葉絲氣流干燥過(guò)程中水分和丙三醇遷移特性

趙美麗，王 樂(lè)*，吳 鍵，魯端峰，陳 震，付麗麗，胡安福，張 齊，黃 鋒，李 斌

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

2. 浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，杭州市西湖區(qū)科海路118 號(hào) 310008

3. 深圳市卓力能技術(shù)有限公司，廣東省深圳市寶安區(qū)工業(yè)三路2 號(hào) 518108

隨著新型煙草制品在世界范圍的快速發(fā)展，中國(guó)煙草行業(yè)對(duì)新型煙草制品的關(guān)注日益增強(qiáng)。目前，市場(chǎng)上大部分加熱卷煙［1-2］產(chǎn)品的煙芯材料以再造煙葉［3］為主，然而再造煙葉在提升加熱卷煙產(chǎn)品香氣特征方面仍有一定缺陷［4］。為體現(xiàn)煙草本香特征并盡可能利用現(xiàn)有工藝設(shè)備，工業(yè)企業(yè)開(kāi)始用天然煙葉結(jié)合傳統(tǒng)制絲工藝生產(chǎn)加熱卷煙煙芯原料。為實(shí)現(xiàn)低溫霧化［5］，加熱卷煙需要添加丙三醇，其含量一般為10% ～20%。丙三醇黏度較大，天然煙葉的組織結(jié)構(gòu)致密，故難以對(duì)丙三醇有較高的吸收效率。為獲得較高丙三醇含量的葉絲，采用分段添加的方式以提升丙三醇在煙草物料中的吸收效率，葉絲回潮時(shí)添加部分丙三醇［6］，然后在加香環(huán)節(jié)繼續(xù)添加部分丙三醇。加熱卷煙的煙芯含水率一般為6%甚至更低，其值明顯低于傳統(tǒng)卷煙的含水率。因此，葉絲干燥時(shí)如何減少丙三醇損失的同時(shí)去除大部分水分就成為亟待解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，有學(xué)者對(duì)煙草物料（如葉絲、煙葉、再造煙葉等）的干燥過(guò)程開(kāi)展了一些研究，主要集中在干燥方式和條件對(duì)煙草物料物理特性［7-8］、化學(xué)成分［9-10］、感官品質(zhì)［11-12］的影響以及水分遷移動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建與驗(yàn)證［13-16］等方面，而對(duì)如何更加有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)葉絲中水分和丙三醇含量的調(diào)控目前缺乏針對(duì)性的研究。本研究中利用固定床氣流干燥裝置對(duì)不同丙三醇含量的葉絲進(jìn)行干燥試驗(yàn)，分析丙三醇含量與干燥溫度對(duì)葉絲中丙三醇與水分遷移規(guī)律的影響，以期深入認(rèn)識(shí)葉絲干燥中的傳質(zhì)傳熱特性，為加熱卷煙制絲工藝調(diào)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

選用特征長(zhǎng)度為2.5 cm、寬度為1.0 mm 的葉絲并將其平衡至22%的含水率（干基），按0、3.0%、6.6%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加丙三醇制備樣品。

甲醇、丙三醇（Gly）、異丙醇（內(nèi)標(biāo)）（色譜純，上海賽默飛世爾科技有限公司）；正十七烷（內(nèi)標(biāo)，≥99.5%，上海Aladdin公司）。

固定床氣流干燥裝置（鄭州煙草研究院研制）；GC6890 氣相色譜儀［配有火焰離子化檢測(cè)器（FID）和熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD），美國(guó)Agilent 公司］；HY-8 調(diào)速振蕩儀（常州國(guó)華電器有限公司）；CP2245 天平（感量0.000 1 g，德國(guó)Sartorius 公司）；紅外測(cè)溫儀（美國(guó)Fluke公司）。

固定床氣流干燥裝置如圖1所示。

圖1 固定床氣流干燥裝置Fig.1 A photo of the pneumatic dryer with a fixed bed used in the study

1.2 試驗(yàn)方法

設(shè)定試驗(yàn)風(fēng)量為100 L·min-1，風(fēng)速為0.20 m·s-1，調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度至試驗(yàn)設(shè)定值，待整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)溫度穩(wěn)定后開(kāi)始試驗(yàn)。稱取20 g 葉絲放入盛料器中，快速放入干燥室后開(kāi)始計(jì)時(shí)；分別達(dá)到0、20、30、40、50、60、80、100、120、180、240、300、360、480、600 s后，使用紅外測(cè)溫儀快速檢測(cè)葉絲溫度，隨后裝袋密封待測(cè)。

為保持試驗(yàn)的穩(wěn)定性，中途不取樣，不同干燥時(shí)間的葉絲樣品都為重新開(kāi)始的樣品，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)重復(fù)3 次。參考文獻(xiàn)［17-18］中的方法測(cè)定葉絲中的含水率和丙三醇含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

葉絲質(zhì)量變化率小于0.01 %·s-1時(shí)干燥基本達(dá)到平衡，干燥時(shí)間在550 ～600 s 的葉絲質(zhì)量符合該標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)設(shè)定最長(zhǎng)干燥時(shí)間為600 s，記600 s時(shí)的含水率為平衡含水率。

由于葉絲樣品的初始含水率有波動(dòng)，統(tǒng)一采用水分比MR表示干燥過(guò)程中葉絲水分相對(duì)剩余率［13］。對(duì)含水率與時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行一階微分，得到葉絲的干燥速率RD。

從常用的干燥動(dòng)力學(xué)模型中選取Newton模型［19］，即MR=exp（-kt）。對(duì)水分比進(jìn)行擬合分析，用模型參數(shù)k表示葉絲水分的干燥速率常數(shù)，用決定系數(shù)R2對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，R2越接近1，模型的參考價(jià)值越高，反之參考價(jià)值越低。

葉絲中丙三醇的保留率r由公式（1）確定：

式中：Ct為干燥過(guò)程中t時(shí)刻葉絲的丙三醇含量（%）；C0為葉絲的初始丙三醇含量（%）。

2 結(jié)果與討論

2.1 丙三醇含量對(duì)葉絲干燥過(guò)程的影響

2.1.1 丙三醇含量對(duì)葉絲干燥過(guò)程中水分比的影響表1為葉絲的初始和平衡含水率。由表1可知，葉絲初始含水率不嚴(yán)格相等，初始含水率平均值為26.02%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.85%，變異系數(shù)為0.07；干燥達(dá)到平衡時(shí)，平均值為1.51%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.21%，變異系數(shù)為0.14。

表1 不同丙三醇含量的葉絲初始和平衡含水率Tab.1 Initial and equilibrium moisture contents in cut strips with different glycerol contents

為明確丙三醇對(duì)葉絲干燥過(guò)程中含水率變化的影響，研究了丙三醇含量分別為0、3.0%、6.6%的葉絲在氣流干燥溫度130 ℃下的含水率變化規(guī)律。

圖2 為在130 ℃下不同丙三醇含量的葉絲干燥過(guò)程中的水分比曲線。從圖2可以看出，3個(gè)丙三醇含量葉絲的水分變化趨勢(shì)基本一致。整個(gè)干燥過(guò)程可分為兩個(gè)階段，第一階段（0 ～100 s），水分大量脫除，100 s 時(shí)，未添加丙三醇的葉絲水分比為0.10，添加3.0%丙三醇的葉絲水分比為0.12，添加6.6%丙三醇的葉絲水分比為0.17；第二階段（100 ～600 s），水分少量脫除。對(duì)比3個(gè)葉絲樣品干燥達(dá)到相同水分比所需的時(shí)間差異，因加熱卷煙煙芯的含水率一般為6%以下，以未添加丙三醇的葉絲干燥含水率6%（水分比為0.19）為例，需要的干燥時(shí)間為65 s左右；添加3.0%丙三醇的葉絲干燥到含水率6%（水分比0.19），需要時(shí)間為80 s；而添加6.6%丙三醇的葉絲干燥到含水率6%（水分比0.16），需要時(shí)間超過(guò)100 s?？梢?jiàn)隨著葉絲中丙三醇含量的增加，干燥到相同含水率所需的時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)。

圖2 不同丙三醇含量葉絲水分比曲線Fig.2 Moisture ratio curves of cut strips with different glycerol contents

2.1.2 丙三醇含量對(duì)葉絲干燥過(guò)程中干燥速率的影響

圖3 為不同丙三醇含量的葉絲在130 ℃下干燥過(guò)程中的干燥速率曲線。從圖3 可以看出，葉絲均為先升速干燥，再降速干燥。在第一階段（0 ～100 s），3 種葉絲的干燥速率均較大；在第二階段（100 ～600 s），3種葉絲的干燥速率基本降為0。

圖3 不同丙三醇含量葉絲干燥速率曲線Fig.3 Drying rate curves of cut strips with different glycerol contents

未添加丙三醇的葉絲干燥速率最大為0.467 %·s-1，與其相比，添加了丙三醇的葉絲的最大干燥速率降低了20%左右。但兩種不同丙三醇含量的葉絲在干燥速率的數(shù)值上差異微小，因此葉絲的干燥速率受到丙三醇初始含量的影響較小。

圖4 為不同丙三醇含量的葉絲在130 ℃下干燥過(guò)程中的表面溫度曲線。由圖4 可以看出，不同丙三醇初始含量的葉絲，表面升溫趨勢(shì)保持一致，即先快速升溫，然后升溫速率變慢，最后溫度保持穩(wěn)定。丙三醇初始含量對(duì)葉絲表面溫度無(wú)明顯影響，干燥溫度與葉絲最終溫度之差約為5 ℃。

圖4 不同丙三醇含量葉絲表面溫度曲線Fig.4 Surface temperature curves of cut strips with different glycerol contents

用Newton 模型擬合3 個(gè)葉絲樣品水分比數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果如表2 所示。對(duì)比干燥速率常數(shù)k發(fā)現(xiàn)丙三醇的添加使k略有降低，且丙三醇含量分別為3.0%和6.6%的葉絲k值相差不大，未添加丙三醇的葉絲對(duì)模型的擬合效果最好。

表2 不同丙三醇初始含量的干燥模型擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of drying models for different initial glycerol contents

2.2 溫度對(duì)葉絲干燥過(guò)程的影響

2.2.1 溫度對(duì)葉絲干燥過(guò)程中水分比的影響

葉絲的初始和平衡含水率如表3 所示。由表3可知，初始含水率平均值為23.90%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.13%，變異系數(shù)為0.05；干燥達(dá)到平衡時(shí)，平均值為1.90%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.71%，變異系數(shù)為0.37。根據(jù)葉絲干燥后質(zhì)量指標(biāo)的要求，以干燥到6%的葉絲含水率為例，計(jì)算相應(yīng)水分比可得100、115、130、145 ℃下葉絲需要的干燥時(shí)間分別180、150、100、90 s。

表3 葉絲初始和平衡含水率Tab.3 Initial and equilibrium moisture contents in cut strips

圖5 為相同丙三醇含量的葉絲在干燥溫度分別為100、115、130、145 ℃下的水分比曲線。由圖5 可以看出，在整個(gè)干燥階段，葉絲水分比非勻速降低。隨著溫度的升高，溫度造成的水分比差異逐漸減小。

圖5 不同干燥溫度下葉絲水分比曲線Fig.5 Moisture ratio curves of cut strips at different drying temperatures

2.2.2 溫度對(duì)葉絲干燥過(guò)程中干燥速率的影響

圖6 為相同丙三醇含量的葉絲在干燥溫度分別為100、115、130、145 ℃下的干燥速率曲線。從圖6可以看出，干燥溫度越高，葉絲水分的遷移速率略有增大，100、115、130、145 ℃下葉絲干燥速率極大值分別為0.134、0.196、0.248、0.250 %·s-1。溫度升高45 ℃，葉絲干燥速率極大值可增大一倍，可見(jiàn)干燥溫度對(duì)葉絲水分的遷移起決定性作用。

圖6 不同干燥溫度下葉絲干燥速率曲線Fig.6 Drying rate curves of cut strips at different drying temperatures

圖7 為相同丙三醇含量的葉絲在干燥溫度分別為100、115、130、145 ℃下的表面溫度曲線。從圖7可以看出，干燥溫度對(duì)葉絲表面溫度有決定性作用，干燥溫度越高，葉絲表面升溫越快。在試驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)，葉絲表面能達(dá)到的最高溫度與實(shí)際干燥溫度相差15 ～20 ℃。在第一階段，葉絲表面溫度快速升高，由于水分集中脫除時(shí)不斷吸熱，在該階段后期，表面溫度出現(xiàn)一個(gè)升溫平臺(tái)期［20］，葉絲溫度不會(huì)急劇升高。在第二階段，葉絲表面溫度基本保持穩(wěn)定。

圖7 不同干燥溫度下葉絲表面溫度曲線Fig.7 Surface temperature curves of cut strips at different drying temperatures

用Newton 模型擬合4 種葉絲樣品水分比數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果如表4 所示?？梢?jiàn)干燥速率常數(shù)k隨著溫度的升高而增大。干燥溫度每升高15 ℃，模型參數(shù)k增大0.002左右。

2.3 丙三醇含量對(duì)葉絲干燥中丙三醇保留率的影響

在130 ℃下，丙三醇初始含量分別為2.7%和4.9%的葉絲干燥過(guò)程中丙三醇含量隨時(shí)間的變化如圖8a所示。從圖8a可以看出，葉絲中丙三醇的脫除大致分為兩個(gè)階段：第一階段（0 ～100 s），丙三醇含量逐漸減少，丙三醇以一定的速率脫除；第二階段（100 ～600 s），丙三醇含量曲線基本水平，丙三醇緩慢脫除。

整個(gè)干燥階段，兩種葉絲的丙三醇初始含量與最終含量之差基本相同，且第一階段的丙三醇損失占全過(guò)程損失量的50%以上。丙三醇初始含量為2.7%的葉絲，干燥100 s時(shí)丙三醇的絕對(duì)損失量約為0.6 百分點(diǎn)，600 s 時(shí)丙三醇絕對(duì)損失量為1.1 百分點(diǎn)。丙三醇初始含量為4.9%的葉絲，干燥100 s時(shí)丙三醇的絕對(duì)損失量約為0.7 百分點(diǎn)，600 s 時(shí)丙三醇絕對(duì)損失量為1.2百分點(diǎn)。

在130 ℃下，丙三醇初始含量分別為2.7%和4.9%的葉絲干燥過(guò)程中的丙三醇損失速率如圖8b所示。從圖8b 可見(jiàn)，在第一階段前段（0 ～40 s），丙三醇初始含量分別為2.7%和4.9%的葉絲的丙三醇損失速率有明顯差異，丙三醇含量較低的葉絲起始損失速率較低，起始損失速率即最大損失速率，隨后損失速率大幅降低。2.7%丙三醇的葉絲最大損失速率為0.009 %·s-1，4.9%丙三醇的葉絲最大損失速率為0.014 %·s-1。在第一階段后段（40 ～100 s），丙三醇初始含量分別為2.7%和4.9%的葉絲的丙三醇損失速率有一定差異。試驗(yàn)中實(shí)際的檢測(cè)時(shí)間有一定偏差，達(dá)到相同的損失速率時(shí)兩種葉絲所需的時(shí)間之差在10 s 內(nèi)，因此認(rèn)為兩種葉絲中丙三醇的損失趨勢(shì)是一致的。在第二階段（100 ～600 s）二者的損失速率無(wú)明顯差異，隨著干燥時(shí)間的增加丙三醇損失速率不斷減小，且小于0.002 %·s-1。

圖8 不同初始丙三醇含量對(duì)葉絲干燥中丙三醇含量的影響Fig.8 Effects of different initial glycerol contents on glycerol contents in cut strips during drying

在130 ℃下，丙三醇初始含量分別為2.7%和4.9%的葉絲干燥過(guò)程中的丙三醇保留率如圖9 所示。由圖9可見(jiàn)，第一階段結(jié)束時(shí)（100 s），2.7%丙三醇葉絲的保留率為78%，4.9%丙三醇葉絲的保留率為87%；第二階段結(jié)束時(shí)（600 s），2.7%丙三醇葉絲的丙三醇保留率為59%，4.9%丙三醇葉絲的丙三醇保留率為75%。

圖9 不同初始丙三醇含量葉絲干燥過(guò)程中的丙三醇保留率曲線Fig.9 Glycerol retention curves of cut strips with different initial glycerol contents during drying

在整個(gè)干燥階段，兩種不同丙三醇初始含量的葉絲的絕對(duì)損失量基本相同，約為1.1 百分點(diǎn)，因此初始含量較大的葉絲，其丙三醇保留率較大。增加丙三醇的初始含量，干燥結(jié)束后其保留率可能會(huì)進(jìn)一步提高。

第一階段（0 ～100 s）丙三醇的損失量約占整個(gè)干燥過(guò)程損失量的50%以上。由圖4 可知100 s 時(shí)葉絲表面溫度才達(dá)到100 ℃，從圖3 可見(jiàn)第一階段水分快速脫除，由于丙三醇與水完全互溶，二者有較強(qiáng)的結(jié)合力，干燥時(shí)葉絲中的丙三醇被水分協(xié)同脫除，即水分的脫除加劇了丙三醇的損失，因此第一階段的丙三醇損失較多。水分加速了葉絲中丙三醇的脫除，而丙三醇含量對(duì)葉絲干燥速率的影響不大。第二階段（100 ～600 s）丙三醇的損失速率較小，此階段時(shí)長(zhǎng)是第一階段的5 倍，損失量卻沒(méi)有第一階段大。一方面，第二階段絕大部分水分已經(jīng)脫除，失去了水分的協(xié)同作用；另一方面，葉絲溫度基本穩(wěn)定在120 ℃，丙三醇的飽和蒸氣壓非常小且接近于0 Pa，丙三醇揮發(fā)能力小，故此階段丙三醇損失速率非常低。丙三醇的損失速率主要由干燥溫度決定，丙三醇的初始含量對(duì)其沒(méi)有影響。

2.4 溫度對(duì)葉絲干燥過(guò)程中丙三醇保留率的影響

相同丙三醇含量的葉絲在干燥溫度分別為100、115、130、145 ℃下的干燥過(guò)程中丙三醇含量隨時(shí)間的變化如圖10a所示。從圖10a可以看出，葉絲中丙三醇的脫除呈現(xiàn)出分段特征，且分界點(diǎn)時(shí)間隨溫度的升高而略有延長(zhǎng)。統(tǒng)一起見(jiàn)，后續(xù)討論仍以100 s 為分界點(diǎn)，即第一階段（0 ～100 s），丙三醇含量快速降低；第二階段（100 ～600 s），丙三醇含量幾乎不變或緩慢下降。

第一階段（0 ～100 s），干燥溫度較高時(shí)葉絲中丙三醇含量曲線相對(duì)平緩，即較高溫度下干燥的葉絲在相同時(shí)間內(nèi)的丙三醇絕對(duì)損失量較小。4 個(gè)不同干燥溫度下的葉絲丙三醇初始含量約為4.7%，第一階段結(jié)束時(shí)，丙三醇含量約為4.1%，丙三醇的絕對(duì)損失量約為0.6百分點(diǎn)。第二階段（100 ～600 s），干燥溫度越高，丙三醇的絕對(duì)損失量越大。第二階段結(jié)束時(shí)，100、115、130、145 ℃下的丙三醇絕對(duì)損失量分別為0.6 百分點(diǎn)、0.8 百分點(diǎn)、1.2 百分點(diǎn)、1.6 百分點(diǎn)。可見(jiàn)在第二階段，130 ℃和145 ℃的丙三醇損失量明顯高于110 ℃和115 ℃的損失量。

相同丙三醇含量的葉絲在干燥溫度分別為100、115、130、145 ℃下干燥過(guò)程中丙三醇損失速率如圖10b 所示。丙三醇損失速率曲線呈現(xiàn)出先快速降低后趨于平緩的趨勢(shì)。第一階段（0 ～100 s），丙三醇損失速率隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而線性降低。丙三醇起始損失速率隨干燥溫度的升高而降低，且為干燥過(guò)程中的最大損失速率，其值均低于0.016 %·s-1。損失速率的變化率與干燥溫度呈負(fù)相關(guān)，干燥溫度分別為100、115、130、145 ℃下的丙三醇損失速率的變化率分別為1.5×10-4、1.1×10-4、6×10-5、5×10-5%·s-2。第二階段（100～600 s），4 條丙三醇損失速率曲線幾乎水平，丙三醇等速損失，其在葉絲中的脫除與溫度明顯相關(guān)。100 ℃和115 ℃下的丙三醇損失速率接近于0，130 ℃和145 ℃下的丙三醇損失速率約為0.003 %·s-1。即在較低的干燥溫度下，丙三醇幾乎不損失；在較高的干燥溫度下，丙三醇仍有少量且緩慢的損失。

圖10 不同干燥溫度下葉絲丙三醇曲線Fig.10 Glycerol curves of cut strips at different drying temperatures

相同丙三醇含量的葉絲在干燥溫度分別為100、115、130、145 ℃下干燥過(guò)程中丙三醇保留率如圖11 所示。從圖11 可以看出，在第一階段（0 ～100 s），130 ℃及以下干燥溫度的丙三醇保留率基本接近，隨時(shí)間增加呈指數(shù)狀降低，145 ℃下丙三醇保留率整體偏高，隨時(shí)間增加線性降低。在第二階段（100 ～600 s），丙三醇保留率隨時(shí)間增加線性降低，干燥溫度越高，相同時(shí)刻下保留率越低。整個(gè)干燥過(guò)程結(jié)束時(shí)，100、115、130、145 ℃下葉絲中丙三醇保留率分別為88.1%、83.3%、74.5%、65.4%。

圖11 不同干燥溫度下葉絲丙三醇保留率曲線Fig.11 Glycerol retention curves of cut strips at different drying temperatures

在第一階段（0 ～100 s），水分協(xié)同加速葉絲中的丙三醇的脫除，且占主導(dǎo)作用，因此水分揮發(fā)量決定了丙三醇的脫除量，故該階段溫度對(duì)丙三醇的保留率沒(méi)有顯著影響。在第二階段（100 ～600 s），水分基本揮發(fā)完全，故其對(duì)丙三醇的脫除無(wú)加速作用，丙三醇的損失速率主要由干燥溫度決定。隨著干燥溫度的顯著增加，葉絲表面溫度升高，丙三醇的飽和蒸氣壓不斷增大，脫除速率隨之增加，損失量相應(yīng)增加，保留率相應(yīng)降低。

3 結(jié)論

①添加丙三醇后的葉絲干燥過(guò)程水分遷移規(guī)律基本一致，葉絲的干燥速率受丙三醇初始含量的影響較小，干燥過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段（0 ～100 s）和第二階段（100 ～600 s）。②葉絲表面溫度與干燥溫度正相關(guān)，與丙三醇的初始含量無(wú)關(guān)。③丙三醇初始含量對(duì)其脫除無(wú)顯著影響。第一階段丙三醇的脫除與水分干燥速率較大有關(guān)，不同丙三醇初始含量的損失量基本相同，且占總損失量的50%以上；第二階段不同丙三醇初始含量的損失速率無(wú)明顯差異，且隨著干燥時(shí)間的增加不斷減小。④干燥溫度對(duì)丙三醇脫除有顯著影響。第一階段不同干燥溫度下丙三醇損失量均為0.6百分點(diǎn)左右，損失速率隨干燥時(shí)間線性降低，損失速率的變化率與干燥溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；第二階段丙三醇損失量隨干燥溫度的升高而增大，損失速率基本保持穩(wěn)定。