梁 淼 劉茂林 楊永鋒 王根發(fā) 楊宗燦 張俊松 肖錦哲 盧敏瑞 劉向真

(1. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河南 鄭州 450000；3. 福建武夷煙葉有限公司，福建 邵武 354000)

打葉去梗是打葉復(fù)烤生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，其效果直接決定出葉率和葉片結(jié)構(gòu)質(zhì)量，進而影響煙葉原料的有效利用和卷煙加工質(zhì)量[1-2]。為滿足卷煙生產(chǎn)對葉片結(jié)構(gòu)的新需求，基于控制大片率、提升中片率、降低葉中含梗率的理念，新版《卷煙工藝規(guī)范》對梗葉分離后的片煙結(jié)構(gòu)指標有明確要求。為優(yōu)化打葉去梗后的葉片結(jié)構(gòu)，煙草科技工作者[3-5]開展了大量研究，結(jié)果表明打葉去梗后葉片結(jié)構(gòu)質(zhì)量指標既受煙葉類型、部位、等級等自身因素及來料狀態(tài)影響，又與打葉風(fēng)分工藝參數(shù)和設(shè)備性能密切相關(guān)。例如，李躍鋒等研究表明適宜的打前煙葉含水率和溫度是保證良好的打后煙片結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[4]，并且二潤后煙葉溫度、含水率、厚度和拉力等指標需與打葉風(fēng)分工藝參數(shù)匹配[6]，才能取得良好的打葉質(zhì)量。

打葉去梗工序由多級打葉機和風(fēng)分器交替串聯(lián)組成，各級打葉風(fēng)分機組參數(shù)對打后葉片質(zhì)量均有影響，劉利鋒等[5]研究表明框欄尺寸、各級打輥轉(zhuǎn)速組合及風(fēng)分效率的合理匹配能明顯提高打后片煙的中片率。生產(chǎn)線上打后片煙是由各級風(fēng)分器分離出的片煙匯總而成，因此各級風(fēng)分器出口的葉片結(jié)構(gòu)對匯總后葉片質(zhì)量均有貢獻。然而，目前關(guān)于各級風(fēng)分器出口葉片尺寸分布變化特征研究缺乏，因此考察各級風(fēng)分器出口片煙的尺寸分布及其變化規(guī)律有利于工藝參數(shù)及設(shè)備性能的針對性優(yōu)化，可為片煙結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控提供支撐。鑒于此，本研究以福建南平地區(qū)上部煙配打模塊煙葉為原料，利用片煙大小及分布測定系統(tǒng)，考察打葉去梗工序各級風(fēng)分器出口的片煙尺寸分布變化特征，旨在為打葉復(fù)烤片煙結(jié)構(gòu)精準控制提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料、設(shè)備與儀器

煙葉原料：2016年福建南平上部煙配打模塊(由邵武B2F、武夷山B2F、三明B2F、光澤B3F、浦城B3F、順昌B3F等按比例混配而成)；

打葉復(fù)烤生產(chǎn)線：12 000 kg/h，共五打十一分，其中第一級打葉單元包括一至六級風(fēng)分器，第二級打葉單元包括三級風(fēng)分器，第三級打葉單元用一級風(fēng)分器，第四、五級打葉單元共用一級風(fēng)分器，福建武夷煙葉有限公司；

片煙大小及分布測定系統(tǒng)：CA8011型，昆明船舶設(shè)備集團有限公司，鄭州煙草研究院。

1.2 取樣、檢測方法

將原料投入打葉復(fù)烤生產(chǎn)線，根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書工藝參數(shù)穩(wěn)定運行后開始取樣。在各風(fēng)分器(共11級)分離出煙葉落入?yún)R總皮帶前同時接取片煙樣品，每隔30 min重復(fù)取樣1次，共3次。

利用片煙大小及分布測定系統(tǒng)，檢測各片煙樣品面積，結(jié)合煙草行業(yè)對打后片煙結(jié)構(gòu)(碎片率、小片率、中片率、大片率)的要求，如中片率是指介于網(wǎng)篩孔徑12.7 mm與25.4 mm 的葉片占總量的百分數(shù)，篩孔為12.7 mm和25.4 mm 時折合面積分別為161.29，645.16 mm2，因此把所測數(shù)據(jù)的面積劃分為0.00～5.57，5.57～40.32，40.32～161.29，161.29～300.00，300.00～645.16，645.16～1 000.00，1 000.00～1 500.00，1 500.00～2 000.00，2 000.00～2 500.00，2 500.00～3 000.00，3 000.00～4 000.00，4 000.00～5 000.00，5 000.00～6 000.00，>6 000.00 mm214個區(qū)間，根據(jù)YC/T 449—2012《煙葉 片煙大小及其分布的測定 葉面積法》測定片煙尺寸分布，并計算片煙各區(qū)間面積百分比、限下葉片面積累積百分比、片煙大小均勻性系數(shù)及特征尺寸[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 各打葉風(fēng)分口片煙區(qū)間面積比例變化

采用圖像法測量11級打葉風(fēng)分后煙葉樣品的葉片面積，各面積區(qū)間比例結(jié)果如圖1所示。從圖1可見，各級打葉風(fēng)分口分離出的煙片尺寸在劃分的14個面積區(qū)間內(nèi)的比例總體變化趨勢基本一致，葉片尺寸多集中分布于161.29～1 500.00 mm2；另外，一級、二級打葉單元各風(fēng)分口片煙的尺寸分布基本相同，且與三級、四/五級打葉單元風(fēng)分出的葉片差異明顯，第三級、四/五級打葉風(fēng)分單元分離出的煙片中的小尺寸葉片比例上升，而>2 000.00 mm2的葉片比例下降。

將葉片在各面積區(qū)間的比例匯總轉(zhuǎn)換為葉片結(jié)構(gòu)比例，如圖2所示，其中小片(6.35～12.70 mm)對應(yīng)面積區(qū)間為40.32～161.29 mm2，同時根據(jù)卷煙企業(yè)對煙片的實際需求及復(fù)烤后片煙的收縮效應(yīng)[8-9]，將超大片確定為尺寸>44.50 mm的葉片。從圖2中可見，一級、二級打葉單元各風(fēng)分口碎片/末比例較為穩(wěn)定，三級、四/五級打葉單元碎片/末比例略有上升，分別為1.82%和1.64%；對于小片而言，一級打葉單元各風(fēng)分口變化不明顯，二級打葉單元內(nèi)隨著風(fēng)分級數(shù)增加，小片率由3.87%下降為2.55%，而第三級、四/五級打葉單元內(nèi)小片率明顯升高，分別為6.31%和12.92%；第一、二級打葉單元內(nèi)各風(fēng)分口大中片率較為穩(wěn)定，均在94%以上，三級、四/五級打葉風(fēng)分大中片率逐漸降低，分別為91.83%和85.43%。

超大片煙葉成絲后填充力增加不明顯，煙絲過長易結(jié)團，影響卷煙機工作效率及卷接質(zhì)量，因此其比例是打葉復(fù)烤過程中需進行控制的指標[10]，從圖2還可見，在第一級、二級打葉單元內(nèi)，隨著風(fēng)分級數(shù)的增加，超大片比例呈上升趨勢，這是由于同一級打葉單元內(nèi)風(fēng)分級數(shù)越大，通常出片量減小，導(dǎo)致超大片所占比例升高；隨著打葉級數(shù)繼續(xù)增加至第三級、四/五級，打葉風(fēng)分后超大片比率急劇下降，表明絕大部分超大片片煙已在前兩級打葉單元內(nèi)風(fēng)分出來；由于打葉機組第一級打葉出片率最高，通常為65%左右，第二級打葉出片率為22%左右[11]，而一級、二級打葉單元內(nèi)超大片比率又較高，因此在進行超大片煙葉控制時應(yīng)重點對這兩級(尤其是第一級打葉單元)的工藝參數(shù)及設(shè)備性能進行調(diào)整優(yōu)化，以針對性地降低超大片比率。

圖1 各打葉風(fēng)分口葉片面積區(qū)間百分比變化Figure 1 Variations of interval area percentage at different threshing and pneumatic separation unit

2.2 各打葉風(fēng)分口片煙尺寸分布變化

分別以5.57，40.32，161.29，300.00，645.16，1 000.00，1 500.00，2 000.00，2 500.00，3 000.00，4 000.00，5 000.00，6 000.00 mm2為片煙面積區(qū)間上限，計算限下片煙累積面積百分比，結(jié)果如表1所示。利用曾靜等[12]建立的片煙尺寸分布函數(shù)F(x) = 1-exp(-axb)進行數(shù)據(jù)擬合，其中，x為面積區(qū)間限，F(xiàn)(x)為限下累積面積百分比，b為均勻性系數(shù)，可用來判定片煙面積分布的均勻性。

片煙尺寸分布擬合結(jié)果見表2，R2≥0.999，表明各風(fēng)分口片煙大小均符合片煙尺寸分布方程。由表2可知，在第一級打葉單元內(nèi)，隨著風(fēng)分級數(shù)的增加，片煙特征尺寸逐漸增大，從一打一分到一打六分，特征尺寸增幅為18.6%，同樣在第二級打葉單元內(nèi)，片煙特征尺寸也隨著風(fēng)分級數(shù)的增加而變大；然而，隨著打葉風(fēng)分級數(shù)的繼續(xù)增加，片煙特征尺寸明顯變小，第三級、四/五級打葉風(fēng)分后分別為923.87，679.86 mm2。

表1 各打葉風(fēng)分口片煙面積區(qū)間限下累積面積百分比Table 1 Cumulative area ratio below area limitation for strips separated from different threshing and pneumatic separation unit %

各打葉風(fēng)分口片煙特征尺寸的變化規(guī)律與圖2所示片煙超大片比例變化趨勢基本一致，這是由于在各風(fēng)分口大中片率保持基本相同的情況下，片煙中的超大片比例決定了片煙特征尺寸。對各風(fēng)分口樣品的超大片比例與片煙特征尺寸(x0.5)進行線性擬合(如圖3所示)，所得回歸方程為x0.5=286.23+33.24m，R2=0.989，表明打葉去梗各級風(fēng)分口片煙的特征尺寸與其中超大片比例存在較好的線性關(guān)系。

表2 各打葉風(fēng)分口片煙特征尺寸、均勻性系數(shù)結(jié)果匯總Table 2 The results of characteristic size and uniformity coefficient for strips at different threshing and pneumatic separation unit

各打葉風(fēng)分口片煙大小分布的均勻性系數(shù)介于1.01～1.27，四/五級打葉后片煙大小均勻性最差，第二級打葉單元內(nèi)的第三級風(fēng)分器分離出片煙尺寸分布均勻性最高。

圖3 片煙特征尺寸與超大片比例的線性擬合結(jié)果Figure 3 The linear fitting between characteristic size of strips and Proportion of supersized tobacco strips

2.3 各級打葉風(fēng)分匯總片煙尺寸分布變化

將同一級打葉單元內(nèi)各風(fēng)分口片煙樣品匯總，計算各面積區(qū)間內(nèi)片煙比例，并將其轉(zhuǎn)換為葉片結(jié)構(gòu)比例。由圖4可見，各級打葉單元<2.36 mm的碎末比例穩(wěn)定且均較低，說明風(fēng)分器出口至葉片匯總皮帶間的碎末振篩篩分正常；碎片和小片比例隨著打葉級數(shù)升高有增加趨勢，12.7～25.4 mm的中片比例在第一級、第二級打葉單元較穩(wěn)定(21.5%左右)，隨打葉級數(shù)繼續(xù)升高有增加趨勢；>25.4 mm 的大片比例在各級打葉單元內(nèi)均占比最高，第一、二級打葉單元煙片中的大片率可達74.0%左右，第三、四/五級打葉單元內(nèi)大片率逐漸降低，分別為62.5%和51.0%；尺寸>44.5 mm的超大片比例在各級打葉單元內(nèi)的變化規(guī)律與大片基本保持一致。因此，第三、四/五級打葉單元產(chǎn)生的葉片更符合“控制大片率、提升中片率”的理念，但因其出片率較低，對匯總后整體葉片結(jié)構(gòu)影響有限，而第一、二級打葉單元出片率較高，且其中的大片率(尤其是超大片比例)高，為有效進行片煙結(jié)構(gòu)質(zhì)量優(yōu)化，應(yīng)有針對性地對一級、二級打葉單元設(shè)備參數(shù)及工藝進行調(diào)整。

對同一級打葉單元內(nèi)匯總片煙樣品計算劃定區(qū)間的限下累積面積百分比，并利用片煙尺寸分布函數(shù)對其進行數(shù)據(jù)擬合(圖5)，計算各級打葉風(fēng)分單元內(nèi)片煙樣品的特征尺寸及均勻性系數(shù)(圖6)。由圖6可見，片煙特征尺寸隨打葉級數(shù)增加逐漸降低，從第一級至第四/五級打葉單元片煙特征尺寸從1 310.19 mm2降低為679.86 mm2，降幅可達48%；片煙均勻性系數(shù)也呈逐漸降低趨勢，尤其在第三、四/五級打葉單元內(nèi)降幅明顯，表明從第一級打葉單元至第四/五級打葉單元，片煙整體尺寸逐漸變小，且片煙整體均勻性也降低。

3 結(jié)論

采用片煙尺寸分布測試方法，研究了各級打葉風(fēng)分單元分離片煙的尺寸變化規(guī)律，結(jié)果表明：① 各級風(fēng)分器分離的煙片尺寸在所劃分的14個面積區(qū)間內(nèi)總體變化趨勢基本一致。其中第一、二級打葉單元內(nèi)各風(fēng)分口的大中片率較為穩(wěn)定(均為94%以上)，每一級打葉單元內(nèi)，超大片比率隨風(fēng)分級數(shù)的增加呈上升趨勢，在第三、四/五級打葉單元內(nèi)超大片比例迅速降低，小片率明顯升高。② 各風(fēng)分口片煙大小均符合片煙尺寸分布方程，在第一級、二級打葉單元內(nèi)，片煙特征尺寸隨風(fēng)分級數(shù)增加而變大，在第三、四/五級打葉單元內(nèi)片煙特征尺寸逐漸變?。换诖?，獲得了風(fēng)分口片煙的特征尺寸與其中超大片比例間的線性方程。③ 同一級打葉單元內(nèi)的各級風(fēng)分片煙匯總后，特征尺寸隨打葉級數(shù)增加逐漸降低，從第一級至第四/五級打葉單元降幅可達48%，且片煙尺寸均勻性也逐漸降低。

碎末<2.36 mm；碎片2.36～6.35 mm;小片6.35～12.70 mm;中片12.70～25.40 mm;大片>25.40 mm;超大片>44.50 mm

圖5 各級打葉風(fēng)分匯總片煙尺寸分布擬合結(jié)果Figure 5 Fitting results of size distribution of strips from different stages threshing unit

圖6 各級打葉風(fēng)分匯總片煙特征尺寸及均勻性系數(shù)Figure 6 Characteristic size and uniformity coefficient of strips separated from different stages of threshing unit