朱 波，單 凱，關(guān) 欣，姚光明，徐大勇，畢思強(qiáng)，郭 亮，洪龍先，蒙建寶，韓 帥，陳廣平*

1. 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠，山東省青島市嶗山區(qū)株洲路137 號(hào) 266100

2. 紅塔遼寧煙草有限責(zé)任公司，沈陽市和平區(qū)和平北大街26-2 號(hào) 110003

3. 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(hào) 450001

4. 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青州卷煙廠，山東省青州市玲瓏山北路1818 號(hào) 262500

5. 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司湛江卷煙廠，廣東省湛江市赤坎區(qū)康樂路5 號(hào) 524033

6. 廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南寧卷煙廠，南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)北湖南路28 號(hào) 530001

煙梗是卷煙生產(chǎn)的重要原料之一［1］，在理化特性上與煙葉存在較大差異，應(yīng)用前需要經(jīng)過單獨(dú)的工藝處理［2-3］。利用煙梗制成的梗絲具有良好的填充性和燃燒性［4-6］，但其形態(tài)結(jié)構(gòu)與葉絲差異較大，大多以片狀形式存在（以下稱為片狀梗絲），會(huì)影響卷煙配方均勻性和卷煙質(zhì)量［7-8］，難以在細(xì)支卷煙和高檔卷煙生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。近年來針對(duì)煙梗成絲工藝已進(jìn)行了大量研究。金勇等［9］分析了盤磨梗絲對(duì)卷煙質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)添加盤磨梗絲可以降低卷煙吸阻和通風(fēng)率、增大煙支硬度，同時(shí)降低煙氣中CO 及HCN釋放量。谷超林等［10］對(duì)比了再造梗絲與普通梗絲的使用性能，發(fā)現(xiàn)再造梗絲填充性能好且化學(xué)成分可調(diào)，其感官質(zhì)量優(yōu)于普通梗絲。丁美宙等［11］、廖曉祥等［12］研究發(fā)現(xiàn)卷煙中加入微波膨脹梗絲可以提升煙支物理質(zhì)量和煙氣指標(biāo)的穩(wěn)定性。但以上煙梗處理方法均存在預(yù)處理難度大、制成的絲狀梗絲與葉絲形態(tài)差異大、感官質(zhì)量難以提升、成絲效果不理想等問題。輥切法制梗絲技術(shù)是利用輥壓切刀，對(duì)常規(guī)制梗絲線生產(chǎn)的片狀梗絲進(jìn)行二次切絲（輥軋進(jìn)料和剪切成絲），進(jìn)而獲得寬度一致、感官質(zhì)量良好、形狀與葉絲接近的梗絲（以下稱為輥切梗絲）。輥切梗絲的生產(chǎn)需要經(jīng)過兩次切絲過程，因此其工藝質(zhì)量容易受片狀梗絲的影響。片狀梗絲過大、過薄會(huì)造成輥切梗絲碎絲增多，過小則會(huì)降低輥切梗絲中長絲比例。但目前關(guān)于工藝參數(shù)對(duì)片狀梗絲和輥切梗絲的影響研究則鮮見報(bào)道。為此，考察了煙梗篩分、壓梗、切梗厚度、膨脹強(qiáng)度、干燥方式5個(gè)工藝參數(shù)對(duì)片狀梗絲和輥切梗絲質(zhì)量的影響，設(shè)計(jì)了輥切梗絲成絲工藝流程并進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，旨在為提高梗絲工藝質(zhì)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器和設(shè)備

材料：“人民大會(huì)堂（軟紅）”牌常規(guī)卷煙和“人民大會(huì)堂（硬紅）”牌細(xì)支卷煙以及對(duì)應(yīng)原材料（煙梗配方、葉組配方、料香配方等，均由營口卷煙廠提供）。

儀器和設(shè)備：YB-3 型煙絲振動(dòng)分選篩（鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司）；ZD-T25 振動(dòng)篩分儀（德國Haver & Boecker公司）；長鍵篩網(wǎng)振動(dòng)分選篩（江蘇智思控股集團(tuán)有限公司）；PL203 型電子天平［梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司］；KBF 型恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；智能煙絲彈性測定儀（鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司）；GDS-410型梗絲填充值測定儀（鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司）；抗破碎儀（中國煙草總公司鄭州煙草研究院）；CCD 數(shù)碼相機(jī)（日本佳能株式會(huì)社）；CWT200 煙絲寬度測定儀（中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所）；TA.XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀（英國Stable Micro System公司）；沈陽卷煙廠1 500 kg/h制梗絲生產(chǎn)線、營口卷煙廠1 500 kg/h 制梗絲生產(chǎn)線、沈陽卷煙廠500 kg/h輥切梗絲生產(chǎn)線（江蘇智思控股集團(tuán)有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

①采用長鍵篩網(wǎng)振動(dòng)分選篩（孔徑20.0 mm×4.5 mm）對(duì)煙梗進(jìn)行篩分，經(jīng)過浸梗、貯梗、壓梗（壓梗厚度0.8 mm）后切成不同厚度的片狀梗絲（物料流量2 800 kg/h）；②片狀梗絲經(jīng)膨脹、干燥后輥切為寬度1.0 mm 的梗絲（物料流量為300 kg/h）。考察篩分、壓梗、切梗厚度、膨脹強(qiáng)度、干燥方式5個(gè)工藝參數(shù)、共設(shè)置9種處理方式對(duì)片狀梗絲和輥切梗絲質(zhì)量的影響，具體參數(shù)組合見表1。待設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，分別在烘絲和輥切工序出口處取樣，將梗絲樣品置于溫度（22±1）℃、相對(duì)濕度（60±2）%環(huán)境下平衡48 h備用。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表Tab.1 Design of experiments

1.2.2 片狀梗絲取樣方法

采用振動(dòng)篩分儀對(duì)片狀梗絲進(jìn)行分層處理，統(tǒng)計(jì)各層篩網(wǎng)上樣品占比，通過簡單隨機(jī)取樣法按樣品占比選取適當(dāng)數(shù)量的片狀梗絲。具體步驟：①將片狀梗絲樣品均勻混合，置于溫度（22±1）℃、相對(duì)濕度（60±2）%的環(huán)境中平衡48 h。②測量各層篩網(wǎng)（方形孔，孔徑分別為8.00、6.70、5.60、4.75、4.00、3.35、2.80、2.00、1.40 和0.70 mm）的凈重并記錄數(shù)據(jù)；③將篩網(wǎng)按照孔徑由大到小的順序依次安置在篩框內(nèi)，選取100 g 片狀梗絲樣品置于最上層篩網(wǎng)上，蓋上頂蓋固定手柄；④設(shè)置篩分儀振動(dòng)頻率230 r/min，振動(dòng)時(shí)間4 min，逆時(shí)針和順時(shí)針各篩分2 min；⑤取出篩網(wǎng)，稱量并記錄篩網(wǎng)及篩網(wǎng)上樣品質(zhì)量；⑥計(jì)算片狀梗絲（0.70 mm 篩網(wǎng)下樣品呈碎末狀，統(tǒng)計(jì)為碎絲；0.70 mm篩網(wǎng)上樣品呈絲狀，統(tǒng)計(jì)為絲狀梗絲；1.40～8.00 mm篩網(wǎng)上樣品呈片狀，統(tǒng)計(jì)為片狀梗絲）總質(zhì)量及各層篩網(wǎng)上樣品占總質(zhì)量的比例，按比例對(duì)片狀梗絲取樣，共抽取100根，重復(fù)3次。

1.2.3 測試方法

如圖1所示，根據(jù)文獻(xiàn)［13］測量片狀梗絲的實(shí)際面積，以反映片狀梗絲尺寸的最長邊L為直徑做外接圓，片狀梗絲實(shí)際面積與外接圓面積的比值即為片狀梗絲的形狀系數(shù)R。R 值越接近1，片狀梗絲形態(tài)越接近圓形，以任何角度進(jìn)入輥切機(jī)，其成絲效果（梗絲結(jié)構(gòu)）均最優(yōu)。在片狀梗絲的力學(xué)特性中，使用TA.XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀（下降速率為30 mm/min）檢測剪切強(qiáng)度和穿透力；按照文獻(xiàn)［14-15］測定柔軟度和破碎度，每個(gè)樣品重復(fù)3次，取平均值。按照文獻(xiàn)［16-18］測定片狀梗絲及輥切梗絲樣品的填充值、彈性和結(jié)構(gòu)。采用煙絲寬度測量儀測定輥切梗絲的寬度和長度。

圖1 片狀梗絲形狀系數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of form coefficient of flake-shaped cut stem

2 結(jié)果與分析

2.1 篩分對(duì)片狀梗絲質(zhì)量的影響

煙梗經(jīng)過篩分可以去除梗拐、細(xì)梗以及15 mm以下的短梗，降低碎梗比例，提高片狀梗絲質(zhì)量。由表2可知，煙梗篩分處理后片狀梗絲結(jié)構(gòu)得到顯著改善，整絲率和長絲率分別增加1.72和3.08百分點(diǎn)，中絲率、短絲率和碎絲率分別降低1.36、0.75 和0.97 百分點(diǎn)。

表2 煙梗篩分處理前后片狀梗絲結(jié)構(gòu)對(duì)比Tab.2 Structure comparison of cut stems before and after tobacco stem screening

2.2 壓梗對(duì)片狀梗絲質(zhì)量的影響

壓梗過程中煙梗產(chǎn)生較大形變，內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到一定程度破壞，從而影響片狀梗絲質(zhì)量。由表3 可知，與壓梗處理相比，未壓梗處理的片狀梗絲整絲率、長絲率分別提高3.31、8.88百分點(diǎn)，中絲率和短絲率分別降低5.58和3.55百分點(diǎn)，碎絲率差異較?。粡椥蕴岣?.85百分點(diǎn)；長度5～15 mm片狀梗絲形狀系數(shù)增大，長度15 mm 以上片狀梗絲的形狀系數(shù)差異較??；力學(xué)指標(biāo)中，剪切力、穿透力和柔軟度分別增加 8.64、4.22 和 4.58 g，破碎度減小 0.55 百分點(diǎn)。由于柔軟度、破碎度與柔軟性、抗破碎能力均呈負(fù)相關(guān)，說明壓梗處理破壞了煙梗內(nèi)部的纖維組織結(jié)構(gòu)，提高了片狀梗絲柔軟性，但同時(shí)也降低了片狀梗絲的剪切力、穿透力和抗破碎能力；未經(jīng)過壓梗處理的片狀梗絲柔軟性較差，但耐加工性提高，可以減少后序加工過程中的造碎。

表3 壓梗處理前后片狀梗絲質(zhì)量對(duì)比Tab.3 Quality comparison of flake-shaped cut stems before and after stem flattening

2.3 切梗厚度和膨脹強(qiáng)度對(duì)片狀梗絲質(zhì)量的影響

由表4可見，切梗厚度為0.15 mm，膨脹強(qiáng)度（汽料比）為0.45時(shí)片狀梗絲形狀系數(shù)整體上較高，但切梗厚度和膨脹強(qiáng)度會(huì)對(duì)片狀梗絲產(chǎn)生交互影響。由圖2可知，切梗厚度相同時(shí)，隨著汽料比的增大，整絲率和中絲率呈降低趨勢，長絲率無明顯變化，短絲率和碎絲率呈升高趨勢；汽料比相同時(shí)，隨著切梗厚度的增加，整絲率升高，中絲率先增大后減小，短絲率和碎絲率均有所降低，長絲率無明顯變化。

由表5 可見，切梗厚度相同時(shí)，隨著汽料比的增大，剪切力、穿透力和柔軟度均呈降低趨勢，破碎度呈增大趨勢；汽料比相同時(shí)，隨著切梗厚度的增加，剪切力和穿透力均呈增大趨勢，柔軟度和破碎度均先降低后增高。當(dāng)切梗厚度為0.15 mm、汽料比為0.33 時(shí)，剪切力、穿透力和柔軟性均較好，破碎度最小，說明在此加工強(qiáng)度下片狀梗絲的耐加工性較好，抗破碎性最好，有利于減少后續(xù)加工過程中的造碎。結(jié)合表4、表5和圖2數(shù)據(jù)可以看出，相同切梗厚度下，隨著汽料比的增大，片狀梗絲形狀系數(shù)增大，但片狀梗絲結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性變差。綜合考慮，選擇切梗厚度為0.15 mm、汽料比為0.33的加工強(qiáng)度。

表4 膨脹強(qiáng)度對(duì)片狀梗絲形狀系數(shù)的影響①Tab.4 Effect of expansion intensity on form coefficient of flake-shaped cut stem

圖2 不同切梗厚度和膨脹強(qiáng)度下片狀梗絲結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.2 Structure of flake-shaped cut stems under different cut widths and expansion intensities

表5 不同切梗厚度和膨脹強(qiáng)度下片狀梗絲力學(xué)指標(biāo)對(duì)比Tab.5 Mechanical properties of flake-shaped cut stems under different cut widths and expansion intensities

2.4 干燥方式對(duì)片狀梗絲和輥切梗絲質(zhì)量的影響

2.4.1 片狀梗絲

研究發(fā)現(xiàn)，氣流烘絲干燥能力強(qiáng)，通過片狀梗絲與高溫工藝氣體充分接觸，可以使片狀梗絲快速脫水定型，強(qiáng)化梗絲膨脹效果。由表6可知，不同長度片狀梗絲經(jīng)氣流干燥后形狀系數(shù)均大于滾筒干燥。

表6 不同干燥方式下片狀梗絲形狀系數(shù)對(duì)比Tab.6 Form coefficient of flake-shaped cut stems under different drying means

2.4.2 輥切梗絲

采用不同干燥方式進(jìn)行烘絲處理，并對(duì)制得的片狀梗絲進(jìn)行輥切，分別測定不同干燥方式下輥切梗絲的物理質(zhì)量。由表7可見，與滾筒干燥相比，氣流干燥處理后輥切梗絲的整絲率和長絲率分別增加17.30、20.05百分點(diǎn)；中絲率差異較小，而短絲率和碎絲率分別降低10.91、6.41百分點(diǎn)；輥切梗絲彈性和填充值分別增加0.78百分點(diǎn)和2.54 cm3/g。因此，采用氣流干燥方式可以提高片狀梗絲形狀系數(shù)，改善輥切梗絲結(jié)構(gòu)。

表7 不同干燥方式下輥切梗絲質(zhì)量對(duì)比Tab.7 Quality of roller cutting stems under different drying means

2.5 輥切梗絲成絲工藝流程設(shè)計(jì)

如圖3所示，輥切梗絲成絲工藝流程分為3個(gè)工段：煙梗處理段、制片狀梗絲段和輥切梗絲段。該工藝流程具有3個(gè)特點(diǎn)：①通過多級(jí)篩分，篩去細(xì)梗和梗拐，保證煙梗質(zhì)量和尺寸更加一致；②取消壓梗工序并優(yōu)化片狀梗絲的切梗厚度、膨脹強(qiáng)度、干燥方式等工藝參數(shù)，提高片狀梗絲形狀系數(shù)和耐加工性；③采用輥切方式對(duì)片狀梗絲進(jìn)行切絲，同時(shí)增加與輥切設(shè)備配套的松散和均鋪等工序。

圖3 輥切梗絲成絲工藝流程圖Fig.3 Process flow chart of roller cutting tobacco stem

2.6 輥切梗絲成絲工藝應(yīng)用效果

由圖4可見，與常規(guī)梗絲相比，輥切梗絲尺寸小，絲狀度好，梗絲結(jié)構(gòu)和寬度均勻性較高，形態(tài)更接近葉絲。由表8可見，物理質(zhì)量方面，輥切梗絲除寬度合格率提高49.49百分點(diǎn)外，彈性、出絲率、整絲率和填充值均有所降低，但降幅均在可控范圍內(nèi)。由于煙梗價(jià)格較低，在配伍性和可用性提高的前提下，可以忽略物理質(zhì)量的降低。感官質(zhì)量方面，輥切梗絲的配伍性明顯優(yōu)于常規(guī)梗絲，在木質(zhì)氣、刺激性、燃燒均勻性以及余味等方面表現(xiàn)良好，適宜添加到卷煙中。

圖4 常規(guī)梗絲、輥切梗絲與葉絲形態(tài)對(duì)比Fig.4 Morphology of conventional cut stems, roller cutting stems and tobacco strips

表8 輥切梗絲、常規(guī)梗絲物理質(zhì)量與感官質(zhì)量對(duì)比Tab.8 Comparison of physical properties and sensory quality of conventional cut stems and roller cutting stems

3 結(jié)論

對(duì)輥切梗絲成絲工藝進(jìn)行了研究和應(yīng)用，結(jié)果表明：①增加煙梗篩分工序，可以改善片狀梗絲的物理質(zhì)量；取消壓梗工序，可以提高片狀梗絲整體形狀系數(shù)，改善片狀梗絲結(jié)構(gòu)和耐加工性；切梗厚度為0.15 mm、汽料比為0.33時(shí)，片狀梗絲耐加工性較好，抗破碎性最好；與滾筒干燥相比，氣流干燥下片狀梗絲形狀系數(shù)較好，輥切梗絲結(jié)構(gòu)有所提升。②確定了輥切梗絲成絲工藝流程，在此流程中增加了煙梗篩分工序，取消了壓梗工序，增加了輥切及配套的松散和均鋪工序。③實(shí)際應(yīng)用效果顯示，與常規(guī)梗絲相比，輥切梗絲寬度合格率超過99%，彈性、出絲率、整絲率和填充值有所下降，其降幅均在可控范圍內(nèi)，卷煙葉組配伍性和感官質(zhì)量良好，適宜添加到卷煙中。