武云杰，劉 歡，王瑞珍，王浩宇，孫 覓，鄭 聰，吳劍平，周建軍，田斌強，李春光

（1.河南農(nóng)業(yè)大學，河南 鄭州 450046；2.河南中煙工業(yè)有限責任公司，河南 鄭州 450016；3.福建省煙草公司南平市煙草公司浦城分公司，福建 南平 353400）

卷煙加工工藝技術的提升是中式卷煙發(fā)展的關鍵[1]，制絲是卷煙生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，制絲加工水平的高低直接關系到卷煙產(chǎn)品內在質量的穩(wěn)定和提高，對保證卷煙穩(wěn)定性及在生產(chǎn)制作過程中的降耗都起著至關重要的作用[2]。煙絲在加工過程中不可避免要產(chǎn)生破碎，破碎會引起煙絲結構的變化，而煙絲結構的改變直接影響著卷煙質量，與煙絲填充值、卷煙質量和感官質量有密切聯(lián)系[3-4]。有研究表明，煙絲結構分布為2.00～4.75 mm 時可獲得較理想的卷煙物理指標及其穩(wěn)定性，應盡量減少小于1.40 mm 的煙絲比例[5]；也有研究認為，煙絲整絲率為82%左右，煙絲長、中絲比例為4∶1 時，卷制后煙支的總體質量及穩(wěn)定性最佳[6]。此外，除了煙絲的長度尺寸差異外，隨著近年來細支卷煙和中支卷煙的發(fā)展，切絲寬度對造碎和卷煙質量的影響也成為研究的焦點[7-8]。隨著切絲寬度的減小，煙絲抗破碎性降低，碎絲率會相應增加，并最終影響卷接質量和煙氣釋放[9-10]。煙絲特征尺寸越大其破碎度越低，但特征尺寸過大對卷煙品質也會造成不利影響，應當根據(jù)切絲寬度的需求，將煙絲的特征尺寸和長絲率控制在適宜的范圍，提升中、短絲率和均勻性，能夠提高卷煙主要物理指標的穩(wěn)定性[11-12]。因此，煙絲破碎未必一定是造碎，要根據(jù)煙絲的耐加工特性，結合適宜的加工工藝實現(xiàn)煙絲結構的調控，減少造碎。煙絲加工過程中主要經(jīng)過滾筒、流態(tài)化輸送和機械輸送等過程，煙絲處在不同的加工階段其耐加工特性存在較大的差異[13-15]，煙絲的耐加工特性與煙絲結構、寬度、加工過程中的溫度和水分密切相關，制絲加工過程中不同工序間煙絲的溫度、水分及受力方式的差異是影響煙絲破碎的主要因素[16-18]。但已有的研究多在于對煙絲整絲率和碎絲率的關注，或針對單一工序開展工藝優(yōu)化研究，對不同切絲寬度的煙絲加工過程中破碎規(guī)律的研究尚未見報道。為此，設計不同切絲寬度和尺寸的煙絲，對制絲環(huán)節(jié)的關鍵工序進行煙絲結構變化的研究，明確煙絲的破碎規(guī)律，旨在為煙絲加工環(huán)節(jié)進一步優(yōu)化煙絲結構和降低消耗，實現(xiàn)制絲工藝提質增效提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與儀器設備

試驗材料為2019年四川攀枝花C3F片煙。

儀器設備包括ZD-T25 型煙絲篩分儀（德國Haver&Boecker公司）、PL203電子天平（感量0.001 g，瑞士MettleToledo 公司）、恒溫恒濕箱（PR-3K 型，日本ESPEC 公司）、烘箱（DHG-9623 型，上海精宏實驗設備有限公司）。

1.2 試驗設計

將片煙分別制成1.0 mm 寬度煙絲（S1）和0.8 mm 寬度煙絲（S3），再分別將一部分煙絲通過斷絲設備制成1.0 mm 寬度斷絲的煙絲（S2）和0.8 mm寬度斷絲的煙絲（S4）。將4個煙絲樣品分別在中試車間開展?jié)L筒加工、流態(tài)化和機械輸送等過程加工。各尺寸煙絲加工前取樣（T0），并分別在皮帶提升后（T1）、滾筒干燥前（T2）、滾筒干燥后（T3）、振動篩分后（T4）、風選后（T5）、定量喂料后（T6）、振動篩分后（T7）、加香提升后（T8）、加香振篩后（T9）、加香滾筒后（T10）、振動篩分后（T11）、儲絲出柜后（T12）和風送后（T13）取樣，各選取1 kg 煙絲，重復3 次。用ZD-T 25 型煙絲篩分儀測試煙絲結構，篩網(wǎng)孔徑分別為7.10、4.50、3.35、2.00、1.25、1.00 mm。參照YCT/T 351—2010《卷制過程煙絲破碎度的測定》中的方法分析煙絲結構分布情況，計算煙絲特征尺寸和破碎度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2016、SPSS 23.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 加工過程中煙絲結構的變化規(guī)律

由圖1 可知，制絲加工過程對S1（1.0 mm 寬度煙絲）破碎后煙絲結構影響較大，主要表現(xiàn)為隨著加工的進行，＞7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)明顯降低；4.50～7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)在第一次提升后（T1）升高，之后開始下降；3.35～4.50 mm 的煙絲質量分數(shù)變化較大，其中1.0 mm 寬度煙絲在定量喂料后（T6）達到最高，之后開始下降；2.00～3.35 mm、1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質量分數(shù)則表現(xiàn)為不斷升高。

圖1 制絲加工過程對S1規(guī)格煙絲結構的影響Fig.1 The influence of cut tobacco processing on the structure of S1 size cut tobacco

以前1 個工序取樣的煙絲結構為基礎，計算2個連續(xù)取樣點各尺寸煙絲質量分數(shù)變化率（圖2），結果表明，＞7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)變化率均表現(xiàn)為負值，T13 與加工前相比，降幅達到51.31%；T2、T3、T4、T5、T6、T9、T10 的4.50～7.10 mm 煙絲質量分數(shù)變化率也表現(xiàn)為負值。2 個滾筒過程（T3 和T10）的各尺寸煙絲質量分數(shù)變化幅度均較大，主要表現(xiàn)在＜1.00 mm 的煙絲質量分數(shù)大幅增加，增幅分別達到86.40%和38.68%；其次是皮帶輸送過程（T2 和T6）和振動篩分過程（T7 和T11），特別是在葉絲干燥（T3）以后，煙絲質量分數(shù)變化率升高。

由圖3 可知，制絲加工過程對S2（1.0 mm 寬度斷絲的煙絲）煙絲結構的影響與S1 相比，主要是煙絲尺寸整體降低，煙絲加工對破碎后S2的煙絲結構影響也較大，主要表現(xiàn)為隨著加工的進行，＞7.10 mm的煙絲質量分數(shù)明顯降低；4.50～7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)在T1—T6 變化不大，之后開始下降；3.35～4.50 mm 的煙絲質量分數(shù)變化不大，T7 之后開始下降；2.00～3.35 mm 的煙絲質量分數(shù)略有升高；1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質量分數(shù)表現(xiàn)為不斷升高。

圖3 制絲加工過程對S2規(guī)格煙絲結構的影響Fig.3 The influence of cut tobacco processing on the structure of S2 size cut tobacco

由圖4 可知，＞7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)變化率均表現(xiàn)為負值，與加工前相比，T13 降幅達到51.11%；T3 及T5—T12 的4.50～7.10 mm 煙絲質量分數(shù)變化率表現(xiàn)為負值；T8—T10及T12的3.35～4.50 mm煙絲質量分數(shù)變化率也表現(xiàn)為負值。2個滾筒過程（T3 和T10）的各尺寸煙絲質量分數(shù)變化幅度均較大，主要表現(xiàn)在＜1.00 mm 的煙絲質量分數(shù)大幅增加，增幅分別達到61.68%和28.80%。

圖4 制絲加工過程對S2規(guī)格煙絲工序間質量分數(shù)變化率的影響Fig.4 The influence of cut tobacco processing on the mass fraction change rate between processes of S2 size cut tobacco

由圖5 可知，制絲加工過程對S3（0.8 mm 寬度煙絲）破碎后煙絲結構影響較大，主要表現(xiàn)為隨著加工的進行，＞7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)明顯降低；4.50～7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)逐漸升高，在T10 之后下降；3.35～4.50 mm 的煙絲質量分數(shù)也逐漸升高，在T11 之后下降；2.00～3.35 mm、1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm 的煙絲質量分數(shù)則表現(xiàn)為不斷升高。

圖5 制絲加工過程對S3規(guī)格煙絲結構的影響Fig.5 The influence of cut tobacco processing on the structure of S3 size cut tobacco

由圖6 可知，＞7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)變化率均表現(xiàn)為負值，與加工前相比，T13 降幅達到60.70%；T5、T6、T11、T12 的4.50～7.10 mm 煙絲質量分數(shù)變化率也表現(xiàn)為負值。2 個滾筒過程（T3 和T10）的各尺寸煙絲質量分數(shù)變化幅度均較大，主要表現(xiàn)在＜1.00 mm 的煙絲質量分數(shù)大幅增加，增幅分別達到74.78%和41.86%，其次是T5、T1 和T12。與S1 相比，煙絲寬度降低，煙絲的質量分數(shù)變化率整體升高。

由圖7 可知，制絲加工過程對S4（0.8 mm 寬度 斷絲的煙絲）煙絲結構的影響與S3 相比，主要是煙絲尺寸整體降低。煙絲加工對破碎后S4 的煙絲結構影響較大，主要表現(xiàn)為隨著加工的進行，＞7.10 mm的煙絲質量分數(shù)明顯降低；4.50～7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)逐漸升高，在T7 之后下降；3.35～4.50 mm 的煙絲質量分數(shù)也逐漸升高，在T9 之后下降；2.00～3.35 mm、1.25～2.00 mm、1.00～1.25 mm 和＜1.00 mm的煙絲質量分數(shù)則表現(xiàn)為不斷升高。

圖7 制絲加工過程對S4規(guī)格煙絲結構的影響Fig.7 The influence of cut tobacco processing on the structure of S4 size cut tobacco

由圖8 可知，＞7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)變化率均表現(xiàn)為負值，與加工前相比，T13 降幅達到76.55%；T10—T12 的4.50～7.10 mm 和3.35～4.50 mm煙絲質量分數(shù)變化率均表現(xiàn)為負值。2 個滾筒過程（T3 和T10）的各尺寸煙絲質量分數(shù)變化幅度均較大，主要表現(xiàn)在＜1.00 mm 的煙絲質量分數(shù)大幅增加，增幅分別達到53.48%和27.26%，＞7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)分別降低了20.38%和24.97%。

2.2 加工過程中煙絲特征尺寸和破碎度的變化規(guī)律

由圖9 可知，S1 的特征尺寸最大，其次是S3，經(jīng)過斷絲處理的S2 和S4 特征尺寸較小，并在加工過程中一致保持該趨勢。制絲過程中煙絲的特征尺寸持續(xù)降低，特別是在T2—T3 和T9—T10 滾筒過程，煙絲的特征尺寸降低明顯，其次是S1 的T7～T8處理。從不同規(guī)格的煙絲來看，S1 和S3 的降幅較大，分別達到1.86 mm 和1.65 mm，S2 和S4 的降幅較小，分別達到1.09 mm 和1.08 mm。由圖10 可知，隨著加工的進行，煙絲的破碎度逐漸升高，與此對應的T2—T3 過程增幅最大，S1—S4 分別提高5.35 百分點、6.00 百分點、5.81 百分點和6.41 百分點，其次是T9—T10 過程，S1—S4 分別提高4.50 百分點、5.52 百分點、5.44 百分點和5.86 百分點。破碎度整體 表 現(xiàn) 為S1＞S3＞S2＞S4，S1 和S3 較 高 分 別 達 到33.51%和33.39%；S2、S3 和S4 在T1—T3 過程的破碎度相差不大，T4處理以后各規(guī)格間差異逐步增大。

圖9 制絲加工過程對煙絲特征尺寸的影響Fig.9 The influence of cut tobacco processing on the characteristic size of cut tobacco

圖10 制絲加工過程對煙絲破碎度的影響Fig.10 The influence of cut tobacco processing on the size breakage degree of cut tobacco

3 結論與討論

制絲是卷煙生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，減少煙絲在加工過程中的造碎，改善煙絲結構分布，是提高和穩(wěn)定卷煙產(chǎn)品的有效途徑[19]。本研究表明，隨著煙絲加工進行，各規(guī)格煙絲不斷破碎，煙絲的特征尺寸降低，破碎度升高。主要表現(xiàn)在＞7.10 mm 和4.50～7.10 mm 等尺寸較長的煙絲質量分數(shù)明顯降低，＜2.00 mm 的煙絲質量分數(shù)不斷升高。2.00～4.50 mm 的煙絲質量分數(shù)受煙絲長度和規(guī)格的影響變化規(guī)律不一致，特別是3.35～4.50 mm 的煙絲質量分數(shù)變化差異較大，1.0 mm 寬度煙絲在定量喂料后達到最高，1.0 mm 寬度斷絲的煙絲則變化不大，0.8 mm 寬度煙絲在振動篩分后下降，0.8 mm 寬度斷絲的煙絲則在加香振篩后下降。

煙絲的抗破碎一方面與加工時的抗破碎能力有關，另一方面與加工強度有關[20-21]。滾筒加工是制絲的關鍵環(huán)節(jié)，本研究表明，滾筒干燥后和加香滾筒后2 個滾筒加工過程中，煙絲的質量分數(shù)變化較大，主要表現(xiàn)在＞7.10 mm 和4.50～7.10 mm 的煙絲質量分數(shù)明顯降低，＜1.25 mm 等較短煙絲的質量分數(shù)明顯升高。研究表明，烘絲工序中的筒壁溫度、抄板角度、滾筒轉速、熱加工強度等[22-24]工藝參數(shù)對煙絲質量有影響，特別是滾筒溫度和熱風溫度分別與煙絲的填充值和整絲率呈正相關，煙絲造碎增加，整絲率相應減小[25]。此外，前后兩滾筒過程相比，烘絲滾筒后的煙絲質量變化率高于加香滾筒，這可能與烘絲滾筒溫度高，加工強度大有關。煙絲提升輸送過程中主要是輸送皮帶上的釘耙與煙絲的相互作用而產(chǎn)生煙絲破碎，在煙絲干燥前的提升過程煙絲質量變化率整體上小于干燥后的提升過程，此外，干燥前后不同環(huán)節(jié)的振動篩分也有相似的規(guī)律。煙絲儲存是煙絲加工末端的必備工序[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，煙絲經(jīng)過儲絲柜儲存，出柜后的煙絲特征尺寸降低，碎絲率上升。因此，對于干燥后的煙絲，應選擇合適的儲存高度，避免物料過高產(chǎn)生較大壓力使煙絲存儲和出柜時產(chǎn)生較大的造碎[27]。葉絲風選的作用是剔除煙絲中含有的梗簽等雜物，但風選后煙絲也有整絲率下降、碎絲率上升的趨勢[28-29]。本研究表明，煙絲風選后煙絲的破碎度增加，但整體幅度較小，與另一流態(tài)化加工的風送相比，風送過程的煙絲質量變化率整體更高，可能與風力輸送中風速大、物料輸送距離長有關，另外，流態(tài)化加工還造成了煙絲水分的散失，也加劇了煙絲的破碎[30-31]。

煙絲產(chǎn)生破碎的本質可以理解為煙絲某個區(qū)域受到的外力大于其自身產(chǎn)生的反作用力。不同規(guī)格的物料對制絲加工的響應不同，整個加工前后相比，特征尺寸的變化率也表現(xiàn)為1.0 mm 寬度煙絲＞0.8 mm 寬度煙絲＞1.0 mm 寬度斷絲煙絲＞0.8 mm寬度斷絲煙絲，這與破碎度的趨勢一致。未進行斷絲的1.0 mm寬度煙絲特征尺寸最大，其次是1.0 mm寬度斷絲煙絲，0.8 mm 寬度斷絲煙絲最小，特別是1.25～2.00 mm和1.00～1.25 mm等長度較短的煙絲質量分數(shù)均以0.8 mm 寬度煙絲和0.8 mm 寬度斷絲煙絲較高。因此，對于同一工序而言，煙絲的形態(tài)特征是主要影響因素，一方面與煙絲的長度有關，煙絲經(jīng)破碎變短后，單位長度上能夠承受的應力變大，抗破碎能力增強；另一方面與煙絲的橫截面積有關，煙絲厚度變化不大的情況下，同一斷絲或未斷絲處理下煙絲的寬度越寬，抗破碎能力越強。

綜上，煙絲經(jīng)過滾筒加工、流態(tài)化和機械輸送等煙絲加工過程后，煙絲的破碎度不斷升高，特征尺寸不斷降低。主要表現(xiàn)在＞7.10 mm 和4.50～7.10 mm等尺寸較長的煙絲質量分數(shù)降低，＜2.00 mm 的煙絲質量分數(shù)不斷升高。其他尺寸煙絲的質量分數(shù)規(guī)律不同，與工序加工的特點有關，其中3.35～4.50 mm的煙絲質量分數(shù)差異最大，主要與煙絲寬度和長度產(chǎn)生的煙絲耐加工特性差異有關。從加工工序來看，滾筒加工對煙絲破碎的影響最大，其次是振動輸送、干燥后的提升輸送和風送過程，風選和干燥前的提升等過程對煙絲破碎的影響較小。在煙絲干燥后，煙絲水分和溫度下降，其抗破碎能力降低。不同切絲寬度和結構煙絲的加工過程中的煙絲破碎規(guī)律存在差異，特征尺寸較大的煙絲在加工過程中破碎較明顯，同一斷絲或未斷絲處理下煙絲寬度較窄的煙絲更易破碎，產(chǎn)生更多的碎絲。應該根據(jù)工藝質量的需求，根據(jù)煙絲寬度和所在的工序選擇適宜的加工強度。