某一色度指标。将每个石英杯中的烟末样品选择3个不同的位置进行测定，色差计每连续测定3次自动计算1次平均值。
将每个测定完色度值的烟末样品，分别按照标准YC/T 159—2002、YC/T160—2002、YC/T 217—2007规定的方法测定其水溶性糖、总植物碱和钾的质量分数，并依据标准YC/T 426—2012计算其烟丝掺配均匀度。
熵权法是一种在综合考虑各评价指标所提供信息量的基础上，计算一个综合指标的数学方法。本申请将3个色度指标(L*、a*、b*)看作3个不同的评价指标，通常情况下，对于一组试验样本，不同评价指标的变异系数会存在较大差异，即每个评价指标在样品间的变异程度不同。因此，不能仅利用某一评价指标的变异系数对试验样本的稳定性或波动情况进行综合评价，也不能简单的利用所有指标变异系数的平均值对其进行评价。鉴于此，本申请采用信息熵原理对3个色度指标的变异系数进行客观赋权。熵权并不是表示决策评估问题中评价指标实际意义上的重要性系数，而是从信息角度考虑，该评价指标在该问题中提供有效信息量的多寡程度。因此，利用熵权法对每一组进行掺配均匀性测试的烟丝样品每个色度值的变异系数进行分别赋权，进而得到3个色度指标的综合变异系数，再利用综合变异系数计算配方烟丝的掺配均匀度。
在本实施例中，以A配方卷烟为例，将其预处理后的5个烟末样品(A1-A5)分别进行色度值测试试验，得到该牌号5个烟丝样品3个色度值的数值矩阵Xij，并计算每个色度指标的平均值
Figure BDA0002526462880000051
标准偏差/>
Figure BDA0002526462880000052
及其变异系数/>
Figure BDA0002526462880000053
结果见表2。在本申请的技术方案中，每个色度指标的平均值、标准偏差及变异系数的计算方法均为现有技术，或者说是教科书中所公开的计算方法进行计算，因此不进行详细的说明。
从表2可以看出，3个指标的变异系数存在较大差异，介于1.14％～5.67％之间，说明不同色度指标在评价过程中提供的信息量不同。
表2 A配方卷烟5个不同时间点烟丝的色度值测定结果
Figure BDA0002526462880000054
Figure BDA0002526462880000061
以表2的烟丝色度值矩阵Xij为例，根据熵权计算对数据的要求，首先利用公式(1)对烟丝色度值矩阵Xij的每列指标数据进行归一化处理：
Figure BDA0002526462880000062
将归一化的指标矩阵每一列的属性值(X′1j,X′2j,…,X′5j)视为信息量的分布，利用公式计算色度指标j的信息熵Ej，则色度值j的熵权系数wj可通过公式(3)获得：
Figure BDA0002526462880000063
Figure BDA0002526462880000064
式中：0≤wj≤1，
Figure BDA0002526462880000065
基于表2中的烟丝色度数据，通过公式(1)、(2)、(3)计算得到3个色度指标(L*、a*、b*)的权重系数(w1～w3)依次为：0.0277、0.6917、0.2806。
在3个色度指标变异系数及其熵权系数计算结果的基础上，利用公式(4)得到A牌号卷烟5个配方烟丝样品3个色度指标的综合变异系数CVA；最后利用公式(5)计算烟丝掺配均匀度H值。
Figure BDA0002526462880000066
H＝(1-CVA)×100％ (5)
通过公式(4)、(5)计算得到表2中A牌号卷烟5个不同时间点的烟丝掺配均匀度H值为95.03％。
准确度和精密度测试
分别选择4个牌号的第一个配方烟丝样品A1、B1、C1和D1，将烟末混合均匀后各取样6次进行色度值平行测定试验，并计算其标准偏差和变异系数，结果见表3。可以看出，同一烟末样品的3个色度值6次测定结果的变异系数介于0.13％～0.63％，说明使用色差计对烟末色度值测定结果的准确度较高。此外由表3可以看出，不同配方烟丝的色度值差异较明显。
表3 烟丝色度值测定结果的准确度测试
Figure BDA0002526462880000071
Figure BDA0002526462880000081
对色度值结合熵权法测定烟丝掺配均匀度的精密度进行测试，将A～D每个牌号分别测试6组掺配均匀度值，结果如表4所示。可以看出，A～D牌号配方烟丝平均掺配均匀度的变异系数介于0.30％～0.57％，说明本方法的精密度较高，符合定量分析的要求。
表4 烟丝掺配均匀度精密度测试结果
Figure BDA0002526462880000082
重复性测试
采用本方法连续6d测定A牌号配方烟丝的掺配均匀度，H值分别为94.59％，94.62％，94.41％，94.86％，94.67％和94.10％，标准偏差为0.26％，变异系数为0.28％，说明本方法的重复性较好，符合定量分析的要求。
与行业标准方法对比
对A～D牌号的配方烟丝分别采用本方法和行业标准方法测定其掺配均匀度，并将两种方法测定的结果进行配对样本T检验，结果见表5。可以看出，配对T检验结果的P值>0.05，说明本方法与行业标准方法烟丝掺配均匀度测定结果之间无显著差异。
表5 本方法与行业标准方法测定的烟丝掺配均匀度结果对比
Figure BDA0002526462880000091
利用行业标准方法，分别对A～D牌号的配方烟丝掺配均匀度进行6次重复测试，并与本方法的测试结果进行比较，结果见表6。可以看出，两种方法测定的平均掺配均匀度较为接近，但与标准方法相比，本方法测试结果的标准偏差和变异系数值更小，说明本方法的测试结果更为准确。同时相比于行业标准方法，本方法所用仪器及相应操作简单，方便快捷，且在前处理及实验操作过程中不涉及任何化学试剂。
表6 本方法与行业标准方法测定烟丝掺配均匀度精密度对比
Figure BDA0002526462880000092
Figure BDA0002526462880000101
本技术方案首先计算评价样本3个色度值的变异系数，再利用熵权法对每个色度值进行赋权，得到评价样本色度值的综合变异系数，最后利用综合变异系数计算烟丝的掺配均匀度。本方法的精密度高(CV为0.30％～0.57％)、重复性好(CV为0.28％)，符合定量分析的要求。与行业标准方法相比，本方法测定结果的变异系数更小(行业标准方法的CV为0.61％～0.97％)，说明其准确性更高。本方法操作简单、仪器成本低、无化学试剂添加，适用于烟丝掺配均匀度的准确测定。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、烟丝取样
在任一批次生产时间内，在相同取样位置，每隔设定间隔取样一次，共取i次，烟丝样品标记为Ai，其中i为自然数；
S2、色度值测定
使用色差计测定每一烟丝样品的CIE-L*a*b*色空间值，其中L*为从黑到白，表示明度值，a*为从绿到红，表示红度值，b*为从蓝到黄，表示黄度值；用j取1,2,3的自然数表示某一色度指标；
S3、将烟丝样品Ai分别进行色度值测定，得到i个烟丝样品3个色度值的数值矩阵Xij，并计算每个色度指标的平均值
Figure FDA0004172750370000011
标准偏差/>
Figure FDA0004172750370000012
及其变异系数/>
Figure FDA0004172750370000013
S4、熵权法确定不同色度值的权重系数
利用公式(1)对烟丝的色度值的数值矩阵Xij的每列指标数据进行归一化处理：
Figure FDA0004172750370000014
将归一化处理的每一列的属性值X1′j,X2′j,…,Xi′j视为信息量的分布，利用公式(2)计算色度指标j的信息熵Ej，色度值的熵权系数wj通过公式(3)计算：
Figure FDA0004172750370000015
Figure FDA0004172750370000016
式中：0≤wj≤1，
Figure FDA0004172750370000017
S5、利用公式(4)计算i个烟丝样品j个色度指标的综合变异系数CVA，利用公式(5)计算烟丝掺配均匀度H值：
Figure FDA0004172750370000021
H＝(1-CVA)×100％ (5)。
2.根据权利要求1所述的基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法，其特征在于，取样位置在烟丝掺配加香出口振槽处。
3.根据权利要求1所述的基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法，其特征在于，将烟丝样品分别置于45℃的烘箱中干燥1h，用旋风磨粉碎并过60目筛，所得粉末再分别置于20±1℃、相对湿度为65±2％的恒温恒湿箱中平衡48h后备用。
4.根据权利要求3所述的基于色度值结合熵权法的烟丝掺配均匀度测定方法，其特征在于，所述色度值测定方法为，取设定重量的上述的任一烟丝样品的粉末置于透明装置内，用压样器将粉末压紧压平，并任选三个不同的位置进行测定，色差计每连续测定三次计算一次平均值。
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