不同加工方式煙梗的物理保潤(rùn)性能對(duì)比分析及應(yīng)用

易 斌，熊開(kāi)勝，常衛(wèi)東，唐家偉，徐合磊，劉 澤，付 亮，魯永祥，李雯琦，方俊俊，范 羿，聶 蓉，魏 宏，馬 寧，林文強(qiáng)*

1.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路181號(hào) 650231

2.紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，云南省玉溪市紅塔區(qū)紅塔大道118號(hào) 653100

3.紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司楚雄卷煙廠，云南省楚雄市彝海東路296號(hào) 675000

梗絲提質(zhì)目前主要通過(guò)改變煙梗的加工方式、制梗絲加工工藝等方式來(lái)改善和提升梗絲的感官品質(zhì)，從而提升梗絲在卷煙配方中的使用比例，這對(duì)卷煙的減害降焦具有重要意義［1］。隨著卷煙減害降焦技術(shù)的發(fā)展，卷煙工業(yè)企業(yè)對(duì)梗絲的使用比例呈逐漸上升趨勢(shì)［2-3］，卷煙工業(yè)企業(yè)也加大了對(duì)煙梗復(fù)烤、制梗絲加工工藝和煙梗物理性能等方面的研究力度。研究表明，通過(guò)改進(jìn)煙梗復(fù)烤、制梗絲加工工藝［4-6］、改變煙梗壓切方式［7-11］和優(yōu)化梗絲氣流干燥技術(shù)工藝參數(shù)［12-13］可以提升和改善煙梗的加工質(zhì)量。由于不同地區(qū)及不同類(lèi)別煙梗理化特性和吸濕特性存在顯著差異［14-17］，因此要根據(jù)煙梗特性和形態(tài)變化進(jìn)行工藝優(yōu)化，以保證后續(xù)梗絲加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。

目前，對(duì)不同地區(qū)、不同部位、不同年份、不同加工時(shí)間、不同尺寸規(guī)格等方面的煙梗吸濕性能的研究已有較多報(bào)道［15-17］，而對(duì)不同加工方式下煙梗形態(tài)變化的吸濕性能分析及應(yīng)用的研究較少。本研究利用動(dòng)態(tài)水分吸附法［18］，分析了兩種不同加工方式下，原煙梗條和預(yù)壓后梗片的吸濕/解濕性能的變化情況，研究不同形態(tài)的煙梗后續(xù)制梗絲工藝，旨在尋求一種新的梗處理方式，為優(yōu)化制梗絲工藝，縮短加工時(shí)間，提高制梗絲生產(chǎn)效率提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

煙梗樣品：云南楚雄地區(qū)庫(kù)存1年K326中部長(zhǎng)梗條、試驗(yàn)梗片［由紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司楚雄卷煙廠提供］。

MS104TS/02型電子天平（感量：0.01 g，瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司）；KBF型恒溫恒濕箱（德國(guó)Binder公司）；SPSx-Advance型動(dòng)態(tài)水分吸附儀（德國(guó)Proumid公司）；YGD450型填充值測(cè)定儀（鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司）；梗絲生產(chǎn)線(xiàn)（昆明船舶設(shè)備有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

流程一：將打葉風(fēng)分后的濕煙梗條按正常打葉復(fù)烤和制梗絲工藝進(jìn)行煙梗干燥、儲(chǔ)梗、制梗絲處理得到正常梗絲，見(jiàn)圖1。

流程二：將打葉風(fēng)分后的濕煙梗進(jìn)行壓梗預(yù)處理后得到試驗(yàn)梗片，再進(jìn)行梗片干燥、儲(chǔ)梗、制梗絲處理得到試驗(yàn)梗絲，見(jiàn)圖2。

1.2.2 樣品含水率測(cè)定

圖1 梗條復(fù)烤、制梗絲工藝流程Fig.1 Redrying and cutting technology of bar-shaped tobacco stems

圖2 梗片復(fù)烤、制梗絲工藝流程Fig.2 Redrying and cutting technology of laminal tobacco stems

將原煙干梗條（未預(yù)壓）和干梗片樣品置于溫度（22±1）℃、相對(duì)濕度（60±2）%恒溫恒濕箱中并放置48 h，取出后置于SPSx-Advance型動(dòng)態(tài)水分吸附儀樣品盤(pán)上。設(shè)定等溫吸濕-解濕環(huán)境溫度為25℃。增濕和干燥程序見(jiàn)表1。

表1 樣品等溫吸濕-解濕程序Tab.1 Sample’s isothermal moisture absorption-desorption profile

根據(jù)樣品起始含水率和各時(shí)間點(diǎn)樣品與起始樣品的質(zhì)量差計(jì)算樣品的即時(shí)含水率。當(dāng)樣品在某一溫濕度條件下，在30 min測(cè)試時(shí)間內(nèi)樣品相對(duì)質(zhì)量比變化≤0.01%時(shí)，即判定樣品達(dá)到平衡，此時(shí)樣品的含水率即為樣品在實(shí)驗(yàn)條件下的平衡含水率。

通過(guò)各時(shí)間點(diǎn)樣品實(shí)時(shí)質(zhì)量和起始質(zhì)量，計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的即時(shí)含水率，得到即時(shí)含水率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。

1.2.3 樣品物料保潤(rùn)性能評(píng)價(jià)方法

水分比MR（Moisture Ratio）：根據(jù)煙草含水率連續(xù)檢測(cè)裝置檢測(cè)到樣品在吸濕/解濕過(guò)程中各時(shí)間點(diǎn)的質(zhì)量，由式（1）計(jì)算得出樣品t時(shí)刻的水分比［19］。

式中：MR—樣品t時(shí)刻的水分比；Mt—樣品t時(shí)刻的質(zhì)量（g）；M0—樣品初始的質(zhì)量（g）；Me—樣品平衡時(shí)的質(zhì)量（g）。

采用Weibull模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到樣品Weibull模型的各參數(shù)值，Weibull模型見(jiàn)式（2）［19-21］。

式中：t為失水時(shí)間（min）；α為模型的特征時(shí)間參數(shù)（min）；β為模型的形狀參數(shù)。使用Weibull模型的α參數(shù)值的大小評(píng)價(jià)樣品物理保潤(rùn)性能的差異，樣品α參數(shù)值大說(shuō)明樣品的物理保潤(rùn)性能好，α參數(shù)值越小，說(shuō)明樣品MR變化得越快。

1.2.4 樣品吸水率、失水率評(píng)價(jià)方法

依據(jù)樣品運(yùn)行程序所得數(shù)據(jù)，對(duì)兩個(gè)樣品平衡點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行分析，計(jì)算出樣品吸水率W和失水率X，其計(jì)算式如下：

式中：M0為物料在增濕程序t0時(shí)刻（相對(duì)濕度RH=50%）的平衡點(diǎn)質(zhì)量（mg）；M1為物料在增濕程序t2時(shí)刻（RH=70%）的平衡點(diǎn)質(zhì)量（mg）；W為物料吸水率（%）；M2為物料在干燥程序t3時(shí)刻（RH=60%）的平衡點(diǎn)質(zhì)量（mg）；X為物料失水率（%）。

1.2.5 能耗計(jì)算方法

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《綜合能耗計(jì)算通則》［22］對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的能耗（電力）進(jìn)行標(biāo)煤折算。

1.2.6 梗絲物理指標(biāo)檢測(cè)、感官質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

依據(jù)YC/T 163—2003《卷煙 膨脹梗絲填充值的測(cè)定》［23］對(duì)梗絲的填充性能進(jìn)行檢測(cè)；參照YC/T 415—2011《煙草在制品 感官質(zhì)量評(píng)價(jià)方法》［24］，由具有國(guó)家煙草專(zhuān)賣(mài)局頒發(fā)卷煙感官評(píng)吸技術(shù)資格的技術(shù)人員對(duì)梗絲樣品進(jìn)行感官質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種不同煙梗樣品的物理保潤(rùn)性能

選取原煙梗條、壓后梗片，采用動(dòng)態(tài)水分吸附儀檢測(cè)樣品的質(zhì)量變化情況，分析兩種不同物料在相同溫度、不同濕度條件下保潤(rùn)性能間的差異，樣品的水分比變化曲線(xiàn)及吸濕解濕行為相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)圖3、圖4和表2。

由圖3原煙梗條（未壓片）水分比隨時(shí)間變化重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，Weibull模型對(duì)煙梗樣品物理保潤(rùn)性能評(píng)價(jià)方法準(zhǔn)確性高，樣品水分比曲線(xiàn)重復(fù)性較好。由圖4原煙梗條（未壓片）、梗片水分比隨時(shí)間變化重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在前20 h內(nèi)，梗條、梗片的水分比曲線(xiàn)變化范圍較大，之后變化趨于平緩；與梗條相比，梗片樣品的水分比曲線(xiàn)坡度較大，MR值下降速度較快?？梢?jiàn)，梗片的失水速率較快，更容易失水。

圖3 原煙梗條（未壓片）水分比隨時(shí)間變化重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Reproducibility results on moisture content variation in uncompressed raw bar-shaped tobacco stems with time

圖4 梗條（未壓片）、梗片的水分比隨時(shí)間變化對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Comparative results on moisture content variation in uncompressed bar-shaped stems and laminal stems

表2 不同煙梗原料的吸濕解濕行為相關(guān)指標(biāo)Tab.2 Moisture absorption-desorption behavior indexes of different raw tobacco stems

由表2數(shù)據(jù)可以看出，原煙梗條、梗片的吸濕解濕行為有較大區(qū)別。在吸濕階段（RH從50%增加到70%），梗片吸濕質(zhì)量變化量大于梗條；在解濕階段（RH從70%降低到60%），梗片的解濕質(zhì)量變化量大于梗條。由表2中的α值對(duì)比分析可知，在不同的濕度條件下，梗條α值＞梗片α值，說(shuō)明梗條的保潤(rùn)性能較好，梗片吸濕/解濕能力更強(qiáng)。

2.2 兩種不同煙梗樣品的吸水率和失水率

在吸濕階段（RH從50%增加到70%）與解濕階段（RH從70%降低到60%），從吸濕與解濕行為角度對(duì)比分析梗條、梗片在平衡點(diǎn)的吸水率和失水率變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，梗條的吸水率為12.91%、失水率為-6.80%，而梗片吸水率為14.69%、失水率為-8.20%，梗片吸水率和失水率均大于梗條。說(shuō)明梗片樣品的吸濕、解濕速率較快，而梗條樣品對(duì)水分的保持能力較強(qiáng)，更不易吸濕和解濕。

圖5 梗條和梗片樣品的吸水率W及失水率X柱狀圖Fig.5 Histogram of moisture absorption rate W and moisture desorption rate X of bar-shaped and laminal tobacco stem samples

根據(jù)梗條、梗片保潤(rùn)性能對(duì)比分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有打葉復(fù)烤、制梗絲工藝，利用梗片解濕速率快的特點(diǎn)，把壓梗工序前移至煙梗干燥工序前，可以改變煙梗物理形態(tài)，加快煙梗干燥速度，降低干燥工序能耗；利用梗片吸濕速率快的特點(diǎn)，取消制梗絲線(xiàn)的水洗梗、一次儲(chǔ)梗、壓梗等工序，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化制梗絲工藝、縮短加工時(shí)間、降低能耗的目標(biāo)。依據(jù)上述思路，開(kāi)展后續(xù)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)研究。

2.3 煙梗壓片加工工藝生產(chǎn)驗(yàn)證

選取同一等級(jí)楚雄K326中部長(zhǎng)煙梗為研究對(duì)象，采用兩種不同的加工工藝進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，對(duì)比分析兩種物料在復(fù)烤工藝、制梗絲工藝的工藝差異、生產(chǎn)效率、能耗、出梗絲率、填充值及感官質(zhì)量的變化情況，相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表3～表5。

2.3.1 復(fù)烤工藝

對(duì)1.2.1梗條、梗片復(fù)烤工藝進(jìn)行對(duì)比分析可知，與傳統(tǒng)梗條復(fù)烤干燥工藝相比，梗片復(fù)烤工藝增加了壓梗設(shè)備，并將篩分設(shè)備遷移至壓梗機(jī)前，為了提高煙梗的純凈度，提前篩掉不可用的短梗、細(xì)梗及梗頭，可減少不可用煙梗的復(fù)烤干燥處理，相應(yīng)地提高了生產(chǎn)效率，降低烤梗設(shè)備的負(fù)荷和能耗。

表3 梗條、梗片復(fù)烤工藝生產(chǎn)效率、能耗對(duì)比分析結(jié)果①Tab.3 Comparative results on redrying efficiency and energy consumption of bar-shaped and laminal tobacco stems

表4 梗條、梗片制梗絲工藝生產(chǎn)效率、能耗、物理指標(biāo)對(duì)比分析①Tab.4 Comparative analysis of cutting efficiency,energy consumption and physical indexes of bar-shaped and laminal tobacco stems

表5 梗條、梗片的梗絲樣品的感官評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Results of sensory evaluation on cut bar-shaped and laminal tobacco stem samples

由表3可以看出，以生產(chǎn)10 000 kg中長(zhǎng)梗的梗條、梗片計(jì)算，傳統(tǒng)梗條復(fù)烤需要生產(chǎn)3.60 h，烤梗機(jī)設(shè)備能耗為322.20 kW·h；而梗片復(fù)烤僅需要2.50 h，烤梗機(jī)及壓梗機(jī)設(shè)備能耗為388.75 kW·h；梗片復(fù)烤工藝可以縮短加工時(shí)間1.10 h，生產(chǎn)效率提升30.51%，而設(shè)備能耗則增加66.76 kW·h。由此得出，梗片復(fù)烤加工每生產(chǎn)1 000 kg梗片，折算需增加標(biāo)煤0.82 kgce，復(fù)烤設(shè)備溫度降低了7.0℃，生產(chǎn)時(shí)間節(jié)約0.11 h。

2.3.2 制梗絲工藝

對(duì)1.2.1梗條、梗片制梗絲工藝切梗絲前進(jìn)行工序?qū)Ρ确治隹芍?，傳統(tǒng)梗條制梗絲需經(jīng)過(guò)水洗梗、一次貯梗、滾筒潤(rùn)梗、二次貯梗、壓梗等工序，而梗片制梗絲工藝僅需經(jīng)過(guò)一道滾筒潤(rùn)梗和暫貯梗工序，取消了水洗梗、一次儲(chǔ)梗、壓梗等工序，可以簡(jiǎn)化制梗絲工藝過(guò)程、縮短加工時(shí)間、降低能耗，提高生產(chǎn)效率。

由表4可以看出，為滿(mǎn)足制梗線(xiàn)切梗前物料含水率為（33.0±1.0）%，分別投料3 000 kg梗條和梗片，傳統(tǒng)梗條制梗絲工藝需先經(jīng)過(guò)水洗梗1 h，兩次貯梗5.0～90.0 h；而梗片制梗絲工藝僅需經(jīng)過(guò)一道煙梗暫儲(chǔ)，貯梗時(shí)間為0～12.0 h（整批進(jìn)柜即可出柜生產(chǎn)），均以貯梗時(shí)間下限計(jì)算，可節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間6.0 h/批次。根據(jù)大生產(chǎn)制梗絲生產(chǎn)時(shí)間平均28.92 h/批次計(jì)算，生產(chǎn)效率提升了20.75%。

同時(shí)，在傳統(tǒng)梗條制梗絲工藝中，以工藝流量設(shè)定3 000 kg/h計(jì)算，水洗梗設(shè)備、壓梗設(shè)備需工作1 h，在切梗絲工序前水洗梗、壓梗設(shè)備能源消耗73.7 kW·h；折算每生產(chǎn)1 000 kg合格含水率的梗條需增加標(biāo)煤3.02 kgce，即相應(yīng)生產(chǎn)1 000 kg合格含水率的梗片可以降低標(biāo)煤3.02 kgce，節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間2.0 h。

總之，通過(guò)對(duì)比分析梗條、梗片的復(fù)烤、制梗絲（切梗前）工藝可知，采用梗片復(fù)烤工藝生產(chǎn)效率提升了30.51%，復(fù)烤設(shè)備溫度降低了7.0℃；制梗絲（切梗前）工藝可以簡(jiǎn)化制梗絲工藝、縮短加工時(shí)間，生產(chǎn)效率提升20.75%。兩者綜合每生產(chǎn)1 000 kg合格含水率梗原料能耗標(biāo)煤下降了2.20 kgce，節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間2.11 h。

由表4結(jié)果還可以看出，梗條、梗片經(jīng)過(guò)相同工藝參數(shù)進(jìn)行加工制梗絲，梗片的出梗絲率為87.68%，而梗條出梗絲率為94.50%，梗片出梗絲率下降了6.82百分點(diǎn)；梗片、梗條填充值分別為5.51 cm3/g和6.50 cm3/g，兩者均達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)填充值≥5.50 cm3/g）的技術(shù)要求。

2.3.3 梗條、梗片的梗絲樣品感官質(zhì)量對(duì)比

由表5感官評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，與梗條相比，采用梗片制成的梗絲樣品在香氣質(zhì)、雜氣、余味等方面有所改善，總體感官質(zhì)量提升。

3 結(jié)論

（1）在相同溫濕度條件下，與梗條相比，梗片吸水率和失水率均大于梗條，梗片吸濕、解濕速率較快；梗條的保潤(rùn)性能較好，梗片吸濕/解濕能力更強(qiáng)。

（2）與傳統(tǒng)梗條復(fù)烤、制梗絲工藝相比，采用梗片復(fù)烤、制梗絲工藝每生產(chǎn)1 000 kg合格含水率梗原料，梗片復(fù)烤烤梗機(jī)溫度降低7.0℃、生產(chǎn)效率提升30.51%，梗片制梗絲工序生產(chǎn)效率提升20.75%。綜合能耗標(biāo)煤下降2.20 kgce，節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間2.11 h。

（3）與梗條的梗絲樣品物理指標(biāo)、感官質(zhì)量相比，梗片梗絲的出梗絲率為87.68%、填充值為5.51 cm3/g，分別下降6.82百分點(diǎn)和0.99 cm3/g；而梗片梗絲樣品在香氣質(zhì)、雜氣、余味等方面有所改善，總體感官質(zhì)量提升。