低溫煙梗預處理工藝及制備梗絲的質(zhì)量特性

鄭 茜，關(guān)愛章，劉文鋒，袁海霞，林 盈，李曼曼，楊 明，王姍姍

湖北中煙工業(yè)有限責任公司，武漢市東西湖金山大道1355號 430040

煙梗預處理主要工藝任務是增加原料煙梗的含水率和溫度，使煙梗組織更加柔軟、疏松，降低煙梗機械強度，便于后續(xù)切絲和梗絲膨脹，減少加工過程中的造碎。目前，煙草行業(yè)煙梗預處理多采用傳統(tǒng)的“兩潤兩貯”工藝，工藝流程復雜、處理周期長、能耗高且設(shè)備占地面積大［1-3］。針對傳統(tǒng)煙梗預處理工藝的不足，朱俊召等［4］在浸梗后采用微波潤梗，簡化了煙梗預處理工藝，可節(jié)約生產(chǎn)場地。趙春雷等［5］設(shè)計開發(fā)了一種高壓潤梗設(shè)備，縮短了煙梗預處理加工時間，但這兩種工藝對設(shè)備和能耗均有較高的要求。另外，隨著細支煙、中支煙市場的發(fā)展，傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的梗絲尺寸較大，在中、細支卷煙中使用后會造成煙支物理指標穩(wěn)定性差等問題［6］，限制了梗絲的應用。因此，開發(fā)適合于絲狀梗絲的成絲工藝也成為研究熱點［7-8］。降低壓梗厚度能夠一定程度上提高梗絲中絲狀梗絲比例［9-10］，但低的壓梗間隙易導致壓梗機堵料、梗絲寬度均勻性差等問題。陳景云等［11］在傳統(tǒng)梗絲加料后進行二次切絲，提高了絲狀梗絲比例，但易導致碎絲率高、梗絲寬度不均勻等問題。為簡化煙梗預處理工藝流程，提高絲狀梗絲成絲比例，開發(fā)了一種適用于絲狀梗絲的低溫煙梗預處理工藝，旨在實現(xiàn)以常溫水為介質(zhì)，通過低溫深潤提高煙梗潤透效果，降低壓后梗片回彈能力。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

配方復烤煙梗（襄陽卷煙廠）。

湖北中煙工業(yè)有限責任公司自主研發(fā)100 kg/h試驗裝置（包括常溫浸梗裝置，新型超薄壓梗機，網(wǎng)帶式梗片干燥機）。

YQ-2型煙絲振動分選篩、GDS-410梗絲填充值測定儀（鄭州嘉德機電科技有限公司）；CLSS100梗絲形態(tài)檢測儀（合肥眾沃儀器技術(shù)有限公司）；D0011型梗絲厚度儀（澳大利亞IDM儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 梗絲制備

分別采用襄陽卷煙廠兩潤兩貯預處理工藝、煙梗低溫預處理工藝，對配方復烤煙梗進行預處理，切絲后分別進行梗絲氣流和滾筒模式干燥。

1.2.2 檢測方法

梗絲結(jié)構(gòu)測定：按照YC/T 178—2003《煙絲整絲率、碎絲率的測定方法》的規(guī)定進行取樣、檢測。

填充值測定：按照YC/T 152—2001《卷煙 煙絲填充值的測定》規(guī)定進行取樣、檢測。

梗片厚度檢測：隨機抽取30個梗片樣品，使用D0011型梗絲厚度儀對梗片厚度進行檢測。

煙梗顯微結(jié)構(gòu)表征：將梗片干燥后，用刀片沿截面切取1 mm左右的薄片，然后用掃描電鏡能譜儀對各個樣品不同部位包括表皮組織、厚角組織及導管組織的微觀形貌進行檢測，并選取代表性區(qū)域進行元素分析，掃描電壓為15 kV，掃描方式為點掃。

絲狀梗絲率測試：參考文獻［12］方法，對梗絲形態(tài)檢測儀采集圖像數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)寬度數(shù)據(jù)將梗絲劃分為絲狀（寬度≤1.2 mm）、近絲狀（1.2 mm＜寬度≤1.5 mm）、近片狀（1.5 mm＜寬度≤1.8 mm）和片狀（寬度＞1.8 mm）4種形態(tài)，統(tǒng)計各種形態(tài)梗絲比例。

Amadori化合物含量測試：參考文獻［13］方法，采用液相色譜-質(zhì)譜法測定梗絲、梗片和原料煙梗中11種Amadori化合物的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙梗預處理工藝對比

煙草行業(yè)普遍采用的“兩潤兩貯”煙梗預處理工藝，多以加熱水和蒸汽為介質(zhì)，煙梗經(jīng)兩次潤梗和兩次貯梗后達到切梗絲含水率要求，圖1為兩潤兩貯預處理工藝流程圖。

圖1 煙梗“兩潤兩貯”預處理工藝流程圖Fig.1 Flow chart of a“two-step moistening+two-step storing”pretreatment process for tobacco stems

煙梗低溫預處理工藝以常溫水為介質(zhì)，對煙梗進行深度浸潤，潤后含水率達約48%的煙梗進入壓梗工序；壓后梗片采用低溫干燥模式去除梗片中多余水分，以滿足切梗絲含水率要求，其工藝流程見圖2。

圖2 煙梗低溫預處理工藝流程圖Fig.2 Flow chart of a low-temperature pretreatment process for tobacco stems

兩潤兩貯煙梗預處理工藝生產(chǎn)加工流程長、設(shè)備占地面積大、能耗高，且生產(chǎn)周期長，每批次生產(chǎn)周期約需10 h；煙梗低溫預處理工藝則省去了二次潤梗和貯梗等工序，簡化了流程，節(jié)省了設(shè)備的占地空間，縮短了生產(chǎn)周期，批次生產(chǎn)周期6 h。兩種加工工藝試驗過程采用的主要加工參數(shù)見表1和表2。

表1 兩潤兩貯煙梗預處理工藝參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameters of the“two-step moistening+two-step storing”pretreatment process for tobacco stems

表2 煙梗低溫預處理工藝參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameters of the low-temperature pretreatment process for tobacco stems

2.2 煙梗低溫預處理工藝技術(shù)

2.2.1 低溫浸梗

浸梗機為煙梗低溫預處理工藝的核心設(shè)備之一，由3組并列式滾筒裝置組成（保證浸梗期間出料的連續(xù)性），浸梗機的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。滾筒以支撐軸承為中心以小于70°振幅來回擺動，煙梗在滾筒內(nèi)部翻滾浸漬。通過試驗可知浸梗時間大于80 min后，煙?？蓪⒔Ｋ糠治?，梗纖維得到溶脹，因此結(jié)合生產(chǎn)組織和潤梗效果，將浸梗時間確定為90 min。潤后煙梗含水率由浸梗前13%左右上升至浸梗后48%左右，含水率增加約35百分點，體積增大約1.4倍，煙梗柔軟，表面游離水較少。浸泡后的煙梗質(zhì)地柔軟、對折后無裂痕，縱向撕開后煙梗剖面平整、色澤較均勻，煙梗經(jīng)低溫水自然浸泡后內(nèi)部纖維組織吸水溶脹、潤透效果較好。

圖3 浸梗機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of a stem dipping machine

2.2.2 超薄壓梗

煙梗浸梗后，采用高含水率超薄壓梗工藝處理，煙梗易形變，延展性增強，回彈減小，壓后梗片呈薄片狀。新型超薄壓梗機的結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。與傳統(tǒng)壓梗裝置相比，超薄壓梗輥輪直徑大于輥輪長度，增加了壓梗接觸和受力面積，壓后梗片不易回彈。本研究中使用的壓輥壓梗加工能力為1 000 kg/h，壓輥直徑為1 000 mm，長度為600 mm（傳統(tǒng)壓梗裝置壓輥直徑為600～800 mm，長度為1 000 mm）。另一方面，壓梗前煙梗含水率約為48%，物料含水率高，輥輪表面無需采用霧化水潤滑，壓后煙梗無粘連、無擠壓重疊，含水率穩(wěn)定性增強。

圖4 新型超薄壓梗機的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of a new type ultrathin stem flattener

2.2.3 梗片干燥

為保障壓后梗片含水率滿足切梗絲要求而開發(fā)了一種“低溫慢烘”網(wǎng)帶式梗片干燥機，其結(jié)構(gòu)見圖5。多層網(wǎng)帶式梗片干燥機通過循環(huán)干燥熱風并采用低溫慢烘工藝將梗片中多余的水分帶走，干燥后梗片含水率適宜切絲物料含水率標準要求，梗片表面干爽，梗片不收縮、不卷曲。梗片進行切絲時，切絲機鏈排不粘連，刀輥不打滑。

圖5 網(wǎng)帶式煙梗干燥機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of a net belt dryer for tobacco stems

煙梗干燥設(shè)備分4個干燥區(qū)，5層網(wǎng)帶（保障煙梗體積不回縮），物料輸送往復式運行（上部進料、底部出料），采用下吹風式、≤80℃低溫熱風烘焙，干燥時間約10 min，干燥后煙梗含水率為30%～32%。

2.3 質(zhì)量特性對比

2.3.1 梗片厚度

采用梗片厚度儀對兩種預處理工藝壓后梗片厚度進行了測試分析。將壓輥間隙調(diào)整為0.6 mm，壓后梗片纖維組織無明顯破壞，但壓后梗片延展性較差，有明顯反彈，烘后梗片含水率不均勻；壓輥間隙為0.5 mm時，壓后梗片呈現(xiàn)薄片狀，表面均勻平整，少量梗片纖維破壞，延展性好；當壓輥間隙＜0.5 mm時，壓后梗片大量纖維組織被明顯破壞。因此，選擇壓輥間隙為0.5 mm。壓后梗片平均厚度為1.5 mm，梗片厚度整體上介于0.7～1.7 mm，滿足絲狀梗絲加工前提條件。

同樣壓輥間隙下，不同煙梗預處理工藝對壓后梗片厚度的影響見表3。從表3可以看出，低溫預處理干燥后梗片厚度均值顯著小于“兩潤兩貯”壓后梗片，其梗片厚度標準偏差小于“兩潤兩貯”壓后梗片；低溫預處理壓后梗片和烘后梗片厚度均值沒有明顯差異，表明煙梗濕壓后經(jīng)過干燥工藝處理后對梗片厚度影響不顯著。

表3 壓后梗片厚度①②Tab.3 Thickness of stem laminae after flattening

2.3.2 梗片微觀組織結(jié)構(gòu)

對低溫預處理和“兩潤兩貯”兩種工藝所得梗片進行掃描電鏡顯微成像，比較兩種工藝所得梗片表皮組織、厚角組織和導管組織的微結(jié)構(gòu)差異，如圖6所示。兩種工藝預處理后梗片表皮組織均為大小形態(tài)不一的孔結(jié)構(gòu)，厚角組織結(jié)構(gòu)較為致密、呈層疊狀，導管組織為排列比較規(guī)整的管束結(jié)構(gòu)。與“兩潤兩貯”工藝所得梗片相比，低溫預處理后梗片表皮組織和厚角組織擠壓堆疊程度較高，導管斷裂無序程度大。試驗表明，低溫預處理工藝對煙梗的微觀結(jié)構(gòu)改變程度較大，導致低溫預處理后梗片厚度較“兩潤兩貯”壓后梗片厚度小、質(zhì)地柔軟。

圖6 不同的梗預處理切絲前梗片橫截面顯微形態(tài)Fig.6 Micromorphology of cross sections of stems prepared by different pretreatments before cutting

2.3.3 梗絲質(zhì)量

為評價預處理工藝對梗絲結(jié)構(gòu)的影響，對以上兩種預處理后的煙梗，以切絲寬度0.09 mm進行切絲后分別進行氣流干燥和薄板干燥，得到4種成品梗絲樣品。

2.3.3.1 絲狀梗絲比例

對不同制梗絲工藝制備的梗絲進行絲狀梗絲比例檢測，結(jié)果見表4。由表4可知，低溫預處理+薄板干燥工藝絲狀梗絲比例達到82.84%，低溫預處理+氣流干燥工藝絲狀梗絲比例達到77.54%。在相同干燥工藝下，低溫預處理工藝所得梗絲的成絲比例分別高出“兩潤兩貯”工藝9.9百分點和11.3百分點，充分說明了低溫預處理所得梗片厚度較小、標準偏差小，絲狀梗絲成絲率高。

表4 不同工藝組合成絲比例分析Tab.4 Proportions of different shape cut stems prepared by different process combinations （%）

2.3.3.2 梗絲結(jié)構(gòu)和填充值

對梗絲結(jié)構(gòu)和填充值進行分析，結(jié)果見表5。由表5可知，薄板干燥模式下，低溫預處理、“兩潤兩貯”梗絲的整絲率、填充值基本一致；氣流干燥模式下，低溫預處理梗絲整絲率低于“兩潤兩貯”工藝，梗絲填充值基本一致。薄板干燥梗絲整絲率高于氣流干燥，填充值低于氣流干燥梗絲。

表5 梗絲結(jié)構(gòu)和填充值Tab.5 Structure and filling value of cut stems

2.3.4 Amadori化合物含量

在加工過程中煙草內(nèi)部的糖和氨基酸發(fā)生美拉德反應，可以改善感官品質(zhì)。Amadori化合物是美拉德反應的中間體，也是煙草香味成分的重要來源，可以用Amadori化合物的含量表征煙梗加工過程美拉德反應的發(fā)生程度。對4種梗絲Amadori化合物進行分析，并與原梗進行比較，結(jié)果見圖7。從圖7中Amadori總量看，梗絲中Amadori化合物總量均比原料梗有所增加。不論是薄板干燥工藝還是氣流干燥工藝，低溫預處理工藝所得梗絲Amadori化合物總量均高于“兩潤兩貯”工藝約5%。制絲前后差別較大的Amadori化合物有1-脫氧-1-L-脯氨酸-D-果糖（FRU-PRO）、1-脫氧-1-L-天冬酰胺-D-果糖（FRU-ASN）、1-脫 氧-1-L-谷 酰 胺-D-果 糖（FRU-GLN）、1-脫 氧-1-L-谷 氨 酸-D-果 糖（FRU-GLU）等。其中FRU-GLN制絲前后增加約40%。對于這些具體的Amadori化合物，均呈現(xiàn)出低溫預處理工藝含量高于“兩潤兩貯”工藝的規(guī)律。在低溫預處理煙梗中，煙梗吸水至含水率達到48%，然后壓片、網(wǎng)帶干燥將含水率降低到33%左右，煙梗中的還原糖和氨基酸在這一過程受熱反應，導致Amadori化合物增加，這應該是兩類預處理工藝所得梗絲Amadori化合物差異的原因。對切絲前梗片Amadori化合物進行分析顯示，低溫預處理梗片、“兩潤兩貯”梗片和原料煙梗的Amadori化合物總量（質(zhì)量分數(shù)）分別為3.93%、3.65%和3.50%。進一步驗證了低溫預處理工藝能夠提升煙梗中的Amadori化合物總量。

圖7 不同工藝梗絲Amadori化合物分析Fig.7 Amadori compounds in cut stems prepared by different processes

3 結(jié)論

①提出了低強度煙梗預處理加工工藝，主要包括常溫深度浸梗、高濕壓梗、網(wǎng)帶梗片干燥，至切梗絲，煙梗批次加工時間由10 h縮短到6 h；與傳統(tǒng)梗絲加工工藝相比，節(jié)省了設(shè)備和場地，大幅縮短了加工時間，生產(chǎn)效率提升了約40%。②低溫預處理工藝對煙梗的微觀結(jié)構(gòu)改變程度較大，與“兩潤兩貯”工藝相比，低溫預處理梗片厚度小、均勻性好。③與“兩潤兩貯”工藝相比，低溫預處理梗絲的成絲比例提升約10百分點，且薄板干燥模式更有利于提高低溫預處理梗絲的整絲率。④與“兩潤兩貯”工藝相比，低溫預處理工藝的梗片和梗絲中的Amadori化合物總量高于對照工藝5%以上，說明梗片干燥環(huán)節(jié)可促進煙梗內(nèi)美拉德反應的發(fā)生。