王建民，常冰冰，楊洋，王東飛，代存迪，李歡

1 鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，鄭州市高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)科學大道136號 450001；

2 貴州中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，貴陽市小河區(qū)開發(fā)大道96號 550009

打葉復烤是優(yōu)質片煙原料生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)，也是卷煙生產(chǎn)的基礎[1]。復烤過程中隨著溫度的變化和水分的散失，煙片物理質量、化學成分、香味成分和感官質量等均會明顯改變[2-6]，進而影響成品片煙質量及其穩(wěn)定性。復烤過程中由于溫度、水分的急劇變化，煙片細胞組織發(fā)生收縮會導致大小和形狀改變，即復烤后煙片會產(chǎn)生皺縮[7-9]。皺縮嚴重時會導致復烤后片煙的大中片率顯著降低，為此，2010版《煙葉打葉復烤工藝規(guī)范》（YC/T 146—2010）提出用烤后大中片率降低表征皺縮率，并提出了上等煙＜4%、中等煙＜5%、下等煙＜6%[10]的要求?？梢?，控制煙片皺縮是片煙復烤工藝應關注的主要內容之一。近年來，圍繞煙片皺縮現(xiàn)象已經(jīng)開展了一些研究，主要包括皺縮率檢測、表征方法及影響因素等方面。朱文魁等[11]建立了一種機器視覺結合數(shù)字圖像技術檢測片煙收縮率的方法，該方法主要通過片煙面積降低比率表征片煙干燥過程中的收縮特性，原理類似大中片率降低。基于上述表征方法，王斌、周雪娟[12-17]等研究了影響煙片皺縮率的因素，結果表明復烤干燥方式、復烤溫度、葉中含梗率、回潮區(qū)蒸汽壓力和蒸汽量等因素均會影響皺縮率。

已有報道主要是從加工技術層面開展研究，隨著配方打葉復烤技術的普及，提高模塊內煙葉原料皺縮特性的一致性對片煙均質化加工同樣具有重要意義，目前關于不同煙葉原料自身皺縮特性間的差異性及其對烤后煙片皺縮率的影響未見研究報道。已有方法主要是基于實際復烤后批量煙片尺寸或面積的變化表征皺縮率的，用于評價不同煙片皺縮特性時存在以下不足：（1）無法區(qū)分煙片皺縮與卷曲效應引起的尺寸或面積變化；（2）評價結果受烤前煙片結構、復烤方式、復烤溫度等因素的影響較大，難以從本質上區(qū)分不同煙葉原料皺縮特性的差異性。為此，本文建立了一種可以控制卷曲效應的煙片皺縮率檢測方法，并通過煙片尺寸、形狀和復烤溫度優(yōu)化確定了測量條件。由于控制了卷曲效應和干燥條件的影響，因此可以實現(xiàn)不同煙葉間皺縮率的差異性分析，為煙葉原料皺縮特性的精準評價提供支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

煙葉樣品為33種初烤后煙葉（貴州中煙工業(yè)有限責任公司提供），包括11個產(chǎn)地、3個部位。

主要儀器包括：圖像采集箱（自制）；KBF240恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；DHG-9145A型電熱鼓風干燥箱（上海一恒公司）；佳能EOS70D數(shù)碼相機；打孔器（自制）；網(wǎng)孔蓋板（自制）。

1.2 實驗方法

1.2.1 皺縮率測定原理、方法及步驟

煙片在復烤干燥過程中，細胞因高溫脫水產(chǎn)生收縮，進而造成煙片面積減小，即為煙片皺縮。本方法通過模擬煙片干燥過程、并利用煙片干燥前后的面積變化率表征皺縮率。為減小人工測定煙葉面積時的誤差，采用數(shù)碼相機獲取干燥前、后煙片圖像，利用Photoshop軟件分析、計算煙片面積。測定步驟包括樣品準備、圖像采集、圖像處理和計算皺縮率四個部分。

（1）樣品準備。參照文獻[18]的方法，分別選取完整煙葉12片，分成3組，沿著每片煙葉的葉尖、葉中和葉基部等距離取5個點，用一定形狀和尺寸的打孔器打出5個小片后，放置在兩塊平整的木板中間壓平煙片，將煙片放入溫度（22±1）℃、相對濕度（66±2）%的恒溫恒濕箱中平衡48 h，使其初始含水率達到17%～18%。

（2）圖像采集。將平衡后的煙片逐片放在圖像采集箱內，使用數(shù)碼相機自上而下垂直拍照，獲取干燥前圖像；將圖像采集完成的煙片依次按順序放在托盤上，上方罩上網(wǎng)孔蓋板，放在設定溫度的烘箱中干燥一定時間，至煙片含水率降至8%～9%時結束干燥，取出托盤待網(wǎng)孔蓋板溫度降至常溫時再逐片將煙片放到圖像采集箱內獲取干燥后圖像。試驗過程中相機位置始終保持不變，相機參數(shù)設定參照文獻[19]建立的方法：感光度400，對焦500，光圈5.6，照明條件為白熾燈，曝光模式選擇AV（光圈優(yōu)先自動曝光），單點伺服對焦。

（3）圖像處理。將獲取的煙片圖像導入到電腦，利用Photoshop軟件的圖像處理功能，在工具欄中選用“魔棒工具”，點擊煙片區(qū)域勾勒出完整煙片輪廓，確定煙片邊緣線，再用“圖像-分析-記錄測量”工具測定煙片的像素面積（計數(shù)1），分別依次記錄干燥前、后圖像的像素面積S1、S2。

（4）計算皺縮率。每個小片的皺縮率根據(jù)圖像處理軟件測得的干燥前、后煙片的像素面積，按照公式1計算皺縮率。取4片煙葉共20個小片的皺縮率平均值作為一次測量的皺縮率，取3次測量的平均值作為最終測定結果。

式中，Z-皺縮率（%）；S1-烤前煙片面積（像素）；S2-烤后煙片面積（像素）。

1.2.2 網(wǎng)孔蓋板試驗

由于在實際復烤過程中，煙片會出現(xiàn)折疊、翹角、翻邊等彎曲現(xiàn)象，導致烤后煙片面積急劇減小，進而造成測得的煙片皺縮率偏大，但此皺縮率更多的是由煙片的彎曲皺縮產(chǎn)生的，而非煙片自身的純皺縮。為有效測得煙片的純皺縮，通過選用網(wǎng)孔蓋板控制煙片在烘烤干燥過程中不出現(xiàn)彎曲，以消除彎曲現(xiàn)象對測量結果的影響。本試驗選擇30 mm圓形煙片作為研究對象，分為兩組，一組有網(wǎng)孔蓋板、另一組無網(wǎng)孔蓋板，烘烤干燥條件設定為80℃烘烤5 min，試驗樣品為福建永安B2F、C3F、X2F煙葉。

1.2.3 測量條件優(yōu)化試驗

根據(jù)文獻[11, 12, 17]可知，復烤溫度對烤后煙片的卷曲程度和收縮程度影響較大，另外，前期預研結果表明，煙片尺寸和形狀也會影響其皺縮率。因此，在1.2.1所述方法的基礎上，選擇煙片尺寸（A）、形狀（B）和干燥溫度（C）為試驗因素，以皺縮率為望大型試驗指標，通過三因素三水平正交試驗優(yōu)化測量條件。因素水平見表1，試驗樣品為貴州黔南B2F煙葉。

需要指出的是，實際復烤時要求皺縮率越低越好，在此將其作為望大型指標進行測量條件優(yōu)化，是希望提高測量方法的靈敏度，將煙葉的皺縮特性充分展現(xiàn)出來，以便于開展不同煙葉間的差異性分析。

表1 正交試驗因素水平表Tab. 1 Table of factor levels of orthogonal test

1.2.4 不同煙葉皺縮率差異性分析試驗

按照所建立的測量方法測定33種初烤后煙葉樣品的皺縮率，對比分析不同產(chǎn)地、部位煙葉之間的差異性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

圖像處理軟件為Adobe Photoshop CC 2015；數(shù)據(jù)處理與分析軟件為Spss 22.0。運用多因素方差分析對正交試驗結果和驗證試驗結果進行統(tǒng)計分析。

2 結果

2.1 煙片皺縮率測定方法研究

2.1.1 網(wǎng)孔蓋板對煙片皺縮率的影響

表2所示為福建永安B2F、C3F、X2F煙葉在有、無網(wǎng)孔蓋板條件下測得的煙片皺縮率。從皺縮率平均值分析，無網(wǎng)孔蓋板條件下測得的三個部位的皺縮率均整體偏大，結合圖1復烤前后煙片圖像來看，無網(wǎng)孔蓋板條件下烤后煙片普遍出現(xiàn)了明顯彎曲現(xiàn)象，而在有網(wǎng)孔蓋板條件下烤后煙片未出現(xiàn)明顯彎曲現(xiàn)象，說明烤后煙片彎曲程度是造成皺縮率產(chǎn)生差異的主要原因。從相對標準偏差統(tǒng)計結果分析，無網(wǎng)孔蓋板條件下三個部位的相對標準偏差均明顯大于有網(wǎng)孔蓋板條件，說明在不加網(wǎng)孔蓋板時，煙片烤后產(chǎn)生的彎曲皺縮具有不確定性，造成煙片彎曲皺縮差異較大，而通過加網(wǎng)孔蓋板可以有效消除彎曲皺縮引起的不確定性，進而保證數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。

綜上所述，煙片烤后皺縮包括純皺縮和彎曲皺縮兩部分，加蓋網(wǎng)孔蓋板控制彎曲皺縮后可以較準確地測得其純皺縮，并提高測定結果的相對標準偏差。

表2 網(wǎng)孔蓋板試驗結果Tab. 2 Test results with and without mesh cover plates

圖1（a） 無網(wǎng)孔蓋板干燥前后煙片圖像（以福建永安C3F第一組為例）Fig.1(a) Images of tobacco flakes before and after drying without mesh cover (taking the first group of Fujian Yongan C3F as an example)

圖1（b） 有網(wǎng)孔蓋板干燥前后煙片圖像（以福建永安C3F第一組為例）Fig.1(b) Images of tobacco flakes before and after drying with a mesh cover (taking the first group of Fujian Yongan C3F as an example)

2.1.2 煙片皺縮率測定條件優(yōu)化研究

在1.2.1所述方法的基礎上，以貴州黔南B2F煙葉為對象，以皺縮率為望大型試驗指標，煙片尺寸、形狀和干燥溫度為試驗因素，采用正交設計方法對測量條件進行了優(yōu)化研究。正交試驗及其極差分析、方差分析結果如表3、表4所示。隨著測量條件的變化，皺縮率均值在6.15%～8.17%之間變化，變化率為32.8%，可見測量條件會明顯影響測量結果。極差及方差分析結果表明，三個因素對皺縮率測量結果影響的主次順序為溫度＞尺寸＞形狀，其中尺寸和溫度對皺縮率的影響均達到了極顯著性水平，形狀的影響不顯著。相對標準偏差介于1.92%～10.28%之間，且方差分析結果表明尺寸、形狀和溫度三個因素對相對標準偏差影響均不顯著（P值分別為0.594、0.584、0.409），說明測量條件對試驗結果的重復性影響較小，確定測量條件時只需要考慮皺縮率均值。由表3中K值可知，皺縮率隨測量溫度升高而增大、隨煙片尺寸增加先升高后降低，圓形煙片的皺縮率最大、三角形最小。綜合正交試驗結果可知，尺寸、形狀和溫度的組合為30 mm、圓形和80℃時，測得的煙片皺縮率最大。

表3 正交試驗極差分析表Tab. 3 Analysis of extreme differences of orthogonal tests

表4 正交試驗皺縮率方差分析表Tab. 4 ANOVA table of shrinkage rate in orthogonal tests

按照優(yōu)化后的條件重新測定貴州黔南B2F的皺縮率，結果見表5，平均皺縮率為8.35%、相對標準偏差為5.75%。平均皺縮率高于正交試驗中的最大值（8.17%），說明按此條件測定時能充分展現(xiàn)煙葉的皺縮特性、重復性好。

2.2 部分產(chǎn)地、部位煙葉皺縮特性的差異性分析

運用所建方法對11個產(chǎn)地、3個部位共33種煙葉的皺縮率進行了測定，結果見表5，皺縮率介于5.42%～8.81%之間，平均皺縮率為7.06%，相對標準偏差介于0.64%～12.74%，其中32種煙葉的相對標準偏差小于10%，進一步說明測定方法的重復性較好。

對表5試驗結果進行雙因素等重復試驗方差分析，結果見表6，產(chǎn)地、部位間的皺縮率差異均達到了極顯著水平，且不同部位間煙葉皺縮率表現(xiàn)為上部＞中部＞下部的規(guī)律性（圖2）。大量研究表明，隨著著生部位變化煙葉的組織結構、化學組成會呈現(xiàn)規(guī)律性變化趨勢，如隨著部位升高葉片厚度、密度[20]增加，總植物堿[21]、總氮[22]含量升高等，與之相對應的是，煙葉的許多物理特性如吸濕性[23]、韌性[24]、填充性[25]、燃燒性等[26]也會隨著部位的變化呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，因此，通常認為不同部位煙葉間諸多物理特性的差異，本質上由其組織結構和化學成分所決定，或者說是煙葉組織結構、化學組成差異化的不同表現(xiàn)形式。煙片皺縮率在部位間的變化趨勢與煙片厚度、密度以及總植物堿、總氮含量的變化趨勢一致，由此可以推斷皺縮特性也是煙葉的一項固有物理特性，且與煙葉的組織結構和化學組成有關。至于皺縮特性與各項組織結構、化學成分指標間的定性定量關系則有待進一步研究，而皺縮率的精準測定則為此奠定了一個良好的基礎。

圖2 初烤后煙葉皺縮率變化規(guī)律Fig.2 Variation pattern of shrinkage rate of tobacco leave after initial roasting

表5 33種初烤后煙葉皺縮率測定結果Tab. 5 Test results of the shrinkage rate of tobacco leaves after initial roasting for 33 species

表6 多因素方差分析結果Tab. 6 Multi-factor ANOVA results

3 結論

（1）建立了一種基于圖像處理技術的煙片皺縮率測定方法。即將煙葉制備成一定初始含水率、形狀和尺寸的煙片，在一定溫度下將煙片干燥至規(guī)定的含水率后，借助圖像處理技術測定煙片面積降低率，并以此表征皺縮率。此外，利用網(wǎng)孔蓋板可以控制煙片卷曲現(xiàn)象，提高測量結果的準確度和重復性。

（2）通過正交試驗研究了煙片尺寸、形狀和干燥溫度對皺縮率的影響，結果表明，煙片尺寸和干燥溫度對皺縮率有極顯著影響。隨干燥溫度升高皺縮率增大，隨煙片尺寸增大皺縮率先升高后降低。最優(yōu)測量條件為直徑30 mm的圓形煙片、干燥溫度80℃。

（3）皺縮特性是煙片的固有特性，在煙葉產(chǎn)地、部位間存在極顯著差異性，整體變化規(guī)律為上部＞中部＞下部。