CN117796561A - 一种基于烟叶发热量数值调控的卷烟配方设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于发热量数值调控的卷烟配方设计方法，方法包括如下步骤：S1、采集发热量数据；S2、构建基于近红外光谱的烟叶发热量预测模型；S3、将步骤S2中模型拓展应用到库存片烟；S4、设计基于发热量数值筛选的卷烟配方；S5、通过选取发热量显著大于原配方的备选配方，提升配方的透发性和香气量；通过选取发热量显著小于原配方的备选配方，提升配方的细腻感并降低刺激性。本发明在不改变现有配方基本成分，包括总糖、还原糖、烟碱、氯、钾、总氮、pH等，通过发热量数值的调整，设计不同风格品质的卷烟配方，实现了烟叶发热量的快速检测。
Description
技术领域
本发明属于卷烟配方研究技术领域，具体涉及一种基于发热量数值调控的卷烟配方设计方法。
背景技术
卷烟抽吸过程中主要涉及烟叶热解、燃烧两类化学反应，其中燃烧主要指的是热解产生的烟气成分、固体焦炭与氧气相互作用，生成CO2、CO等一系列小分子物质，并释放出大量热量的过程。烟叶燃烧释放的热量是卷烟抽吸过程的主要热量来源，烟叶燃烧释放的热量直接决定了卷烟燃烧锥内部的温度场分布，而温度场的分布又与关键烟气成分的形成息息相关。因此，烟叶燃烧热量释放对烟气的生成、卷烟的感官品质都有重要影响。
前期，研究人员利用锥形量热仪、微燃烧量热仪等基于氧消耗原理的燃烧热释放分析技术对原料的燃烧性能进行了表征，但是燃烧性能指标与烟叶品质的关联及在配方数字化设计上的应用价值尚未被挖掘。
发热量作为衡量原料热转化效率的最基本指标之一，在煤炭和生物质领域得到了广泛应用，但在烟草这种特殊的生物质材料体系中的应用未见报道。
发明内容
为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种基于烟叶发热量数值调控的卷烟配方设计方法。本发明填补了利用发热量这一与卷烟燃烧状态、烟气生成及卷烟品质息息相关的物理指标进行卷烟配方设计的技术空白，为配方数字化设计提供了新的思路和方法。本发明采用的技术方案是：
一种基于发热量数值调控的卷烟配方设计方法，其特征在于，方法包括如下步骤：
S1、采集发热量数据；
S2、构建基于近红外光谱的烟叶发热量预测模型；
S3、将步骤S2中模型拓展应用到库存片烟；
S4、设计基于发热量数值筛选的卷烟配方；
S5、通过选取发热量显著大于原配方的备选配方，提升配方的透发性和香气量；通过选取发热量显著小于原配方的备选配方，提升配方的细腻感并降低刺激性。
进一步的，在步骤S1中，采集发热量数据的具体流程如下：
利用量热仪，并依据国家标准GB/T 213-2008测定烟叶样本的发热量(J/g)，其中发热量指的是弹筒发热量，表示的是单位质量的样本在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧后的物质组成为氧气、氮气、二氧化碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量，弹筒发热量是分析样本的恒容高位发热量。
进一步的，在步骤S2中，利用傅里叶变换近红外光谱仪对上述步骤S1中烟叶样本的近红外光谱进行采集，采集范围为10000～3800cm-1，将烟叶样本的近红外光谱和对应的发热量数值进行关联，利用偏最小二乘算法构建基于近红外光谱的烟叶发热量预测模型。
进一步的，在步骤S3中，将步骤S2中得到的烟叶发热量预测模型拓展应用到在库片烟上，利用库存片烟的近红外光谱对其发热量数值进行检测分析。
进一步的，以维持现有配方的成分不变(各成分相对变动小于5％)，包括总糖、还原糖、烟碱、氯、钾、总氮、pH等，通过列举法在库存片烟样本中找出与现有配方相同数目的片烟组成新配方，并根据各新配方发热量数值的大小进行排序。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明在不改变现有配方基本成分，包括总糖、还原糖、烟碱、氯、钾、总氮、pH等，通过发热量数值的调整，设计不同风格品质的卷烟配方，实现了烟叶发热量的快速检测；
2、本发明在设置总糖、还原糖、烟碱、氯、钾、总氮、pH等常规烟草化学指标为固定值的条件下，通过发热量数值的筛选设计不同品质梯度的卷烟配方。
3、本发明在保持原配方烟草化学成分不变的条件下，通过发热量数值的调整，实现两个品质方向的配方设计。
附图说明
图1是本发明中不同烟叶粉末样本近红外光谱图；
图2是本发明中基于近红外光谱的发热量预测模型回归系数；
图3是本发明中发热量预测-真实结果散点图，其中O为训练集样本，*为测试集样本；
图4是本发明设计方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图1～4并结合示例性实施例来详细说明本发明。
(1)检测发热量：
将199种复烤片烟样本在(40±1)℃温度条件下干燥4h后，利用Foss CyclotecCT410旋风磨(丹麦福斯公司)进行磨粉，粉末样本过250μm(60目)筛后放置于密封瓶中备用。
将烟叶粉末样本进行空气干燥后，利用长沙开元弘盛科技有限公司5E-KC5410型量热仪，并依据国家标准GB/T 213-2008测定样本的发热量(J/g)。该方法测的发热量指的是弹筒发热量，表示的是单位质量的样本在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧后的物质组成为氧气、氮气、二氧化碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量。弹筒发热量是分析样本的恒容高位发热量。
(2)检测近红外光谱：
取适量(1)中烟叶粉末(高度约占样品杯总高度的1/3)，放入样品杯中，取一固定质量砝码放置在样品上方，使其自然压实后进行近红外扫描。
近红外光谱由美国Thermo Fisher公司Antaris II型傅里叶变换近红外光谱仪采集，采集范围为10000～3800cm-1，光谱分辨率为8cm-1；扫描次数为64次。为避免散射影响，近红外光谱进行了Savitzky-Golay(SG)平滑和标准正态校正处理。
(3)构建基于近红外光谱的烟叶发热量预测模型：
199种片烟按照1-199进行编号，按训练集与测试集比例为3:1进行随机划分，分成149个训练集样本和50个测试集样本。149个训练集样本用于模型的建立，50个测试集样本用于模型的准确性验证和评价。利用Matlab软件编写的偏最小二乘算法，通过内部交叉验证确立基于近红外光谱的烟叶发热量预测模型，模型回归系数如图2所示。发热量与近红外光谱在4400cm-1、5000cm-1左右相关性最强，4400cm-1处的峰主要对应甲基C-H伸缩振动和伸缩振动的组合频，5000cm-1左右的峰可能是由糖中羟基的O-H伸缩振动和O-H弯曲振动组合频导致的。
发热量主要取决于样品中元素组成，燃烧过程中，C元素、H元素和氧气中的O元素结合释放出热量，因此，C、H元素对发热量的贡献较大，这也与模型的回归系数结果一致。
将50个测试集样本的近红外光谱输入到建立的模型中，可以计算出测试集样本发热量，并与实测值进行比较，通过计算测试集根均方误差(RMSEP)对模型的准确性进行评价和验证。表1列出了模型的训练集根均方误差(Root mean square error of calibrationset,RMSEC)、交叉验证集根均方误差(Root mean square error of cross valiadationset,RMSECV)以及预测根均方误差(Root mean square error of prediction set,RMSEP)数值。图3展示了测试集和训练集共199种片烟样本的预测值和真实值的散点图。由测试集验证结果及散点图可以看出，使用偏最小二乘方法可以建立近红外光谱与发热量间的线性模型，RMSEP仅为151.64，模型达到理想效果。
表1.基于近红外光谱的烟叶发热量预测模型分析结果
| 发热量(J/g) | LV | RMSEC | RMSECV | RMSEP | Mean(Y) |
| 7 | 195.47 | 263.46 | 151.64 | 17003.69 |
*LV表示模型的潜变量数目，Mean(Y)表示训练集样本发热量平均值(4)将(2)中模型拓展应用到库存片烟：
将发热量预测模型拓展应用到2018-2021年多产地片烟样本上，在原199个样本的基础上，利用(2)中模型对新增378个库存片烟样本的发热量进行预测。对577个片烟样本发热量按产地、部位进行统计分析，结果如表2所示。
表2.不同省份不同部位烟叶发热量均值
从表2可以看出，不同部位烟叶的发热量具有明显的差异，上部的发热量最高，下部发热量最低，即随部位的下降，烟叶的发热量逐渐降低。各产区内上中下部的发热量变化有同样的规律。
对各产区中部烟叶分析，其中山东、四川、河南中部烟叶发热量较低，广西、云南、安徽、贵州、湖南、加拿大、福建中部烟叶发热量中等，巴西、湖北、马拉维、坦桑尼亚、美国、赞比亚、津巴布韦发热量较高。对比三类产区的感官评吸感受，发热量高的产区香气饱满，烟气欠柔和，吃味略欠舒适；发热量低的产区烟气柔和细腻，吃味舒适、但是香气量较低，发热量中等的产区，香气、烟气、吃味等指标相对适中。不同类别的产区相互搭配能更好发挥产区烟叶风格，使叶组更加协调。
综上可知，发热量与烟叶部位、感官等品质维度存在着显著的关联性，在配方设计、评价方面是一个潜在的关键指标。
(5)设计基于发热量调整的卷烟配方：
分别以现有配方A、B为对照样。
表3配方A的组成及主要化学成分及热值
| 总糖 | 烟碱 | 还原糖 | 氯 | 钾 | 总氮 | pH | 热值(J/g) | |
| 配方A | 31.32 | 2.53 | 26.70 | 0.42 | 2.06 | 2.03 | 5.31 | 16966.06 |
表4配方B的组成及主要化学成分及热值
| 总糖 | 烟碱 | 还原糖 | 氯 | 钾 | 总氮 | pH | 热值(J/g) | |
| 配方B | 30.05 | 2.48 | 25.1 | 0.39 | 2.04 | 2.1 | 5.23 | 16968.45 |
对于配方A，设计两个配方，每个配方由与配方A相同的片烟数组成，每个片烟的使用比例均为25％。通过约束各化学值的变化，在库存片烟中选取不同的组配方案，通过设计，在各化学成分与配方A基本一致的约束下，找到低热值配方1与高热值配方2：
表5配方A的替代配方：低热值配方1与高热值配方2
表6得到配方B的替代配方，低热值配方3与高热值配方4
采用对比评吸方法，由七位从事烟叶原料及配方工作的评吸人员组成评价小组(七人均为男性，年龄分布为26-38岁，5年以上的卷烟评吸经验)。通过人工打制卷烟，在平衡箱内平衡24小时后进行评价。采用企业烟叶质量评价方法，进行盲样编号，由评价小组采用质量比较和文字描述相结合的方法对香气质、香气量、刺激性、余味、成团性、杂气、柔和性等方面进行评价，结果如表7所示。
表7.配方感官评价结果
| 评吸结果 | 与配方A的主要差异 | |
| 配方1 | 5人认为配方1与配方A有差异 | 配方1烟香清晰，柔和，其他无显著差异 |
| 配方2 | 6人认为配方2与配方A有差异 | 配方2烟香透发，刺激显露，其他无显著差异 |
| 评吸结果 | 与配方B的主要差异 | |
| 配方3 | 6人认为配方3与配方B有差异 | 配方3烟香细腻，柔和，其他无显著差异 |
| 配方4 | 5人认为配方4与配方B有差异 | 配方4烟香透发，香气量足，其他无显著差异 |
从两组配方的感官评价结果来看，即使总糖、还原糖、烟碱、氯、钾、总氮、pH等主要化学指标较为一致的情况下，发热量不同，配方的感官品质也不同。发热量低的配方烟香越清晰、柔和，发热量高的配方烟香更透发。通过上述配方实验可以看出，发热量作为衡量原料热释放特性的参数，能够在烟叶常规化学指标的基础上，增加配方的品质表征维度。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种基于发热量数值调控的卷烟配方设计方法，其特征在于，方法包括如下步骤：
S1、采集发热量数据；
S2、构建基于近红外光谱的烟叶发热量预测模型；
S3、将步骤S2中模型拓展应用到库存片烟；
S4、设计基于发热量数值筛选的卷烟配方；
S5、通过选取发热量显著大于原配方的备选配方，提升配方的透发性和香气量；通过选取发热量显著小于原配方的备选配方，提升配方的细腻感并降低刺激性。
2.如权利要求1所述的一种基于发热量数值调控的卷烟配方设计方法，其特征在于，在步骤S1中，采集发热量数据的具体流程如下：
利用量热仪，并依据国家标准GB/T 213-2008测定烟叶样本的发热量(J/g)，其中发热量指的是弹筒发热量，表示的是单位质量的样本在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧后的物质组成为氧气、氮气、二氧化碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量，弹筒发热量是分析样本的恒容高位发热量。
3.如权利要求1所述的一种基于发热量数值调控的卷烟配方设计方法，其特征在于，在步骤S2中，利用傅里叶变换近红外光谱仪对上述步骤S1中烟叶样本的近红外光谱进行采集，采集范围为10000～3800cm-1，将烟叶样本的近红外光谱和对应的发热量数值进行关联，利用偏最小二乘算法构建基于近红外光谱的烟叶发热量预测模型。
4.如权利要求1所述的一种基于发热量数值调控的卷烟配方设计方法，其特征在于，在步骤S3中，将步骤S2中得到的烟叶发热量预测模型拓展应用到在库片烟上，利用库存片烟的近红外光谱对其发热量数值进行检测分析。
5.如权利要求1所述的一种基于发热量数值调控的卷烟配方设计方法，其特征在于，以维持现有配方的成分不变，包括总糖、还原糖、烟碱、氯、钾、总氮、pH等，通过列举法在库存片烟样本中找出与现有配方相同数目的片烟组成新配方，并根据各新配方发热量数值的大小进行排序。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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