贮丝环境工艺参数的优化

孙东亮,秦日伦,韩 勇,程显智,米 强

山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂,济南市高新区新区科航路2006号 250104

烟丝含水率是影响卷烟卷接包工艺损耗及吸味质量的关键因素[1]。除仅生产单牌号规格的卷烟企业可以制定针对特定品牌规格的烟丝贮存环境外[2],一般情况下各厂不同类别、价位的烟丝都是以贮柜方式贮存在同一环境中。但由于不同价类的烟丝叶组配方、梗丝掺配比例、膨胀丝掺配比例等方面的固有差异[3],其吸湿、脱湿性能存在较大差异,造成烟丝贮存后的平衡含水率往往发生较大变化,不利于烟丝质量的稳定。特别是近年来随着品牌合作加工的发展,输出方与输入方的烟丝贮存环境之间存在差异往往在所难免。因此,开展环境条件参数的优化研究,不但有利于稳定烟丝平衡含水率,也有利于消解合作加工双方烟丝贮存工艺标准间的冲突,提高合作加工的水平。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

A牌号烟丝(五价类烤烟)、B牌号烟丝(三价类烤烟)、C牌号烟丝(一价类烤烟)。

S W-M-60电子秤(南京联宇计量有限公司),PR-3K调温调湿箱(日本爱斯佩克公司),DHG-9623干燥箱(上海精宏设备公司),M P4000电子天平(感量:0.001g,上海第四天平仪器厂),400 mm×600 mm铝盘(自制)。

1.2 方法

在A、B、C牌号制丝生产时的加香机出口各取烟丝20 kg,堆放在环境条件为(22±2)℃、(62±5)%RH的恒温恒湿实验室48 h以上,使其初始含水率平衡在(12.5±0.3)%范围内,以消除实际生产过程中各牌号烟丝含水率之间的差异。以环境的温度、相对湿度为试验因素,根据生产经验以及能耗控制确定每因素的3水平分别为:24℃,26℃,28℃和52%,58%,64%,采用正交设计表L9(34)进行实验设计[3]。将试验前后烟丝的含水率变化值△T作为试验的响应指标。

采用摇号法随机选择实际试验顺序。依次按照试验顺序,设置调温调湿箱的温度、相对湿度,并预平衡4 h以上,以保证调温调湿箱内环境条件完全达到设定条件。取各牌号烟丝各500 g,用烘箱法[4]测量每牌号烟丝的初始含水率T0。剩余样品分别放入铝盘内,同时置入预平衡后的调温调湿箱8 h,以模拟烟丝贮存过程。从烘箱内取出各牌号烟丝,用烘箱法[4]检测贮存后各牌号烟丝的平衡含水率T。计算其含水率的变化值△T,△T=T-T0。

2 结果与讨论

2.1 方差分析

烟丝贮存期间含水率变化正交试验结果以及直观分析、方差分析见表1。表1方差分析结果表明,温度、相对湿度的交互作用对各牌号烟丝含水率变化值的影响均不显著。因此,将交互作用一并列入误差项,以更准确地考察各环境因素对烟丝含水率变化的影响P值。重新计算的各因素P值见表2。

由表2可知,在试验范围内,①相对湿度对各牌号烟丝的含水率变化均具有极显著的影响;温度对各牌号烟丝含水率变化的影响未达到显著水平,均为弱显著。②相对湿度对不同牌号烟丝含水率的影响大于温度的影响。这是因为烟丝虽然属毛细管多孔性物质,内表面很大,且含有亲水胶体,具有良好的吸湿性[5]。但当环境温度不变而相对湿度出现变化时,由于烟丝本身的蒸汽分压保持不变,空气蒸汽分压的变化直接作用于烟丝表面,烟丝就会在内外蒸汽分压压差的作用下吸湿或解湿,直至内外蒸汽分压达到平衡,其含水率自然会产生显著变化;而当环境温度改变而相对湿度不变时,此时空气蒸汽分压虽随温度的升降而增减,烟丝温度也会同步升降。而烟丝的温度升降会导致其内部蒸汽分压的增减。由于烟丝蒸汽分压与空气蒸汽分压的变化方向一致,抵消部分蒸汽分压差,因而烟丝含水率变化表现不够显著。③温度、相对湿度两因素对不同牌号的烟丝含水率影响程度的顺序一致,均为A牌号烟丝>B牌号烟丝>C牌号烟丝。即烟丝含水率变化受环境因素影响的程度与烟丝牌号的价类成负相关,烟丝牌号的价类越高,受环境因素影响越小;烟丝牌号价类越低,受环境因素的影响越明显。这可以从其配方组成和烟叶原料的性质来分析讨论。烟叶的吸湿性与其可溶性糖含量及烟叶内部的组织结构有关[6]。质量好的烟叶,组织结构疏松,弹性好,可溶性糖含量较高,保润能力好,因此受环境条件变化的影响小;而质量差的烟叶或烟梗,结构紧密,可溶性糖含量少,纤维素含量高,吸湿能力虽强,但保润性差,因此受环境条件的影响较大。A,B,C 3种不同价类的烟丝,由于其价类不同,其配方组份中的烟叶等级呈逐渐增高、梗丝掺配比例呈逐步减少的特点,因而温度、相对湿度对各牌号含水率影响程度为A牌号烟丝>B牌号烟丝>C牌号烟丝。

表1 正交试验方案以及方差分析结果

2.2 环境条件的优化

烟丝贮存环境最优条件的选择,是以烟丝在贮存期间能保持其含水率指标的稳定为前提。因此,对单牌号烟丝而言,当某一水平含水率均值的绝对值|k|最小时,其对应的因素水平就是最优水平;在多牌号烟丝共存时,如各牌号烟丝的优化结果间存在冲突,则应遵从“重点牌号优先”和“少数服从多数”的平衡优化原则。

从表1直观分析结果可知,①相对湿度为58%时,A,B,C牌号烟丝的|k2|均为最小值,因此将58%作为贮丝房湿度条件的最佳优化结果;②温度因素的直观分析结果中,B,C两牌号烟丝的|k2|最小,而A牌号烟丝的|k1|最小,优化结果存在烟丝牌号间的冲突。按照平衡优化的基本原则,考虑到A牌号价位较低,消费者对其品质的关注程度相对平和,因此选择26℃作为贮丝房温度的优化结果。最终选择的贮丝房环境温湿度优化方案为26℃,RH 58%。

2.3 优化方案的验证

为验证贮丝房环境优化方案(26℃,RH 58%)下各牌号烟丝的贮存效果,以(28℃,RH 64%)为对照方案,对实验室剩余3个牌号的烟丝进行对比试验。将每牌号烟丝在两个贮存环境中分别贮存8 h。贮存后的烟丝平衡含水率按烘箱法[4]进行重复检验5次,结果见表3。由表3可知,①在优化后的贮存环境(26℃,RH 58%)下,各牌号烟丝含水率均控制在设计范围(12.5%±0.5%)内,没有不合格点;而在对照贮存环境(28℃,RH 64%)下,各牌号烟丝含水率均存在不合格点;②从平均值看,在优化后的贮存环境下,3牌号烟丝含水率偏离设计中心(12.5%)均≤0.2%,其中B,C牌号烟丝含水率的偏离程度要小于A牌号烟丝;而在对照贮存环境下,各牌号烟丝含水率偏离产品设计值≥0.36%,其中B,C牌号烟丝含水率的均值高出产品的设计上限,严重偏离设计中心。因此,可以判定选定的贮存环境方案对各牌号烟丝含水率的控制效果优于对照贮存环境方案。

对表3进行双因素方差分析[8],结果见表4。表4表明,①烟丝的平衡含水率差异与牌号因素相关显著,与环境方案因素相关极显著;烟丝平衡含水率差异受环境方案的影响大于品牌因素。②烟丝牌号和环境方案之间不存在交互作用。

表2 第Ⅲ列做误差处理后方差分析结果(P值)

表3 贮存环境对比验证结果

表4 贮存环境对比试验结果的双因素方差分析

3 结论与讨论

(1)在试验范围内,相对湿度是影响烟丝含水率的关键因素,达到极显著水平,而温度对烟丝的含水率影响不够显著,远小于环境湿度对烟丝含水率的影响;温度、相对湿度之间的交互作用对烟丝含水率变化的影响不显著;烟丝含水率变化受环境温湿度影响程度与烟丝牌号的价类成负相关,烟丝牌号的价类越高,受环境温湿度的影响越小。

(2)优化后的环境条件方案为温度26℃,相对湿度58%,经过对照试验表明该方案是可靠的。

(3)本试验以同一厂不同价类烟丝为研究对象,旨在提供一种贮丝房环境温湿度工艺参数平衡优化的方法,更好地实现烟丝质量的稳定。在对品牌联合生产时企业间贮丝房标准的差异进行研究时,其试验对象为输出方的烟丝和输入方自有相近价类的烟丝牌号,其温度、湿度的水平设计可直接选用双方规定的设计值,从而使试验变为2因素2水平试验,其正交试验设计可以采用更简洁的L4(23),甚至直接采用双因素方差分析法,从而简化试验,提高试验效能。

[1] 孙雯,李雪梅,曾晓鹰,等.烟丝含水率对卷烟燃吸品质、烟气水分及粒相物挥发性成分的影响[J].烟草科技,2009(11):33-39.

[2] 王春风,张温泽,王彬彬,等.贮丝房温湿度的优化[J].烟草科技,2009(2):21-24.

[3] 资文华,王慧,番绍军,等.干冰膨胀烟丝加工过程参数优化研究[J].烟草科技,2008(1):8-11,18.

[4] GB/T 22838.8-2009卷烟和滤棒物理性能的测定第8部分:含水率[S].

[5] 王建民,韩明,张相辉,等.烤烟化学指标和平衡含水率间的关系[J].烟草科技,2011(2):43-46.

[6] 马林,张相辉,刘强,等.烟丝中糖组分含量对平衡含水率的影响[J].中国烟草学报,2010,16(6):10-13.

[7] 孙东亮,米强,胡建军.卷烟卷制质量的稳定性研究[J].烟草科技,2007(4):9-12.

[8] 孙东亮,王坤明,陈孟起,等.卷烟品牌许可生产质量的差异源分析[J].烟草科技,2009(9):5-10.