利用煙絲含簽率檢測(cè)儀研究加工工藝對(duì)煙支含簽率的影響

江 威 張國(guó)智 馮志斌 李 斌 官衛(wèi)東 鄺穎琪 簡(jiǎn)慶龍

（1.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣東 廣州 510145；2.鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001）

煙葉中的梗和葉脈在煙草加工中會(huì)變成梗簽［1］。梗簽較為剛硬容易造成煙支中煙絲填充松緊不均勻、卷煙紙被刺穿［2］，使煙支加工質(zhì)量的穩(wěn)定性下降，而且含有梗簽的煙支燃燒時(shí)容易出現(xiàn)爆開(kāi)或者熄火的現(xiàn)象［3］，影響抽吸品質(zhì)，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)，所以降低煙支中的梗簽含量一直是卷煙工藝研究的重要課題。以往測(cè)定煙支中的梗簽含量完全依靠檢驗(yàn)員的目測(cè)和手工挑選，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力而且準(zhǔn)確性差。為此，鄭州煙草研究院與廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司共同研發(fā)煙絲含簽率測(cè)試儀，以解決這一難題，并且還利用該儀器進(jìn)一步研究加工工藝對(duì)煙支含簽率的影響，為增強(qiáng)香煙這種特殊食品的安全性［4－6］、減少梗簽提供了技術(shù)方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

廣州卷煙廠某牌號(hào)煙絲、煙支。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

電子天平：BS224S型，德國(guó)Sartorius公司；

煙絲含簽率檢測(cè)儀：ZD-S/AT型，北京力博信科貿(mào)有限公司。

1.2 檢測(cè)方法

煙絲含簽率檢測(cè)儀主要由中心管流化室、外管流化室、打孔的錐形分隔板、旋轉(zhuǎn)下料器、風(fēng)機(jī)組成，如圖1所示。煙絲含簽率檢測(cè)儀的中心管流化室的氣速設(shè)置為4.8m/s，外管內(nèi)的氣速設(shè)置為1.2m/s，煙絲樣品稱量后，由外管流化室頂部倒入，煙絲落入到中心管與錐形分隔板的接口處時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的鼓泡流化現(xiàn)象。煙絲中的梗簽表觀密度大，梗簽懸浮速度為5.0～5.5m/s，大于煙絲2.0～2.3m/s的懸浮速度，因而在中心管處梗簽會(huì)緩慢落下，而煙絲無(wú)法從中心管下落，實(shí)現(xiàn)了梗簽、煙絲的分離，分離出的梗簽經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)下料器落入到電子天平的托盤(pán)上。利用式（1）計(jì)算煙絲樣品中的梗簽含量。

式中：

X——煙絲含簽率，%；

m1——分離后梗簽質(zhì)量，g；

m2——分離后煙絲質(zhì)量，g。

圖1 梗簽含絲率測(cè)定儀示意圖Figure 1 Sliver content measuring device structure diagram

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 含簽率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響 手工制備含簽率為1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%，9%，10% 的 煙 支 樣 品，每 包香煙的煙絲重量在11.6～12.1g，所以以12g為取樣測(cè)試量，用煙絲含簽率檢測(cè)儀檢測(cè)含簽率。

1.3.2 不同煙絲重量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響 手工制備含簽率為2%的煙絲樣品，取樣測(cè)試量分別設(shè)定為12，24，36，48，60，72，84，96，108，120g，用煙絲含簽率檢測(cè)儀檢測(cè)不同煙絲重量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

1.3.3 煙葉中的煙梗含量與煙絲含簽率的關(guān)系 選取常用的10種配方煙葉，手工撕下煙葉的梗和葉脈，并稱重，計(jì)算煙葉中的含梗率。然后將煙葉不經(jīng)過(guò)剔梗簽設(shè)備采用正常工藝加工成煙絲，直接用煙絲含簽率測(cè)定儀檢測(cè)煙絲中的含簽率，每個(gè)煙絲樣品測(cè)30次。

1.3.4 葉絲風(fēng)選機(jī)的進(jìn)料皮帶速度、進(jìn)風(fēng)口擋板角度、排風(fēng)口擋板角度與煙支含簽率的關(guān)系 卷煙廠現(xiàn)行的剔梗簽設(shè)備主要是葉絲風(fēng)選機(jī)［7］、VAS流化床，另外卷煙機(jī)自帶的剔梗系統(tǒng)也有很強(qiáng)的剔梗能力。葉絲風(fēng)選機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)料皮帶速度、進(jìn)風(fēng)口擋板角度、排風(fēng)口擋板角度來(lái)控制煙絲的含簽率和剔除梗簽物重量。試驗(yàn)測(cè)定葉絲風(fēng)選機(jī)的進(jìn)料皮帶最高速度為3.248m/s，速度降至1.642m/s時(shí)大量煙絲被剔除出來(lái)造成浪費(fèi)，所以實(shí)際調(diào)節(jié)范圍設(shè)定在1.642～3.248m/s。進(jìn)風(fēng)口擋板角度90°時(shí)（以水平為基準(zhǔn)）風(fēng)口開(kāi)度最大，0°時(shí)最小。排風(fēng)口擋板角度90°時(shí)風(fēng)口開(kāi)度最小，0°時(shí)最大。采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的Box-Behnken設(shè)計(jì)方法，以進(jìn)料皮帶速度、進(jìn)風(fēng)口擋板角度、排風(fēng)口擋板角度為因子，以煙支含簽率為響應(yīng)變量，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。

1.3.5 VAS流化床進(jìn)風(fēng)蝶閥角度、排風(fēng)蝶閥角度與煙支含簽率的關(guān)系 VAS流化床設(shè)備內(nèi)有V型的流化床通道將煙絲流化、懸浮輸送，梗簽由于密度大落下而被分離剔除。VAS流化床設(shè)備通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)蝶閥角度、排風(fēng)蝶閥角度來(lái)控制流化床內(nèi)的氣速大小，從而控制煙絲的含簽率和剔除梗簽物重量。采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的中心復(fù)合有界設(shè)計(jì)方法，以進(jìn)風(fēng)蝶閥角度、排風(fēng)蝶閥角度為因子，以煙支含簽率為響應(yīng)變量，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。

1.3.6 卷煙機(jī)剔梗系統(tǒng)的梗導(dǎo)向板高度、二次風(fēng)選節(jié)流風(fēng)門(mén)開(kāi)度與煙支含梗簽率的關(guān)系 PROTSO-70卷煙機(jī)的VE部分，喂料裝置后部裝有剔梗系統(tǒng)，剔梗系統(tǒng)有梗絲分離裝置與二次風(fēng)選裝置構(gòu)成，梗絲分離裝置通過(guò)調(diào)節(jié)噴吹空氣的壓力和導(dǎo)向板高度來(lái)控制剔除梗簽量，二次風(fēng)選裝置是將梗絲分離裝置送來(lái)的梗簽物進(jìn)行風(fēng)選以回收梗簽物中的部分煙絲。梗絲分離裝置的噴吹空氣壓力對(duì)煙支重量的穩(wěn)定性影響很大，所以設(shè)置在1.2kPa左右不作調(diào)整。采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的中心復(fù)合有界設(shè)計(jì)方法，以梗導(dǎo)向板高度、二次風(fēng)選裝置風(fēng)門(mén)開(kāi)度為因子，以煙支含簽率為響應(yīng)變量，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，分析卷煙機(jī)對(duì)煙支含簽率的影響。其中，導(dǎo)向板高度是指梗導(dǎo)向板上邊緣和調(diào)節(jié)螺母之間的間距。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Minitab分析軟件對(duì)響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到因子與響應(yīng)變量的回歸方程。

2 結(jié)果與討論

2.1 含簽率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

由表1可知，含簽率增加時(shí)，檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差總體上有降低的趨勢(shì)。圖2為理論含簽率與實(shí)際檢測(cè)值的線性回歸圖，回歸曲線相關(guān)系數(shù)R＝0.998，說(shuō)明該檢測(cè)方法可以較好的表征含簽率的變化。

表1 不同含簽量樣品的檢測(cè)結(jié)果Table 1 The effect of sliver content on testing value

圖2 相同重量樣品的理論含簽率與實(shí)際檢測(cè)值之間的關(guān)系Figure 2 Relationship of theoretical calculation and testing value of sliver content for the same mass sample

2.2 煙絲重量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

由表2可知，隨著試驗(yàn)測(cè)試樣品重量的增大，標(biāo)準(zhǔn)偏差總體上有增大的趨勢(shì)，絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差絕對(duì)值也有增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)椋瑹熃z含簽率檢測(cè)儀的中心管直徑只有100mm，煙絲樣品重量越大，在中心管附近的煙絲堆積越厚，流化狀態(tài)越差，梗簽越容易包裹在煙絲中無(wú)法分離出來(lái)。所以，檢測(cè)量宜選擇在12g附近，不宜超過(guò)20g。

表2 煙絲重量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響Table 2 The effect of sample mass on testing value

2.3 煙葉中的煙梗含量與煙絲含簽率的關(guān)系

煙葉中的含梗率與煙絲含簽率的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煙葉中的含梗率與煙絲含簽率的檢測(cè)結(jié)果Table 3 Testing value of stem content in laminar and sliver content in cut tobacco /%

對(duì)煙葉含梗率與煙絲含簽率進(jìn)行回歸分析，見(jiàn)圖3，回歸曲線相關(guān)系數(shù)R＝0.981，說(shuō)明未經(jīng)過(guò)剔梗簽工序時(shí)煙葉含梗率與煙絲含簽率高度線性正相關(guān)。

圖3 煙葉含梗率與煙絲含簽率的關(guān)系Figure 3 The relationship of stem content in laminar and sliver content in cut tobacco

2.4 葉絲風(fēng)選機(jī)的進(jìn)料皮帶速度、進(jìn)風(fēng)口擋板角度、排風(fēng)口擋板角度與煙支含簽率的關(guān)系

采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的Box-Behnken設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)因素水平編碼表見(jiàn)表4，結(jié)果見(jiàn)表5。

利用MINITAB對(duì)表5的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得到煙支含簽率與各因子的回歸方程：

由表6可知，回歸項(xiàng)的P值為0.000 1，小于0.05，可以判定回歸方程是有效的。交互作用的P值為0.000 6，表明進(jìn)料皮帶速度、進(jìn)風(fēng)口擋板角度、排風(fēng)口擋板角度的交互作用對(duì)煙支含簽率的影響是顯著的。

由圖4、5可知，進(jìn)風(fēng)檔板角度越大，排風(fēng)擋板角度越大，皮帶速度越低，煙支含簽率就越低；3個(gè)因子對(duì)煙支含簽率的影響幅度上，進(jìn)風(fēng)檔板角度與排風(fēng)擋板角度相同，都比皮帶速度大。

表4 因素水平編碼表Table 4 Factor levels coding table

表5 進(jìn)料皮帶速度、進(jìn)風(fēng)口擋板角度、排風(fēng)口擋板角度對(duì)煙支含簽率的影響Table 5 The effect of belt velocity，inlet air valve and outlet air valve on sliver content

表6 進(jìn)料皮帶速度、進(jìn)風(fēng)口擋板角度、排風(fēng)口擋板角度對(duì)煙支含簽率的方差分析Table 6 Variance analysis of the effect of belt velocity，inlet air valve and outlet air valve

圖4 進(jìn)風(fēng)檔板角度、排風(fēng)擋板角度對(duì)煙支含簽率的響應(yīng)曲面圖Figure 4 The responsive surface graphs of slope of inlet air valve and outlet air valve for slicer content

圖5 皮帶速度、排風(fēng)擋板角度對(duì)煙支含簽率的響應(yīng)曲面圖Figure 5 The responsive surface graphs of belt velocity and slop of outlet air valve for slicer content

2.5 VAS流化床進(jìn)風(fēng)蝶閥角度、排風(fēng)蝶閥角度與煙支含簽率的關(guān)系

采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的中心復(fù)合有界設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)因素水平編碼表見(jiàn)表7，結(jié)果見(jiàn)表8。

利用MINITAB對(duì)表8的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得到煙支含簽率與VAS流化床進(jìn)風(fēng)蝶閥角度、排風(fēng)蝶閥角度的回歸方程：

由表9可知，回歸項(xiàng)的P值為0.0001小于0.05，可以判定回歸方程是有效的。交互作用的P值為0.041，小于0.05，可以判定進(jìn)風(fēng)蝶閥角度、排風(fēng)蝶閥角度交互作用對(duì)煙支含梗簽率的影響是顯著的。

由圖6可知，排風(fēng)蝶閥角度、進(jìn)風(fēng)蝶閥角度變大時(shí)，煙支含簽率都是先減小、后增大的，而且兩個(gè)因子對(duì)煙支含簽率影響幅度相同。利用MINITAB的響應(yīng)優(yōu)化功能還可以求出排風(fēng)蝶閥角度、進(jìn)風(fēng)蝶閥角度分別為71.82，53.64°時(shí)，煙支含簽率達(dá)到最小值。試驗(yàn)測(cè)得排風(fēng)蝶閥角度、進(jìn)風(fēng)蝶閥角度分別為72，54°時(shí)，煙支含簽率為0.48%比表8中的含簽率都小，說(shuō)明響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

表7 因素水平編碼表Table 7 Factor levels coding table /°

表8 VAS流化床進(jìn)風(fēng)蝶閥角度、排風(fēng)蝶閥角度與煙支含簽率的關(guān)系Table 8 The effect of slope of inlet air valve and outlet air valve of VAS fluidized bed on sliver content

表9 VAS流化床進(jìn)風(fēng)蝶閥角度、排風(fēng)蝶閥角度對(duì)煙支含簽率的方差分析Table 9 Variance analysis of the effect of inlet air valve and outlet air valve of VAS fluidized bed

2.6 卷煙機(jī)剔梗系統(tǒng)的梗導(dǎo)向板高度、二次風(fēng)選節(jié)流風(fēng)門(mén)開(kāi)度與煙支含簽率的關(guān)系

試驗(yàn)因素水平編碼表見(jiàn)表10，結(jié)果見(jiàn)表11。

圖6 VAS流化床進(jìn)風(fēng)蝶閥角度、排風(fēng)蝶閥角度對(duì)煙支含簽率的影響Figure 6 The responsive surface graphs of slope of inlet air valve and outlet air valve of VAS fluidized bed for sliver content

表10 因素水平編碼表Table 10 Factor levels coding table

利用MINITAB對(duì)表11的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得到煙支含簽率與各影響因子的回歸方程：

由表12可知，回歸項(xiàng)的P值為0.000 1，可以判定回歸方程是有效的，交互作用的P值為0.179 3，比0.05大，表明梗導(dǎo)向板高度與二次風(fēng)選節(jié)流風(fēng)門(mén)的交互作用對(duì)煙支含簽率的影響不是很顯著。

由圖7可知，導(dǎo)向板高度越大，二次節(jié)流風(fēng)門(mén)開(kāi)度越大，煙支含簽率就越低，而且導(dǎo)向板高度對(duì)煙支含簽率的影響幅度比二次節(jié)流風(fēng)門(mén)開(kāi)度大得多。

表11 梗導(dǎo)向板高度、二次風(fēng)選節(jié)流風(fēng)門(mén)開(kāi)度與煙支含簽率的關(guān)系Table 11 The effect of stem guide plate height and reselect stem unit opening on sliver content

表12 梗導(dǎo)向板高度、二次風(fēng)選節(jié)流風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)煙支含簽率的方差分析Table 1 Variance analysis of the effect of stem guide plate height and re-select stem unit opening

圖7 梗導(dǎo)向板高度、二次風(fēng)選節(jié)流風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)煙支含簽率的影響Figure 7 The responsive surface graphs of height of stem guide plate and re-select stem unit opening for sliver content

3 結(jié)論

（1）檢測(cè)量為12g煙絲時(shí)，隨著含簽率增加相對(duì)誤差總體上有降低的趨勢(shì)；為保證測(cè)試精度，檢測(cè)量宜選擇在12～20g，不宜超過(guò)20g。

（2）煙絲中的梗簽來(lái)自配方煙葉的梗和葉脈，未經(jīng)過(guò)剔梗工序時(shí)煙葉含梗率與煙絲含簽率高度線性正相關(guān)。

（3）煙草加工中，葉絲風(fēng)選機(jī)、VAS流化床、卷煙機(jī)均具有較強(qiáng)的剔梗能力。葉絲風(fēng)選機(jī)的進(jìn)風(fēng)檔板角度越大、排風(fēng)擋板角度越大、皮帶速度越低，煙支含簽率越低，3個(gè)因子對(duì)煙支含簽率的影響幅度上，進(jìn)風(fēng)檔板角度與排風(fēng)擋板角度相同，都比皮帶速度大。VAS流化床的排風(fēng)蝶閥角度、進(jìn)風(fēng)蝶閥角度變大時(shí)，煙支含簽率都是先減小、后增大，排風(fēng)蝶閥角度、進(jìn)風(fēng)蝶閥角度分別為71.82，53.64°時(shí)，煙支含簽率達(dá)到最小值。卷煙機(jī)導(dǎo)向板高度越大，二次節(jié)流風(fēng)門(mén)開(kāi)度越大，煙支含簽率越低，而且導(dǎo)向板高度對(duì)煙支含簽率的影響幅度比二次節(jié)流風(fēng)門(mén)開(kāi)度大得多。

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