成絲工藝對(duì)梗絲物理質(zhì)量的影響

劉民昌，劉 洋，文 武*，溫若愚，孔 臻，李 斌，張大波

1.四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，成都市錦江區(qū)成龍大道一段56 號(hào) 610066

2.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

煙梗是煙葉的天然組成部分，將其加工成梗絲后摻配使用，在卷煙降焦減害、降本增效、調(diào)節(jié)吸味品質(zhì)和燃燒狀態(tài)等方面具有重要作用，現(xiàn)已成為卷煙葉組配方不可或缺的組成部分［1-2］。煙草行業(yè)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，對(duì)于梗絲的使用理念和加工工藝也在不斷演變。早期主要追求梗絲的填充性能，梗絲一般呈大片狀，多在低檔卷煙中使用，用于降低卷煙生產(chǎn)成本［3-4］。近年來(lái)，由于消費(fèi)者健康觀念日益增強(qiáng)，降焦減害理念深入人心，細(xì)支卷煙獲得了迅猛發(fā)展，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于細(xì)支卷煙直徑較小，而傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的梗絲尺寸較大，導(dǎo)致梗絲在細(xì)支卷煙生產(chǎn)時(shí)會(huì)造成廢煙剔除量過(guò)大、煙支物理指標(biāo)穩(wěn)定性差等一系列問(wèn)題［5］，限制了梗絲在細(xì)支卷煙中的應(yīng)用。

近年來(lái)，煙草行業(yè)科研人員在改善梗絲形態(tài)方面進(jìn)行了大量研究。葉鴻宇等［6］、紀(jì)曉楠等［7］研究表明，降低壓梗厚度有利于提高梗絲中的絲狀梗絲比例，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，較低的壓梗間隙易引起壓梗機(jī)頻繁堵料，導(dǎo)致梗絲的寬度均勻性較差。陳景云等［8］研究表明，復(fù)切式制梗絲工藝能有效提高梗絲在卷煙中的分布均勻性，提高卷煙單支質(zhì)量和吸阻穩(wěn)定性，但該工藝是在梗絲加料后使用曲刃滾刀式切梗絲機(jī)進(jìn)行第二次切梗絲，由于料液黏性較大，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)切梗絲機(jī)導(dǎo)絲條處易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)不連續(xù)，梗絲均勻性較差，另外文中也并未對(duì)梗絲寬度分布情況進(jìn)行詳述。廖曉祥等［9-11］基于煙梗微波膨脹工藝進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明，微波膨脹梗絲長(zhǎng)度較小，成絲后為條狀，在煙絲中的摻配均勻性明顯提高，但生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，投資成本較高。喻賽波等［12］研究表明，將煙梗依次經(jīng)過(guò)預(yù)切、加濕、PFI 磨漿機(jī)成絲、擠壓、打散、風(fēng)干、篩分等處理，得到細(xì)絲狀梗絲，可以有效降低卷煙煙氣中的一氧化碳量，但梗絲較為僵硬，形態(tài)和煙絲差異較大。另外，王夏婷等［13］研究表明，煙絲中短絲比例的增加有利于提高細(xì)支卷煙單支質(zhì)量、吸阻、硬度等指標(biāo)的穩(wěn)定性，降低卷制過(guò)程空頭剔除率。王亮等［14］研究表明，煙絲中短絲比例的增加有利于提高細(xì)支卷煙煙絲密度分布的均勻性，減少卷煙掉火頭發(fā)生的概率。

因此，基于傳統(tǒng)煙梗原料，在可以保障連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的前提下，對(duì)比了傳統(tǒng)工藝、雙壓工藝、雙切工藝3 種成絲工藝對(duì)梗絲物理質(zhì)量的影響，旨在提高梗絲的成絲效果，改善梗絲結(jié)構(gòu)，為梗絲在細(xì)支卷煙生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備和儀器

12#配方煙梗、“嬌子（藍(lán)）”葉絲（由四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司成都卷煙廠提供）。

成都卷煙廠生產(chǎn)能力為2 000 kg/h 的梗絲生產(chǎn)線。IB-F 壓梗機(jī)（額定能力2 000 kg/h）、Tobspin 切梗絲機(jī)（額定能力3 000 kg/h）（德國(guó)Hauni 公司）。

CWT200 煙絲寬度測(cè)定儀（中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所）；D51 填充值測(cè)定儀（德國(guó)Borgwaldt 公司）；PL203 電子天平（感量：0.001 g，瑞士Mettle Toledo 公司）；YQ-2 煙絲振動(dòng)分選篩（中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院）；ZJ17 卷接機(jī)組（常德煙草機(jī)械有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 梗絲制備

使用12#配方煙梗，在煙梗處理段和梗絲處理段采用相同工藝參數(shù)進(jìn)行處理加工，在煙梗成絲段分別采用A 傳統(tǒng)工藝、B 雙壓工藝、C 雙切工藝進(jìn)行處理加工，工藝流程見(jiàn)圖1。

1.2.2 測(cè)試與評(píng)價(jià)方法

取樣：梗絲樣品取樣點(diǎn)均在梗絲加香出口。

梗絲尺寸檢測(cè)：利用CWT200煙絲寬度測(cè)定儀［15］，隨機(jī)取1 g 左右梗絲置于測(cè)試載物臺(tái)上，用鑷子將梗絲攤開(kāi)，確保梗絲無(wú)重疊粘連，梗絲1 不挑選。利用CWT200 煙絲寬度測(cè)定儀自動(dòng)拍照、圖像處理并計(jì)算每根梗絲的長(zhǎng)度和寬度，測(cè)量5 次。

梗絲尺寸分布評(píng)價(jià)：以梗絲寬度分布為例，將約400 個(gè)寬度數(shù)據(jù)劃分為不同的寬度梯度，計(jì)算每個(gè)寬度區(qū)間梗絲數(shù)量的百分比，并轉(zhuǎn)化為累積數(shù)量百分比，按照煙絲尺寸分布特性方程進(jìn)行擬合，見(jiàn)公式（1）［16］。

式中：y 為累積數(shù)量百分比（%）；x 為寬度界限（mm）；de為梗絲的特征寬度（mm），其值越大表明梗絲的寬度越大；n 為梗絲寬度的均勻性系數(shù)，其值越大表明梗絲寬度分布越均勻。

梗絲長(zhǎng)度分布計(jì)算方法同上。

圖1 梗絲加工工藝流程Fig.1 Flow chart of cut stem processing

出梗絲率：按《卷煙工藝規(guī)范》規(guī)定中的投入產(chǎn)出法［17］，計(jì)算出梗絲率。

梗絲結(jié)構(gòu)：按YC/T 178—2003《煙絲整絲率、碎絲率的測(cè)定方法》規(guī)定檢測(cè)［18］，測(cè)量5 次，計(jì)算平均值。

梗絲填充值：按YC/T 163—2003《卷煙 膨脹梗絲填充值的測(cè)定》規(guī)定檢測(cè)［19］，測(cè)量5 次，計(jì)算平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 3 種成絲工藝條件的確定

以成絲效果為主要目標(biāo)，兼顧生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性，對(duì)A 傳統(tǒng)工藝、B 雙壓工藝、C 雙切工藝3 種成絲工藝分別進(jìn)行試驗(yàn)，確定每種成絲工藝的最優(yōu)參數(shù)組合。

A 傳統(tǒng)工藝：壓梗間隙分別試驗(yàn)了1.00、0.90、0.80 mm，壓梗間隙越小，梗絲的絲狀形態(tài)越好，但當(dāng)壓梗間隙為0.80 mm 時(shí)，壓梗機(jī)出現(xiàn)頻繁堵料現(xiàn)象；切梗絲厚度分別試驗(yàn)了0.14、0.12、0.10 mm，切梗絲厚度越小，梗絲柔軟性越好，但當(dāng)切梗絲厚度為0.10 mm 時(shí)，梗絲中存在較多碎末。因此，確定傳統(tǒng)工藝最優(yōu)參數(shù)組合為：壓梗間隙設(shè)置為0.90 mm，切梗絲厚度設(shè)置為0.12 mm。傳統(tǒng)工藝所得梗絲下文中稱(chēng)傳統(tǒng)梗絲。

B 雙壓工藝：在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次壓梗，避免單次薄壓帶來(lái)的壓梗機(jī)堵料問(wèn)題，第二次壓梗間隙分別試驗(yàn)了0.80、0.70、0.60、0.50 mm，當(dāng)?shù)诙螇汗ｉg隙設(shè)置為0.80、0.70 mm 時(shí)，梗絲中仍存在較多大片狀梗絲，當(dāng)?shù)诙螇汗ｉg隙設(shè)置為0.50 mm 時(shí)，煙梗被大量壓破，梗絲中存在較多碎末。因此，確定雙壓工藝最優(yōu)參數(shù)組合為：第一次壓梗間隙設(shè)置為0.90 mm，第二次壓梗間隙設(shè)置為0.60 mm，切梗絲厚度設(shè)置為0.12 mm。雙壓工藝所得梗絲下文中稱(chēng)雙壓梗絲。

C 雙切工藝：不蒸梗、不壓梗，第一次切梗絲厚度與傳統(tǒng)工藝和雙壓工藝的切梗絲厚度相同，設(shè)置為0.12 mm，第二次切梗絲寬度與葉絲的切絲寬度相近，設(shè)置為1.00 mm。對(duì)比試驗(yàn)了曲刃滾刀式SQ218C 切梗絲機(jī)和轉(zhuǎn)盤(pán)式Tobspin 切梗絲機(jī)，在第一次切梗絲時(shí)，兩種切梗絲機(jī)運(yùn)行狀態(tài)均較好，但在第二次切梗絲時(shí)，曲刃滾刀式SQ218C 切梗絲機(jī)導(dǎo)絲條易堵塞，導(dǎo)致生產(chǎn)不連續(xù)，而轉(zhuǎn)盤(pán)式Tobspin切梗絲機(jī)則能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性，確定3 種成絲工藝均采用轉(zhuǎn)盤(pán)式Tobspin 切梗絲機(jī)。雙切工藝所得梗絲下文中稱(chēng)雙切梗絲。

2.2 成絲工藝對(duì)梗絲外觀形態(tài)的影響

3 種工藝所得梗絲及“嬌子（藍(lán)）”葉絲的外觀形態(tài)見(jiàn)圖2。由圖2 可以看出：①傳統(tǒng)梗絲整體尺寸較大，主要因?yàn)椴捎靡淮螇汗?，而在保證連續(xù)生產(chǎn)的前提下，壓梗間隙不能設(shè)置過(guò)低，壓梗效果受限，壓后煙梗厚度較大。②與傳統(tǒng)梗絲相比，雙壓梗絲寬度整體有所降低，但梗絲形態(tài)差異較大，因?yàn)殡p壓工藝采用兩次壓梗，在提高壓梗效果的同時(shí)，也會(huì)造成部分煙梗被壓破，疏松的髓腔組織被破壞，而致密的導(dǎo)管和表皮組織被保留，切后梗絲中細(xì)絲增多。③與傳統(tǒng)梗絲相比，雙切梗絲寬度明顯降低，梗絲形態(tài)均勻，整體呈短絲狀，形態(tài)和葉絲較為接近，因?yàn)殡p切工藝以切梗絲代替壓梗，使梗絲寬度更為受控。

與傳統(tǒng)工藝相比，雙壓工藝和雙切工藝均能夠在一定程度上改善梗絲的絲狀形態(tài)，二者各有特點(diǎn)：雙壓工藝的改善主要表現(xiàn)在梗絲寬度和卷曲形態(tài)上，但梗絲尺寸均勻性變差；雙切工藝的改善主要表現(xiàn)在梗絲寬度和均勻性上，同時(shí)改善了梗絲結(jié)構(gòu)，梗絲主要為中短絲。

圖2 不同成絲工藝下梗絲的外觀形態(tài)Fig.2 Appearance of cut stems under different stem processing technologies

2.3 成絲工藝對(duì)梗絲長(zhǎng)度的影響

3 種工藝所得梗絲的長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)累積數(shù)量百分比見(jiàn)圖3，將圖3 中的數(shù)據(jù)代入尺寸分布特性方程y=1-exp［-（x/de）n］，擬合得到的特征參數(shù)見(jiàn)表1。可以看出：①對(duì)于梗絲長(zhǎng)度，特性方程的決定系數(shù)R2≥0.982 9，表明特性方程能夠很好地表征3種梗絲的長(zhǎng)度分布情況。②相比傳統(tǒng)梗絲，雙壓梗絲特征長(zhǎng)度略有降低，長(zhǎng)度均勻性系數(shù)略有提升。③相比傳統(tǒng)梗絲，雙切梗絲特征長(zhǎng)度明顯降低，長(zhǎng)度均勻性系數(shù)略有提升。說(shuō)明雙壓工藝對(duì)梗絲長(zhǎng)度影響較小，雙切工藝則明顯降低了梗絲長(zhǎng)度，3 種梗絲的長(zhǎng)度均勻性均優(yōu)于葉絲。

2.4 成絲工藝對(duì)梗絲寬度的影響

3 種工藝所得梗絲的寬度與對(duì)應(yīng)累積數(shù)量百分比見(jiàn)圖4，將圖4 中的數(shù)據(jù)代入尺寸分布特性方程y=1-exp［-（x/de）n］，擬合得到的特征參數(shù)見(jiàn)表2?？梢钥闯觯孩賹?duì)于梗絲寬度，特性方程的決定系數(shù)R2≥0.993 7，表明特性方程能夠很好地表征3種梗絲的寬度分布情況。②相比傳統(tǒng)梗絲，雙壓梗絲的特征寬度明顯降低，但寬度的均勻性系數(shù)也降低。③相比傳統(tǒng)梗絲，雙切梗絲的特征寬度明顯降低，寬度均勻性系數(shù)顯著提高。說(shuō)明雙壓工藝能夠有效降低梗絲寬度，但梗絲的寬度均勻性變差，雙切工藝則在有效降低梗絲寬度的同時(shí)，大幅度提高了梗絲的寬度均勻性，雙切梗絲的寬度及其均勻性和葉絲最為接近。

圖3 梗絲長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)累積數(shù)量百分比Fig.3 Length of cut stem and corresponding cumulative quantity percentage

表1 3 種梗絲長(zhǎng)度擬合特征參數(shù)Tab.1 Fitting characteristic parameters of three cut stem lengths

圖4 梗絲寬度與對(duì)應(yīng)累積數(shù)量百分比Fig.4 Width of cut stem and corresponding cumulative quantity percentage

表2 3 種梗絲寬度擬合特征參數(shù)Tab.2 Fitting characteristic parameters of three cut stem widths

2.5 成絲工藝對(duì)梗絲其他指標(biāo)的影響

3 種梗絲的其他物理指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可以看出：①由于傳統(tǒng)工藝追求梗絲的填充性能，壓梗厚度較大，因此傳統(tǒng)梗絲尺寸整體較大，出梗絲率、長(zhǎng)絲率、填充值較高，碎絲率較低。②由于雙壓工藝煙梗厚度較小，對(duì)煙梗破壞程度較大，導(dǎo)致出梗絲率有所降低，碎絲率明顯增加，梗絲中的中短絲比例由37.58%提高至47.13%。③由于雙切工藝經(jīng)過(guò)二次切梗絲，切梗絲過(guò)程造碎較大，導(dǎo)致出梗絲率有所降低，填充值明顯降低，碎絲率最高，梗絲中的中短絲比例由37.58%提高至83.47%。相比較而言，雙切工藝更有利于提高梗絲中的中短絲比例。

表3 3 種梗絲其他物理指標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.3 The other physical indexes of cut stems of three kinds

3 結(jié)論

（1）利用圖像處理技術(shù)檢測(cè)梗絲的長(zhǎng)度和寬度，相較于篩分法，更能夠體現(xiàn)梗絲尺寸實(shí)際情況；使用尺寸分布特性方程，將梗絲長(zhǎng)度分布和寬度分布分別表征，對(duì)梗絲尺寸分布的描述更為精細(xì)，模型擬合程度較好，梗絲長(zhǎng)度分布決定系數(shù)R2≥0.982 9，梗絲寬度分布決定系數(shù)R2≥0.993 7。

（2）與傳統(tǒng)工藝相比，雙壓工藝使梗絲特征寬度由1.54 mm 降低至1.21 mm，梗絲卷曲形態(tài)較好，但梗絲形態(tài)均勻性變差，寬度均勻性系數(shù)由2.99降低至2.70，雙壓工藝對(duì)梗絲長(zhǎng)度改變不明顯。

（3）與傳統(tǒng)工藝相比，雙切工藝對(duì)梗絲形態(tài)的改善較為明顯，一方面，梗絲特征寬度由1.54 mm 降低至1.12 mm，寬度均勻性系數(shù)由2.99 提高至3.77，形態(tài)和葉絲較為接近；另一方面，梗絲的特征長(zhǎng)度由19.07 mm 降低至12.71 mm，長(zhǎng)度均勻性系數(shù)略有提升，梗絲中的中短絲比例由37.58%提高至83.47%。

（4）相比較而言，由于雙切工藝所得梗絲寬度可控、中短絲較多、形態(tài)均勻，可為梗絲在細(xì)支卷煙的生產(chǎn)應(yīng)用提供參考，考慮到煙梗成本遠(yuǎn)小于煙葉，出梗絲率的降低仍可以接受，但在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)碎絲的篩分。