基于實驗室批式滾筒干燥裝置的熱加工強度表征及其對煙絲物理特性的影響

謝圣林，堵勁松，魯端峰，王 樂，李 斌，陳良元，李 軍，朱文魁*

1.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

2.湖南中煙工業有限責任公司技術研發中心，長沙市勞動中路386 號 410000

滾筒干燥是重要的煙草原料熱加工過程［1］。滾筒干燥處理物料的靈活性高，處理能力大，一方面在于通過熱處理可以調節在制品的溫濕度狀態，使之滿足后續加工需求；另一方面，在滾筒干燥過程中煙草原料物理、化學特性發生一系列顯著變化，對卷煙產品的物理和感官性質有著重要影響［2-5］。但過高的熱加工強度會導致煙草原料中香味成分含量減少，煙絲造碎增多，產品質量下降。目前工藝生產過程對在制品加工質量的調節多數情況下依賴于現場技術人員生產經驗和定性結論，缺乏量化調控的依據。同時，煙草工藝中對熱加工工序加工強度尚缺乏有效的歸一化定量表征方法，現行的工序評價方法多以各加工參數設置水平的高低反映加工強度的強弱，導致不同工藝參數對應的加工強度缺乏可比性［6-7］；另外，對不同的加工對象和加工設備，同一工藝參數改變導致的實際加工強度變化往往也存在較大差異，這也導致較多工序評價研究中不同研究者的結論并不一致。

因此，對實驗室批式滾筒干燥裝置中煙草熱加工強度的表征方法進行了研究。在不同筒壁溫度和熱風溫度組合條件下進行干燥實驗。從滾筒干燥加工過程中煙絲在滾筒內部經歷的基本物理過程分析入手，通過干燥過程中物料質量特性與其熱加工狀態參數的關系分析，建立了煙絲滾筒干燥過程熱加工強度表征方法。此外，還分別通過圖像法和篩分法分析了滾筒熱加工強度對煙絲主要的物理特性（卷曲度、填充值和耐加工性）的影響規律，旨在深化理解滾筒干燥對煙草品質的作用機制、為優化加工過程的量化調控提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 實驗樣品與設備

實驗樣品如圖1 所示，采用永州C3F 打葉復烤后煙葉為原料，年份為2013 年，切絲寬度為1 mm，煙絲篩分后選取中長絲（長度＞2.50 mm）進行下一步處理。用烘箱法測定煙絲初始含水率，通過質量衡算計算一定量煙絲達到實驗要求含水率（30%，濕基）所需要的加水量，使用噴壺對煙絲加水，混合均勻后裝袋密封，存放在恒溫恒濕（20 ℃，相對濕度60%）環境中平衡48 h。

圖1 樣品原料處理Fig.1 Preparation of raw tobacco samples

BSA224S 型電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius 公司）；QS-I 型試樣切絲機（鄭州中煙科技開發有限公司）；RAYMX2C 型紅外溫槍（美國Raytek 公司）；RTD-370-PT100 型手持式熱電阻溫度計（美國OMEGA 公司）；Retsch AS400 型篩分儀（德國Retsch 公司）。

滾筒干燥實驗在實驗室批式滾筒干燥裝置中進行，裝置結構如圖2 所示。該裝置主要由溫控系統、熱風系統和滾筒系統3 部分組成。其中溫控系統用以調節熱風和滾筒筒壁的溫度；熱風系統由空氣壓縮機、氣流管道、加熱爐、溫控儀等組成；滾筒系統主要包括筒體和抄板。滾筒筒體安裝在機架的兩個拖輪上，通過電機控制鏈條傳動帶動主動輪轉動，轉動速度可以由變頻器控制，根據實驗需求調整轉速。筒體前端設有一物料口，物料可以由該物料口加入。空氣壓縮機內氣流經加熱爐兩級加熱后均勻進入筒體內，其中熱風溫度由控制柜上相關控件控制。在滾筒內轉動筒體和抄板相互連通的中空夾層內注入90%～95%體積的加熱油，通過調整加熱油溫度以控制滾筒內壁的溫度。

1.2 實驗方法

1.2.1 滾筒干燥實驗設計

圖2 滾筒干燥實驗裝置結構示意圖Fig.2 A schematic of a laboratory scale cylinder dryer

選取煙絲滾筒干燥的兩個主要影響因素（筒壁溫度和熱風溫度）作為實驗變量，設計了9 組不同熱加工強度的干燥實驗以及1 組對照實驗（水分調制后的煙絲置于20 ℃，60%RH 的恒溫恒濕環境中平衡48 h，平衡含水率為13%）。實驗設計條件如表1 所示。干燥實驗在室溫環境（25 ℃、35%RH）下進行，滾筒干燥裝置穩定運行30 min后分別使用紅外溫槍和熱電阻溫度計檢測滾筒筒壁溫度和筒內熱風溫度，當筒壁溫度與熱風溫度測定值在設定值±1 ℃范圍內波動時，從進料口將500 g 樣品加入滾筒中。當煙絲在筒內達到不同的停留時間（0、0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10、12 和15 min）時，使用紅外溫槍重復檢測煙絲表面溫度3 次并記錄，從物料口迅速取出樣品約10 g，將樣品放入干燥的密封袋中以防止返潮，并使用烘箱法測定經過不同停留時間后的煙絲含水率，3 次重復實驗后得到每組樣品的標準干燥曲線。通過該標準曲線，可以計算出各組樣品在滾筒干燥過程中含水率達到13%時的停留時間。根據上述實驗方法再次對各組樣品進行重復實驗，并在煙絲含水率達到13%時將樣品全部取出，對干燥后煙絲樣品物理特性進行統計檢測。

表1 滾筒干燥實驗條件①Tab.1 Experimental conditions of cylinder drying

1.2.2 煙絲物理指標測定方法

煙絲卷曲度作為衡量煙絲物理形態的重要指標，其定義為煙絲長度與其最小外接矩形長度的比值。如圖3 所示，對于單根煙絲，其卷曲度為：

對于樣本量為n 的眾多煙絲，其整體平均卷曲度為：

式中：Li為煙絲長度(mm)，Lci為煙絲最小外接矩形的長(mm)，Si為單根煙絲卷曲度(mm/mm)，S為樣本煙絲平均卷曲度(mm/mm)。

圖3 煙絲卷曲度計算示意圖Fig.3 A schematic diagram to define tobacco crimpness calculation

使用基于計算機視覺技術的煙絲形態光學測量平臺對經不同熱加工強度條件下滾筒干燥后的煙絲卷曲度進行測定［8］。參考煙草行業標準YC/T 351—2010［9］和申曉峰等［10］建立的煙絲結構表征方法，利用篩分儀確定篩上煙絲質量分布和煙絲特征長度，然后通過煙絲特征長度來表征煙絲破碎度和耐加工性，其物理意義為煙絲干燥后特征長度的減小值x0.5-x′0.5與煙絲烘前特征長度x0.5的比值，即：

式中：x0.5為煙絲干燥前特征長度(mm)；x′0.5為煙絲干燥后特征長度(mm)；D 為煙絲破碎度(%)；P為煙絲耐加工性(%)。以此來考察煙絲在不同熱加工強度條件下進行滾筒干燥的造碎程度。

2 結果與討論

2.1 煙絲標準干燥曲線

對筒內不同停留時間下的煙絲含水率進行測定，經過擬合得到煙絲在不同干燥條件下的含水率-干燥時間標準曲線，如圖4 所示。從圖4 可知，不同熱加工強度的滾筒干燥過程下，煙絲干燥速率有一定差異，但煙絲含水率變化趨勢基本一致。通過該標準曲線計算得出煙絲在不同干燥條件下含水率達到13%所需的停留時間，結果見表2。

圖4 煙絲標準干燥曲線Fig.4 Standard drying curves of cut tobacco

表2 各實驗條件下樣品含水率達到13%的停留時間Tab.2 Residence time of cut tobacco to reach 13%moisture content during repeated experiments

2.2 煙絲滾筒干燥過程熱加工強度表征方法

在煙絲滾筒干燥過程中，隨著物料內部水分蒸發和溫度升高，煙草物料在環境溫濕度變化的作用下，會在物理結構、顆粒形態和化學特性等方面產生一系列變化［3-4］。在干燥動力學中，煙絲含水率的變化隱含了時間歷程，因此，經滾筒干燥后的煙絲綜合質量特性Q 與該熱加工過程中煙絲物料溫度Ts、物料含水率X 兩個狀態參數隨熱加工時間的變化歷程密切相關。因此，可視為具有如下函數影響關系：

該加工質量函數Q 與熱加工狀態Ts、X 的關系，已在奶制品、肉類、新鮮果蔬等食品熱加工過程中被用于食品質量變化的預測建模分析［11-13］。具體對于煙絲物料的滾筒干燥過程而言，干燥速率的影響主要體現在煙絲溫度和含水率的變化上，因此可認為滾筒內煙絲含水率X 和煙絲表面溫度TS與加工時間滿足如下關系：

結合式（5）、式（6），對于兩個獨立的滾筒熱加工過程而言，若兩個加工過程中物料溫度Ts、物料含水率X 隨加工時間t 變化函數均相同，即不同加工過程的物料溫度曲線、含水率曲線變化規律一致，則不同加工條件下煙絲質量函數Q 的變化程度也一致。從圖4 可以看出，實驗過程中煙絲含水率隨干燥時間增加而不斷減小，即函數X=g（t）嚴格單調遞減。根據單調函數具有反函數定理，進一步地可對式（6）簡化，可得：

將式（6）與式（7）結合，代入溫度函數，可得：

由式（8）及式（5）可以得出，在滾筒干燥過程中，煙絲表面溫度Ts與煙絲含水率X 存在相應的函數關系，且二者都是加工時間的函數，因此可以用煙絲受熱干燥過程中自身熱狀態的變化來反映干燥過程的熱加工強度。滾筒內煙絲含水率X 和煙絲表面溫度Ts構成的Ts-X 曲線如圖5 所示，該曲線僅是煙絲的自身狀態函數，表示干燥過程中煙絲熱狀態的變化規律。干燥速率的大小只表示煙絲狀態轉化的速度，隱含在煙絲Ts-X 曲線中而與特征曲線本身沒有關系。因此，可以用該Ts-X特征曲線表征煙絲干燥特征，采用特征曲線的積分平均值表示滾筒干燥過程熱加工強度。

式中：H 是滾筒干燥過程中的熱加工強度（℃/%）；Ts是滾筒內煙絲表面溫度（℃）；X0、X1分別是煙絲初、末狀態下的含水率（%）。參數H 用于表征物料干燥過程中的熱加工強度，具有明確的物理意義，即物料在滾筒干燥脫水過程中單位脫水量對應的溫度變化率。從該物理意義出發，煙絲物料在滾筒干燥過程中，對應的單位脫水量的溫度升高值越大，則熱加工強度越高；反之，則該過程物料熱加工強度越低。

圖5 煙絲表面溫度-含水率曲線Fig.5 Characteristic curve of surface temperature of cut tobacco with its moisture content

2.3 煙絲滾筒干燥熱加工強度影響因素

圖6 是在不同干燥條件下煙絲的Ts-X 曲線。隨著煙絲含水率的降低，樣品溫度主要經歷了快速升溫階段，近似等溫階段和最終的平衡階段。根據熱加工強度的定量表征方法，得到不同實驗條件下滾筒干燥過程的煙絲熱加工強度，結果如表3 所示。可以看出，當筒壁溫度從110 ℃上升到150 ℃時，煙絲熱加工強度從4.26 ℃/%上升到5.19 ℃/%，當空氣溫度從100 ℃升到110 ℃時，煙絲熱加工強度最大升高了0.24 ℃/%。從表3 可以發現：筒壁溫度和熱風溫度的升高均會導致滾筒干燥過程中煙絲熱加工強度的增加，這表明更高的筒壁溫度和熱風溫度均可以使得煙絲在干燥過程中脫除單位體積水分時表面固相溫度的上升速率更大，這與在更高筒壁溫度和熱風溫度下煙絲中的水分可以被更快脫除的現象是相符的。當筒壁溫度較低時（110 ℃），增大熱風溫度10 ℃，煙絲熱加工強度從4.26 ℃/%增高到4.56 ℃/%；而在較高筒壁溫度下（140 ℃），同樣增大熱風溫度10 ℃僅導致熱加工強度增大了0.01 ℃/%，這意味著當筒壁溫度較高時，熱風溫度對煙絲熱加工強度的貢獻會大大降低。在本研究中設定的滾筒干燥實驗條件下，當筒壁溫度和熱風溫度分別升高10 ℃時，筒壁溫度對熱處理強度的貢獻比熱空氣溫度高30%～70%。

圖6 不同干燥條件下的煙絲Ts-X 曲線Fig.6 Ts-X curves of tobacco under different drying conditions

表3 不同干燥條件下的熱加工強度Tab.3 Thermal processing intensities under different drying conditions

2.4 煙絲卷曲度、填充值變化規律

煙草作為一種多孔生物介質，在熱濕處理過程中，其內部結構容易發生與其他農產品相似的體積收縮和卷曲變形現象［14-15］。從圖7 可以看出，在不同條件的滾筒干燥過程中，煙絲卷曲度隨熱加工強度的增大而增大，煙絲卷曲度與熱加工強度之間存在近似二次非線性關系。實際上，煙絲形態的宏觀卷曲主要是由于干燥初期的快速脫水引起的，在此階段，煙絲中的水分被快速脫除，煙絲還未充分舒展開即達到烘絲終點，從而使得烘后煙絲產生無規卷曲［16］。隨著熱加工強度的增加，煙絲表面溫度的變化率和孔隙水的蒸發速率增加，煙絲在此過程中內部收縮應力也相應增大，從而導致煙絲的卷曲度增加。

煙絲的填充能力與熱處理引起的形變密切相關，采用YC/T 152—2001［17］的方法測定了經過不同條件的滾筒干燥過程后的煙絲填充值，見圖8。從圖8 可以看出，煙絲填充值（FV）同樣隨熱加工強度的增加而增加，特別是當熱加工強度大于4.9 ℃/%時煙絲的填充值顯著而迅速地增加。在實驗范圍內，煙絲填充值隨滾筒干燥過程的熱加工強度變化趨勢與煙絲卷曲度保持一致。

圖7 滾筒干燥熱加工強度對煙絲卷曲度的影響Fig.7 Influences of thermal processing intensity of cylinder drying on crimpness of tobacco

圖8 不同熱加工條件下煙絲填充值的變化趨勢Fig.8 Relationship between filling value and thermal processing intensity

2.5 煙絲耐加工性變化規律

在煙草原料的熱加工過程中，煙草原料與熱處理環境之間的熱濕傳遞會引起煙草結構的顯著變化。對于煙絲滾筒干燥過程而言，高溫處理導致煙絲水分迅速散失，容易產生大量造碎。為了提高熱加工過程煙草在制品質量的均一性，需要確定煙絲熱加工強度與煙絲耐加工性之間的定量關系。根據前述的煙絲特征長度分布的表征方法，得到各組樣品煙絲特征長度結果如圖9 所示。由圖9 可知，對照組煙絲特征長度為4.17 mm，隨著熱加工強度的增大，煙絲特征長度顯著減小，造成這種現象的主要原因是在高熱加工強度下煙絲脆性增加，機械力和熱風等作用帶來更多的造碎；另一方面卷曲度的增大也會導致在煙絲特征長度檢測過程中過篩現象（尺寸大于篩孔的煙絲通過篩孔）的發生，進而導致煙絲特征長度減小。根據公式（3）～（4）可以得出煙絲破碎度和耐加工性。從表4 和圖10 可以看出，在實驗條件下，隨著滾筒干燥過程熱加工強度的增大，煙絲耐加工性從93%減小到79%，并且煙絲耐加工性變化規律與熱加工強度之間具有較高的線性相關性。

圖9 不同熱加工強度下煙絲特征長度分布Fig.9 Characteristic size distribution of cut tobacco at different thermal processing intensities

表4 熱加工強度對煙絲破碎度的影響Tab.4 Effects of thermal processing intensity on breakage of cut tobacco

圖10 煙絲耐加工性與滾筒干燥熱加工強度的關系Fig.10 Relationship between processing endurance of tobacco and thermal processing intensity of cylinder drying

3 結論

（1）以實驗室批式滾筒干燥裝置為平臺，以滾筒干燥過程中煙絲Ts-X 特征曲線的積分平均值來綜合量化表征煙絲干燥過程的熱加工強度具有一定的物理意義，即物料在滾筒干燥脫水過程中單位脫水量對應的溫度變化率。

（2）筒壁溫度、熱風溫度增加均導致煙絲干燥過程熱加工強度增大。當筒壁溫度較低時（110 ℃），增大熱風溫度10 ℃，煙絲熱加工強度從4.26 ℃/%增高到4.56 ℃/%；而在較高壁溫條件下（140 ℃），同樣升高熱風溫度10 ℃僅使熱加工強度增大了0.01 ℃/%，這意味著當筒壁溫度較高時，熱風溫度對煙絲熱加工強度的貢獻會大大降低。當筒壁溫度和熱風溫度分別升高10 ℃時，筒壁溫度對熱處理強度的貢獻比熱空氣溫度高30%～70%。

（3）不同熱加工強度條件下干燥后煙絲的卷曲度、填充值均隨著熱加工強度的增大而規律性增加；耐加工性隨著熱加工強度的增大逐漸降低，且存在明顯的線性相關關系。