滾筒復烤方式下不同尺寸煙片的干燥與收縮特性對比分析

段 鹍 韓李峰 趙亞恒 劉 歡 劉楷麗

(1. 河南中煙工業有限責任公司技術中心，河南 鄭州 450000；2. 河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠，河南 許昌 461000；3. 云南中煙工業有限責任公司，云南 昆明 650244；4. 紅云紅河煙草〔集團〕有限責任公司，云南 昆明 650231)

煙片復烤加工是煙葉由農產品轉變為卷煙生產原料的重要加工環節，對煙葉原料品質有重要影響[1]。現行的煙片復烤加工普遍采用“干燥+冷卻+回潮”的網帶式處理工藝，存在烤后煙片過度脫水、香味物質損失程度大、收縮程度高等不足，而且不同復烤原料多采用相同的復烤方式、工藝參數及質量指標，煙葉原料間的個性化、差異化不能充分體現出來，使得烤后煙片“同質化”嚴重。近年來，為提升打葉復烤加工處理對卷煙原料的品質保障能力、彰顯卷煙原料的特色，針對卷煙原料特性進行精細化加工的特色復烤工藝技術受到了關注[2-4]。

李善蓮等[5]通過研究發現，滾筒直接復烤作為一種可選擇的煙片復烤方式，相較于傳統網帶復烤具有烤后煙片含水率穩定性高、煙草本香保持較好等優點，而且該復烤方式將煙片直接脫水至目標含水率無需冷卻回潮，在降低能耗和簡化復烤工藝上也具有明顯優勢[6-7]。劉楷麗等[8]曾揭示了筒壁溫度、熱風溫度、滾筒轉速、物料容積率等主要復烤條件對烤后片煙尺寸分布的影響規律，并與熱風復烤方式進行了對比分析。相關研究[5-6,8]均是在全尺寸煙片的基礎上開展，針對不同尺寸規格的煙片，尤其是尺寸差異較大的大片和小片煙片，在接觸導熱方式下能否達到均勻一致的脫水速率的研究并未見報道，并且煙片的尺寸規格對其復烤收縮特性有何影響也尚未闡明。基于此，試驗擬采用實驗室滾筒干燥裝置，考察3種煙葉原料不同尺寸規格煙片的干燥及收縮特性，旨在為煙片滾筒復烤工藝的開發提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

1.1.1 試驗材料

貴州C3F、河南C3F、河南B3F煙片：黃金葉生產制造中心。

1.1.2 試驗儀器

恒溫恒濕箱：PR-3K型，日本ESPEC公司；

片煙大小及分布測定系統：CA8011型，鄭州煙草研究院；

葉片振動分選機：YDS型，鄭州煙草研究院、鄭州嘉德機電科技有限公司；

電子天平：AB204-S型，瑞士Mettler-Toleto公司；

烘箱：DHG-9623型，上海精宏實驗設備有限公司；

紅外線測溫儀：MX2型，美國雷泰公司；

實驗室批式滾筒復合傳熱干燥裝置(見圖1)：實驗室自行搭建。

1.2 試驗方法

1.2.1 煙片預處理 先將煙片在溫度30 ℃，濕度75%的恒溫恒濕箱中平衡48 h，使其舒展且濕基含水率為(17.5±0.5)%。取已平衡好的同一批煙片，按GB/T 21137—2007方法在葉片振動分選機上篩分出3種不同尺寸規格的煙片，其中尺寸-1為網孔25.40 mm以上的大片煙片，尺寸-2為網孔12.70～25.40 mm的中片煙片，尺寸-3為6.35～12.70 mm的小片煙片。

1. 外固定滾筒 2. 加熱棒 3. 油浴夾層 4. 物料抄 5. 取料口 6. 筒體支架 7. 電機 8. 滾筒支撐托輥 9. 筒壁溫度控制器 10. 熱風控制器 11. 滾筒轉速控制器 12. 氣體流量計 13. 加熱器 14、15. 溫度傳感器 16. 旋轉接頭圖1 滾筒復烤試驗裝置的結構示意圖Figure 1 Structure diagram of the cylinder drier’s experimental facility

1.2.2 煙片滾筒復烤 滾筒復烤實驗裝置工藝參數設定為筒壁溫度100 ℃，熱風溫度80 ℃，滾筒轉速10 r/min，熱風風速0.3 m/s，待裝置運行穩定后，將煙片樣品(500 g)加至滾筒中，干燥過程中定期取樣測定煙片濕基含水率(按YC/T 31—1996執行)，直至降至12.0%以下，利用紅外測溫儀記錄干燥終點的煙片溫度，取出全部煙片，并進行尺寸分布的測定。

1.2.3 煙片尺寸分布測定 參照文獻[9]，分別檢測樣品復烤前后各煙片的面積大小，并以0，150，300，500，1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000，4 500，5 000，5 500，6 000 mm2為限，統計各限上累積面積占樣品總面積的百分比，即限上累積面積百分比。然后利用式(1)及文獻[10]所示的煙片尺寸分布函數對復烤前后的限上累積面積百分比進行擬合得到煙片的特征尺寸和均勻性系數。

F(x)=exp(-axb)，

(1)

式中：

F(x)——限上累積面積百分比，%；

x——面積區間限，mm2；

a——參數；

b——均勻性系數。

利用式(2)求取煙片的特征尺寸：

(2)

式中：

x0.50——大于和小于該面積的葉片各占50%，mm2；

a——參數；

b——均勻性系數。

皺縮率采用復烤前后樣品總面積的變化率表示：

S=(A0-A1)×100%/A0，

(3)

式中：

S——皺縮率，%；

A0——干燥前煙片的面積，mm2；

A1——干燥后煙片的面積，mm2。

1.2.4 水分比測定及干燥曲線繪制 按式(4)計算水分比。以干燥時間t為橫坐標，以水分比RM為縱坐標，繪制煙片水分比隨時間變化的干燥曲線。

RM=(M-Me)/(M0-Me)，

(4)

式中：

RM——水分比；

M——試樣在干燥過程中的干基含水率，%；

M0——試樣初始干基含水率，%；

Me——試驗條件下的平衡含水率，試驗中Me為0。

1.2.5 煙片平均干燥速率測定 按式(5)計算煙片平均干燥速率。

v=m/(m0×t0)，

(5)

式中：

v——煙片平均干燥速率，kg/(kg·min)；

m——干燥至終點含水率時煙片的脫水量，kg；

m0——煙片干重，kg；

t0——干燥時間，min。

1.3 數據處理

所有原始數據利用Microsoft Excel 2010進行處理，使用SPASS 22.0軟件對數據進行雙因素方差分析，利用Origin 2017對數據進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同尺寸煙片的干燥特性

在滾筒復烤方式下貴州C3F、河南C3F、河南B3F 3種煙葉不同尺寸規格煙片的干燥脫水曲線見圖2，平均干燥速率和干燥終點溫度見表1。由表1可知，河南C3F、B3F兩種煙片的平均干燥速率及干燥終點溫度較為接近，貴州C3F的平均干燥速率及干燥終點溫度則略高，可能是由于不同產區煙葉理化特性存在差異所致。對表1 進行雙因素方差分析：同種不同尺寸規格煙片干燥速率P值為0.523 8>0.05，不同種煙片干燥速率P值為0.002 9<0.01；同種不同尺寸規格煙片復烤后溫度P值為0.384 8>0.05，不同種煙片復烤后溫度P值為0.014 1<0.05。可以看出，對同一煙葉原料而言，不同尺寸規格煙片的干燥速率和復烤后煙片溫度并無明顯差異；對不同煙葉而言，不同尺寸規格煙片的干燥速率之間差異極其顯著，復烤后煙片溫度差異顯著。說明滾筒干燥過程中在筒壁傳導—熱風對流的復合傳熱作用下，大、中、小尺寸規格的煙片仍然可以保持接近一致的脫水速率，即滾筒復烤方式對不同尺寸煙片干燥后含水率的均勻性并無顯著影響。

2.2 復烤前后煙片尺寸分布變化特征分析

將葉片面積分為36～225，225～625，625～1 000，1 000～2 000，2 000～3 000，>3 000 mm26個面積區間，分析了復烤干燥前不同煙片原料篩分前后的葉片尺寸分布，結果見表2。由表2可知，對于網孔25.40 mm以上篩分出的尺寸-1葉片，主要由于625～1 000 mm2和1 000～2 000 mm2的大片組成；網孔12.70～25.40 mm篩分出的尺寸-2葉片，主要為225～625 mm2的中片煙片，同時包含部分625～1 000 mm2的大片煙片；網孔6.35～12.70 mm 篩分出的尺寸-3葉片，則由36～225 mm2小片煙片和225～625 mm2的中片煙片組成。上述不同尺寸規格葉片的尺寸分布存在部分面積區域重疊，可能是由于葉片篩分過程中存在過篩和漏篩現象所致。

復烤后不同尺寸規格葉片的面積分布見表3。由表3 可知，與復烤前相比，各尺寸規格煙片面積分布均有較顯著變化。以貴州C3F為例，烤后尺寸-1煙片中>1 000 mm2的葉片比例減小，尤其是>2 000 mm2的超大葉片降低更為明顯，而225～1 000 mm2的葉片比例增大，其中尤以225～625 mm2的葉片比例增幅達到12%。烤后尺寸-2煙片中>625 mm2的葉片比例減小，而同樣是225～625 mm2的葉片比例增加最大，接近20%。烤后尺寸-3煙片中，則是225～625 mm2的中片煙片比例降低、而36～225 mm2的小片煙葉比例增加。總的來看，復烤后煙片尺寸在225～625 mm2和36～225 mm2兩面積區間呈集中分布趨勢。河南C3F和B3F煙片烤后尺寸分布的變化規律與之相似。

圖2 3種煙葉不同尺寸規格煙片水分比干燥曲線Figure 2 The drying curves of three kinds of tobacco leaves with different size tobacco strips

表1 滾筒復烤方式下3種煙葉不同尺寸煙片的干燥特性

表2 篩分前及篩分后不同尺寸規格煙片烤前尺寸分布

表3 不同尺寸規格片煙烤后尺寸分布

2.3 不同尺寸規格煙片的收縮特性分析

利用煙片大小分布函數，對煙片限上累積面積百分比進行擬合，見圖3，相關系數R2≥0.99；進一步計算獲得樣品的特征尺寸和均勻性系數，見表4。由表4可知，對同種煙葉不同尺寸規格的煙片樣品，尺寸-1煙片復烤后特征尺寸的降低幅度最大，其中貴州C3F尺寸-1降低幅度達到32%，而尺寸-3煙片復烤后特征尺寸的降低幅度最小。這表明，葉片復烤前特征尺寸越大，烤后由于收縮導致的特征尺寸減小程度也越大。除了收縮外，大片的煙片在滾筒的拋灑過程中可能會發生破碎，使其特征尺寸減小。從均勻性系數來看，尺寸-1大片煙片烤后的結構均勻性有所提升，而尺寸-2及尺寸-3煙片復烤前后的結構均勻性變化無明顯的一致性規律。

分析不同原料的復烤收縮特性，從表5可以看出，3種煙葉復烤后的收縮率差異非常明顯，河南B3F煙葉的收縮率僅為4.38%，而河南C3F、貴州C3F煙葉的收縮率分別為10.44%和16.31%。可以看出，煙葉部位、產區因素對原料復烤過程的收縮特性有較大影響。從煙片尺寸規格來看，同種煙葉隨著煙片尺寸規格的減小，收縮率呈明顯降低趨勢。其中，河南C3F和B3F煙葉尺寸-1煙片收縮率較尺寸-3煙片高3倍以上，收縮率差異最為明顯。上述結果表明，在滾筒復烤過程中，大片煙片在溫濕度變化產生的應力作用下，較中、小片煙片更容易發生收縮形變，導致其干燥收縮程度較高。

圖3 3種煙葉不同尺寸規格煙片復烤前后尺寸分布擬合結果Figure 3 Fitting results of area distribution of three kinds of tobacco leaves with different size tobacco strips

表4 不同尺寸規格煙葉復烤前后的尺寸特征

表5 不同尺寸規格煙片烤后的皺縮率

3 結論

在滾筒復烤方式下，對同一種煙葉而言，尺寸規格的變化并不能影響煙片的脫水速率，且對煙片干燥終點溫度的影響不大；不同種類煙葉之間干燥速率和煙片溫度均差異明顯；尺寸規格的變化對于復烤后煙片的結構和收縮率的影響均較大，在實際生產過程中可以適當提高尺寸-2(網孔12.70～25.40 mm的篩分煙片)，降低尺寸-3(網孔6.35～12.70 mm的篩分煙片)的占比，以期提高復烤后大、中片(225～625 mm2區間的葉片)的占比和保障復烤后煙片收縮率控制在適宜的范圍。

試驗僅研究了固定滾筒參數下不同煙片尺寸對煙片干燥和收縮特性的影響，下一步可以有針對性地增加網孔12.70～25.40 mm的篩分煙片，考察不同滾筒工藝參數對其收縮特性的影響，優化出最佳滾筒工藝參數。