不同加工方式烟梗的物理保润性能对比分析及应用

易 斌，熊开胜，常卫东，唐家伟，徐合磊，刘 泽，付 亮，鲁永祥，李雯琦，方俊俊，范 羿，聂 蓉，魏 宏，马 宁，林文强*

1.云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市五华区红锦路181号 650231

2.红塔烟草（集团）有限责任公司，云南省玉溪市红塔区红塔大道118号 653100

3.红塔烟草（集团）有限责任公司楚雄卷烟厂，云南省楚雄市彝海东路296号 675000

梗丝提质目前主要通过改变烟梗的加工方式、制梗丝加工工艺等方式来改善和提升梗丝的感官品质，从而提升梗丝在卷烟配方中的使用比例，这对卷烟的减害降焦具有重要意义［1］。随着卷烟减害降焦技术的发展，卷烟工业企业对梗丝的使用比例呈逐渐上升趋势［2-3］，卷烟工业企业也加大了对烟梗复烤、制梗丝加工工艺和烟梗物理性能等方面的研究力度。研究表明，通过改进烟梗复烤、制梗丝加工工艺［4-6］、改变烟梗压切方式［7-11］和优化梗丝气流干燥技术工艺参数［12-13］可以提升和改善烟梗的加工质量。由于不同地区及不同类别烟梗理化特性和吸湿特性存在显著差异［14-17］，因此要根据烟梗特性和形态变化进行工艺优化，以保证后续梗丝加工质量的稳定性。

目前，对不同地区、不同部位、不同年份、不同加工时间、不同尺寸规格等方面的烟梗吸湿性能的研究已有较多报道［15-17］，而对不同加工方式下烟梗形态变化的吸湿性能分析及应用的研究较少。本研究利用动态水分吸附法［18］，分析了两种不同加工方式下，原烟梗条和预压后梗片的吸湿/解湿性能的变化情况，研究不同形态的烟梗后续制梗丝工艺，旨在寻求一种新的梗处理方式，为优化制梗丝工艺，缩短加工时间，提高制梗丝生产效率提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

烟梗样品：云南楚雄地区库存1年K326中部长梗条、试验梗片［由红塔烟草（集团）有限责任公司楚雄卷烟厂提供］。

MS104TS/02型电子天平（感量：0.01 g，瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司）；KBF型恒温恒湿箱（德国Binder公司）；SPSx-Advance型动态水分吸附仪（德国Proumid公司）；YGD450型填充值测定仪（郑州嘉德机电科技有限公司）；梗丝生产线（昆明船舶设备有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品制备

流程一：将打叶风分后的湿烟梗条按正常打叶复烤和制梗丝工艺进行烟梗干燥、储梗、制梗丝处理得到正常梗丝，见图1。

流程二：将打叶风分后的湿烟梗进行压梗预处理后得到试验梗片，再进行梗片干燥、储梗、制梗丝处理得到试验梗丝，见图2。

1.2.2 样品含水率测定

图1 梗条复烤、制梗丝工艺流程Fig.1 Redrying and cutting technology of bar-shaped tobacco stems

图2 梗片复烤、制梗丝工艺流程Fig.2 Redrying and cutting technology of laminal tobacco stems

将原烟干梗条（未预压）和干梗片样品置于温度（22±1）℃、相对湿度（60±2）%恒温恒湿箱中并放置48 h，取出后置于SPSx-Advance型动态水分吸附仪样品盘上。设定等温吸湿-解湿环境温度为25℃。增湿和干燥程序见表1。

表1 样品等温吸湿-解湿程序Tab.1 Sample’s isothermal moisture absorption-desorption profile

根据样品起始含水率和各时间点样品与起始样品的质量差计算样品的即时含水率。当样品在某一温湿度条件下，在30 min测试时间内样品相对质量比变化≤0.01%时，即判定样品达到平衡，此时样品的含水率即为样品在实验条件下的平衡含水率。

通过各时间点样品实时质量和起始质量，计算每个时刻的即时含水率，得到即时含水率随时间的变化曲线。

1.2.3 样品物料保润性能评价方法

水分比MR（Moisture Ratio）：根据烟草含水率连续检测装置检测到样品在吸湿/解湿过程中各时间点的质量，由式（1）计算得出样品t时刻的水分比［19］。

式中：MR—样品t时刻的水分比；Mt—样品t时刻的质量（g）；M0—样品初始的质量（g）；Me—样品平衡时的质量（g）。

采用Weibull模型对数据进行拟合，得到样品Weibull模型的各参数值，Weibull模型见式（2）［19-21］。

式中：t为失水时间（min）；α为模型的特征时间参数（min）；β为模型的形状参数。使用Weibull模型的α参数值的大小评价样品物理保润性能的差异，样品α参数值大说明样品的物理保润性能好，α参数值越小，说明样品MR变化得越快。

1.2.4 样品吸水率、失水率评价方法

依据样品运行程序所得数据，对两个样品平衡点质量进行分析，计算出样品吸水率W和失水率X，其计算式如下：

式中：M0为物料在增湿程序t0时刻（相对湿度RH=50%）的平衡点质量（mg）；M1为物料在增湿程序t2时刻（RH=70%）的平衡点质量（mg）；W为物料吸水率（%）；M2为物料在干燥程序t3时刻（RH=60%）的平衡点质量（mg）；X为物料失水率（%）。

1.2.5 能耗计算方法

依据国家标准《综合能耗计算通则》［22］对生产设备的能耗（电力）进行标煤折算。

1.2.6 梗丝物理指标检测、感官质量评价方法

依据YC/T 163—2003《卷烟 膨胀梗丝填充值的测定》［23］对梗丝的填充性能进行检测；参照YC/T 415—2011《烟草在制品 感官质量评价方法》［24］，由具有国家烟草专卖局颁发卷烟感官评吸技术资格的技术人员对梗丝样品进行感官质量评价。

2 结果与讨论

2.1 两种不同烟梗样品的物理保润性能

选取原烟梗条、压后梗片，采用动态水分吸附仪检测样品的质量变化情况，分析两种不同物料在相同温度、不同湿度条件下保润性能间的差异，样品的水分比变化曲线及吸湿解湿行为相关指标见图3、图4和表2。

由图3原烟梗条（未压片）水分比随时间变化重复性试验结果可以看出，Weibull模型对烟梗样品物理保润性能评价方法准确性高，样品水分比曲线重复性较好。由图4原烟梗条（未压片）、梗片水分比随时间变化重复性试验结果可以看出，在前20 h内，梗条、梗片的水分比曲线变化范围较大，之后变化趋于平缓；与梗条相比，梗片样品的水分比曲线坡度较大，MR值下降速度较快。可见，梗片的失水速率较快，更容易失水。

图3 原烟梗条（未压片）水分比随时间变化重复性试验结果Fig.3 Reproducibility results on moisture content variation in uncompressed raw bar-shaped tobacco stems with time

图4 梗条（未压片）、梗片的水分比随时间变化对比试验结果Fig.4 Comparative results on moisture content variation in uncompressed bar-shaped stems and laminal stems

表2 不同烟梗原料的吸湿解湿行为相关指标Tab.2 Moisture absorption-desorption behavior indexes of different raw tobacco stems

由表2数据可以看出，原烟梗条、梗片的吸湿解湿行为有较大区别。在吸湿阶段（RH从50%增加到70%），梗片吸湿质量变化量大于梗条；在解湿阶段（RH从70%降低到60%），梗片的解湿质量变化量大于梗条。由表2中的α值对比分析可知，在不同的湿度条件下，梗条α值＞梗片α值，说明梗条的保润性能较好，梗片吸湿/解湿能力更强。

2.2 两种不同烟梗样品的吸水率和失水率

在吸湿阶段（RH从50%增加到70%）与解湿阶段（RH从70%降低到60%），从吸湿与解湿行为角度对比分析梗条、梗片在平衡点的吸水率和失水率变化情况，结果见图5。从图5可以看出，梗条的吸水率为12.91%、失水率为-6.80%，而梗片吸水率为14.69%、失水率为-8.20%，梗片吸水率和失水率均大于梗条。说明梗片样品的吸湿、解湿速率较快，而梗条样品对水分的保持能力较强，更不易吸湿和解湿。

图5 梗条和梗片样品的吸水率W及失水率X柱状图Fig.5 Histogram of moisture absorption rate W and moisture desorption rate X of bar-shaped and laminal tobacco stem samples

根据梗条、梗片保润性能对比分析结果，结合现有打叶复烤、制梗丝工艺，利用梗片解湿速率快的特点，把压梗工序前移至烟梗干燥工序前，可以改变烟梗物理形态，加快烟梗干燥速度，降低干燥工序能耗；利用梗片吸湿速率快的特点，取消制梗丝线的水洗梗、一次储梗、压梗等工序，可实现简化制梗丝工艺、缩短加工时间、降低能耗的目标。依据上述思路，开展后续工艺验证试验研究。

2.3 烟梗压片加工工艺生产验证

选取同一等级楚雄K326中部长烟梗为研究对象，采用两种不同的加工工艺进行生产验证，对比分析两种物料在复烤工艺、制梗丝工艺的工艺差异、生产效率、能耗、出梗丝率、填充值及感官质量的变化情况，相关指标见表3～表5。

2.3.1 复烤工艺

对1.2.1梗条、梗片复烤工艺进行对比分析可知，与传统梗条复烤干燥工艺相比，梗片复烤工艺增加了压梗设备，并将筛分设备迁移至压梗机前，为了提高烟梗的纯净度，提前筛掉不可用的短梗、细梗及梗头，可减少不可用烟梗的复烤干燥处理，相应地提高了生产效率，降低烤梗设备的负荷和能耗。

表3 梗条、梗片复烤工艺生产效率、能耗对比分析结果①Tab.3 Comparative results on redrying efficiency and energy consumption of bar-shaped and laminal tobacco stems

表4 梗条、梗片制梗丝工艺生产效率、能耗、物理指标对比分析①Tab.4 Comparative analysis of cutting efficiency,energy consumption and physical indexes of bar-shaped and laminal tobacco stems

表5 梗条、梗片的梗丝样品的感官评价结果Tab.5 Results of sensory evaluation on cut bar-shaped and laminal tobacco stem samples

由表3可以看出，以生产10 000 kg中长梗的梗条、梗片计算，传统梗条复烤需要生产3.60 h，烤梗机设备能耗为322.20 kW·h；而梗片复烤仅需要2.50 h，烤梗机及压梗机设备能耗为388.75 kW·h；梗片复烤工艺可以缩短加工时间1.10 h，生产效率提升30.51%，而设备能耗则增加66.76 kW·h。由此得出，梗片复烤加工每生产1 000 kg梗片，折算需增加标煤0.82 kgce，复烤设备温度降低了7.0℃，生产时间节约0.11 h。

2.3.2 制梗丝工艺

对1.2.1梗条、梗片制梗丝工艺切梗丝前进行工序对比分析可知，传统梗条制梗丝需经过水洗梗、一次贮梗、滚筒润梗、二次贮梗、压梗等工序，而梗片制梗丝工艺仅需经过一道滚筒润梗和暂贮梗工序，取消了水洗梗、一次储梗、压梗等工序，可以简化制梗丝工艺过程、缩短加工时间、降低能耗，提高生产效率。

由表4可以看出，为满足制梗线切梗前物料含水率为（33.0±1.0）%，分别投料3 000 kg梗条和梗片，传统梗条制梗丝工艺需先经过水洗梗1 h，两次贮梗5.0～90.0 h；而梗片制梗丝工艺仅需经过一道烟梗暂储，贮梗时间为0～12.0 h（整批进柜即可出柜生产），均以贮梗时间下限计算，可节省生产时间6.0 h/批次。根据大生产制梗丝生产时间平均28.92 h/批次计算，生产效率提升了20.75%。

同时，在传统梗条制梗丝工艺中，以工艺流量设定3 000 kg/h计算，水洗梗设备、压梗设备需工作1 h，在切梗丝工序前水洗梗、压梗设备能源消耗73.7 kW·h；折算每生产1 000 kg合格含水率的梗条需增加标煤3.02 kgce，即相应生产1 000 kg合格含水率的梗片可以降低标煤3.02 kgce，节约生产时间2.0 h。

总之，通过对比分析梗条、梗片的复烤、制梗丝（切梗前）工艺可知，采用梗片复烤工艺生产效率提升了30.51%，复烤设备温度降低了7.0℃；制梗丝（切梗前）工艺可以简化制梗丝工艺、缩短加工时间，生产效率提升20.75%。两者综合每生产1 000 kg合格含水率梗原料能耗标煤下降了2.20 kgce，节约生产时间2.11 h。

由表4结果还可以看出，梗条、梗片经过相同工艺参数进行加工制梗丝，梗片的出梗丝率为87.68%，而梗条出梗丝率为94.50%，梗片出梗丝率下降了6.82百分点；梗片、梗条填充值分别为5.51 cm3/g和6.50 cm3/g，两者均达到生产标准（标准填充值≥5.50 cm3/g）的技术要求。

2.3.3 梗条、梗片的梗丝样品感官质量对比

由表5感官评价结果可以看出，与梗条相比，采用梗片制成的梗丝样品在香气质、杂气、余味等方面有所改善，总体感官质量提升。

3 结论

（1）在相同温湿度条件下，与梗条相比，梗片吸水率和失水率均大于梗条，梗片吸湿、解湿速率较快；梗条的保润性能较好，梗片吸湿/解湿能力更强。

（2）与传统梗条复烤、制梗丝工艺相比，采用梗片复烤、制梗丝工艺每生产1 000 kg合格含水率梗原料，梗片复烤烤梗机温度降低7.0℃、生产效率提升30.51%，梗片制梗丝工序生产效率提升20.75%。综合能耗标煤下降2.20 kgce，节约生产时间2.11 h。

（3）与梗条的梗丝样品物理指标、感官质量相比，梗片梗丝的出梗丝率为87.68%、填充值为5.51 cm3/g，分别下降6.82百分点和0.99 cm3/g；而梗片梗丝样品在香气质、杂气、余味等方面有所改善，总体感官质量提升。