雪茄型卷煙風(fēng)送及卷制過程對梗絲比例的影響

劉玉葉，王建民，王 暉，李文偉*，王東飛，李 歡

1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司安陽卷煙廠，河南省安陽市龍安區(qū)煙廠路1 號 455004

2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)科學(xué)大道136 號 450001

卷煙煙絲是由葉絲、梗絲等按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求以不同比例均勻摻配的混合體［1］。煙絲中各組分的比例決定了卷煙的感官品質(zhì)和風(fēng)格特征［2］，其摻配準(zhǔn)確性和均勻性會直接影響卷煙感官品質(zhì)的均質(zhì)化水平。在卷煙加工過程中，摻配加香工序是影響煙絲摻配比例準(zhǔn)確性和均勻性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1］。但是，在風(fēng)送和卷制過程中由于摩擦、碰撞等會造成煙絲造碎［3］，風(fēng)速、煙絲含水率以及抗碎性等參數(shù)差異會導(dǎo)致煙絲各組分造碎程度不同［4-5］，葉絲、梗絲形態(tài)存在差異還可能會導(dǎo)致氣力配絲過程中出現(xiàn)煙絲分層現(xiàn)象。因此，提高風(fēng)送和卷制過程中煙絲摻配比例的精確度，對于保證不同卷接機(jī)組之間產(chǎn)品的均勻性具有重要意義。目前關(guān)于煙絲摻配均勻性的研究大多集中于評價(jià)方法的建立［6-8］和提高摻配工序的混配效果［9-11］方面。范磊等［9］通過分析摻配過程中的影響因素發(fā)現(xiàn)煙絲的松散程度和瞬時(shí)流量的均勻性及穩(wěn)定性是影響瞬時(shí)精度和實(shí)際摻配比例的主要因素。溫若愚等［10］以白肋煙摻配比例為預(yù)測指標(biāo)建立了近紅外模型，研究了不同混絲模式對煙絲混合均勻度的影響。劉棟等［11］通過標(biāo)準(zhǔn)偏差和方差降低指數(shù)評價(jià)了卷煙加工過程中煙絲混合均勻度的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明，風(fēng)送過程中煙絲的混合均勻度降低，卷制過程中煙絲的混合均勻度提高。目前，不僅對摻配加香后風(fēng)送及卷制過程中煙絲比例具體變化規(guī)律的研究鮮見報(bào)道，而且雪茄型卷煙煙絲組分變化規(guī)律的研究未見報(bào)道。

近紅外光譜技術(shù)基于不同分子中含氫基團(tuán)在近紅外譜區(qū)合頻和倍頻吸收的波長和強(qiáng)度不同，可建立校正樣品吸收光譜與其成分濃度或性質(zhì)之間的關(guān)系-校正模型，并應(yīng)用于未知樣品的測定。該技術(shù)具有分析速度快、效率高、成本低、重現(xiàn)性好以及便于實(shí)現(xiàn)在線分析等優(yōu)點(diǎn)，并在醫(yī)藥、化工、食品、環(huán)境保護(hù)和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的定性和定量檢測中得到了廣泛的應(yīng)用［12］。為此，采用近紅外技術(shù)建立一種梗絲比例檢測方法，通過對風(fēng)送、卷制前后雪茄型卷煙樣品梗絲比例進(jìn)行檢測，研究風(fēng)送和卷制過程對雪茄型卷煙煙絲中梗絲比例的影響規(guī)律，旨在為減少不同卷接機(jī)組之間的差異性，提升雪茄型卷煙產(chǎn)品的均質(zhì)化水平提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

“紅旗渠（雪茄型）”牌卷煙煙絲（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司安陽卷煙廠提供）。

DHG-9023A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒公司）；ST-07B 型400 g 多功能粉碎機(jī)（上海樹立儀器儀表公司）；ME204E/02 電子天平（感量0.000 1 g，上海梅特勒-托利多有限公司）；Antaeis II 型傅里葉變換近紅外分析儀（美國Thermo Fisher Scientific 公司）；ZJ17 型卷接機(jī)組（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，2 臺，編號1#、2#）；ZJ19 型卷接機(jī)組（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，1 臺，編號3#）。

1.2 方法

1.2.1 取樣方法

如圖1 所示，選擇同一旋盤氣力式煙絲分配系統(tǒng)及其連接的3 臺卷接機(jī)組。其中1#、2#為ZJ17卷接機(jī)組，煙絲風(fēng)送距離最近且機(jī)臺相鄰；3#為ZJ19 卷接機(jī)組，風(fēng)送距離最遠(yuǎn)且距離1#、2#機(jī)臺較遠(yuǎn)。風(fēng)分前后取樣點(diǎn)分別位于氣力配絲入口（A）、3 臺卷接機(jī)組后機(jī)身落料斗（B1、B2、B3）。卷制前后取樣點(diǎn)分別位于3 臺卷接機(jī)組后機(jī)身落料斗（B1、B2、B3）和卷接機(jī)組煙支出口（C1、C2、C3）。共取樣5 批次，每批次間隔20 min，每批次重復(fù)取樣5 次，共175 個(gè)樣品。其中，每次在A、B取樣點(diǎn)取煙絲100 g，C 取樣點(diǎn)取200 支卷煙，然后將樣品裝入自封袋中封存。自A 點(diǎn)開始取樣，A 與B、C 之間根據(jù)輸送距離、風(fēng)速和卷制時(shí)間設(shè)定一定的時(shí)間延遲，其中A、B1 時(shí)間延遲為10 s，A、B2 為15 s，A、B3為25 s，同一卷接機(jī)組B、C間延遲均為5 s。

圖1 各取樣點(diǎn)及機(jī)臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling points and cigarette makers

1.2.2 樣品制備方法

將C 取樣點(diǎn)煙支樣品中的煙絲進(jìn)行剝離，每個(gè)樣品各取50 g 煙絲放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，在39 ℃溫度下干燥4 h。之后利用粉碎機(jī)以2 900 r/min 轉(zhuǎn)速將煙絲粉碎1.5 min，放入自封袋中封存。

取15 g 所制備的煙末樣品放入5 cm 石英杯中壓實(shí)，在光譜范圍為10 000～4 000 cm-1，分辨率為8 cm-1，掃描頻率為64 次工作參數(shù)下，利用傅里葉近紅外光譜分析儀重復(fù)掃描5 次獲得平均光譜，并代入預(yù)先建好的以梗絲比例為參比值的近紅外預(yù)測模型［13］，實(shí)現(xiàn)梗絲比例的檢測。

已建立的梗絲比例近紅外預(yù)測模型［13］如圖2所示，模型的校正集相關(guān)系數(shù)為0.999 5，校正集均方根誤差為0.304，驗(yàn)證集相關(guān)系數(shù)為0.999 0，驗(yàn)證均方根誤差為0.440，外部驗(yàn)證的平均絕對偏差為0.35%，精密度試驗(yàn)的平均相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.34%。

圖2 梗絲比例近紅外預(yù)測模型Fig.2 Near infrared model for cut stem proportion

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)送及卷制過程對梗絲比例的影響

2.1.1 對梗絲比例均值的影響

表1 為不同取樣點(diǎn)煙絲中梗絲比例檢測結(jié)果，其中A 為風(fēng)送前煙絲，B1～B3 為風(fēng)送至1#～3#卷接機(jī)組的煙絲，C1～C3 為經(jīng)1#～3#卷接機(jī)組卷制成卷煙后的煙絲，并對各取樣點(diǎn)進(jìn)行LSD 多重比較，結(jié)果見表2。

由表1 和表2 可以看出，3 臺卷接機(jī)組所生產(chǎn)卷煙中的梗絲比例經(jīng)風(fēng)送和卷制后會發(fā)生顯著變化，分別平均升高10.66%、9.76%、8.33%。風(fēng)送前后梗絲比例差異為極顯著，梗絲比例平均升高1.40 百分點(diǎn)，平均變化率為7.40%。卷制前后梗絲比例差異也為極顯著，梗絲比例平均升高0.41 百分點(diǎn)，平均變化率為2.05%。風(fēng)送及卷制后，梗絲比例合計(jì)升高1.81 百分點(diǎn)，平均變化率為9.60%。

表1 不同取樣點(diǎn)和批次梗絲比例檢測結(jié)果Tab.1 Cut stem proportions from different sampling points of different batches

表1 （續(xù)）

表2 不同取樣點(diǎn)的多重比較結(jié)果Tab.2 Results of multiple comparisons of cut stem proportions from different sampling points

風(fēng)送及卷制過程均會顯著影響雪茄型卷煙煙絲中的梗絲比例，這可能是因?yàn)檠┣研途頍煙熃z中晾曬煙葉絲與梗絲的造碎程度不同所致。在本試驗(yàn)中，風(fēng)送及卷制后梗絲比例極顯著升高，與雪茄型卷煙煙絲中晾曬煙用量較多、葉絲抗碎性相對較差［14］，導(dǎo)致風(fēng)送及卷制過程中葉絲造碎程度高于梗絲有關(guān)。其中卷制前后梗絲比例變化幅度較小，與卷制過程中部分梗雜物質(zhì)被分離出來有關(guān)。因此，綜合考慮葉、梗絲的抗碎性有利于提升風(fēng)送及卷制前后梗絲比例的一致性。

以梗絲比例為響應(yīng)變量，以取樣點(diǎn)、機(jī)臺和實(shí)驗(yàn)批次為影響因素，采用一般線性模型法進(jìn)行多因素方差分析，結(jié)果見表3。由表3 可以看出，試驗(yàn)輪次、機(jī)臺及其與取樣點(diǎn)間的交互作用也達(dá)到了極顯著或顯著水平，即風(fēng)送和卷制過程對梗絲比例的影響程度會因機(jī)臺不同而異，并會隨生產(chǎn)過程發(fā)生變化。盡管機(jī)臺間存在差異性，不同試驗(yàn)輪次間也存在差異性，但均未改變梗絲比例的總體變化趨勢。

表3 多因素方差分析表Tab.3 Multi-factor variance analysis

2.1.2 對梗絲比例波動的影響

各取樣點(diǎn)5 輪次梗絲比例的變異系數(shù)見圖3。如圖3 所示，各個(gè)取樣點(diǎn)的梗絲比例變異系數(shù)介于2.57%～3.63%之間，總體變化趨勢為先升后降，這與劉棟等［15］的研究結(jié)果一致。以機(jī)臺為單位，采用Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)法對各輪次的變異系數(shù)進(jìn)行多樣本秩和檢驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示。由表4可以看出，針對3 臺卷接機(jī)組的檢驗(yàn)結(jié)果均為不顯著，說明風(fēng)送及卷制過程雖然會影響煙絲中梗絲的比例，但不影響其波動程度，梗絲比例的波動程度主要取決于煙絲摻配環(huán)節(jié)。

圖3 各取樣點(diǎn)5 輪次梗絲比例的變異系數(shù)Fig.3 Coefficient of variation of cut stem proportion from different sampling points of five batches

表4 不同機(jī)臺各取樣點(diǎn)梗絲比例變異系數(shù)的Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)Tab.4 Kruskal-Wallis test of coefficient of variation of cut stem proportion from three sampling points at different cigarette makers

2.2 不同機(jī)臺間的對比分析

2.2.1 風(fēng)送后梗絲比例在不同機(jī)臺間的對比分析

如圖3 所示，風(fēng)送后該雪茄型卷煙煙絲中梗絲比例的變化在3 臺卷接機(jī)組上表現(xiàn)出相同的趨勢，但變化程度則因機(jī)臺而異，進(jìn)而導(dǎo)致到達(dá)不同卷接機(jī)組的煙絲中的梗絲比例存在差異。表5 所示LSD多重比較結(jié)果表明，①風(fēng)送至1#～3#卷接機(jī)組的煙絲中梗絲比例均極顯著升高，分別升高了2.01、1.16和1.03 百分點(diǎn)，平均升高1.40 百分點(diǎn)。②到達(dá)1#卷接機(jī)組的煙絲中梗絲比例與2#、3#卷接機(jī)組間存在極顯著差異，分別相差0.85 和0.98 百分點(diǎn)；到達(dá)2#、3#卷接機(jī)組的煙絲中梗絲比例差異不顯著。

相同的煙絲風(fēng)送至不同的卷接機(jī)組后，梗絲比例升高的幅度不同，且表現(xiàn)為隨輸送距離延長（3#＞2#＞1#）而降低的趨勢，這顯然無法用葉、梗絲造碎程度不同來解釋。同時(shí)考慮煙絲分層或許能夠解釋上述現(xiàn)象。由于葉絲、梗絲形態(tài)的差異性，煙絲在風(fēng)送管道入口處會產(chǎn)生分層現(xiàn)象，其中梗絲（尤其是膨脹效果差、密度大的梗絲）會向下沉降，導(dǎo)致煙絲中梗絲比例降低。輸送距離越遠(yuǎn)、管道內(nèi)的風(fēng)速越低，分層現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，輸送距離短的機(jī)臺，風(fēng)速高，分層現(xiàn)象較輕、煙絲中梗絲比例偏高，加之輸送過程中葉絲造碎更嚴(yán)重，導(dǎo)致風(fēng)送后梗絲比例升高幅度大；輸送距離長的機(jī)臺，風(fēng)速低，分層現(xiàn)象較嚴(yán)重、煙絲中梗絲比例偏低，加之輸送過程中葉絲造碎較輕，導(dǎo)致風(fēng)送后梗絲比例升高幅度小?？梢姡L(fēng)送后梗絲比例的變化是造碎及煙絲分層共同作用的結(jié)果，而由于不同卷接機(jī)組輸送距離不同及輸送風(fēng)速的變化，導(dǎo)致造碎與分層現(xiàn)象或者相互疊加，或者相互抵消，從而導(dǎo)致相同煙絲風(fēng)送至不同卷接機(jī)組后，梗絲比例存在差異性。

2.2.2 卷制后梗絲比例在不同機(jī)臺間的對比分析

如圖3 所示，卷制后梗絲比例的變化在3 臺卷接機(jī)組上同樣表現(xiàn)出相同的趨勢，但變化程度則因機(jī)臺而異，進(jìn)而導(dǎo)致不同卷接機(jī)組卷制的煙支中梗絲比例也存在差異性。表6 所示LSD 多重比較結(jié)果表明：①1#卷接機(jī)組卷制前后煙絲中梗絲比例差異不顯著，2#、3#卷接機(jī)組的梗絲比例極顯著升高，分別升高了0.68、0.54 百分點(diǎn)。②1#與3#卷接機(jī)組卷制后煙絲中梗絲比例存在顯著差異性，平均相差0.44 百分點(diǎn)，1#與2#、2#與3#卷接機(jī)組間的差異不顯著。3 臺卷接機(jī)組卷制后煙絲中梗絲比例的分布趨勢與卷制前一致，說明到達(dá)各機(jī)臺煙絲中梗絲比例的差異性同樣也會在卷煙中體現(xiàn)出來。但機(jī)臺間的差異程度較卷制前有所降低，這應(yīng)當(dāng)與卷接機(jī)組機(jī)型及運(yùn)行參數(shù)如剔梗率等的差異性有關(guān)。

表5 不同機(jī)臺風(fēng)送前后梗絲比例的多重比較結(jié)果Tab.5 Results of multiple comparisons of cut stem proportion before and after pneumatic feeding

表6 不同機(jī)臺卷制前后梗絲比例的多重比較結(jié)果Tab.6 Results of multiple comparisons of cut stem proportion before and after cigarette making

3 結(jié)論

（1）雪茄型卷煙煙絲經(jīng)風(fēng)送和卷制后梗絲比例會發(fā)生顯著變化，3 臺卷接機(jī)組的平均變化率為10.66%、9.76%、8.33%，變化趨勢為經(jīng)風(fēng)送及卷制后梗絲比例遞次升高，且風(fēng)送前后的變化程度大于卷制前后。

（2）雪茄型卷煙煙絲經(jīng)風(fēng)送和卷制后梗絲比例的變異系數(shù)整體呈先升后降的變化趨勢，但Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)結(jié)果為差異不顯著，即對同一臺卷接機(jī)組而言，風(fēng)送及卷制過程不會明顯改變煙絲摻配的均勻性。

（3）雪茄型卷煙煙絲中梗絲比例的變化程度因卷接機(jī)組機(jī)臺而異，因而會導(dǎo)致不同機(jī)臺來料煙絲及卷制后煙支中梗絲比例存在差異性，部分機(jī)臺間的差異達(dá)到了顯著或極顯著水平。

綜上所述，風(fēng)送及卷制前、后梗絲比例會發(fā)生變化，機(jī)臺間梗絲比例也存在差異，產(chǎn)生差異的主要原因是葉絲、梗絲的抗碎性不同，以及煙絲分層等。因此，應(yīng)從改善原料特性、改進(jìn)風(fēng)送系統(tǒng)、優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)等方面采取綜合措施減小差異性，提升卷煙產(chǎn)品的均質(zhì)化水平。