輥切梗絲成絲工藝研究

朱 波，單 凱，關 欣，姚光明，徐大勇，畢思強，郭 亮，洪龍先，蒙建寶，韓 帥，陳廣平*

1. 山東中煙工業(yè)有限責任公司青島卷煙廠，山東省青島市嶗山區(qū)株洲路137 號 266100

2. 紅塔遼寧煙草有限責任公司，沈陽市和平區(qū)和平北大街26-2 號 110003

3. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

4. 山東中煙工業(yè)有限責任公司青州卷煙廠，山東省青州市玲瓏山北路1818 號 262500

5. 廣東中煙工業(yè)有限責任公司湛江卷煙廠，廣東省湛江市赤坎區(qū)康樂路5 號 524033

6. 廣西中煙工業(yè)有限責任公司南寧卷煙廠，南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)北湖南路28 號 530001

煙梗是卷煙生產的重要原料之一［1］，在理化特性上與煙葉存在較大差異，應用前需要經過單獨的工藝處理［2-3］。利用煙梗制成的梗絲具有良好的填充性和燃燒性［4-6］，但其形態(tài)結構與葉絲差異較大，大多以片狀形式存在（以下稱為片狀梗絲），會影響卷煙配方均勻性和卷煙質量［7-8］，難以在細支卷煙和高檔卷煙生產中推廣應用。近年來針對煙梗成絲工藝已進行了大量研究。金勇等［9］分析了盤磨梗絲對卷煙質量的影響，發(fā)現(xiàn)添加盤磨梗絲可以降低卷煙吸阻和通風率、增大煙支硬度，同時降低煙氣中CO 及HCN釋放量。谷超林等［10］對比了再造梗絲與普通梗絲的使用性能，發(fā)現(xiàn)再造梗絲填充性能好且化學成分可調，其感官質量優(yōu)于普通梗絲。丁美宙等［11］、廖曉祥等［12］研究發(fā)現(xiàn)卷煙中加入微波膨脹梗絲可以提升煙支物理質量和煙氣指標的穩(wěn)定性。但以上煙梗處理方法均存在預處理難度大、制成的絲狀梗絲與葉絲形態(tài)差異大、感官質量難以提升、成絲效果不理想等問題。輥切法制梗絲技術是利用輥壓切刀，對常規(guī)制梗絲線生產的片狀梗絲進行二次切絲（輥軋進料和剪切成絲），進而獲得寬度一致、感官質量良好、形狀與葉絲接近的梗絲（以下稱為輥切梗絲）。輥切梗絲的生產需要經過兩次切絲過程，因此其工藝質量容易受片狀梗絲的影響。片狀梗絲過大、過薄會造成輥切梗絲碎絲增多，過小則會降低輥切梗絲中長絲比例。但目前關于工藝參數(shù)對片狀梗絲和輥切梗絲的影響研究則鮮見報道。為此，考察了煙梗篩分、壓梗、切梗厚度、膨脹強度、干燥方式5個工藝參數(shù)對片狀梗絲和輥切梗絲質量的影響，設計了輥切梗絲成絲工藝流程并進行應用驗證，旨在為提高梗絲工藝質量提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器和設備

材料：“人民大會堂（軟紅）”牌常規(guī)卷煙和“人民大會堂（硬紅）”牌細支卷煙以及對應原材料（煙梗配方、葉組配方、料香配方等，均由營口卷煙廠提供）。

儀器和設備：YB-3 型煙絲振動分選篩（鄭州嘉德機電科技有限公司）；ZD-T25 振動篩分儀（德國Haver & Boecker公司）；長鍵篩網(wǎng)振動分選篩（江蘇智思控股集團有限公司）；PL203 型電子天平［梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司］；KBF 型恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；智能煙絲彈性測定儀（鄭州嘉德機電科技有限公司）；GDS-410型梗絲填充值測定儀（鄭州嘉德機電科技有限公司）；抗破碎儀（中國煙草總公司鄭州煙草研究院）；CCD 數(shù)碼相機（日本佳能株式會社）；CWT200 煙絲寬度測定儀（中國科學院安徽光學精密機械研究所）；TA.XT Plus 質構儀（英國Stable Micro System公司）；沈陽卷煙廠1 500 kg/h制梗絲生產線、營口卷煙廠1 500 kg/h 制梗絲生產線、沈陽卷煙廠500 kg/h輥切梗絲生產線（江蘇智思控股集團有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

①采用長鍵篩網(wǎng)振動分選篩（孔徑20.0 mm×4.5 mm）對煙梗進行篩分，經過浸梗、貯梗、壓梗（壓梗厚度0.8 mm）后切成不同厚度的片狀梗絲（物料流量2 800 kg/h）；②片狀梗絲經膨脹、干燥后輥切為寬度1.0 mm 的梗絲（物料流量為300 kg/h）?？疾旌Y分、壓梗、切梗厚度、膨脹強度、干燥方式5個工藝參數(shù)、共設置9種處理方式對片狀梗絲和輥切梗絲質量的影響，具體參數(shù)組合見表1。待設備運行穩(wěn)定后，分別在烘絲和輥切工序出口處取樣，將梗絲樣品置于溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%環(huán)境下平衡48 h備用。

表1 實驗設計表Tab.1 Design of experiments

1.2.2 片狀梗絲取樣方法

采用振動篩分儀對片狀梗絲進行分層處理，統(tǒng)計各層篩網(wǎng)上樣品占比，通過簡單隨機取樣法按樣品占比選取適當數(shù)量的片狀梗絲。具體步驟：①將片狀梗絲樣品均勻混合，置于溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%的環(huán)境中平衡48 h。②測量各層篩網(wǎng)（方形孔，孔徑分別為8.00、6.70、5.60、4.75、4.00、3.35、2.80、2.00、1.40 和0.70 mm）的凈重并記錄數(shù)據(jù)；③將篩網(wǎng)按照孔徑由大到小的順序依次安置在篩框內，選取100 g 片狀梗絲樣品置于最上層篩網(wǎng)上，蓋上頂蓋固定手柄；④設置篩分儀振動頻率230 r/min，振動時間4 min，逆時針和順時針各篩分2 min；⑤取出篩網(wǎng)，稱量并記錄篩網(wǎng)及篩網(wǎng)上樣品質量；⑥計算片狀梗絲（0.70 mm 篩網(wǎng)下樣品呈碎末狀，統(tǒng)計為碎絲；0.70 mm篩網(wǎng)上樣品呈絲狀，統(tǒng)計為絲狀梗絲；1.40～8.00 mm篩網(wǎng)上樣品呈片狀，統(tǒng)計為片狀梗絲）總質量及各層篩網(wǎng)上樣品占總質量的比例，按比例對片狀梗絲取樣，共抽取100根，重復3次。

1.2.3 測試方法

如圖1所示，根據(jù)文獻［13］測量片狀梗絲的實際面積，以反映片狀梗絲尺寸的最長邊L為直徑做外接圓，片狀梗絲實際面積與外接圓面積的比值即為片狀梗絲的形狀系數(shù)R。R 值越接近1，片狀梗絲形態(tài)越接近圓形，以任何角度進入輥切機，其成絲效果（梗絲結構）均最優(yōu)。在片狀梗絲的力學特性中，使用TA.XT Plus 質構儀（下降速率為30 mm/min）檢測剪切強度和穿透力；按照文獻［14-15］測定柔軟度和破碎度，每個樣品重復3次，取平均值。按照文獻［16-18］測定片狀梗絲及輥切梗絲樣品的填充值、彈性和結構。采用煙絲寬度測量儀測定輥切梗絲的寬度和長度。

圖1 片狀梗絲形狀系數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of form coefficient of flake-shaped cut stem

2 結果與分析

2.1 篩分對片狀梗絲質量的影響

煙梗經過篩分可以去除梗拐、細梗以及15 mm以下的短梗，降低碎梗比例，提高片狀梗絲質量。由表2可知，煙梗篩分處理后片狀梗絲結構得到顯著改善，整絲率和長絲率分別增加1.72和3.08百分點，中絲率、短絲率和碎絲率分別降低1.36、0.75 和0.97 百分點。

表2 煙梗篩分處理前后片狀梗絲結構對比Tab.2 Structure comparison of cut stems before and after tobacco stem screening

2.2 壓梗對片狀梗絲質量的影響

壓梗過程中煙梗產生較大形變，內部結構受到一定程度破壞，從而影響片狀梗絲質量。由表3 可知，與壓梗處理相比，未壓梗處理的片狀梗絲整絲率、長絲率分別提高3.31、8.88百分點，中絲率和短絲率分別降低5.58和3.55百分點，碎絲率差異較?。粡椥蕴岣?.85百分點；長度5～15 mm片狀梗絲形狀系數(shù)增大，長度15 mm 以上片狀梗絲的形狀系數(shù)差異較?。涣W指標中，剪切力、穿透力和柔軟度分別增加 8.64、4.22 和 4.58 g，破碎度減小 0.55 百分點。由于柔軟度、破碎度與柔軟性、抗破碎能力均呈負相關，說明壓梗處理破壞了煙梗內部的纖維組織結構，提高了片狀梗絲柔軟性，但同時也降低了片狀梗絲的剪切力、穿透力和抗破碎能力；未經過壓梗處理的片狀梗絲柔軟性較差，但耐加工性提高，可以減少后序加工過程中的造碎。

表3 壓梗處理前后片狀梗絲質量對比Tab.3 Quality comparison of flake-shaped cut stems before and after stem flattening

2.3 切梗厚度和膨脹強度對片狀梗絲質量的影響

由表4可見，切梗厚度為0.15 mm，膨脹強度（汽料比）為0.45時片狀梗絲形狀系數(shù)整體上較高，但切梗厚度和膨脹強度會對片狀梗絲產生交互影響。由圖2可知，切梗厚度相同時，隨著汽料比的增大，整絲率和中絲率呈降低趨勢，長絲率無明顯變化，短絲率和碎絲率呈升高趨勢；汽料比相同時，隨著切梗厚度的增加，整絲率升高，中絲率先增大后減小，短絲率和碎絲率均有所降低，長絲率無明顯變化。

由表5 可見，切梗厚度相同時，隨著汽料比的增大，剪切力、穿透力和柔軟度均呈降低趨勢，破碎度呈增大趨勢；汽料比相同時，隨著切梗厚度的增加，剪切力和穿透力均呈增大趨勢，柔軟度和破碎度均先降低后增高。當切梗厚度為0.15 mm、汽料比為0.33 時，剪切力、穿透力和柔軟性均較好，破碎度最小，說明在此加工強度下片狀梗絲的耐加工性較好，抗破碎性最好，有利于減少后續(xù)加工過程中的造碎。結合表4、表5和圖2數(shù)據(jù)可以看出，相同切梗厚度下，隨著汽料比的增大，片狀梗絲形狀系數(shù)增大，但片狀梗絲結構和力學特性變差。綜合考慮，選擇切梗厚度為0.15 mm、汽料比為0.33的加工強度。

表4 膨脹強度對片狀梗絲形狀系數(shù)的影響①Tab.4 Effect of expansion intensity on form coefficient of flake-shaped cut stem

圖2 不同切梗厚度和膨脹強度下片狀梗絲結構對比Fig.2 Structure of flake-shaped cut stems under different cut widths and expansion intensities

表5 不同切梗厚度和膨脹強度下片狀梗絲力學指標對比Tab.5 Mechanical properties of flake-shaped cut stems under different cut widths and expansion intensities

2.4 干燥方式對片狀梗絲和輥切梗絲質量的影響

2.4.1 片狀梗絲

研究發(fā)現(xiàn)，氣流烘絲干燥能力強，通過片狀梗絲與高溫工藝氣體充分接觸，可以使片狀梗絲快速脫水定型，強化梗絲膨脹效果。由表6可知，不同長度片狀梗絲經氣流干燥后形狀系數(shù)均大于滾筒干燥。

表6 不同干燥方式下片狀梗絲形狀系數(shù)對比Tab.6 Form coefficient of flake-shaped cut stems under different drying means

2.4.2 輥切梗絲

采用不同干燥方式進行烘絲處理，并對制得的片狀梗絲進行輥切，分別測定不同干燥方式下輥切梗絲的物理質量。由表7可見，與滾筒干燥相比，氣流干燥處理后輥切梗絲的整絲率和長絲率分別增加17.30、20.05百分點；中絲率差異較小，而短絲率和碎絲率分別降低10.91、6.41百分點；輥切梗絲彈性和填充值分別增加0.78百分點和2.54 cm3/g。因此，采用氣流干燥方式可以提高片狀梗絲形狀系數(shù)，改善輥切梗絲結構。

表7 不同干燥方式下輥切梗絲質量對比Tab.7 Quality of roller cutting stems under different drying means

2.5 輥切梗絲成絲工藝流程設計

如圖3所示，輥切梗絲成絲工藝流程分為3個工段：煙梗處理段、制片狀梗絲段和輥切梗絲段。該工藝流程具有3個特點：①通過多級篩分，篩去細梗和梗拐，保證煙梗質量和尺寸更加一致；②取消壓梗工序并優(yōu)化片狀梗絲的切梗厚度、膨脹強度、干燥方式等工藝參數(shù)，提高片狀梗絲形狀系數(shù)和耐加工性；③采用輥切方式對片狀梗絲進行切絲，同時增加與輥切設備配套的松散和均鋪等工序。

圖3 輥切梗絲成絲工藝流程圖Fig.3 Process flow chart of roller cutting tobacco stem

2.6 輥切梗絲成絲工藝應用效果

由圖4可見，與常規(guī)梗絲相比，輥切梗絲尺寸小，絲狀度好，梗絲結構和寬度均勻性較高，形態(tài)更接近葉絲。由表8可見，物理質量方面，輥切梗絲除寬度合格率提高49.49百分點外，彈性、出絲率、整絲率和填充值均有所降低，但降幅均在可控范圍內。由于煙梗價格較低，在配伍性和可用性提高的前提下，可以忽略物理質量的降低。感官質量方面，輥切梗絲的配伍性明顯優(yōu)于常規(guī)梗絲，在木質氣、刺激性、燃燒均勻性以及余味等方面表現(xiàn)良好，適宜添加到卷煙中。

圖4 常規(guī)梗絲、輥切梗絲與葉絲形態(tài)對比Fig.4 Morphology of conventional cut stems, roller cutting stems and tobacco strips

表8 輥切梗絲、常規(guī)梗絲物理質量與感官質量對比Tab.8 Comparison of physical properties and sensory quality of conventional cut stems and roller cutting stems

3 結論

對輥切梗絲成絲工藝進行了研究和應用，結果表明：①增加煙梗篩分工序，可以改善片狀梗絲的物理質量；取消壓梗工序，可以提高片狀梗絲整體形狀系數(shù)，改善片狀梗絲結構和耐加工性；切梗厚度為0.15 mm、汽料比為0.33時，片狀梗絲耐加工性較好，抗破碎性最好；與滾筒干燥相比，氣流干燥下片狀梗絲形狀系數(shù)較好，輥切梗絲結構有所提升。②確定了輥切梗絲成絲工藝流程，在此流程中增加了煙梗篩分工序，取消了壓梗工序，增加了輥切及配套的松散和均鋪工序。③實際應用效果顯示，與常規(guī)梗絲相比，輥切梗絲寬度合格率超過99%，彈性、出絲率、整絲率和填充值有所下降，其降幅均在可控范圍內，卷煙葉組配伍性和感官質量良好，適宜添加到卷煙中。