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. 山東中煙工業有限責任公司青島卷煙廠，山東省青島市嶗山區株洲路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，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

4. 山東中煙工業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. 廣東中煙工業有限責任公司湛江卷煙廠，廣東省湛江市赤坎區康樂路5 號 524033

6. 廣西中煙工業有限責任公司南寧卷煙廠，南寧市西鄉塘區北湖南路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，發現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，發現再造梗絲填充性能好且化學成分可調，其感官質量優于普通梗絲。丁美宙等［11］、廖曉祥等［12］研究發現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）。考察篩分、壓梗、切梗厚度、膨脹強度、干燥方式5個工藝參數、共設置9種處理方式對片狀梗絲和輥切梗絲質量的影響，具體參數組合見表1。待設備運行穩定后，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，統計各層篩網上樣品占比，通過簡單隨機取樣法按樣品占比選取適當數量的片狀梗絲。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）%的環境中平衡48 h。②測量各層篩網（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）的凈重并記錄數據；③將篩網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，稱量并記錄篩網及篩網上樣品質量；⑥計算片狀梗絲（0.70 mm 篩網下樣品呈碎末狀，統計為碎絲；0.70 mm篩網上樣品呈絲狀，統計為絲狀梗絲；1.40～8.00 mm篩網上樣品呈片狀，統計為片狀梗絲）總質量及各層篩網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R。R 值越接近1，片狀梗絲形態越接近圓形，以任何角度進入輥切機，其成絲效果（梗絲結構）均最優。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，碎絲率差異較小；彈性提高6.85百分點；長度5～15 mm片狀梗絲形狀系數增大，長度15 mm 以上片狀梗絲的形狀系數差異較小；力學指標中，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，有利于減少后續加工過程中的造碎。結合表4、表5和圖2數據可以看出，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

研究發現，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均大于滾筒干燥。

表6 不同干燥方式下片狀梗絲形狀系數對比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，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取消壓梗工序并優化片狀梗絲的切梗厚度、膨脹強度、干燥方式等工藝參數，提高片狀梗絲形狀系數和耐加工性；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于常規梗絲，在木質氣、刺激性、燃燒均勻性以及余味等方面表現良好，適宜添加到卷煙中。

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

表8 輥切梗絲、常規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，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。