梗丝膨胀工艺的响应面优化

2013-09-11谢伟强康金岭

食品与机械 2013年3期

谢伟强康金岭

（广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂，广西柳州 545005）

梗丝膨胀是卷烟制梗丝环节的一个关键工序，其主要的工艺任务是把充分吸收水分后的梗丝，根据配方需求和工艺要求进行脱水膨胀，以减少梗丝在卷烟燃吸时产生的木质气、灼烧感和辛辣感［1］，梗丝膨胀能有效改善梗丝品质，改善产品的质量，降低卷烟对人体的有害性，提高梗丝在高档烟中的使用比例［2］，因此优化梗丝膨胀加工工艺极其重要。

目前烟草行业在梗丝膨胀切丝宽度等工艺优化方面的研究较多［3－7］，而将影响梗丝膨胀的关键工艺参数作为一个整体来进行研究的还比较少见。本试验利用响应曲面法研究卷烟梗丝制造过程中关键工艺参数对烟梗填充值的影响及参数最佳配置，为梗丝制造膨胀环节工艺参数的设置提供了理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

烤烟烟梗：B类梗，广西中烟工业有限责任公司；

切梗丝机：SQ316型，昆船第二机械公司；

梗丝闪蒸膨化机：WQ617.0型，秦皇岛烟草机械有限责任公司；

梗丝膨化干燥机：SH83型，秦皇岛烟草机械有限责任公司；

恒温恒湿箱：KBF240型，德国Binder公司；

梗丝填充值测量仪：DD60A型，德国Borgwaldt KC公司；

电子天平：PL203－IC型，梅特勒－托利多仪器（上海）有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 取样方法为尽量减少其它干扰因素可能对试验结果的影响，每次调整工艺参数时对应取样，且取样在各项过程参数控制稳定后进行。

1.2.2 样品的制备

（1）各项参数控制稳定后，按试验次序每次进行一组试验，并取样。每次取样10g，为1个试验样品。

（2）将试验样品自然冷却至常温，再放置于恒温恒湿箱，平衡24h后待检。

1.2.3 样品的检测方法以梗丝填充值（Y）为评价指标，按YC／T 152——2001《卷烟、烟丝填充值的测定》有关要求执行［8］。

1.2.4 参数优化的单因素试验

（1）在工艺流量1 700kg／h、膨胀含水率38%、闪蒸蒸汽量800kg／h条件下，分别观察不同切梗宽度（0.12，0.13，0.14，0.15，0.16mm）对填充值的影响。

（2）在工艺流量1 700kg／h、切梗宽度0.15mm、闪蒸蒸汽量800kg／h条件下，分别观察不同膨胀含水率（35%，36%，37%，38%，39%）对填充值的影响。

（3）在工艺流量1 700kg／h、切梗宽度0.15mm、膨胀含水率38%条件下，分别观察不同闪蒸蒸汽量（700，800，900，1 000，1 100kg／h）对填充值的影响。

2 结果与分析

2.1 梗丝填充值的单因素试验

2.1.1 切梗宽度对填充值的影响由图1可知，填充值随着切梗宽度的增加而增加，当切梗宽度超过0.15mm以后，填充值随着切梗宽度的增加变化趋于稳定，切梗宽度在0.13～0.15mm时填充值的增加幅度较大，这也在吴敬华等的研究［9］中得到证实，因此切梗宽度以0.15mm左右为宜。

图1 切梗宽度对填充值的影响折线图Figure 1 The effects of cut tobacco width on the gut stem influence line graph

2.1.2 膨胀含水率对填充值的影响由图2可知，填充值随着膨胀含水率的增加而增加。当膨胀含水率超过38%以后，填充值开始呈现下降趋势，故膨胀含水率以38%左右为宜。

图2 膨胀含水率对填充值的影响折线图Figure 2 The effects of moisture content on the gut stem influence line graph

2.1.3 闪蒸蒸汽量对填充值的影响由图3可知，填充值随着闪蒸蒸汽量的增加而增加，当闪蒸蒸汽量超过900kg／h以后，填充值随着闪蒸蒸汽量的增加呈现下降趋势，因此闪蒸蒸汽量以900kg／h左右为宜。

图3 闪蒸蒸汽量对填充值的影响折线图Figure 3 The effects of moisture content on the gut stem influence line graph

2.2 曲面响应法优化梗丝膨胀工艺参数

在以上单因素试验的基础上，运用Box－Behnken设计，对影响梗丝填充值的切梗宽度、膨胀含水率、闪蒸蒸汽量三因素，采用Minitab软件设计三因素三水平的中心组合试验，中心点重复进行3次试验，试验的因素水平设计编码表及计算结果分别见表1～3。

表1 Box－Behnken试验设计因素水平及编码表Table 1 Box－Behnken design experiment Vairables levels and coding table

表2 Box－Behnken试验设计和结果Table 2 Box－Behnken design experiments and results

2.2.1 试验各因素对填充值的影响分析为分析各因素对填充值的影响，以填充值为评价指标（Y），利用Minitab分析软件对表2进行分析，从试验结果得到3个因素与填充值的回归方程：

对试验模型进行方差分析，结果见表3。

表3 响应值方差分析表†Table 3 Variance analysis of response value

由表3可知，回归模型的回归项P值＜0.05，说明模型总体有效。从拟合总效果来看，本试验的失拟项P值＞0.05，说明试验并没有失拟现象，可以利用该方程代替真实的试验进行数据分析［10］。从结果可以看出，切梗宽度、膨胀含水率、闪蒸蒸汽量及它们的平方项和交互作用均显著，说明切梗宽度、膨胀含水率、闪蒸蒸汽量对填充值均有显著的影响。

图4 切梗宽度与膨胀含水率对填充值的响应曲面与等值线图Figure 4 Response surface and contour lineof the CT and MC for the FP

图5 切梗宽度与闪蒸蒸汽量对填充值的响应曲面与等值线图Figure 5 Response surface and contour line of the CT and SQ for the FP

2.2.2 各影响因素及交互作用对填充值的影响各影响因素及交互作用对填充值的影响见图4～6。从各因素与响应量之间的三维空间图可以看出各因素对响应值的影响：图4表明膨胀含水率曲面更陡，说明膨胀含水率对填充值的影响比切梗宽度更加显著；图5表明与其它两个参数的交互作用比较，切梗宽度与闪蒸蒸汽量的交互作用对填充值影响程度最小，相对较弱；图6表明膨胀含水率比闪蒸蒸汽量对填充值的影响更显著；综合以上分析可以看出，切梗宽度对填充值的影响最大，膨胀含水率次之，闪蒸蒸汽量最小。

2.2.3 验证实验为确定最佳工艺参数，利用Minitab软件对方程进行最优解，找出模型Y的最大值，最大点（X1，X2，X3）的代码值为（0.81，0.23，1.00），对应实际值为切梗宽度0.16mm、膨胀含水率38.2%，闪蒸蒸汽量900kg／h，理论上填充值最大为6.57cm3／g，在最佳的工艺条件下进行了3次效果验证实验，填充值平均6.50cm3／g，与理论值基本一致，说明试验回归方程可靠。