利用煙絲含簽率檢測儀研究加工工藝對煙支含簽率的影響

江 威 張國智 馮志斌 李 斌 官衛(wèi)東 鄺穎琪 簡慶龍

（1.廣東中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，廣東 廣州 510145；2.鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001）

煙葉中的梗和葉脈在煙草加工中會變成梗簽［1］。梗簽較為剛硬容易造成煙支中煙絲填充松緊不均勻、卷煙紙被刺穿［2］，使煙支加工質量的穩(wěn)定性下降，而且含有梗簽的煙支燃燒時容易出現爆開或者熄火的現象［3］，影響抽吸品質，甚至會引發(fā)火災，所以降低煙支中的梗簽含量一直是卷煙工藝研究的重要課題。以往測定煙支中的梗簽含量完全依靠檢驗員的目測和手工挑選，費時、費力而且準確性差。為此，鄭州煙草研究院與廣東中煙工業(yè)有限責任公司共同研發(fā)煙絲含簽率測試儀，以解決這一難題，并且還利用該儀器進一步研究加工工藝對煙支含簽率的影響，為增強香煙這種特殊食品的安全性［4－6］、減少梗簽提供了技術方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

廣州卷煙廠某牌號煙絲、煙支。

1.1.2 主要儀器設備

電子天平：BS224S型，德國Sartorius公司；

煙絲含簽率檢測儀：ZD-S/AT型，北京力博信科貿有限公司。

1.2 檢測方法

煙絲含簽率檢測儀主要由中心管流化室、外管流化室、打孔的錐形分隔板、旋轉下料器、風機組成，如圖1所示。煙絲含簽率檢測儀的中心管流化室的氣速設置為4.8m/s，外管內的氣速設置為1.2m/s，煙絲樣品稱量后，由外管流化室頂部倒入，煙絲落入到中心管與錐形分隔板的接口處時會發(fā)生強烈的鼓泡流化現象。煙絲中的梗簽表觀密度大，梗簽懸浮速度為5.0～5.5m/s，大于煙絲2.0～2.3m/s的懸浮速度，因而在中心管處梗簽會緩慢落下，而煙絲無法從中心管下落，實現了梗簽、煙絲的分離，分離出的梗簽經過旋轉下料器落入到電子天平的托盤上。利用式（1）計算煙絲樣品中的梗簽含量。

式中：

X——煙絲含簽率，%；

m1——分離后梗簽質量，g；

m2——分離后煙絲質量，g。

圖1 梗簽含絲率測定儀示意圖Figure 1 Sliver content measuring device structure diagram

1.3 試驗方法

1.3.1 含簽率對檢測結果的影響 手工制備含簽率為1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%，9%，10% 的 煙 支 樣 品，每 包香煙的煙絲重量在11.6～12.1g，所以以12g為取樣測試量，用煙絲含簽率檢測儀檢測含簽率。

1.3.2 不同煙絲重量對檢測結果的影響 手工制備含簽率為2%的煙絲樣品，取樣測試量分別設定為12，24，36，48，60，72，84，96，108，120g，用煙絲含簽率檢測儀檢測不同煙絲重量對檢測結果的影響。

1.3.3 煙葉中的煙梗含量與煙絲含簽率的關系 選取常用的10種配方煙葉，手工撕下煙葉的梗和葉脈，并稱重，計算煙葉中的含梗率。然后將煙葉不經過剔梗簽設備采用正常工藝加工成煙絲，直接用煙絲含簽率測定儀檢測煙絲中的含簽率，每個煙絲樣品測30次。

1.3.4 葉絲風選機的進料皮帶速度、進風口擋板角度、排風口擋板角度與煙支含簽率的關系 卷煙廠現行的剔梗簽設備主要是葉絲風選機［7］、VAS流化床，另外卷煙機自帶的剔梗系統(tǒng)也有很強的剔梗能力。葉絲風選機通過調節(jié)進料皮帶速度、進風口擋板角度、排風口擋板角度來控制煙絲的含簽率和剔除梗簽物重量。試驗測定葉絲風選機的進料皮帶最高速度為3.248m/s，速度降至1.642m/s時大量煙絲被剔除出來造成浪費，所以實際調節(jié)范圍設定在1.642～3.248m/s。進風口擋板角度90°時（以水平為基準）風口開度最大，0°時最小。排風口擋板角度90°時風口開度最小，0°時最大。采用響應曲面設計的Box-Behnken設計方法，以進料皮帶速度、進風口擋板角度、排風口擋板角度為因子，以煙支含簽率為響應變量，設計試驗方案。

1.3.5 VAS流化床進風蝶閥角度、排風蝶閥角度與煙支含簽率的關系 VAS流化床設備內有V型的流化床通道將煙絲流化、懸浮輸送，梗簽由于密度大落下而被分離剔除。VAS流化床設備通過調節(jié)進風蝶閥角度、排風蝶閥角度來控制流化床內的氣速大小，從而控制煙絲的含簽率和剔除梗簽物重量。采用響應曲面設計的中心復合有界設計方法，以進風蝶閥角度、排風蝶閥角度為因子，以煙支含簽率為響應變量，設計試驗方案。

1.3.6 卷煙機剔梗系統(tǒng)的梗導向板高度、二次風選節(jié)流風門開度與煙支含梗簽率的關系 PROTSO-70卷煙機的VE部分，喂料裝置后部裝有剔梗系統(tǒng)，剔梗系統(tǒng)有梗絲分離裝置與二次風選裝置構成，梗絲分離裝置通過調節(jié)噴吹空氣的壓力和導向板高度來控制剔除梗簽量，二次風選裝置是將梗絲分離裝置送來的梗簽物進行風選以回收梗簽物中的部分煙絲。梗絲分離裝置的噴吹空氣壓力對煙支重量的穩(wěn)定性影響很大，所以設置在1.2kPa左右不作調整。采用響應曲面設計的中心復合有界設計方法，以梗導向板高度、二次風選裝置風門開度為因子，以煙支含簽率為響應變量，設計試驗方案，分析卷煙機對煙支含簽率的影響。其中，導向板高度是指梗導向板上邊緣和調節(jié)螺母之間的間距。

1.4 數據處理方法

采用Minitab分析軟件對響應曲面設計試驗的結果進行回歸分析，得到因子與響應變量的回歸方程。

2 結果與討論

2.1 含簽率對檢測結果的影響

由表1可知，含簽率增加時，檢測結果的相對誤差總體上有降低的趨勢。圖2為理論含簽率與實際檢測值的線性回歸圖，回歸曲線相關系數R＝0.998，說明該檢測方法可以較好的表征含簽率的變化。

表1 不同含簽量樣品的檢測結果Table 1 The effect of sliver content on testing value

圖2 相同重量樣品的理論含簽率與實際檢測值之間的關系Figure 2 Relationship of theoretical calculation and testing value of sliver content for the same mass sample

2.2 煙絲重量對檢測結果的影響

由表2可知，隨著試驗測試樣品重量的增大，標準偏差總體上有增大的趨勢，絕對誤差和相對誤差絕對值也有增大的趨勢。這是因為，煙絲含簽率檢測儀的中心管直徑只有100mm，煙絲樣品重量越大，在中心管附近的煙絲堆積越厚，流化狀態(tài)越差，梗簽越容易包裹在煙絲中無法分離出來。所以，檢測量宜選擇在12g附近，不宜超過20g。

表2 煙絲重量對檢測結果的影響Table 2 The effect of sample mass on testing value

2.3 煙葉中的煙梗含量與煙絲含簽率的關系

煙葉中的含梗率與煙絲含簽率的檢測結果見表3。

表3 煙葉中的含梗率與煙絲含簽率的檢測結果Table 3 Testing value of stem content in laminar and sliver content in cut tobacco /%

對煙葉含梗率與煙絲含簽率進行回歸分析，見圖3，回歸曲線相關系數R＝0.981，說明未經過剔梗簽工序時煙葉含梗率與煙絲含簽率高度線性正相關。

圖3 煙葉含梗率與煙絲含簽率的關系Figure 3 The relationship of stem content in laminar and sliver content in cut tobacco

2.4 葉絲風選機的進料皮帶速度、進風口擋板角度、排風口擋板角度與煙支含簽率的關系

采用響應曲面設計的Box-Behnken設計方法，試驗因素水平編碼表見表4，結果見表5。

利用MINITAB對表5的試驗結果進行分析，可得到煙支含簽率與各因子的回歸方程：

由表6可知，回歸項的P值為0.000 1，小于0.05，可以判定回歸方程是有效的。交互作用的P值為0.000 6，表明進料皮帶速度、進風口擋板角度、排風口擋板角度的交互作用對煙支含簽率的影響是顯著的。

由圖4、5可知，進風檔板角度越大，排風擋板角度越大，皮帶速度越低，煙支含簽率就越低；3個因子對煙支含簽率的影響幅度上，進風檔板角度與排風擋板角度相同，都比皮帶速度大。

表4 因素水平編碼表Table 4 Factor levels coding table

表5 進料皮帶速度、進風口擋板角度、排風口擋板角度對煙支含簽率的影響Table 5 The effect of belt velocity，inlet air valve and outlet air valve on sliver content

表6 進料皮帶速度、進風口擋板角度、排風口擋板角度對煙支含簽率的方差分析Table 6 Variance analysis of the effect of belt velocity，inlet air valve and outlet air valve

圖4 進風檔板角度、排風擋板角度對煙支含簽率的響應曲面圖Figure 4 The responsive surface graphs of slope of inlet air valve and outlet air valve for slicer content

圖5 皮帶速度、排風擋板角度對煙支含簽率的響應曲面圖Figure 5 The responsive surface graphs of belt velocity and slop of outlet air valve for slicer content

2.5 VAS流化床進風蝶閥角度、排風蝶閥角度與煙支含簽率的關系

采用響應曲面設計的中心復合有界設計方法，試驗因素水平編碼表見表7，結果見表8。

利用MINITAB對表8的試驗結果進行分析，可得到煙支含簽率與VAS流化床進風蝶閥角度、排風蝶閥角度的回歸方程：

由表9可知，回歸項的P值為0.0001小于0.05，可以判定回歸方程是有效的。交互作用的P值為0.041，小于0.05，可以判定進風蝶閥角度、排風蝶閥角度交互作用對煙支含梗簽率的影響是顯著的。

由圖6可知，排風蝶閥角度、進風蝶閥角度變大時，煙支含簽率都是先減小、后增大的，而且兩個因子對煙支含簽率影響幅度相同。利用MINITAB的響應優(yōu)化功能還可以求出排風蝶閥角度、進風蝶閥角度分別為71.82，53.64°時，煙支含簽率達到最小值。試驗測得排風蝶閥角度、進風蝶閥角度分別為72，54°時，煙支含簽率為0.48%比表8中的含簽率都小，說明響應曲面設計的預測結果準確。

表7 因素水平編碼表Table 7 Factor levels coding table /°

表8 VAS流化床進風蝶閥角度、排風蝶閥角度與煙支含簽率的關系Table 8 The effect of slope of inlet air valve and outlet air valve of VAS fluidized bed on sliver content

表9 VAS流化床進風蝶閥角度、排風蝶閥角度對煙支含簽率的方差分析Table 9 Variance analysis of the effect of inlet air valve and outlet air valve of VAS fluidized bed

2.6 卷煙機剔梗系統(tǒng)的梗導向板高度、二次風選節(jié)流風門開度與煙支含簽率的關系

試驗因素水平編碼表見表10，結果見表11。

圖6 VAS流化床進風蝶閥角度、排風蝶閥角度對煙支含簽率的影響Figure 6 The responsive surface graphs of slope of inlet air valve and outlet air valve of VAS fluidized bed for sliver content

表10 因素水平編碼表Table 10 Factor levels coding table

利用MINITAB對表11的試驗結果進行分析，可得到煙支含簽率與各影響因子的回歸方程：

由表12可知，回歸項的P值為0.000 1，可以判定回歸方程是有效的，交互作用的P值為0.179 3，比0.05大，表明梗導向板高度與二次風選節(jié)流風門的交互作用對煙支含簽率的影響不是很顯著。

由圖7可知，導向板高度越大，二次節(jié)流風門開度越大，煙支含簽率就越低，而且導向板高度對煙支含簽率的影響幅度比二次節(jié)流風門開度大得多。

表11 梗導向板高度、二次風選節(jié)流風門開度與煙支含簽率的關系Table 11 The effect of stem guide plate height and reselect stem unit opening on sliver content

表12 梗導向板高度、二次風選節(jié)流風門開度對煙支含簽率的方差分析Table 1 Variance analysis of the effect of stem guide plate height and re-select stem unit opening

圖7 梗導向板高度、二次風選節(jié)流風門開度對煙支含簽率的影響Figure 7 The responsive surface graphs of height of stem guide plate and re-select stem unit opening for sliver content

3 結論

（1）檢測量為12g煙絲時，隨著含簽率增加相對誤差總體上有降低的趨勢；為保證測試精度，檢測量宜選擇在12～20g，不宜超過20g。

（2）煙絲中的梗簽來自配方煙葉的梗和葉脈，未經過剔梗工序時煙葉含梗率與煙絲含簽率高度線性正相關。

（3）煙草加工中，葉絲風選機、VAS流化床、卷煙機均具有較強的剔梗能力。葉絲風選機的進風檔板角度越大、排風擋板角度越大、皮帶速度越低，煙支含簽率越低，3個因子對煙支含簽率的影響幅度上，進風檔板角度與排風擋板角度相同，都比皮帶速度大。VAS流化床的排風蝶閥角度、進風蝶閥角度變大時，煙支含簽率都是先減小、后增大，排風蝶閥角度、進風蝶閥角度分別為71.82，53.64°時，煙支含簽率達到最小值。卷煙機導向板高度越大，二次節(jié)流風門開度越大，煙支含簽率越低，而且導向板高度對煙支含簽率的影響幅度比二次節(jié)流風門開度大得多。

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