基于片烟尺寸与烟梗间关系的定向去梗工艺

梁 淼，刘茂林，刘向真，李庆祥，牛洋洋，赵森森，张峻松，吴殿信*

1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，郑州市科学大道136 号 450002

2.河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州市陇海东路72 号 450000

梗叶分离效果是衡量打叶复烤加工工艺水平的关键指标，且叶中含梗率对片烟制丝及卷制质量有较大影响［1-2］，如偏高的叶中含梗率将会降低烟丝纯净度，降低卷烟机运行效率，影响成品卷烟燃烧性和感官质量稳定性。特别是随着行业内细支卷烟的快速发展，对其加工工艺现状调研发现，制丝过程中仍存在烟丝筛分和卷接过程梗签剔除强度较大的问题［3］，为适应卷烟生产对片烟结构的新需求，在新版《卷烟工艺规范》［4］中对梗叶分离后的叶中含梗率提出了更高要求（≤1.5%）。

烟草科技工作者围绕原料及传统打叶复烤工艺进行研究发现，烟叶部位等级等自身因素和来料状态，以及打叶风分设备性能、工艺参数均对片烟结构质量有显著影响，且片烟结构各项指标相互关联，其中叶中含梗率与大中片率及出片率呈正相关关系，也即如果采用传统工艺过分追求降低叶中含梗率，则需提高打叶风分强度，将造成大中片率和出片率下降，从而影响打叶复烤经济性［5-7］。根据前人研究及生产实践发现，打叶后片烟中的梗含量与片烟尺寸密切相关。为进一步降低叶中含梗率，有必要考察烟梗含量与片烟尺寸间的相关关系，以便准确分析出烟梗来源，鉴于此，以河南三门峡地区中部烟混打模块烟叶为原料，通过筛分及片烟尺寸分布测定系统考察片烟尺寸与叶中含梗率之间的关系，并设计定向去除大尺寸片烟中烟梗的精准去梗工艺，旨在为打叶复烤片烟中含梗率的精准调控提供数据参考。

1 材料和方法

1.1 材料、设备和仪器

材料：2018 年河南三门峡中部叶混打模块DCH11。

设备：生产流量为10 000 kg/h 的打叶复烤生产线（天昌国际烟草有限公司宝丰复烤厂“黄金叶”专线），其中打叶去梗环节为四打十一分工艺。

仪器：CA23 型叶片振动分选筛（北京长征高科技有限公司）；SB16000 型电子天平（精度0.1 g，瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司）；CA13 型叶含梗检测机（北京长征高科技有限公司）；RS-29-10型旋转振动筛分机（美国W S Tyler 公司）；CA8011型片烟大小及分布测定系统（昆明船舶设备集团有限公司、郑州烟草研究院）。

1.2 试验方法

在原有打叶复烤生产线的打叶风分和贮叶配叶工序间增设定向去梗环节，该环节由多辊拨动式烟叶筛分装置、双辊多齿式片烟撕裂装置和风力浮选装置串联而成。试验中，将烟叶原料投入打叶复烤生产线，根据作业指导书设置工艺参数，生产稳定运行后在打叶去梗汇总皮带处接取片烟样品（每次取样不少于3 000 g），分别用于片烟尺寸分布和叶中含梗率的检测。

1.3 取样及检测方法

打叶风分汇总片烟的尺寸分布及叶中含梗率检测：利用片烟大小及分布测定系统，根据YC/T 449—2012《烟叶 片烟大小及其分布的测定 叶面积法》［8］测定片烟面积及尺寸分布，并结合烟草行业对片烟结构（大片率、中片率、小片率、碎片率等）的要求进行换算［7］。根据GB/T 21136—2007检测含梗率［9］，其中叶中含梗率为梗径≥1.5 mm 的烟梗比例，粗梗率为梗径≥2.38 mm 的烟梗比例，长梗率为长度≥20 mm 的烟梗比例。每隔10 min 取样1 次，共3 次，测量后计算平均值。

打叶风分汇总片烟筛分及各筛分层样品含梗率检测：每间隔10 min 接取打后汇总片烟［每次（3 000±300）g、共3 次］，采用叶片振动分选装置将片烟筛分为5 层，分别记为A（25.40 mm 筛网上的大片）、B（12.70 mm 筛网上的中片）、C（6.35 mm 筛网上的小片）、D（2.36 mm 筛网上的碎片）和E（2.36 mm 筛网下的碎末），并从A 样品中人工挑选出尺寸≥42×42 mm2的超大片A+，其余记为A-，分别称重，并利用片烟大小及分布测定系统和叶含梗检测机检测各层样品片烟面积分布及片烟中所含烟梗数据。

2 结果与讨论

2.1 打后汇总及筛分后片烟尺寸变化

打后汇总及筛分后片烟在各面积区间的比例结果如图1 所示，由图1 可见，打后汇总片烟尺寸集中分布于161.29～2 500.00 mm2之间，片烟经振动分选装置筛分后的各样品的集中分布区间差异明显，表明筛分能够将片烟按尺寸大小较好地进行分离，并且各层筛网上较为集中的片烟的尺寸普遍大于网孔尺寸，如12.70 mm 筛网上的片烟B的集中分布区间为300～1 200 mm2；另外，人工选出的样品A+中面积大于1 764 mm2的比例为94.69%，集中度较高。

进一步将打后汇总片烟及筛分后的样品在各面积区间的比例汇总转换为片烟结构比例，结果如图2 所示，可以看出打后汇总片烟的大中片率为85.17%，其中大片比例过高，达到了54.31%，而≥42 mm 的超大片比例可达21.33%。样品经筛分后，各层片烟样品的片烟结构差异明显，A+片烟样品几乎全为超大片，A-样品中大片比例为82.59%，12.70 mm 筛网上的B 样品大片及中片率分别为39.84%和56.80%，6.35 mm 筛网上的C 样品中片率和小片率分别为51.75%和43.51%，D 和E 样品中小片及碎片居多。

图1 打后汇总及筛分后片烟的面积区间百分比变化Fig.1 Variations of area interval percentage of lamina after threshing and screening

图2 打后汇总及筛分后样品的片烟结构变化Fig.2 Variations of lamina structure after threshing and screening

2.2 不同尺寸片烟与所含烟梗质量间关系

2.2.1 片烟筛分前后的叶中含梗率

打后汇总片烟及各筛分层片烟的烟梗质量检测数据如表1 所示，由于筛分后D 层和E 层片烟样品较少，为减少片烟中烟梗质量测定的误差，表中各筛分层的梗质量数据为3 次筛分汇总后的总梗质量。该配方模块烟叶经打叶风分后的叶中含梗率为1.64%，其中叶中含粗梗率为0.31%，长梗率为85%。片烟经筛分后，超大片A+样品的叶中含梗率为6.14%，明显高于其他各层筛网上的样品，其余大片A-及中片B、小片C 的叶中含梗率介于1.26%～1.52%间，碎片D 的叶中含梗率稍高为2.07%，且结合粗梗率和长梗率数据可知，碎片中的梗多为细梗短梗，这可能是由于碎片多附着于片烟上的烟梗附近，该部位抗张强度等力学性能较差，容易在打叶风分环节的撕扯及摩擦力作用下造碎。另外，超大片A+中的粗梗率为1.75%，且随筛分片烟尺寸减小，粗梗率急剧下降，表明粗梗主要来源于打后片烟中的超大片；长梗率也随筛分片烟尺寸减小逐渐降低。

表1 打后汇总及各筛分层片烟中所含烟梗的数据结果Tab.1 Stem content in lamina after threshing and screening

2.2.2 不同尺寸片烟质量占比与梗质量占比

对筛分后各层片烟的质量占总片烟质量的比例（片烟质量占比）及各层片烟中烟梗质量占总烟梗质量的比例（烟梗质量占比）进行分析，结果如图3 所示。由图3 可知，人工挑选出的超大片A+质量占筛分前总样品质量比例仅为5.39%，而其中所含烟梗质量占总梗质量的比例可达19.72%，这也与表1 中超大片A+的叶中含梗率最大结果一致。另外，大片A-样品片烟质量占比最高，达40.58%，其中所含烟梗质量占总梗质量的比例也最大，为36.62%。可知，大片是打后片烟中烟梗的主要来源，而其中粗梗又主要来自于超大尺寸片烟。

中片B 和小片C 中的烟梗质量占比低于其片烟质量占比，碎片D 中的烟梗质量占比稍大于其片烟质量占比，然而这些尺寸的片烟中的烟梗质量占比均在正常范围内，且对其进行去梗处理会造成中片率降低，同时显著增加造碎，因此在进行叶中含梗率控制时应重点关注大尺寸片烟，以定向精准降低叶中含梗率。

图3 片烟筛分后各层样品质量占比及其烟梗质量占比Fig.3 Proportions of lamina weight and stem weight on all layers of vibration screen

2.2.3 大尺寸片烟与其含梗质量关系拟合

为进一步明确大尺寸片烟与所含烟梗质量间的关系，根据片烟大小及分布测定系统的检测数据，分别计算打后汇总片烟及筛分后各层样品内的大片、超大片质量以及烟梗、粗梗、长梗质量，并对数据进行曲线拟合，发现单指数衰减函数ExpDec1 可较好地描述大尺寸片烟质量与烟梗质量之间的关系，拟合结果R2均大于0.94，结果如图4～图5 所示。由图4a 可知，尺寸≥25.4 mm 的大片质量与所含烟梗的总质量关系密切，随大尺寸片烟增加，梗总质量增加，且大片质量与长梗质量具有明显相关性（如图4b 所示），说明长梗主要依附于大尺寸片烟上，这与生产实际结果相一致。另外，如图5 所示，≥42 mm 的超大片质量与粗梗质量关系密切，表明超大片是粗梗的主要来源。然而，这里大片质量与所含烟梗质量的具体拟合关系仅是针对三门峡DCH11 中部叶模块在特定加工参数下进行拟合所得，原料及加工工艺条件不同会引起拟合参数的变化，但整体呈现出的规律应基本一致，也即通过超大片及大片的控制及再处理可降低粗梗和叶中含梗率。

2.3 定向去梗工艺的设计及应用

2.3.1 工艺设计

图4 大尺寸片烟质量与烟梗质量间的关系拟合曲线Fig.4 Fitting curve between weights of large lamina and tobacco stems

图5 超大尺寸片烟质量与粗梗质量间的关系拟合曲线Fig.5 Fitting curve between weights of super large lamina and undesired stems

基于以上片烟尺寸与烟梗质量间的关系可知，若分选出尺寸较大的片烟，对其进行定向去梗处理可望实现叶中含梗率的精准控制。目前，行业内打叶风分后大片筛分工艺理念及装备的探索应用也为定向去梗提供了条件［10］。前期研究中，本研究组设计的多辊拨动式片烟筛分装置和双辊多齿式片烟撕裂装置均可用于大尺寸片烟的筛分及剪切［11-12］，故以此为基础，在打叶去梗环节后增设筛分剪切及风选装置的定向去梗工艺，以期进一步提升梗叶分离效果，降低叶中含梗率。

如图6 所示，烟叶经打叶去梗后由汇总皮带输送至片烟筛分装置，分选出的大尺寸片烟经片烟剪切撕裂装置，可分别缩减为含梗片烟和非含梗片烟，利用二者悬浮速度差异采用风力浮选装置将其分离，生产实际发现粗梗可在剪切风选过程中被有效分选出，风力浮选后的非含梗片烟与筛分后的尺寸合适片烟混合，而含梗片烟输送至三级打叶环节定向去梗。

图6 基于筛分剪切及风选的定向去梗工艺流程图Fig.6 Procedure for the directional stem separation based on screening,cutting and pneumatic separation

2.3.2 工艺应用验证

采用叶面积法测量打后汇总片烟及筛分辊上层的大尺寸片烟的片烟面积分布，各尺寸区间的比例结果如图7a 所示，可以看出打后汇总片烟尺寸在11～42 mm 之间占比较高，而筛分后片烟的尺寸分布整体向右平移，片烟尺寸分布集中度提高，具体表现为尺寸小于37 mm 的片烟比例降低，而大尺寸片烟比例显著升高，尤其是尺寸大于42 mm 的超大片比例达到了68.7%，表明通过片烟筛分工序可将超大片有效地分选出。进一步利用曾静等［13］建立的片烟尺寸分布函数F（x）=1-exp（-axb）对筛分前后的片烟尺寸数据进行拟合，其中x 为面积区间上限，F（x）为限下累积面积比例，b为均匀性系数，用于判定片烟尺寸分布的均匀性，该值越大表明尺寸分布集中度越高，均匀性越好。

片烟尺寸分布拟合结果如图7b 所示，相关系数R2较高，表明筛分前后的片烟尺寸符合该方程，且筛分后片烟均匀性系数明显升高到1.599，片烟分布更为集中。同时计算了筛分前后样品的特征尺寸［14］，可见特征尺寸由筛分前的804.08 mm2提高为2 527.99 mm2，均说明筛分装置较为充分地分选出大尺寸片烟，并提升了片烟分布集中度，为后续定向去梗提供了基础。

筛辊上层的超大片经定向去梗工艺处理，在图6 所示的1～4 位置取样品（其中1 位置为未采用定向去梗工艺时的打后汇总片烟），跟踪片烟在加工过程中的叶中含梗率及粗梗率变化情况，结果如表2 所示。由表2 可知，筛分获得的超大尺寸片烟经剪切后，叶中含梗率和粗梗率显著高于打后汇总片烟，分别达到了5.81%和1.53%，通过风力浮选进行含梗和非含梗片烟分离，风选后非含梗片烟的叶中含梗率和粗梗率分别降低到2.32%和0.52%，表明经剪切和风选工序能够将含梗和非含梗片烟较好地分离开来，采用定向去梗工艺处理后的混合片烟的叶中含梗率和粗梗率分别降低到0.98%和0.09%，降幅分别达40.24%和70.97%，叶中含梗率符合细支卷烟的指标要求，特别是粗梗得到了有效控制。但各地区不同等级复烤片烟的尺寸与其所含烟梗之间的关系，以及定向去梗环节各工序参数的优化匹配还需进一步研究。

图7 打后汇总及筛辊上层片烟的尺寸区间比例（a）及尺寸分布拟合结果（b）Fig.7 Lamina proportions of different sizes after threshing and on the top layer of screen（a）fitting result of size distribution（b）

表2 基于定向去梗工艺的叶中含梗率及粗梗率变化Tab.2 Stem content and undesired stem content in lamina after directional separation of tobacco stems

3 结论

采用振动筛分和片烟尺寸分布测试方法，以三门峡中部叶混打模块为研究对象，建立了不同尺寸片烟与所含烟梗质量之间的关系，基于此设计了定向去梗工艺，并对其提升梗叶分离效果进行了检测，结果表明：①打后汇总片烟经振动筛分后，≥42 mm 超大尺寸片烟中的叶中含梗率和粗梗率分别为6.14%和1.75%，明显高于其他筛分层片烟的含梗率；25.40 mm 筛网上的大片中烟梗质量占比可达56.34%，是叶中含梗率控制的重点。②单指数衰减函数ExpDec1 可较好地描述大尺寸片烟质量与梗含量间的关系，≥25.4 mm 的大尺寸片烟质量与梗总质量及长梗质量关系密切，而粗梗与超大尺寸片烟间相关关系明显。③设计了基于超大片筛分剪切及风选的定向去梗环节，可有针对性地去除大尺寸片烟中的烟梗，叶中含梗率由原工艺的1.64%降低至0.98%，叶中含粗梗率由0.31%降低至0.09%，降幅高达70.97%，有效提升了梗叶分离效果及片烟纯净度。