段 鹍 韓李峰 趙亞恒 劉 歡 劉楷麗

(1. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河南 鄭州 450000；2. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司許昌卷煙廠，河南 許昌 461000；3. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650244；4. 紅云紅河煙草〔集團(tuán)〕有限責(zé)任公司，云南 昆明 650231)

煙片復(fù)烤加工是煙葉由農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)榫頍熒a(chǎn)原料的重要加工環(huán)節(jié)，對(duì)煙葉原料品質(zhì)有重要影響[1]?，F(xiàn)行的煙片復(fù)烤加工普遍采用“干燥+冷卻+回潮”的網(wǎng)帶式處理工藝，存在烤后煙片過度脫水、香味物質(zhì)損失程度大、收縮程度高等不足，而且不同復(fù)烤原料多采用相同的復(fù)烤方式、工藝參數(shù)及質(zhì)量指標(biāo)，煙葉原料間的個(gè)性化、差異化不能充分體現(xiàn)出來，使得烤后煙片“同質(zhì)化”嚴(yán)重。近年來，為提升打葉復(fù)烤加工處理對(duì)卷煙原料的品質(zhì)保障能力、彰顯卷煙原料的特色，針對(duì)卷煙原料特性進(jìn)行精細(xì)化加工的特色復(fù)烤工藝技術(shù)受到了關(guān)注[2-4]。

李善蓮等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)，滾筒直接復(fù)烤作為一種可選擇的煙片復(fù)烤方式，相較于傳統(tǒng)網(wǎng)帶復(fù)烤具有烤后煙片含水率穩(wěn)定性高、煙草本香保持較好等優(yōu)點(diǎn)，而且該復(fù)烤方式將煙片直接脫水至目標(biāo)含水率無需冷卻回潮，在降低能耗和簡化復(fù)烤工藝上也具有明顯優(yōu)勢[6-7]。劉楷麗等[8]曾揭示了筒壁溫度、熱風(fēng)溫度、滾筒轉(zhuǎn)速、物料容積率等主要復(fù)烤條件對(duì)烤后片煙尺寸分布的影響規(guī)律，并與熱風(fēng)復(fù)烤方式進(jìn)行了對(duì)比分析。相關(guān)研究[5-6,8]均是在全尺寸煙片的基礎(chǔ)上開展，針對(duì)不同尺寸規(guī)格的煙片，尤其是尺寸差異較大的大片和小片煙片，在接觸導(dǎo)熱方式下能否達(dá)到均勻一致的脫水速率的研究并未見報(bào)道，并且煙片的尺寸規(guī)格對(duì)其復(fù)烤收縮特性有何影響也尚未闡明。基于此，試驗(yàn)擬采用實(shí)驗(yàn)室滾筒干燥裝置，考察3種煙葉原料不同尺寸規(guī)格煙片的干燥及收縮特性，旨在為煙片滾筒復(fù)烤工藝的開發(fā)提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料

貴州C3F、河南C3F、河南B3F煙片：黃金葉生產(chǎn)制造中心。

1.1.2 試驗(yàn)儀器

恒溫恒濕箱：PR-3K型，日本ESPEC公司；

片煙大小及分布測定系統(tǒng)：CA8011型，鄭州煙草研究院；

葉片振動(dòng)分選機(jī)：YDS型，鄭州煙草研究院、鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司；

電子天平：AB204-S型，瑞士Mettler-Toleto公司；

烘箱：DHG-9623型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

紅外線測溫儀：MX2型，美國雷泰公司；

實(shí)驗(yàn)室批式滾筒復(fù)合傳熱干燥裝置(見圖1)：實(shí)驗(yàn)室自行搭建。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 煙片預(yù)處理 先將煙片在溫度30 ℃，濕度75%的恒溫恒濕箱中平衡48 h，使其舒展且濕基含水率為(17.5±0.5)%。取已平衡好的同一批煙片，按GB/T 21137—2007方法在葉片振動(dòng)分選機(jī)上篩分出3種不同尺寸規(guī)格的煙片，其中尺寸-1為網(wǎng)孔25.40 mm以上的大片煙片，尺寸-2為網(wǎng)孔12.70～25.40 mm的中片煙片，尺寸-3為6.35～12.70 mm的小片煙片。

1. 外固定滾筒 2. 加熱棒 3. 油浴夾層 4. 物料抄 5. 取料口 6. 筒體支架 7. 電機(jī) 8. 滾筒支撐托輥 9. 筒壁溫度控制器 10. 熱風(fēng)控制器 11. 滾筒轉(zhuǎn)速控制器 12. 氣體流量計(jì) 13. 加熱器 14、15. 溫度傳感器 16. 旋轉(zhuǎn)接頭圖1 滾筒復(fù)烤試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of the cylinder drier’s experimental facility

1.2.2 煙片滾筒復(fù)烤 滾筒復(fù)烤實(shí)驗(yàn)裝置工藝參數(shù)設(shè)定為筒壁溫度100 ℃，熱風(fēng)溫度80 ℃，滾筒轉(zhuǎn)速10 r/min，熱風(fēng)風(fēng)速0.3 m/s，待裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，將煙片樣品(500 g)加至滾筒中，干燥過程中定期取樣測定煙片濕基含水率(按YC/T 31—1996執(zhí)行)，直至降至12.0%以下，利用紅外測溫儀記錄干燥終點(diǎn)的煙片溫度，取出全部煙片，并進(jìn)行尺寸分布的測定。

1.2.3 煙片尺寸分布測定 參照文獻(xiàn)[9]，分別檢測樣品復(fù)烤前后各煙片的面積大小，并以0，150，300，500，1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500，5 000，5 500，6 000 mm2為限，統(tǒng)計(jì)各限上累積面積占樣品總面積的百分比，即限上累積面積百分比。然后利用式(1)及文獻(xiàn)[10]所示的煙片尺寸分布函數(shù)對(duì)復(fù)烤前后的限上累積面積百分比進(jìn)行擬合得到煙片的特征尺寸和均勻性系數(shù)。

F(x)=exp(-axb)，

(1)

式中：

F(x)——限上累積面積百分比，%；

x——面積區(qū)間限，mm2；

a——參數(shù)；

b——均勻性系數(shù)。

利用式(2)求取煙片的特征尺寸：

(2)

式中：

x0.50——大于和小于該面積的葉片各占50%，mm2；

a——參數(shù)；

b——均勻性系數(shù)。

皺縮率采用復(fù)烤前后樣品總面積的變化率表示：

S=(A0-A1)×100%/A0，

(3)

式中：

S——皺縮率，%；

A0——干燥前煙片的面積，mm2；

A1——干燥后煙片的面積，mm2。

1.2.4 水分比測定及干燥曲線繪制 按式(4)計(jì)算水分比。以干燥時(shí)間t為橫坐標(biāo)，以水分比RM為縱坐標(biāo)，繪制煙片水分比隨時(shí)間變化的干燥曲線。

RM=(M-Me)/(M0-Me)，

(4)

式中：

RM——水分比；

M——試樣在干燥過程中的干基含水率，%；

M0——試樣初始干基含水率，%；

Me——試驗(yàn)條件下的平衡含水率，試驗(yàn)中Me為0。

1.2.5 煙片平均干燥速率測定 按式(5)計(jì)算煙片平均干燥速率。

v=m/(m0×t0)，

(5)

式中：

v——煙片平均干燥速率，kg/(kg·min)；

m——干燥至終點(diǎn)含水率時(shí)煙片的脫水量，kg；

m0——煙片干重，kg；

t0——干燥時(shí)間，min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有原始數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行處理，使用SPASS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析，利用Origin 2017對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同尺寸煙片的干燥特性

在滾筒復(fù)烤方式下貴州C3F、河南C3F、河南B3F 3種煙葉不同尺寸規(guī)格煙片的干燥脫水曲線見圖2，平均干燥速率和干燥終點(diǎn)溫度見表1。由表1可知，河南C3F、B3F兩種煙片的平均干燥速率及干燥終點(diǎn)溫度較為接近，貴州C3F的平均干燥速率及干燥終點(diǎn)溫度則略高，可能是由于不同產(chǎn)區(qū)煙葉理化特性存在差異所致。對(duì)表1 進(jìn)行雙因素方差分析：同種不同尺寸規(guī)格煙片干燥速率P值為0.523 8>0.05，不同種煙片干燥速率P值為0.002 9<0.01；同種不同尺寸規(guī)格煙片復(fù)烤后溫度P值為0.384 8>0.05，不同種煙片復(fù)烤后溫度P值為0.014 1<0.05。可以看出，對(duì)同一煙葉原料而言，不同尺寸規(guī)格煙片的干燥速率和復(fù)烤后煙片溫度并無明顯差異；對(duì)不同煙葉而言，不同尺寸規(guī)格煙片的干燥速率之間差異極其顯著，復(fù)烤后煙片溫度差異顯著。說明滾筒干燥過程中在筒壁傳導(dǎo)—熱風(fēng)對(duì)流的復(fù)合傳熱作用下，大、中、小尺寸規(guī)格的煙片仍然可以保持接近一致的脫水速率，即滾筒復(fù)烤方式對(duì)不同尺寸煙片干燥后含水率的均勻性并無顯著影響。

2.2 復(fù)烤前后煙片尺寸分布變化特征分析

將葉片面積分為36～225，225～625，625～1 000，1 000～2 000，2 000～3 000，>3 000 mm26個(gè)面積區(qū)間，分析了復(fù)烤干燥前不同煙片原料篩分前后的葉片尺寸分布，結(jié)果見表2。由表2可知，對(duì)于網(wǎng)孔25.40 mm以上篩分出的尺寸-1葉片，主要由于625～1 000 mm2和1 000～2 000 mm2的大片組成；網(wǎng)孔12.70～25.40 mm篩分出的尺寸-2葉片，主要為225～625 mm2的中片煙片，同時(shí)包含部分625～1 000 mm2的大片煙片；網(wǎng)孔6.35～12.70 mm 篩分出的尺寸-3葉片，則由36～225 mm2小片煙片和225～625 mm2的中片煙片組成。上述不同尺寸規(guī)格葉片的尺寸分布存在部分面積區(qū)域重疊，可能是由于葉片篩分過程中存在過篩和漏篩現(xiàn)象所致。

復(fù)烤后不同尺寸規(guī)格葉片的面積分布見表3。由表3 可知，與復(fù)烤前相比，各尺寸規(guī)格煙片面積分布均有較顯著變化。以貴州C3F為例，烤后尺寸-1煙片中>1 000 mm2的葉片比例減小，尤其是>2 000 mm2的超大葉片降低更為明顯，而225～1 000 mm2的葉片比例增大，其中尤以225～625 mm2的葉片比例增幅達(dá)到12%?？竞蟪叽?2煙片中>625 mm2的葉片比例減小，而同樣是225～625 mm2的葉片比例增加最大，接近20%。烤后尺寸-3煙片中，則是225～625 mm2的中片煙片比例降低、而36～225 mm2的小片煙葉比例增加?？偟膩砜?，復(fù)烤后煙片尺寸在225～625 mm2和36～225 mm2兩面積區(qū)間呈集中分布趨勢。河南C3F和B3F煙片烤后尺寸分布的變化規(guī)律與之相似。

圖2 3種煙葉不同尺寸規(guī)格煙片水分比干燥曲線Figure 2 The drying curves of three kinds of tobacco leaves with different size tobacco strips

表1 滾筒復(fù)烤方式下3種煙葉不同尺寸煙片的干燥特性

表2 篩分前及篩分后不同尺寸規(guī)格煙片烤前尺寸分布

表3 不同尺寸規(guī)格片煙烤后尺寸分布

2.3 不同尺寸規(guī)格煙片的收縮特性分析

利用煙片大小分布函數(shù)，對(duì)煙片限上累積面積百分比進(jìn)行擬合，見圖3，相關(guān)系數(shù)R2≥0.99；進(jìn)一步計(jì)算獲得樣品的特征尺寸和均勻性系數(shù)，見表4。由表4可知，對(duì)同種煙葉不同尺寸規(guī)格的煙片樣品，尺寸-1煙片復(fù)烤后特征尺寸的降低幅度最大，其中貴州C3F尺寸-1降低幅度達(dá)到32%，而尺寸-3煙片復(fù)烤后特征尺寸的降低幅度最小。這表明，葉片復(fù)烤前特征尺寸越大，烤后由于收縮導(dǎo)致的特征尺寸減小程度也越大。除了收縮外，大片的煙片在滾筒的拋灑過程中可能會(huì)發(fā)生破碎，使其特征尺寸減小。從均勻性系數(shù)來看，尺寸-1大片煙片烤后的結(jié)構(gòu)均勻性有所提升，而尺寸-2及尺寸-3煙片復(fù)烤前后的結(jié)構(gòu)均勻性變化無明顯的一致性規(guī)律。

分析不同原料的復(fù)烤收縮特性，從表5可以看出，3種煙葉復(fù)烤后的收縮率差異非常明顯，河南B3F煙葉的收縮率僅為4.38%，而河南C3F、貴州C3F煙葉的收縮率分別為10.44%和16.31%?？梢钥闯觯瑹熑~部位、產(chǎn)區(qū)因素對(duì)原料復(fù)烤過程的收縮特性有較大影響。從煙片尺寸規(guī)格來看，同種煙葉隨著煙片尺寸規(guī)格的減小，收縮率呈明顯降低趨勢。其中，河南C3F和B3F煙葉尺寸-1煙片收縮率較尺寸-3煙片高3倍以上，收縮率差異最為明顯。上述結(jié)果表明，在滾筒復(fù)烤過程中，大片煙片在溫濕度變化產(chǎn)生的應(yīng)力作用下，較中、小片煙片更容易發(fā)生收縮形變，導(dǎo)致其干燥收縮程度較高。

圖3 3種煙葉不同尺寸規(guī)格煙片復(fù)烤前后尺寸分布擬合結(jié)果Figure 3 Fitting results of area distribution of three kinds of tobacco leaves with different size tobacco strips

表4 不同尺寸規(guī)格煙葉復(fù)烤前后的尺寸特征

表5 不同尺寸規(guī)格煙片烤后的皺縮率

3 結(jié)論

在滾筒復(fù)烤方式下，對(duì)同一種煙葉而言，尺寸規(guī)格的變化并不能影響煙片的脫水速率，且對(duì)煙片干燥終點(diǎn)溫度的影響不大；不同種類煙葉之間干燥速率和煙片溫度均差異明顯；尺寸規(guī)格的變化對(duì)于復(fù)烤后煙片的結(jié)構(gòu)和收縮率的影響均較大，在實(shí)際生產(chǎn)過程中可以適當(dāng)提高尺寸-2(網(wǎng)孔12.70～25.40 mm的篩分煙片)，降低尺寸-3(網(wǎng)孔6.35～12.70 mm的篩分煙片)的占比，以期提高復(fù)烤后大、中片(225～625 mm2區(qū)間的葉片)的占比和保障復(fù)烤后煙片收縮率控制在適宜的范圍。

試驗(yàn)僅研究了固定滾筒參數(shù)下不同煙片尺寸對(duì)煙片干燥和收縮特性的影響，下一步可以有針對(duì)性地增加網(wǎng)孔12.70～25.40 mm的篩分煙片，考察不同滾筒工藝參數(shù)對(duì)其收縮特性的影響，優(yōu)化出最佳滾筒工藝參數(shù)。