梗絲膨脹工藝的響應面優化

謝偉強 康金嶺

（廣西中煙工業有限責任公司柳州卷煙廠，廣西 柳州 545005）

梗絲膨脹是卷煙制梗絲環節的一個關鍵工序，其主要的工藝任務是把充分吸收水分后的梗絲，根據配方需求和工藝要求進行脫水膨脹，以減少梗絲在卷煙燃吸時產生的木質氣、灼燒感和辛辣感［1］，梗絲膨脹能有效改善梗絲品質，改善產品的質量，降低卷煙對人體的有害性，提高梗絲在高檔煙中的使用比例［2］，因此優化梗絲膨脹加工工藝極其重要。

目前煙草行業在梗絲膨脹切絲寬度等工藝優化方面的研究較多［3－7］，而將影響梗絲膨脹的關鍵工藝參數作為一個整體來進行研究的還比較少見。本試驗利用響應曲面法研究卷煙梗絲制造過程中關鍵工藝參數對煙梗填充值的影響及參數最佳配置，為梗絲制造膨脹環節工藝參數的設置提供了理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

烤煙煙梗：B類梗，廣西中煙工業有限責任公司；

切梗絲機：SQ316型，昆船第二機械公司；

梗絲閃蒸膨化機：WQ617.0型，秦皇島煙草機械有限責任公司；

梗絲膨化干燥機：SH83型，秦皇島煙草機械有限責任公司；

恒溫恒濕箱：KBF240型，德國Binder公司；

梗絲填充值測量儀：DD60A型，德國Borgwaldt KC公司；

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 為盡量減少其它干擾因素可能對試驗結果的影響，每次調整工藝參數時對應取樣，且取樣在各項過程參數控制穩定后進行。

1.2.2 樣品的制備

（1）各項參數控制穩定后，按試驗次序每次進行一組試驗，并取樣。每次取樣10g，為1個試驗樣品。

（2）將試驗樣品自然冷卻至常溫，再放置于恒溫恒濕箱，平衡24h后待檢。

1.2.3 樣品的檢測方法 以梗絲填充值（Y）為評價指標，按YC／T 152——2001《卷煙、煙絲填充值的測定》有關要求執行［8］。

1.2.4 參數優化的單因素試驗

（1）在工藝流量1 700kg／h、膨脹含水率38%、閃蒸蒸汽量800kg／h條件下，分別觀察不同切梗寬度（0.12，0.13，0.14，0.15，0.16mm）對填充值的影響。

（2）在工藝流量1 700kg／h、切梗寬度0.15mm、閃蒸蒸汽量800kg／h條件下，分別觀察不同膨脹含水率（35%，36%，37%，38%，39%）對填充值的影響。

（3）在工藝流量1 700kg／h、切梗寬度0.15mm、膨脹含水率38%條件下，分別觀察不同閃蒸蒸汽量（700，800，900，1 000，1 100kg／h）對填充值的影響。

2 結果與分析

2.1 梗絲填充值的單因素試驗

2.1.1 切梗寬度對填充值的影響 由圖1可知，填充值隨著切梗寬度的增加而增加，當切梗寬度超過0.15mm以后，填充值隨著切梗寬度的增加變化趨于穩定，切梗寬度在0.13～0.15mm時填充值的增加幅度較大，這也在吳敬華等的研究［9］中得到證實，因此切梗寬度以0.15mm左右為宜。

圖1 切梗寬度對填充值的影響折線圖Figure 1 The effects of cut tobacco width on the gut stem influence line graph

2.1.2 膨脹含水率對填充值的影響 由圖2可知，填充值隨著膨脹含水率的增加而增加。當膨脹含水率超過38%以后，填充值開始呈現下降趨勢，故膨脹含水率以38%左右為宜。

圖2 膨脹含水率對填充值的影響折線圖Figure 2 The effects of moisture content on the gut stem influence line graph

2.1.3 閃蒸蒸汽量對填充值的影響 由圖3可知，填充值隨著閃蒸蒸汽量的增加而增加，當閃蒸蒸汽量超過900kg／h以后，填充值隨著閃蒸蒸汽量的增加呈現下降趨勢，因此閃蒸蒸汽量以900kg／h左右為宜。

圖3 閃蒸蒸汽量對填充值的影響折線圖Figure 3 The effects of moisture content on the gut stem influence line graph

2.2 曲面響應法優化梗絲膨脹工藝參數

在以上單因素試驗的基礎上，運用Box－Behnken設計，對影響梗絲填充值的切梗寬度、膨脹含水率、閃蒸蒸汽量三因素，采用Minitab軟件設計三因素三水平的中心組合試驗，中心點重復進行3次試驗，試驗的因素水平設計編碼表及計算結果分別見表1～3。

表1 Box－Behnken試驗設計因素水平及編碼表Table 1 Box－Behnken design experiment Vairables levels and coding table

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

2.2.1 試驗各因素對填充值的影響分析 為分析各因素對填充值的影響，以填充值為評價指標（Y），利用Minitab分析軟件對表2進行分析，從試驗結果得到3個因素與填充值的回歸方程：

對試驗模型進行方差分析，結果見表3。

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

由表3可知，回歸模型的回歸項P值＜0.05，說明模型總體有效。從擬合總效果來看，本試驗的失擬項P值＞0.05，說明試驗并沒有失擬現象，可以利用該方程代替真實的試驗進行數據分析［10］。從結果可以看出，切梗寬度、膨脹含水率、閃蒸蒸汽量及它們的平方項和交互作用均顯著，說明切梗寬度、膨脹含水率、閃蒸蒸汽量對填充值均有顯著的影響。

圖4 切梗寬度與膨脹含水率對填充值的響應曲面與等值線圖Figure 4 Response surface and contour lineof the CT and MC for the FP

圖5 切梗寬度與閃蒸蒸汽量對填充值的響應曲面與等值線圖Figure 5 Response surface and contour line of the CT and SQ for the FP

2.2.2 各影響因素及交互作用對填充值的影響 各影響因素及交互作用對填充值的影響見圖4～6。從各因素與響應量之間的三維空間圖可以看出各因素對響應值的影響：圖4表明膨脹含水率曲面更陡，說明膨脹含水率對填充值的影響比切梗寬度更加顯著；圖5表明與其它兩個參數的交互作用比較，切梗寬度與閃蒸蒸汽量的交互作用對填充值影響程度最小，相對較弱；圖6表明膨脹含水率比閃蒸蒸汽量對填充值的影響更顯著；綜合以上分析可以看出，切梗寬度對填充值的影響最大，膨脹含水率次之，閃蒸蒸汽量最小。

2.2.3 驗證實驗 為確定最佳工藝參數，利用Minitab軟件對方程進行最優解，找出模型Y的最大值，最大點（X1，X2，X3）的代碼值為（0.81，0.23，1.00），對應實際值為切梗寬度0.16mm、膨脹含水率38.2%，閃蒸蒸汽量900kg／h，理論上填充值最大為6.57cm3／g，在最佳的工藝條件下進行了3次效果驗證實驗，填充值平均6.50cm3／g，與理論值基本一致，說明試驗回歸方程可靠。

3 結論

（1）本試驗結果表明，切梗寬度、膨脹含水率、閃蒸蒸汽量均對梗絲填充值有顯著影響，且有交互作用。其中切梗寬度對填充值影響程度最大，其次是膨脹含水率，再者是閃蒸蒸汽量。

（2）利用Minitab軟件設計響應面試驗，并進行驗證，梗絲膨脹最佳工藝參數的設置為切梗寬度0.16mm、膨脹含水率38.2%，閃蒸蒸汽量900kg／h，該條件下梗絲填充值6.50%，梗絲填充效果最好。

圖6 膨脹含水率與閃蒸蒸汽量對填充值的響應曲面與等值線圖Figure 6 Response surface and contour line of the MC and SQ for the FP

1 楊繼福，黃蘭，盧幼祥，等.高壓蒸梗對中性香味成分和感官質量的影響［J］.廣州化工，2011，39（17）53～57.

2 劉德強，張風光，王樂軍，等.煙梗成絲的研究及應用［J］.安徽農業科學，2010，38（33）：19 052～19 054.

3 陳志燕.膨脹干燥工序對烤煙梗絲特性的影響［J］.安徽農業科學，2010，38（14）：7 262～7 263.

4 吳金鳳，鄭利鋒，廖強，等.梗絲填充值與煙支吸阻關系的建模及應用［J］.煙草科技，2010（5）：5～8.

5 肖春菊，孫佐，石紅雁，等.煙梗切絲寬度的探討［J］.煙草科技2000（3）：4～6.

6 王道銓.隧道式梗絲膨脹工序工藝參數優化［J］.江西農業學報2011，23（12）：100～103.

7 席年生，申玉軍，儲國海，等.不同施壓條件下梗絲填充值與其膨脹效果的相關性［J］.煙草科技，2003（9）：3～12.

8 國家煙草專賣局.卷煙工藝規范［M］.北京：中央文獻出版社，2003.

9 吳敬華，杜媚，李堅，等.煙梗切絲厚度與STS梗絲膨脹［J］.大眾科技，2009（3）91～92.

10 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.