干冰膨脹工藝參數對膨脹煙絲整絲率的影響

康金嶺 范燕玲

（廣西中煙工業有限責任公司柳州卷煙廠，廣西 柳州 545005）

在干冰膨脹煙絲的生產過程中，目前普遍存在著煙絲耐加工性較差，造碎偏多等問題［1］，膨脹煙絲整絲率普遍偏低，從而影響了膨脹煙絲的有效利用率。目前行業在干冰膨脹線各工藝參數對葉絲結構如何優化方面的研究較多［2－6］，但大多是通過單因素試驗或正交試驗法對試驗進行論證，在對影響指標的最佳值判定方面的論述還未見報道。本試驗以膨脹煙絲整絲率為研究對象，在前期試驗基礎上，針對浸漬含水量、升華溫度、升華工藝風速3個關鍵參數，利用響應曲面法對上述參數進行了最佳參數組合試驗，為膨脹煙絲整絲率的最佳工藝參數的設定提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

烤煙片煙：膨脹煙絲（A1）配方，廣西中煙工業有限責任公司；

干冰膨脹煙絲生產線：1 140kg／h型，秦皇島煙草機械有限責任公司；

煙絲振動分選篩：YQ－2型，中國煙草總公司鄭州煙草研究院；

電子天平：PL203－IC型，梅特勒－托利多儀器（上海）有限公司；

1.2 試驗方法

1.2.1 取樣方法 取樣在同批次內進行，過程控制穩定后每組參數對應在柔性風選出口振槽處取樣。其它各工藝參數不變，避免其它干擾因素對測試結果的影響。

1.2.2 樣品的制備 每次取樣1 000g，每參數取樣4次，四分法混合后為1個測試樣品，樣品自然冷卻至常溫稱重記錄為G1。

1.2.3 樣品的評價方法及計算公式 以膨脹煙絲整絲率（Y）為評價指標。將樣品放置于振篩分選篩的皮帶上，啟動振篩，收集3.35mm網孔和2.50mm網孔上的膨脹煙絲稱重記錄為G2。計算公式如下：

1.2.4 工藝參數的單因素試驗

（1）在工藝流量1 140kg／h、升華溫度320℃，升華工藝風速32m／s條件下，分別觀察不同浸漬含水率（19.0%，20.0%，21.0%，22.0%，23.0%）對膨脹煙絲整絲率的影響。

（2）在工藝流量1 140kg／h、浸漬含水率21.0%，升華工藝風速32m／s條件下，分別觀察不同升華溫度（300，310，320，330，340℃）對膨脹煙絲整絲率的影響。

（3）在工藝流量1 140kg／h、浸漬含水率21.0%，升華溫度320℃條件下，分別觀察不同升華工藝風速（32，33，34，35，36m／s）對膨脹煙絲整絲率的影響。

2 結果與分析

2.1 膨脹煙絲整絲率的單因素試驗

2.1.1 浸漬含水率對膨脹煙絲整絲率的影響 由圖1可知，膨脹煙絲整絲率隨著浸漬含水率增加而增加，在浸漬含水率不超過21.0%時，膨脹煙絲整絲率增幅較大，當浸漬含水率超過21.0%以后，隨著浸漬含水率的增加，膨脹煙絲整絲率又開始呈現下降趨勢，可能隨著浸漬含水率的增加，影響了膨脹煙絲對液態二氧化碳的吸收，影響了膨脹煙絲的膨脹效果，因此選擇浸漬含水率工藝參數為21.0%。

圖1 浸漬含水率對膨脹煙絲整絲率的影響折線圖Figure 1 The effects of dipping moisture content on the long strands of expanded cut tobacco influence line graph

2.1.2 升華溫度對膨脹煙絲整絲率的影響 由圖2可知，膨脹煙絲整絲率隨著升華溫度的增加先增加后降低。膨脹煙絲整絲率在升華溫度320℃時有最大值。當升華溫度超過320℃時，膨脹煙絲整絲率開始呈現下降趨勢，故本試驗選擇升華溫度工藝參數為320℃。

圖2 升華溫度對膨脹煙絲整絲率的影響折線圖Figure 2 The effects of air temperature on the long strands of expanded cut tobacco influence line graph

2.1.3 升華工藝風速對膨脹煙絲整絲率的影響 由圖3可知，膨脹煙絲整絲率隨著管道風速的增加呈現下降趨勢，根據生產實際綜合考慮（當管道工藝風速低于32m／s時，風送管道有堵料現象），故選擇升華工藝風速為32m／s。

圖3 升華工藝風速對膨脹煙絲整絲率的影響折線圖Figure 3 The effects of pipeline wind speed on the long strands of expanded cut tobacco influence line graph

2.2 曲面響應法優化膨脹煙絲整絲率

在單因素試驗基礎上，運用DOE設計，對影響膨脹煙絲整絲率的浸漬含水量、升華溫度、升華工藝風速三參數，采用Minitab－16設計軟件編制了Box－Behnken曲面響應法三因素設計試驗，試驗因素水平的設計編碼和計算分析結果，見表1～3。

表1 試驗設計的因素水平及編碼表Table 1 Design experiment vairables levels and coding table

2.2.1 各因素對膨脹煙絲整絲率的影響分析 為了分析各因素對膨脹煙絲整絲率的影響，以膨脹煙絲整絲率為評價標準（Y），對Minitab分析軟件的ANOVA表進行分析，從分析結果得到上述3個因素與膨脹煙絲整絲率的回歸方程：

對回歸模型進行方差分析，結果見表3。

由表3可知，模型中 X1、X2、X3、X21、X22、X1X3、X2X3高度顯著，X23、X1X2顯著，說明浸漬含水量、升華溫度、升華工藝風速對膨脹煙絲整絲率都存在顯著影響。模型顯著性極高，誤差項不顯著，從擬合的總效果看，模型沒有失擬現象，證明總體模型有效，模型可以代替真實的試驗進行數據分析［7］。

表2 Box－Behnken的試驗設計和結果Table 2 Box－Behnken design experiments and results

表3 響應值的方差分析表?Table 3 Variance analysis of response value

2.2.2 各因素及交互作用對膨脹煙絲整絲率的影響 各試驗因素及相互間交互作用對膨脹煙絲整絲率影響見圖4～6。

圖4 浸漬含水率與升華溫度對膨脹煙絲整絲率的響應曲面與等值線圖Figure 4 Response surface and contour line of the MC and AT for the POLS

從以上各因素間的響應曲面圖可以看出：圖4中浸漬含水率曲面更陡，說明浸漬含水率對膨脹煙絲整絲率的影響比升華溫度顯著；圖5表明浸漬含水率同樣對膨脹煙絲整絲率的影響比工藝風速更加顯著；圖6顯示工藝風速比升華溫度對膨脹煙絲整絲率的影響更顯著［8］；從綜合方差分析表可以看出，工藝風速對膨脹煙絲整絲率的影響最大，浸漬含水率影響次之，升華溫度影響最小。

2.2.3 最佳工藝條件的優化及驗證 通過 Minitab－16軟件對試驗進行最優運算，得出Y的最大值為最優解，最大值點（X1，X2，X3）的原始代碼值分別為（0.53，1.00，－1.00），對應的實際值分別為浸漬含水率20.47%、升華溫度340℃，升華工藝風速30m／s，理論上膨脹煙絲整絲率最大值為71.47%，在本參數條件下進行的3次驗證實驗顯示膨脹煙絲整絲率平均值為71.56%，與理論計算值一致，證明試驗方程有效可靠。

3 結論

浸漬含水量、升華溫度、升華工藝風速對膨脹煙絲整絲率均有顯著的影響，且參數之間有顯著的交互作用。其中工藝風速對膨脹煙絲整絲率的影響最大，浸漬含水率對膨脹煙絲整絲率影響次之，升華溫度對膨脹煙絲整絲率影響最小。

通過Minitab－16設計軟件進行的響應面試驗驗證，膨脹煙絲整絲率最佳工藝參數值為浸漬含水率20.5%、升華溫度340℃，升華工藝風速30m／s，該條件下膨脹煙絲整絲率最大值為71.50%。

圖5 浸漬含水率與工藝風速對膨脹煙絲整絲率的響應曲面與等值線圖Figure 5 Response surface and contour line of the MC and PWS for the POLS

圖6 升華溫度與工藝風速對膨脹煙絲整絲率的響應曲面與等值線圖Figure 6 Response surface and contour line of the AT and PWS for the POLS

1 資文華，王慧，番紹軍，等.干冰膨脹煙絲加工過程參數優化研究［J］.煙草科技，2008（1）：8～18.

2 楊文超.提高膨脹煙絲耐加工性的探索［C］／／中國煙草學會工業專業委員會工藝學組2010年學術研討會論文集.青島：中國煙草協會出版社，2010：178～181.

3 李永祥，楊文超.干冰法制膨絲降低CO2單耗的改進方法［C］／／中國煙草學會第五屆理事會第三次會議暨學術年會.廣州：中國煙草協會出版社，2007：126～132.

4 許龍.提高CO2膨脹煙絲的整絲率研究［J］.工業設計，2011（1）：13～15.

5 邱其芳.二氧化碳膨脹工藝特性研究［J］.韶關學院學報，2008，29（9）：52～54.

6 林天勤，吳永生.干冰膨脹煙絲流量控制的改進［J］.煙草科技，2006（10）：31～32.

7 康金嶺，黃賢飛，劉遠濤，等.預處理工藝對煙?；赝嘎实挠绊懀跩］.食品與機械，2012，28（6）：205～240.

8 韋小玲，康金嶺.管板式烘絲機工藝參數對卷煙香氣的影響［J］.食品與機械，2012，28（6）：193～196.