煙絲加工過程中的破碎規(guī)律研究

武云杰，劉 歡，王瑞珍，王浩宇，孫 覓，鄭 聰，吳劍平，周建軍，田斌強(qiáng)，李春光

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450046；2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450016；3.福建省煙草公司南平市煙草公司浦城分公司，福建 南平 353400）

卷煙加工工藝技術(shù)的提升是中式卷煙發(fā)展的關(guān)鍵[1]，制絲是卷煙生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，制絲加工水平的高低直接關(guān)系到卷煙產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，對(duì)保證卷煙穩(wěn)定性及在生產(chǎn)制作過程中的降耗都起著至關(guān)重要的作用[2]。煙絲在加工過程中不可避免要產(chǎn)生破碎，破碎會(huì)引起煙絲結(jié)構(gòu)的變化，而煙絲結(jié)構(gòu)的改變直接影響著卷煙質(zhì)量，與煙絲填充值、卷煙質(zhì)量和感官質(zhì)量有密切聯(lián)系[3-4]。有研究表明，煙絲結(jié)構(gòu)分布為2.00～4.75 mm 時(shí)可獲得較理想的卷煙物理指標(biāo)及其穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減少小于1.40 mm 的煙絲比例[5]；也有研究認(rèn)為，煙絲整絲率為82%左右，煙絲長(zhǎng)、中絲比例為4∶1 時(shí)，卷制后煙支的總體質(zhì)量及穩(wěn)定性最佳[6]。此外，除了煙絲的長(zhǎng)度尺寸差異外，隨著近年來(lái)細(xì)支卷煙和中支卷煙的發(fā)展，切絲寬度對(duì)造碎和卷煙質(zhì)量的影響也成為研究的焦點(diǎn)[7-8]。隨著切絲寬度的減小，煙絲抗破碎性降低，碎絲率會(huì)相應(yīng)增加，并最終影響卷接質(zhì)量和煙氣釋放[9-10]。煙絲特征尺寸越大其破碎度越低，但特征尺寸過大對(duì)卷煙品質(zhì)也會(huì)造成不利影響，應(yīng)當(dāng)根據(jù)切絲寬度的需求，將煙絲的特征尺寸和長(zhǎng)絲率控制在適宜的范圍，提升中、短絲率和均勻性，能夠提高卷煙主要物理指標(biāo)的穩(wěn)定性[11-12]。因此，煙絲破碎未必一定是造碎，要根據(jù)煙絲的耐加工特性，結(jié)合適宜的加工工藝實(shí)現(xiàn)煙絲結(jié)構(gòu)的調(diào)控，減少造碎。煙絲加工過程中主要經(jīng)過滾筒、流態(tài)化輸送和機(jī)械輸送等過程，煙絲處在不同的加工階段其耐加工特性存在較大的差異[13-15]，煙絲的耐加工特性與煙絲結(jié)構(gòu)、寬度、加工過程中的溫度和水分密切相關(guān)，制絲加工過程中不同工序間煙絲的溫度、水分及受力方式的差異是影響煙絲破碎的主要因素[16-18]。但已有的研究多在于對(duì)煙絲整絲率和碎絲率的關(guān)注，或針對(duì)單一工序開展工藝優(yōu)化研究，對(duì)不同切絲寬度的煙絲加工過程中破碎規(guī)律的研究尚未見報(bào)道。為此，設(shè)計(jì)不同切絲寬度和尺寸的煙絲，對(duì)制絲環(huán)節(jié)的關(guān)鍵工序進(jìn)行煙絲結(jié)構(gòu)變化的研究，明確煙絲的破碎規(guī)律，旨在為煙絲加工環(huán)節(jié)進(jìn)一步優(yōu)化煙絲結(jié)構(gòu)和降低消耗，實(shí)現(xiàn)制絲工藝提質(zhì)增效提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

試驗(yàn)材料為2019年四川攀枝花C3F片煙。

儀器設(shè)備包括ZD-T25 型煙絲篩分儀（德國(guó)Haver&Boecker公司）、PL203電子天平（感量0.001 g，瑞士MettleToledo 公司）、恒溫恒濕箱（PR-3K 型，日本ESPEC 公司）、烘箱（DHG-9623 型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將片煙分別制成1.0 mm 寬度煙絲（S1）和0.8 mm 寬度煙絲（S3），再分別將一部分煙絲通過斷絲設(shè)備制成1.0 mm 寬度斷絲的煙絲（S2）和0.8 mm寬度斷絲的煙絲（S4）。將4個(gè)煙絲樣品分別在中試車間開展?jié)L筒加工、流態(tài)化和機(jī)械輸送等過程加工。各尺寸煙絲加工前取樣（T0），并分別在皮帶提升后（T1）、滾筒干燥前（T2）、滾筒干燥后（T3）、振動(dòng)篩分后（T4）、風(fēng)選后（T5）、定量喂料后（T6）、振動(dòng)篩分后（T7）、加香提升后（T8）、加香振篩后（T9）、加香滾筒后（T10）、振動(dòng)篩分后（T11）、儲(chǔ)絲出柜后（T12）和風(fēng)送后（T13）取樣，各選取1 kg 煙絲，重復(fù)3 次。用ZD-T 25 型煙絲篩分儀測(cè)試煙絲結(jié)構(gòu)，篩網(wǎng)孔徑分別為7.10、4.50、3.35、2.00、1.25、1.00 mm。參照YCT/T 351—2010《卷制過程煙絲破碎度的測(cè)定》中的方法分析煙絲結(jié)構(gòu)分布情況，計(jì)算煙絲特征尺寸和破碎度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2016、SPSS 23.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 加工過程中煙絲結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律

由圖1 可知，制絲加工過程對(duì)S1（1.0 mm 寬度煙絲）破碎后煙絲結(jié)構(gòu)影響較大，主要表現(xiàn)為隨著加工的進(jìn)行，＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低；4.50～7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)在第一次提升后（T1）升高，之后開始下降；3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較大，其中1.0 mm 寬度煙絲在定量喂料后（T6）達(dá)到最高，之后開始下降；2.00～3.35 mm、1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)則表現(xiàn)為不斷升高。

圖1 制絲加工過程對(duì)S1規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響Fig.1 The influence of cut tobacco processing on the structure of S1 size cut tobacco

以前1 個(gè)工序取樣的煙絲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，計(jì)算2個(gè)連續(xù)取樣點(diǎn)各尺寸煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率（圖2），結(jié)果表明，＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率均表現(xiàn)為負(fù)值，T13 與加工前相比，降幅達(dá)到51.31%；T2、T3、T4、T5、T6、T9、T10 的4.50～7.10 mm 煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率也表現(xiàn)為負(fù)值。2 個(gè)滾筒過程（T3 和T10）的各尺寸煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度均較大，主要表現(xiàn)在＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅增加，增幅分別達(dá)到86.40%和38.68%；其次是皮帶輸送過程（T2 和T6）和振動(dòng)篩分過程（T7 和T11），特別是在葉絲干燥（T3）以后，煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率升高。

由圖3 可知，制絲加工過程對(duì)S2（1.0 mm 寬度斷絲的煙絲）煙絲結(jié)構(gòu)的影響與S1 相比，主要是煙絲尺寸整體降低，煙絲加工對(duì)破碎后S2的煙絲結(jié)構(gòu)影響也較大，主要表現(xiàn)為隨著加工的進(jìn)行，＞7.10 mm的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低；4.50～7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)在T1—T6 變化不大，之后開始下降；3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大，T7 之后開始下降；2.00～3.35 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有升高；1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為不斷升高。

圖3 制絲加工過程對(duì)S2規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 The influence of cut tobacco processing on the structure of S2 size cut tobacco

由圖4 可知，＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率均表現(xiàn)為負(fù)值，與加工前相比，T13 降幅達(dá)到51.11%；T3 及T5—T12 的4.50～7.10 mm 煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率表現(xiàn)為負(fù)值；T8—T10及T12的3.35～4.50 mm煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率也表現(xiàn)為負(fù)值。2個(gè)滾筒過程（T3 和T10）的各尺寸煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度均較大，主要表現(xiàn)在＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅增加，增幅分別達(dá)到61.68%和28.80%。

圖4 制絲加工過程對(duì)S2規(guī)格煙絲工序間質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率的影響Fig.4 The influence of cut tobacco processing on the mass fraction change rate between processes of S2 size cut tobacco

由圖5 可知，制絲加工過程對(duì)S3（0.8 mm 寬度煙絲）破碎后煙絲結(jié)構(gòu)影響較大，主要表現(xiàn)為隨著加工的進(jìn)行，＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低；4.50～7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高，在T10 之后下降；3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)也逐漸升高，在T11 之后下降；2.00～3.35 mm、1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)則表現(xiàn)為不斷升高。

圖5 制絲加工過程對(duì)S3規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 The influence of cut tobacco processing on the structure of S3 size cut tobacco

由圖6 可知，＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率均表現(xiàn)為負(fù)值，與加工前相比，T13 降幅達(dá)到60.70%；T5、T6、T11、T12 的4.50～7.10 mm 煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率也表現(xiàn)為負(fù)值。2 個(gè)滾筒過程（T3 和T10）的各尺寸煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度均較大，主要表現(xiàn)在＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅增加，增幅分別達(dá)到74.78%和41.86%，其次是T5、T1 和T12。與S1 相比，煙絲寬度降低，煙絲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率整體升高。

由圖7 可知，制絲加工過程對(duì)S4（0.8 mm 寬度 斷絲的煙絲）煙絲結(jié)構(gòu)的影響與S3 相比，主要是煙絲尺寸整體降低。煙絲加工對(duì)破碎后S4 的煙絲結(jié)構(gòu)影響較大，主要表現(xiàn)為隨著加工的進(jìn)行，＞7.10 mm的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低；4.50～7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高，在T7 之后下降；3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)也逐漸升高，在T9 之后下降；2.00～3.35 mm、1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)則表現(xiàn)為不斷升高。

圖7 制絲加工過程對(duì)S4規(guī)格煙絲結(jié)構(gòu)的影響Fig.7 The influence of cut tobacco processing on the structure of S4 size cut tobacco

由圖8 可知，＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率均表現(xiàn)為負(fù)值，與加工前相比，T13 降幅達(dá)到76.55%；T10—T12 的4.50～7.10 mm 和3.35～4.50 mm煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化率均表現(xiàn)為負(fù)值。2 個(gè)滾筒過程（T3 和T10）的各尺寸煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度均較大，主要表現(xiàn)在＜1.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅增加，增幅分別達(dá)到53.48%和27.26%，＞7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低了20.38%和24.97%。

2.2 加工過程中煙絲特征尺寸和破碎度的變化規(guī)律

由圖9 可知，S1 的特征尺寸最大，其次是S3，經(jīng)過斷絲處理的S2 和S4 特征尺寸較小，并在加工過程中一致保持該趨勢(shì)。制絲過程中煙絲的特征尺寸持續(xù)降低，特別是在T2—T3 和T9—T10 滾筒過程，煙絲的特征尺寸降低明顯，其次是S1 的T7～T8處理。從不同規(guī)格的煙絲來(lái)看，S1 和S3 的降幅較大，分別達(dá)到1.86 mm 和1.65 mm，S2 和S4 的降幅較小，分別達(dá)到1.09 mm 和1.08 mm。由圖10 可知，隨著加工的進(jìn)行，煙絲的破碎度逐漸升高，與此對(duì)應(yīng)的T2—T3 過程增幅最大，S1—S4 分別提高5.35 百分點(diǎn)、6.00 百分點(diǎn)、5.81 百分點(diǎn)和6.41 百分點(diǎn)，其次是T9—T10 過程，S1—S4 分別提高4.50 百分點(diǎn)、5.52 百分點(diǎn)、5.44 百分點(diǎn)和5.86 百分點(diǎn)。破碎度整體 表 現(xiàn) 為S1＞S3＞S2＞S4，S1 和S3 較 高 分 別 達(dá) 到33.51%和33.39%；S2、S3 和S4 在T1—T3 過程的破碎度相差不大，T4處理以后各規(guī)格間差異逐步增大。

圖9 制絲加工過程對(duì)煙絲特征尺寸的影響Fig.9 The influence of cut tobacco processing on the characteristic size of cut tobacco

圖10 制絲加工過程對(duì)煙絲破碎度的影響Fig.10 The influence of cut tobacco processing on the size breakage degree of cut tobacco

3 結(jié)論與討論

制絲是卷煙生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，減少煙絲在加工過程中的造碎，改善煙絲結(jié)構(gòu)分布，是提高和穩(wěn)定卷煙產(chǎn)品的有效途徑[19]。本研究表明，隨著煙絲加工進(jìn)行，各規(guī)格煙絲不斷破碎，煙絲的特征尺寸降低，破碎度升高。主要表現(xiàn)在＞7.10 mm 和4.50～7.10 mm 等尺寸較長(zhǎng)的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，＜2.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷升高。2.00～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)受煙絲長(zhǎng)度和規(guī)格的影響變化規(guī)律不一致，特別是3.35～4.50 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化差異較大，1.0 mm 寬度煙絲在定量喂料后達(dá)到最高，1.0 mm 寬度斷絲的煙絲則變化不大，0.8 mm 寬度煙絲在振動(dòng)篩分后下降，0.8 mm 寬度斷絲的煙絲則在加香振篩后下降。

煙絲的抗破碎一方面與加工時(shí)的抗破碎能力有關(guān)，另一方面與加工強(qiáng)度有關(guān)[20-21]。滾筒加工是制絲的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本研究表明，滾筒干燥后和加香滾筒后2 個(gè)滾筒加工過程中，煙絲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較大，主要表現(xiàn)在＞7.10 mm 和4.50～7.10 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低，＜1.25 mm 等較短煙絲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高。研究表明，烘絲工序中的筒壁溫度、抄板角度、滾筒轉(zhuǎn)速、熱加工強(qiáng)度等[22-24]工藝參數(shù)對(duì)煙絲質(zhì)量有影響，特別是滾筒溫度和熱風(fēng)溫度分別與煙絲的填充值和整絲率呈正相關(guān)，煙絲造碎增加，整絲率相應(yīng)減小[25]。此外，前后兩滾筒過程相比，烘絲滾筒后的煙絲質(zhì)量變化率高于加香滾筒，這可能與烘絲滾筒溫度高，加工強(qiáng)度大有關(guān)。煙絲提升輸送過程中主要是輸送皮帶上的釘耙與煙絲的相互作用而產(chǎn)生煙絲破碎，在煙絲干燥前的提升過程煙絲質(zhì)量變化率整體上小于干燥后的提升過程，此外，干燥前后不同環(huán)節(jié)的振動(dòng)篩分也有相似的規(guī)律。煙絲儲(chǔ)存是煙絲加工末端的必備工序[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，煙絲經(jīng)過儲(chǔ)絲柜儲(chǔ)存，出柜后的煙絲特征尺寸降低，碎絲率上升。因此，對(duì)于干燥后的煙絲，應(yīng)選擇合適的儲(chǔ)存高度，避免物料過高產(chǎn)生較大壓力使煙絲存儲(chǔ)和出柜時(shí)產(chǎn)生較大的造碎[27]。葉絲風(fēng)選的作用是剔除煙絲中含有的梗簽等雜物，但風(fēng)選后煙絲也有整絲率下降、碎絲率上升的趨勢(shì)[28-29]。本研究表明，煙絲風(fēng)選后煙絲的破碎度增加，但整體幅度較小，與另一流態(tài)化加工的風(fēng)送相比，風(fēng)送過程的煙絲質(zhì)量變化率整體更高，可能與風(fēng)力輸送中風(fēng)速大、物料輸送距離長(zhǎng)有關(guān)，另外，流態(tài)化加工還造成了煙絲水分的散失，也加劇了煙絲的破碎[30-31]。

煙絲產(chǎn)生破碎的本質(zhì)可以理解為煙絲某個(gè)區(qū)域受到的外力大于其自身產(chǎn)生的反作用力。不同規(guī)格的物料對(duì)制絲加工的響應(yīng)不同，整個(gè)加工前后相比，特征尺寸的變化率也表現(xiàn)為1.0 mm 寬度煙絲＞0.8 mm 寬度煙絲＞1.0 mm 寬度斷絲煙絲＞0.8 mm寬度斷絲煙絲，這與破碎度的趨勢(shì)一致。未進(jìn)行斷絲的1.0 mm寬度煙絲特征尺寸最大，其次是1.0 mm寬度斷絲煙絲，0.8 mm 寬度斷絲煙絲最小，特別是1.25～2.00 mm和1.00～1.25 mm等長(zhǎng)度較短的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)均以0.8 mm 寬度煙絲和0.8 mm 寬度斷絲煙絲較高。因此，對(duì)于同一工序而言，煙絲的形態(tài)特征是主要影響因素，一方面與煙絲的長(zhǎng)度有關(guān)，煙絲經(jīng)破碎變短后，單位長(zhǎng)度上能夠承受的應(yīng)力變大，抗破碎能力增強(qiáng)；另一方面與煙絲的橫截面積有關(guān)，煙絲厚度變化不大的情況下，同一斷絲或未斷絲處理下煙絲的寬度越寬，抗破碎能力越強(qiáng)。

綜上，煙絲經(jīng)過滾筒加工、流態(tài)化和機(jī)械輸送等煙絲加工過程后，煙絲的破碎度不斷升高，特征尺寸不斷降低。主要表現(xiàn)在＞7.10 mm 和4.50～7.10 mm等尺寸較長(zhǎng)的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，＜2.00 mm 的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷升高。其他尺寸煙絲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)規(guī)律不同，與工序加工的特點(diǎn)有關(guān)，其中3.35～4.50 mm的煙絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異最大，主要與煙絲寬度和長(zhǎng)度產(chǎn)生的煙絲耐加工特性差異有關(guān)。從加工工序來(lái)看，滾筒加工對(duì)煙絲破碎的影響最大，其次是振動(dòng)輸送、干燥后的提升輸送和風(fēng)送過程，風(fēng)選和干燥前的提升等過程對(duì)煙絲破碎的影響較小。在煙絲干燥后，煙絲水分和溫度下降，其抗破碎能力降低。不同切絲寬度和結(jié)構(gòu)煙絲的加工過程中的煙絲破碎規(guī)律存在差異，特征尺寸較大的煙絲在加工過程中破碎較明顯，同一斷絲或未斷絲處理下煙絲寬度較窄的煙絲更易破碎，產(chǎn)生更多的碎絲。應(yīng)該根據(jù)工藝質(zhì)量的需求，根據(jù)煙絲寬度和所在的工序選擇適宜的加工強(qiáng)度。