基于實(shí)驗(yàn)室批式滾筒干燥裝置的熱加工強(qiáng)度表征及其對煙絲物理特性的影響

謝圣林，堵勁松，魯端峰，王 樂，李 斌，陳良元，李 軍，朱文魁*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

2.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，長沙市勞動(dòng)中路386 號 410000

滾筒干燥是重要的煙草原料熱加工過程［1］。滾筒干燥處理物料的靈活性高，處理能力大，一方面在于通過熱處理可以調(diào)節(jié)在制品的溫濕度狀態(tài)，使之滿足后續(xù)加工需求；另一方面，在滾筒干燥過程中煙草原料物理、化學(xué)特性發(fā)生一系列顯著變化，對卷煙產(chǎn)品的物理和感官性質(zhì)有著重要影響［2-5］。但過高的熱加工強(qiáng)度會導(dǎo)致煙草原料中香味成分含量減少，煙絲造碎增多，產(chǎn)品質(zhì)量下降。目前工藝生產(chǎn)過程對在制品加工質(zhì)量的調(diào)節(jié)多數(shù)情況下依賴于現(xiàn)場技術(shù)人員生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和定性結(jié)論，缺乏量化調(diào)控的依據(jù)。同時(shí)，煙草工藝中對熱加工工序加工強(qiáng)度尚缺乏有效的歸一化定量表征方法，現(xiàn)行的工序評價(jià)方法多以各加工參數(shù)設(shè)置水平的高低反映加工強(qiáng)度的強(qiáng)弱，導(dǎo)致不同工藝參數(shù)對應(yīng)的加工強(qiáng)度缺乏可比性［6-7］；另外，對不同的加工對象和加工設(shè)備，同一工藝參數(shù)改變導(dǎo)致的實(shí)際加工強(qiáng)度變化往往也存在較大差異，這也導(dǎo)致較多工序評價(jià)研究中不同研究者的結(jié)論并不一致。

因此，對實(shí)驗(yàn)室批式滾筒干燥裝置中煙草熱加工強(qiáng)度的表征方法進(jìn)行了研究。在不同筒壁溫度和熱風(fēng)溫度組合條件下進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)。從滾筒干燥加工過程中煙絲在滾筒內(nèi)部經(jīng)歷的基本物理過程分析入手，通過干燥過程中物料質(zhì)量特性與其熱加工狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系分析，建立了煙絲滾筒干燥過程熱加工強(qiáng)度表征方法。此外，還分別通過圖像法和篩分法分析了滾筒熱加工強(qiáng)度對煙絲主要的物理特性（卷曲度、填充值和耐加工性）的影響規(guī)律，旨在深化理解滾筒干燥對煙草品質(zhì)的作用機(jī)制、為優(yōu)化加工過程的量化調(diào)控提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)樣品如圖1 所示，采用永州C3F 打葉復(fù)烤后煙葉為原料，年份為2013 年，切絲寬度為1 mm，煙絲篩分后選取中長絲（長度＞2.50 mm）進(jìn)行下一步處理。用烘箱法測定煙絲初始含水率，通過質(zhì)量衡算計(jì)算一定量煙絲達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求含水率（30%，濕基）所需要的加水量，使用噴壺對煙絲加水，混合均勻后裝袋密封，存放在恒溫恒濕（20 ℃，相對濕度60%）環(huán)境中平衡48 h。

圖1 樣品原料處理Fig.1 Preparation of raw tobacco samples

BSA224S 型電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius 公司）；QS-I 型試樣切絲機(jī)（鄭州中煙科技開發(fā)有限公司）；RAYMX2C 型紅外溫槍（美國Raytek 公司）；RTD-370-PT100 型手持式熱電阻溫度計(jì)（美國OMEGA 公司）；Retsch AS400 型篩分儀（德國Retsch 公司）。

滾筒干燥實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室批式滾筒干燥裝置中進(jìn)行，裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該裝置主要由溫控系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)和滾筒系統(tǒng)3 部分組成。其中溫控系統(tǒng)用以調(diào)節(jié)熱風(fēng)和滾筒筒壁的溫度；熱風(fēng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、氣流管道、加熱爐、溫控儀等組成；滾筒系統(tǒng)主要包括筒體和抄板。滾筒筒體安裝在機(jī)架的兩個(gè)拖輪上，通過電機(jī)控制鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度可以由變頻器控制，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)整轉(zhuǎn)速。筒體前端設(shè)有一物料口，物料可以由該物料口加入?？諝鈮嚎s機(jī)內(nèi)氣流經(jīng)加熱爐兩級加熱后均勻進(jìn)入筒體內(nèi)，其中熱風(fēng)溫度由控制柜上相關(guān)控件控制。在滾筒內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)筒體和抄板相互連通的中空夾層內(nèi)注入90%～95%體積的加熱油，通過調(diào)整加熱油溫度以控制滾筒內(nèi)壁的溫度。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 滾筒干燥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 滾筒干燥實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 A schematic of a laboratory scale cylinder dryer

選取煙絲滾筒干燥的兩個(gè)主要影響因素（筒壁溫度和熱風(fēng)溫度）作為實(shí)驗(yàn)變量，設(shè)計(jì)了9 組不同熱加工強(qiáng)度的干燥實(shí)驗(yàn)以及1 組對照實(shí)驗(yàn)（水分調(diào)制后的煙絲置于20 ℃，60%RH 的恒溫恒濕環(huán)境中平衡48 h，平衡含水率為13%）。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件如表1 所示。干燥實(shí)驗(yàn)在室溫環(huán)境（25 ℃、35%RH）下進(jìn)行，滾筒干燥裝置穩(wěn)定運(yùn)行30 min后分別使用紅外溫槍和熱電阻溫度計(jì)檢測滾筒筒壁溫度和筒內(nèi)熱風(fēng)溫度，當(dāng)筒壁溫度與熱風(fēng)溫度測定值在設(shè)定值±1 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，從進(jìn)料口將500 g 樣品加入滾筒中。當(dāng)煙絲在筒內(nèi)達(dá)到不同的停留時(shí)間（0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10、12 和15 min）時(shí)，使用紅外溫槍重復(fù)檢測煙絲表面溫度3 次并記錄，從物料口迅速取出樣品約10 g，將樣品放入干燥的密封袋中以防止返潮，并使用烘箱法測定經(jīng)過不同停留時(shí)間后的煙絲含水率，3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后得到每組樣品的標(biāo)準(zhǔn)干燥曲線。通過該標(biāo)準(zhǔn)曲線，可以計(jì)算出各組樣品在滾筒干燥過程中含水率達(dá)到13%時(shí)的停留時(shí)間。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法再次對各組樣品進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并在煙絲含水率達(dá)到13%時(shí)將樣品全部取出，對干燥后煙絲樣品物理特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢測。

表1 滾筒干燥實(shí)驗(yàn)條件①Tab.1 Experimental conditions of cylinder drying

1.2.2 煙絲物理指標(biāo)測定方法

煙絲卷曲度作為衡量煙絲物理形態(tài)的重要指標(biāo)，其定義為煙絲長度與其最小外接矩形長度的比值。如圖3 所示，對于單根煙絲，其卷曲度為：

對于樣本量為n 的眾多煙絲，其整體平均卷曲度為：

式中：Li為煙絲長度(mm)，Lci為煙絲最小外接矩形的長(mm)，Si為單根煙絲卷曲度(mm/mm)，S為樣本煙絲平均卷曲度(mm/mm)。

圖3 煙絲卷曲度計(jì)算示意圖Fig.3 A schematic diagram to define tobacco crimpness calculation

使用基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的煙絲形態(tài)光學(xué)測量平臺對經(jīng)不同熱加工強(qiáng)度條件下滾筒干燥后的煙絲卷曲度進(jìn)行測定［8］。參考煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 351—2010［9］和申曉峰等［10］建立的煙絲結(jié)構(gòu)表征方法，利用篩分儀確定篩上煙絲質(zhì)量分布和煙絲特征長度，然后通過煙絲特征長度來表征煙絲破碎度和耐加工性，其物理意義為煙絲干燥后特征長度的減小值x0.5-x′0.5與煙絲烘前特征長度x0.5的比值，即：

式中：x0.5為煙絲干燥前特征長度(mm)；x′0.5為煙絲干燥后特征長度(mm)；D 為煙絲破碎度(%)；P為煙絲耐加工性(%)。以此來考察煙絲在不同熱加工強(qiáng)度條件下進(jìn)行滾筒干燥的造碎程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙絲標(biāo)準(zhǔn)干燥曲線

對筒內(nèi)不同停留時(shí)間下的煙絲含水率進(jìn)行測定，經(jīng)過擬合得到煙絲在不同干燥條件下的含水率-干燥時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖4 所示。從圖4 可知，不同熱加工強(qiáng)度的滾筒干燥過程下，煙絲干燥速率有一定差異，但煙絲含水率變化趨勢基本一致。通過該標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得出煙絲在不同干燥條件下含水率達(dá)到13%所需的停留時(shí)間，結(jié)果見表2。

圖4 煙絲標(biāo)準(zhǔn)干燥曲線Fig.4 Standard drying curves of cut tobacco

表2 各實(shí)驗(yàn)條件下樣品含水率達(dá)到13%的停留時(shí)間Tab.2 Residence time of cut tobacco to reach 13%moisture content during repeated experiments

2.2 煙絲滾筒干燥過程熱加工強(qiáng)度表征方法

在煙絲滾筒干燥過程中，隨著物料內(nèi)部水分蒸發(fā)和溫度升高，煙草物料在環(huán)境溫濕度變化的作用下，會在物理結(jié)構(gòu)、顆粒形態(tài)和化學(xué)特性等方面產(chǎn)生一系列變化［3-4］。在干燥動(dòng)力學(xué)中，煙絲含水率的變化隱含了時(shí)間歷程，因此，經(jīng)滾筒干燥后的煙絲綜合質(zhì)量特性Q 與該熱加工過程中煙絲物料溫度Ts、物料含水率X 兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)隨熱加工時(shí)間的變化歷程密切相關(guān)。因此，可視為具有如下函數(shù)影響關(guān)系：

該加工質(zhì)量函數(shù)Q 與熱加工狀態(tài)Ts、X 的關(guān)系，已在奶制品、肉類、新鮮果蔬等食品熱加工過程中被用于食品質(zhì)量變化的預(yù)測建模分析［11-13］。具體對于煙絲物料的滾筒干燥過程而言，干燥速率的影響主要體現(xiàn)在煙絲溫度和含水率的變化上，因此可認(rèn)為滾筒內(nèi)煙絲含水率X 和煙絲表面溫度TS與加工時(shí)間滿足如下關(guān)系：

結(jié)合式（5）、式（6），對于兩個(gè)獨(dú)立的滾筒熱加工過程而言，若兩個(gè)加工過程中物料溫度Ts、物料含水率X 隨加工時(shí)間t 變化函數(shù)均相同，即不同加工過程的物料溫度曲線、含水率曲線變化規(guī)律一致，則不同加工條件下煙絲質(zhì)量函數(shù)Q 的變化程度也一致。從圖4 可以看出，實(shí)驗(yàn)過程中煙絲含水率隨干燥時(shí)間增加而不斷減小，即函數(shù)X=g（t）嚴(yán)格單調(diào)遞減。根據(jù)單調(diào)函數(shù)具有反函數(shù)定理，進(jìn)一步地可對式（6）簡化，可得：

將式（6）與式（7）結(jié)合，代入溫度函數(shù)，可得：

由式（8）及式（5）可以得出，在滾筒干燥過程中，煙絲表面溫度Ts與煙絲含水率X 存在相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，且二者都是加工時(shí)間的函數(shù)，因此可以用煙絲受熱干燥過程中自身熱狀態(tài)的變化來反映干燥過程的熱加工強(qiáng)度。滾筒內(nèi)煙絲含水率X 和煙絲表面溫度Ts構(gòu)成的Ts-X 曲線如圖5 所示，該曲線僅是煙絲的自身狀態(tài)函數(shù)，表示干燥過程中煙絲熱狀態(tài)的變化規(guī)律。干燥速率的大小只表示煙絲狀態(tài)轉(zhuǎn)化的速度，隱含在煙絲Ts-X 曲線中而與特征曲線本身沒有關(guān)系。因此，可以用該Ts-X特征曲線表征煙絲干燥特征，采用特征曲線的積分平均值表示滾筒干燥過程熱加工強(qiáng)度。

式中：H 是滾筒干燥過程中的熱加工強(qiáng)度（℃/%）；Ts是滾筒內(nèi)煙絲表面溫度（℃）；X0、X1分別是煙絲初、末狀態(tài)下的含水率（%）。參數(shù)H 用于表征物料干燥過程中的熱加工強(qiáng)度，具有明確的物理意義，即物料在滾筒干燥脫水過程中單位脫水量對應(yīng)的溫度變化率。從該物理意義出發(fā)，煙絲物料在滾筒干燥過程中，對應(yīng)的單位脫水量的溫度升高值越大，則熱加工強(qiáng)度越高；反之，則該過程物料熱加工強(qiáng)度越低。

圖5 煙絲表面溫度-含水率曲線Fig.5 Characteristic curve of surface temperature of cut tobacco with its moisture content

2.3 煙絲滾筒干燥熱加工強(qiáng)度影響因素

圖6 是在不同干燥條件下煙絲的Ts-X 曲線。隨著煙絲含水率的降低，樣品溫度主要經(jīng)歷了快速升溫階段，近似等溫階段和最終的平衡階段。根據(jù)熱加工強(qiáng)度的定量表征方法，得到不同實(shí)驗(yàn)條件下滾筒干燥過程的煙絲熱加工強(qiáng)度，結(jié)果如表3 所示?？梢钥闯觯?dāng)筒壁溫度從110 ℃上升到150 ℃時(shí)，煙絲熱加工強(qiáng)度從4.26 ℃/%上升到5.19 ℃/%，當(dāng)空氣溫度從100 ℃升到110 ℃時(shí)，煙絲熱加工強(qiáng)度最大升高了0.24 ℃/%。從表3 可以發(fā)現(xiàn)：筒壁溫度和熱風(fēng)溫度的升高均會導(dǎo)致滾筒干燥過程中煙絲熱加工強(qiáng)度的增加，這表明更高的筒壁溫度和熱風(fēng)溫度均可以使得煙絲在干燥過程中脫除單位體積水分時(shí)表面固相溫度的上升速率更大，這與在更高筒壁溫度和熱風(fēng)溫度下煙絲中的水分可以被更快脫除的現(xiàn)象是相符的。當(dāng)筒壁溫度較低時(shí)（110 ℃），增大熱風(fēng)溫度10 ℃，煙絲熱加工強(qiáng)度從4.26 ℃/%增高到4.56 ℃/%；而在較高筒壁溫度下（140 ℃），同樣增大熱風(fēng)溫度10 ℃僅導(dǎo)致熱加工強(qiáng)度增大了0.01 ℃/%，這意味著當(dāng)筒壁溫度較高時(shí)，熱風(fēng)溫度對煙絲熱加工強(qiáng)度的貢獻(xiàn)會大大降低。在本研究中設(shè)定的滾筒干燥實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)筒壁溫度和熱風(fēng)溫度分別升高10 ℃時(shí)，筒壁溫度對熱處理強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比熱空氣溫度高30%～70%。

圖6 不同干燥條件下的煙絲Ts-X 曲線Fig.6 Ts-X curves of tobacco under different drying conditions

表3 不同干燥條件下的熱加工強(qiáng)度Tab.3 Thermal processing intensities under different drying conditions

2.4 煙絲卷曲度、填充值變化規(guī)律

煙草作為一種多孔生物介質(zhì)，在熱濕處理過程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易發(fā)生與其他農(nóng)產(chǎn)品相似的體積收縮和卷曲變形現(xiàn)象［14-15］。從圖7 可以看出，在不同條件的滾筒干燥過程中，煙絲卷曲度隨熱加工強(qiáng)度的增大而增大，煙絲卷曲度與熱加工強(qiáng)度之間存在近似二次非線性關(guān)系。實(shí)際上，煙絲形態(tài)的宏觀卷曲主要是由于干燥初期的快速脫水引起的，在此階段，煙絲中的水分被快速脫除，煙絲還未充分舒展開即達(dá)到烘絲終點(diǎn)，從而使得烘后煙絲產(chǎn)生無規(guī)卷曲［16］。隨著熱加工強(qiáng)度的增加，煙絲表面溫度的變化率和孔隙水的蒸發(fā)速率增加，煙絲在此過程中內(nèi)部收縮應(yīng)力也相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致煙絲的卷曲度增加。

煙絲的填充能力與熱處理引起的形變密切相關(guān)，采用YC/T 152—2001［17］的方法測定了經(jīng)過不同條件的滾筒干燥過程后的煙絲填充值，見圖8。從圖8 可以看出，煙絲填充值（FV）同樣隨熱加工強(qiáng)度的增加而增加，特別是當(dāng)熱加工強(qiáng)度大于4.9 ℃/%時(shí)煙絲的填充值顯著而迅速地增加。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，煙絲填充值隨滾筒干燥過程的熱加工強(qiáng)度變化趨勢與煙絲卷曲度保持一致。

圖7 滾筒干燥熱加工強(qiáng)度對煙絲卷曲度的影響Fig.7 Influences of thermal processing intensity of cylinder drying on crimpness of tobacco

圖8 不同熱加工條件下煙絲填充值的變化趨勢Fig.8 Relationship between filling value and thermal processing intensity

2.5 煙絲耐加工性變化規(guī)律

在煙草原料的熱加工過程中，煙草原料與熱處理環(huán)境之間的熱濕傳遞會引起煙草結(jié)構(gòu)的顯著變化。對于煙絲滾筒干燥過程而言，高溫處理導(dǎo)致煙絲水分迅速散失，容易產(chǎn)生大量造碎。為了提高熱加工過程煙草在制品質(zhì)量的均一性，需要確定煙絲熱加工強(qiáng)度與煙絲耐加工性之間的定量關(guān)系。根據(jù)前述的煙絲特征長度分布的表征方法，得到各組樣品煙絲特征長度結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可知，對照組煙絲特征長度為4.17 mm，隨著熱加工強(qiáng)度的增大，煙絲特征長度顯著減小，造成這種現(xiàn)象的主要原因是在高熱加工強(qiáng)度下煙絲脆性增加，機(jī)械力和熱風(fēng)等作用帶來更多的造碎；另一方面卷曲度的增大也會導(dǎo)致在煙絲特征長度檢測過程中過篩現(xiàn)象（尺寸大于篩孔的煙絲通過篩孔）的發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致煙絲特征長度減小。根據(jù)公式（3）～（4）可以得出煙絲破碎度和耐加工性。從表4 和圖10 可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下，隨著滾筒干燥過程熱加工強(qiáng)度的增大，煙絲耐加工性從93%減小到79%，并且煙絲耐加工性變化規(guī)律與熱加工強(qiáng)度之間具有較高的線性相關(guān)性。

圖9 不同熱加工強(qiáng)度下煙絲特征長度分布Fig.9 Characteristic size distribution of cut tobacco at different thermal processing intensities

表4 熱加工強(qiáng)度對煙絲破碎度的影響Tab.4 Effects of thermal processing intensity on breakage of cut tobacco

圖10 煙絲耐加工性與滾筒干燥熱加工強(qiáng)度的關(guān)系Fig.10 Relationship between processing endurance of tobacco and thermal processing intensity of cylinder drying

3 結(jié)論

（1）以實(shí)驗(yàn)室批式滾筒干燥裝置為平臺，以滾筒干燥過程中煙絲Ts-X 特征曲線的積分平均值來綜合量化表征煙絲干燥過程的熱加工強(qiáng)度具有一定的物理意義，即物料在滾筒干燥脫水過程中單位脫水量對應(yīng)的溫度變化率。

（2）筒壁溫度、熱風(fēng)溫度增加均導(dǎo)致煙絲干燥過程熱加工強(qiáng)度增大。當(dāng)筒壁溫度較低時(shí)（110 ℃），增大熱風(fēng)溫度10 ℃，煙絲熱加工強(qiáng)度從4.26 ℃/%增高到4.56 ℃/%；而在較高壁溫條件下（140 ℃），同樣升高熱風(fēng)溫度10 ℃僅使熱加工強(qiáng)度增大了0.01 ℃/%，這意味著當(dāng)筒壁溫度較高時(shí)，熱風(fēng)溫度對煙絲熱加工強(qiáng)度的貢獻(xiàn)會大大降低。當(dāng)筒壁溫度和熱風(fēng)溫度分別升高10 ℃時(shí)，筒壁溫度對熱處理強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比熱空氣溫度高30%～70%。

（3）不同熱加工強(qiáng)度條件下干燥后煙絲的卷曲度、填充值均隨著熱加工強(qiáng)度的增大而規(guī)律性增加；耐加工性隨著熱加工強(qiáng)度的增大逐漸降低，且存在明顯的線性相關(guān)關(guān)系。