成絲工藝對梗絲物理質量的影響

劉民昌，劉 洋，文 武*，溫若愚，孔 臻，李 斌，張大波

1.四川中煙工業有限責任公司技術中心，成都市錦江區成龍大道一段56 號 610066

2.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

煙梗是煙葉的天然組成部分，將其加工成梗絲后摻配使用，在卷煙降焦減害、降本增效、調節吸味品質和燃燒狀態等方面具有重要作用，現已成為卷煙葉組配方不可或缺的組成部分［1-2］。煙草行業經過多年發展，對于梗絲的使用理念和加工工藝也在不斷演變。早期主要追求梗絲的填充性能，梗絲一般呈大片狀，多在低檔卷煙中使用，用于降低卷煙生產成本［3-4］。近年來，由于消費者健康觀念日益增強，降焦減害理念深入人心，細支卷煙獲得了迅猛發展，在實際生產過程中，由于細支卷煙直徑較小，而傳統工藝生產的梗絲尺寸較大，導致梗絲在細支卷煙生產時會造成廢煙剔除量過大、煙支物理指標穩定性差等一系列問題［5］，限制了梗絲在細支卷煙中的應用。

近年來，煙草行業科研人員在改善梗絲形態方面進行了大量研究。葉鴻宇等［6］、紀曉楠等［7］研究表明，降低壓梗厚度有利于提高梗絲中的絲狀梗絲比例，但實際應用時，較低的壓梗間隙易引起壓梗機頻繁堵料，導致梗絲的寬度均勻性較差。陳景云等［8］研究表明，復切式制梗絲工藝能有效提高梗絲在卷煙中的分布均勻性，提高卷煙單支質量和吸阻穩定性，但該工藝是在梗絲加料后使用曲刃滾刀式切梗絲機進行第二次切梗絲，由于料液黏性較大，實際生產時切梗絲機導絲條處易出現堵塞現象，導致生產不連續，梗絲均勻性較差，另外文中也并未對梗絲寬度分布情況進行詳述。廖曉祥等［9-11］基于煙梗微波膨脹工藝進行了大量研究，結果表明，微波膨脹梗絲長度較小，成絲后為條狀，在煙絲中的摻配均勻性明顯提高，但生產工藝較為復雜，投資成本較高。喻賽波等［12］研究表明，將煙梗依次經過預切、加濕、PFI 磨漿機成絲、擠壓、打散、風干、篩分等處理，得到細絲狀梗絲，可以有效降低卷煙煙氣中的一氧化碳量，但梗絲較為僵硬，形態和煙絲差異較大。另外，王夏婷等［13］研究表明，煙絲中短絲比例的增加有利于提高細支卷煙單支質量、吸阻、硬度等指標的穩定性，降低卷制過程空頭剔除率。王亮等［14］研究表明，煙絲中短絲比例的增加有利于提高細支卷煙煙絲密度分布的均勻性，減少卷煙掉火頭發生的概率。

因此，基于傳統煙梗原料，在可以保障連續工業化生產的前提下，對比了傳統工藝、雙壓工藝、雙切工藝3 種成絲工藝對梗絲物理質量的影響，旨在提高梗絲的成絲效果，改善梗絲結構，為梗絲在細支卷煙生產中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、設備和儀器

12#配方煙梗、“嬌子（藍）”葉絲（由四川中煙工業有限責任公司成都卷煙廠提供）。

成都卷煙廠生產能力為2 000 kg/h 的梗絲生產線。IB-F 壓梗機（額定能力2 000 kg/h）、Tobspin 切梗絲機（額定能力3 000 kg/h）（德國Hauni 公司）。

CWT200 煙絲寬度測定儀（中國科學院安徽光學精密機械研究所）；D51 填充值測定儀（德國Borgwaldt 公司）；PL203 電子天平（感量：0.001 g，瑞士Mettle Toledo 公司）；YQ-2 煙絲振動分選篩（中國煙草總公司鄭州煙草研究院）；ZJ17 卷接機組（常德煙草機械有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 梗絲制備

使用12#配方煙梗，在煙梗處理段和梗絲處理段采用相同工藝參數進行處理加工，在煙梗成絲段分別采用A 傳統工藝、B 雙壓工藝、C 雙切工藝進行處理加工，工藝流程見圖1。

1.2.2 測試與評價方法

取樣：梗絲樣品取樣點均在梗絲加香出口。

梗絲尺寸檢測：利用CWT200煙絲寬度測定儀［15］，隨機取1 g 左右梗絲置于測試載物臺上，用鑷子將梗絲攤開，確保梗絲無重疊粘連，梗絲1 不挑選。利用CWT200 煙絲寬度測定儀自動拍照、圖像處理并計算每根梗絲的長度和寬度，測量5 次。

梗絲尺寸分布評價：以梗絲寬度分布為例，將約400 個寬度數據劃分為不同的寬度梯度，計算每個寬度區間梗絲數量的百分比，并轉化為累積數量百分比，按照煙絲尺寸分布特性方程進行擬合，見公式（1）［16］。

式中：y 為累積數量百分比（%）；x 為寬度界限（mm）；de為梗絲的特征寬度（mm），其值越大表明梗絲的寬度越大；n 為梗絲寬度的均勻性系數，其值越大表明梗絲寬度分布越均勻。

梗絲長度分布計算方法同上。

圖1 梗絲加工工藝流程Fig.1 Flow chart of cut stem processing

出梗絲率：按《卷煙工藝規范》規定中的投入產出法［17］，計算出梗絲率。

梗絲結構：按YC/T 178—2003《煙絲整絲率、碎絲率的測定方法》規定檢測［18］，測量5 次，計算平均值。

梗絲填充值：按YC/T 163—2003《卷煙 膨脹梗絲填充值的測定》規定檢測［19］，測量5 次，計算平均值。

2 結果與分析

2.1 3 種成絲工藝條件的確定

以成絲效果為主要目標，兼顧生產過程穩定性，對A 傳統工藝、B 雙壓工藝、C 雙切工藝3 種成絲工藝分別進行試驗，確定每種成絲工藝的最優參數組合。

A 傳統工藝：壓梗間隙分別試驗了1.00、0.90、0.80 mm，壓梗間隙越小，梗絲的絲狀形態越好，但當壓梗間隙為0.80 mm 時，壓梗機出現頻繁堵料現象；切梗絲厚度分別試驗了0.14、0.12、0.10 mm，切梗絲厚度越小，梗絲柔軟性越好，但當切梗絲厚度為0.10 mm 時，梗絲中存在較多碎末。因此，確定傳統工藝最優參數組合為：壓梗間隙設置為0.90 mm，切梗絲厚度設置為0.12 mm。傳統工藝所得梗絲下文中稱傳統梗絲。

B 雙壓工藝：在傳統工藝的基礎上進行二次壓梗，避免單次薄壓帶來的壓梗機堵料問題，第二次壓梗間隙分別試驗了0.80、0.70、0.60、0.50 mm，當第二次壓梗間隙設置為0.80、0.70 mm 時，梗絲中仍存在較多大片狀梗絲，當第二次壓梗間隙設置為0.50 mm 時，煙梗被大量壓破，梗絲中存在較多碎末。因此，確定雙壓工藝最優參數組合為：第一次壓梗間隙設置為0.90 mm，第二次壓梗間隙設置為0.60 mm，切梗絲厚度設置為0.12 mm。雙壓工藝所得梗絲下文中稱雙壓梗絲。

C 雙切工藝：不蒸梗、不壓梗，第一次切梗絲厚度與傳統工藝和雙壓工藝的切梗絲厚度相同，設置為0.12 mm，第二次切梗絲寬度與葉絲的切絲寬度相近，設置為1.00 mm。對比試驗了曲刃滾刀式SQ218C 切梗絲機和轉盤式Tobspin 切梗絲機，在第一次切梗絲時，兩種切梗絲機運行狀態均較好，但在第二次切梗絲時，曲刃滾刀式SQ218C 切梗絲機導絲條易堵塞，導致生產不連續，而轉盤式Tobspin切梗絲機則能夠長期穩定運行，為了保證試驗結果的可比性，確定3 種成絲工藝均采用轉盤式Tobspin 切梗絲機。雙切工藝所得梗絲下文中稱雙切梗絲。

2.2 成絲工藝對梗絲外觀形態的影響

3 種工藝所得梗絲及“嬌子（藍）”葉絲的外觀形態見圖2。由圖2 可以看出：①傳統梗絲整體尺寸較大，主要因為采用一次壓梗，而在保證連續生產的前提下，壓梗間隙不能設置過低，壓梗效果受限，壓后煙梗厚度較大。②與傳統梗絲相比，雙壓梗絲寬度整體有所降低，但梗絲形態差異較大，因為雙壓工藝采用兩次壓梗，在提高壓梗效果的同時，也會造成部分煙梗被壓破，疏松的髓腔組織被破壞，而致密的導管和表皮組織被保留，切后梗絲中細絲增多。③與傳統梗絲相比，雙切梗絲寬度明顯降低，梗絲形態均勻，整體呈短絲狀，形態和葉絲較為接近，因為雙切工藝以切梗絲代替壓梗，使梗絲寬度更為受控。

與傳統工藝相比，雙壓工藝和雙切工藝均能夠在一定程度上改善梗絲的絲狀形態，二者各有特點：雙壓工藝的改善主要表現在梗絲寬度和卷曲形態上，但梗絲尺寸均勻性變差；雙切工藝的改善主要表現在梗絲寬度和均勻性上，同時改善了梗絲結構，梗絲主要為中短絲。

圖2 不同成絲工藝下梗絲的外觀形態Fig.2 Appearance of cut stems under different stem processing technologies

2.3 成絲工藝對梗絲長度的影響

3 種工藝所得梗絲的長度與對應累積數量百分比見圖3，將圖3 中的數據代入尺寸分布特性方程y=1-exp［-（x/de）n］，擬合得到的特征參數見表1。可以看出：①對于梗絲長度，特性方程的決定系數R2≥0.982 9，表明特性方程能夠很好地表征3種梗絲的長度分布情況。②相比傳統梗絲，雙壓梗絲特征長度略有降低，長度均勻性系數略有提升。③相比傳統梗絲，雙切梗絲特征長度明顯降低，長度均勻性系數略有提升。說明雙壓工藝對梗絲長度影響較小，雙切工藝則明顯降低了梗絲長度，3 種梗絲的長度均勻性均優于葉絲。

2.4 成絲工藝對梗絲寬度的影響

3 種工藝所得梗絲的寬度與對應累積數量百分比見圖4，將圖4 中的數據代入尺寸分布特性方程y=1-exp［-（x/de）n］，擬合得到的特征參數見表2。可以看出：①對于梗絲寬度，特性方程的決定系數R2≥0.993 7，表明特性方程能夠很好地表征3種梗絲的寬度分布情況。②相比傳統梗絲，雙壓梗絲的特征寬度明顯降低，但寬度的均勻性系數也降低。③相比傳統梗絲，雙切梗絲的特征寬度明顯降低，寬度均勻性系數顯著提高。說明雙壓工藝能夠有效降低梗絲寬度，但梗絲的寬度均勻性變差，雙切工藝則在有效降低梗絲寬度的同時，大幅度提高了梗絲的寬度均勻性，雙切梗絲的寬度及其均勻性和葉絲最為接近。

圖3 梗絲長度與對應累積數量百分比Fig.3 Length of cut stem and corresponding cumulative quantity percentage

表1 3 種梗絲長度擬合特征參數Tab.1 Fitting characteristic parameters of three cut stem lengths

圖4 梗絲寬度與對應累積數量百分比Fig.4 Width of cut stem and corresponding cumulative quantity percentage

表2 3 種梗絲寬度擬合特征參數Tab.2 Fitting characteristic parameters of three cut stem widths

2.5 成絲工藝對梗絲其他指標的影響

3 種梗絲的其他物理指標數據見表3。由表3可以看出：①由于傳統工藝追求梗絲的填充性能，壓梗厚度較大，因此傳統梗絲尺寸整體較大，出梗絲率、長絲率、填充值較高，碎絲率較低。②由于雙壓工藝煙梗厚度較小，對煙梗破壞程度較大，導致出梗絲率有所降低，碎絲率明顯增加，梗絲中的中短絲比例由37.58%提高至47.13%。③由于雙切工藝經過二次切梗絲，切梗絲過程造碎較大，導致出梗絲率有所降低，填充值明顯降低，碎絲率最高，梗絲中的中短絲比例由37.58%提高至83.47%。相比較而言，雙切工藝更有利于提高梗絲中的中短絲比例。

表3 3 種梗絲其他物理指標數據Tab.3 The other physical indexes of cut stems of three kinds

3 結論

（1）利用圖像處理技術檢測梗絲的長度和寬度，相較于篩分法，更能夠體現梗絲尺寸實際情況；使用尺寸分布特性方程，將梗絲長度分布和寬度分布分別表征，對梗絲尺寸分布的描述更為精細，模型擬合程度較好，梗絲長度分布決定系數R2≥0.982 9，梗絲寬度分布決定系數R2≥0.993 7。

（2）與傳統工藝相比，雙壓工藝使梗絲特征寬度由1.54 mm 降低至1.21 mm，梗絲卷曲形態較好，但梗絲形態均勻性變差，寬度均勻性系數由2.99降低至2.70，雙壓工藝對梗絲長度改變不明顯。

（3）與傳統工藝相比，雙切工藝對梗絲形態的改善較為明顯，一方面，梗絲特征寬度由1.54 mm 降低至1.12 mm，寬度均勻性系數由2.99 提高至3.77，形態和葉絲較為接近；另一方面，梗絲的特征長度由19.07 mm 降低至12.71 mm，長度均勻性系數略有提升，梗絲中的中短絲比例由37.58%提高至83.47%。

（4）相比較而言，由于雙切工藝所得梗絲寬度可控、中短絲較多、形態均勻，可為梗絲在細支卷煙的生產應用提供參考，考慮到煙梗成本遠小于煙葉，出梗絲率的降低仍可以接受，但在實際生產時應進一步加強對碎絲的篩分。