煙絲摻配輸送及卷制過程中的熱解特性變化分析

摘" " 要：為研究煙絲在摻配輸送及卷制過程中的熱解特性變化規律，利用熱重分析技術和熱分析動力學方法跟蹤分析了不同加工環節煙絲的熱失重特征參數變化和差異。結果表明：（1）不同加工環節煙絲整體熱解失重規律一致，均包含脫水干燥、揮發性成分損失、半纖維素和纖維素分解、木質素分解與炭化、無機鹽分解等階段，各樣品不同熱失重階段的溫度區間一致，但階段失重率有差異；（2）JXQ、JXH和CPS樣品在無機鹽分解階段的失重率接近，并明顯高于其他樣品，不同煙絲樣品的綜合熱解指數CPI范圍為4.10×10-5 %·（min ×℃2）-1～4.65×10-5 %·（min ×℃2）-1，BZS樣品的CPI最低，CPI隨著加工環節的進行呈現逐漸降低的趨勢；（3）樣品在脫水干燥和纖維素分解階段的熱分解過程均符合F1.5級化學反應模型，但不同樣品的熱解動力學參數存在一定差異。本研究揭示了煙絲在熱解過程中的化學反應動力學參數存在一定的差異，在加工過程中煙絲的配方成分可能存在一定程度的波動。

關鍵詞：煙絲；均勻性；摻配；熱解特性；差異度

中圖分類號：TS45" " " " " 文獻標識碼：A" " " " "DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2024.02.012

Pyrolysis Characteristics Analysis of Cut Tobacco during the Blending， Transportation and Cigarette Making processes

WANG Shanshan， LIU Chang， SUN Haoyue， Meng Xukuan， ZHANG Jiaru，LI Jun

（China Tobacco Hubei Industrial Company Limited， Wuhan，Hubei 430040， China）

Abstract： To investigate the evolving pyrolysis characteristics of tobacco during blending， conveying， and rolling， we tracked and analysed changes in the heat loss characteristic parameters at different processing stages using thermogravimetric analysis technology and thermal analysis kinetic method. The results indicated that： （1） pyrolytic weight loss of tobacco remained consistent throughout various processing stages， including dehydration， drying， loss of volatile components， hemicellulose and cellulose decomposition， lignin decomposition and charring， and inorganic salt decomposition. The temperature intervals between the different heat loss stages of the samples were consistent， but the rate of weight loss varied.（2） During the inorganic salt decomposition stage， JXQ， JXH， and CPS samples exhibited weight loss rates that were significantly higher than those of the other samples. The composite pyrolysis indices （CPIs） of the different tobacco samples ranged from 4.10×10-5 %·（min ×℃2）-1 to 4.65×10-5 %·（min ×℃2）-1， with the BZS sample having the lowest CPI. The CPIs showed a decreasing trend with each processing session. （3） The thermal decomposition processes of the samples during dehydration， drying， and cellulose decomposition followed the F1.5-level chemical reaction model. However， the pyrolysis kinetic parameters varied among the different samples. It has been revealed that there are differences in the kinetic parameters of chemical reactions during pyrolysis. Additionally， there may be fluctuations in the formulation composition of tobacco during processing.

Key words： cut tobacco;uniformity; blending; pyrolysis characteristics; degree of difference

摻配均勻完整的煙絲是保障卷煙產品品質的關鍵前提，也是提升卷接質量和煙氣穩定性的基礎。國內外煙草行業開展了許多關于煙草物料混合均勻性評價及改進的研究[1-2]，如Hedge等[3]、王毅等[4]提出采用混合物料中某組分性質的差異表征混合均勻度的思路。行業標準YC/T 426—2012《煙草混合均勻度的測定》提出將糖堿比與鉀含量的乘積作為特征值來反映煙草物料混合均勻度的方法。除此之外，也有文獻報道了構建近紅外模型和采用熱重分析方法評價煙絲摻配均勻度的方法[5-6]，為煙草物料的混合均勻性評價與提升提供了多種方法支撐。卷煙制造過程中，自煙絲摻配環節開始，加香工序、配絲貯絲工序、風送卷制過程均會對煙絲的摻配均勻性產生影響。例如，風送過程中煙絲由于整碎度和懸浮速度差異會發生分層現象，必然會影響配方的完整性和均勻性[7]；卷接設備剔梗系統工作時，剔除部分含有葉絲的梗簽，也會改變煙絲配方組分含量，配方中各組分含量的變化與差異必然會造成煙絲配方的特性值等特征產生改變。劉玉葉等[8]利用近紅外模型跟蹤了雪茄型卷煙氣力配送及卷制過程中煙絲構成的變化規律，分析了配方中梗絲比例的變化情況。

實際上，配方中組分的變化必然會引起配方煙絲整體熱解特征的變化[9]，通過跟蹤配方煙絲在摻配后至卷制過程中的熱解特性變化規律，可為掌握卷煙加工過程中煙絲配方的完整性與差異性提供幫助。基于此，本研究利用熱重分析技術跟蹤了煙絲在摻配后至卷制過程中的熱解特性，并進一步通過熱分析動力學方法對比分析了煙絲熱解動力學特征的變化規律，可為明確配方組分發生變化的關鍵環節和有針對性地提升配方完整性提供支持和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

葉絲、梗絲、配方煙絲取自于湖北中煙有限責任公司襄陽卷煙廠某牌號卷煙生產線，取樣位點如圖1所示。各取樣位點間隔取樣3次，將其混合后備用。各樣品的命名規則為：葉絲和梗絲按配方設計比例人工均勻混配后作為標準煙絲（BZS），加香工序前后的煙絲分別記為JXQ和JXH，配絲貯絲后記為成品絲（CPS），風送后樣品記為FSH，經卷制后煙槍出口煙絲記為卷制后（JZH）。試驗采用熱重分析儀（TG，TA Discovery，美國）進行熱重分析。

1.2 試驗及測試方法

1.2.1 樣品熱重分析 將各樣品置于50 ℃烘箱中干燥8 h，隨后利用超微粉碎機將其粉碎2 min，從粉末樣品中取樣進行熱重分析。熱重分析條件為：上樣量約15 mg，熱解溫度范圍為室溫至800 ℃，氣體為氮氣，氣體流量為50 mL·min-1，升溫速率為10 ℃·

min-1。

根據熱重（TG）及微分熱重曲線（DTG），利用綜合熱解指數（Comprehensive Pyrolysis Index， CPI）反映各樣品的熱解特性，CPI計算公式為[10]：

CPI=（1）

式中，DTGmax和Tmax分別為最大失重速率（%·min-1）及最大失重速率溫度（℃）；Ti和Tf分別為利用TG-DTG切線法計算的揮發分起始釋放溫度和終止溫度。

1.2.2 熱解動力學分析 煙絲的熱解過程屬于典型的氣固非均相反應，反應速率通常由化學反應動力學控制，反應速率與溫度之間符合Arrhenius定律，反應速率方程由下式表示：

=kf（α）= exp（- ）（1-α）n（2）

α=（mi-m）/（mi-mf）（3）

式中，A為指前因子，min-1；β為升溫速率，K·min-1；E為反應活化能，kJ·mol-1；R為氣體常數，8.314 J·mol-1·

K-1；T為絕對溫度，K；n為反應級數；α為熱解轉化率；mi、mf分別為樣品起始及終止質量。

利用Coats-Redfern對公式（2）進行近似處理，經積分整理后得[11]：

ln

=ln

（1-

）-（4）

式中，G（α）為反應機理函數f（α）的積分形式，且RT/E通常lt;1，則煙絲的熱解反應機理方程可簡化為：

ln

=ln-（5）

根據上式，選擇適宜的反應機理函數G（α），將ln[G（α）/T2]與1/T作圖，根據擬合直線的斜率及截距可確定反應活化能E及指前因子A。

2 結果與分析

2.1 不同煙絲的熱解特性分析

卷煙加工過程中不同環節煙絲的熱重曲線（圖2）在不同取樣點的煙絲樣品整體失重規律基本一致，但存在一定差異，原因是在卷煙加工過程中，煙草物料不斷地經歷混合與分離過程。例如，滾筒加香過程中物料的混合、配絲貯絲柜的層層鋪料通常會提升煙絲配方的混合均勻度，而風力送絲和卷煙機的卷制過程會對配方煙絲的完整性產生一定的影響，從而造成煙絲加工過程中的配方組分的波動。

為進一步區分不同煙絲樣品間的差異，對熱重曲線進行微分處理，獲得了微分熱重（DTG）曲線（圖3）。由圖3可知，各煙絲樣品均經歷了5個熱失重階段，分別為脫水干燥（Stage I）、揮發性成分損失（Stage II）、半纖維素和纖維素分解（Stage III）、木質素分解與炭化（Stage IV）、無機鹽分解（Stage V）。各樣品的熱失重溫度區間和失重率數據見表1。由表1可知，不同煙絲樣品各階段的熱失重溫度區間均保持一致，但各樣品在同一溫度區間的失重率有差異，表明各樣品中煙絲配方組成存在一定差異。其中CPS在Stage II的失重率為15.29%，稍高于其他樣品，各樣品在纖維素類成分分解階段的失重率差異大，可能與配方組分含量波動有關。另外，從無機鹽分解階段的失重率看，JXQ、JXH和CPS樣品的失重率接近并高于其他樣品，這3個環節的樣品在加工過程中依此連續，風送和卷制后可能與過程中的除塵作用有關，使得樣品的失重率下降。

表2匯總了各樣品失重過程的熱解特征參數，FSH樣品的揮發分起始釋放溫度最高，為173.35 ℃，加香前后的樣品在Stage II的最大失重速率溫度較低；除FSH樣品外，其余樣品在Stage II的Tmax一致，均為313.12 ℃。各煙絲樣品在Stage II和III的最大失重速率差異相對明顯，表明煙絲樣品內揮發性成分和纖維素類成分的含量和穩定性有變化，揮發性成分釋放終止溫度范圍為377.45～390.75 ℃。基于上述特征參數計算獲得的綜合熱解指數CPI范圍為4.10×10-5 %·（min ×℃2）-1～4.65×10-5 %·（min ×

℃2）-1，標準配方煙絲樣品的CPI最低，且CPI隨著加工環節的進行呈現逐漸降低的趨勢。這表明煙絲的整體熱解特征隨著加工過程的推進逐漸接近于標準樣品。JXQ、JXH和CPS樣品的熱解殘余量較低，原因主要與三者在Stage V的失重率較高相關。

2.2 不同煙絲的熱解動力學特性分析

為進一步明確煙絲在加工過程中的熱解特性變化，利用Coats-Redfern熱分析動力學方法對不同樣品的熱解主要失重階段進行動力學分析，分別獲得了熱解機理函數和動力學參數，結果如表3所示。經動力學機理函數篩選，筆者發現各煙絲樣品在熱解階段II和III均符合F1.5級化學反應模型，各樣品的擬合曲線和相關系數見表3。從各樣品在2個階段的熱解活化能看，Stage II的活化能為95.16～97.52 kJ·mol-1，普遍高于Stage III的活化能。這與張果等[12]研究結果不同，原因可能與原料中揮發性成分存在形式有關。Stage II的指前因子A均高于Stage III，較高的指前因子表明單位時間內參與熱解反應的活化分子數目較多[13]。

將各階段的熱解活化能與BZS樣品對應活化能做差，以對比煙絲加工過程中各階段活化能值變化與差異，結果如圖4所示。經加香滾筒混配后的煙絲與BZS差異度較加香前小，但經配絲貯絲工序后的CPS在熱解階段II的活化能反而與BZS差距最大，階段III的活化能與BZS最接近，經風送后的煙絲樣品與BZS熱解活化能差距最小，煙槍出口的煙絲樣品在2個階段的活化能與BZS熱解活化能差異相對較大。這些數據表明，煙絲樣品在加工過程中配方組成發生了一定程度的波動，但該波動是否會引起卷煙感官質量的變化仍需進一步研究。

3 討論與結論

本研究運用熱重分析技術和基于Coats-Redfern熱分析動力學方法，針對不同加工環節煙絲進行熱解特性變化和差異分析。筆者發現，各個加工環節的煙絲在熱解過程中，其整體的失重規律呈現出基本一致的趨勢。此熱解過程中各煙絲樣品均經歷了5個熱失重階段，分別為脫水干燥（Stage I）、揮發性成分損失（Stage II）、半纖維素和纖維素分解（Stage III）、木質素分解與炭化（Stage IV）及無機鹽分解（Stage V）。煙葉的脫水干燥階段是加熱釋放氣溶膠的首要步驟，隨后是揮發性成分的損失階段，煙絲中的易揮發物質在此階段迅速釋放[14]。干燥揮發階段是煙葉低溫加熱狀態下的主要失重過程，該階段煙葉主要發生有機酸等低沸點小分子揮發性物質及果膠等部分大分子的分解釋放[15]。接下來是半纖維素和纖維素的分解階段，這些物質在高溫下逐漸分解成小分子物質。木質素的分解與炭化階段緊隨其后，木質素在此階段發生分解并逐漸炭化。最后是無機鹽的分解階段，煙絲中的無機鹽在此階段逐漸分解。值得注意的是，JXQ、JXH和CPS樣品的無機鹽分解階段失重率明顯高于其他樣品，原因可能是這些樣品在加工過程中所受的工藝條件與其他樣品有所不同，導致了無機鹽含量的差異。

各煙絲樣品的綜合熱解指數CPI范圍為4.10×10-5%·（min ×℃2）-1～4.65×10-5 %·（min ×℃2）-1。其中，BZS樣品的CPI為最低，隨著加工環節的逐步推進，這些煙絲樣品的CPI數值呈現出逐漸降低的趨勢，原因可能是煙絲在加工過程中受到高溫和氧氣的作用。在高溫環境下，煙絲內部的化學鍵可能變得不穩定，導致其熱解速度逐漸加快。同時，隨著熱解過程的進行，煙絲的失重率也隨之增大。為了驗證這一假設，筆者對階段II和III的熱分解過程進行了更為深入的研究。經過分析，筆者發現這些煙絲樣品在這2個階段的表現與F1.5級化學反應模型相符。這一發現為之前的推測提供了有力的證據支撐。它揭示了煙絲在熱解過程中的化學反應動力學參數存在一定的差異，在加工過程中煙絲的配方成分可能存在一定程度的波動。這一發現對于煙草行業來說具有深遠的意義，它不僅有助于我們更好地理解煙絲的熱解機理，優化加工工藝，提高煙絲品質，而且為煙葉配方的開發提供了重要的理論依據和技術支持。

綜上所述，本文對不同加工環節煙絲的熱解特性進行了深入研究，揭示了其不同煙絲在熱解過程中動力學參數的差異。然而，這些波動對于煙絲感官質量的具體影響還需要進一步的研究和分析。未來可以通過試驗驗證和感官評價等方法，深入探討加工環節對煙絲感官質量的影響，為提高卷煙品質提供理論支持和實踐指導。

參考文獻：

[1] 曾丹夢， 廖強， 易虹宇. 卷煙加工摻配過程混絲比例均勻性影響因素分析及改進[J]. 科學咨詢（教育科研）， 2021（8）： 33-35.

[2] 嚴志景， 丁乃紅， 張超， 等. 煙草混合均勻度衡量指標的構建[J]. 云南農業大學學報（自然科學）， 2013， 28（6）： 825-833.

[3] HEDGE R W. Some further work to establish a method of studying mixing during tobacco processing[R]. London： BAT， 1967.

[4] 王毅， 李勝群， 胡立中， 等. 煙草混合均勻度評價方法的研究[C]//2006年中國煙草學會工業專業委員會煙草工藝學術研討會. 北京： 中國煙草學會， 2006： 77-79.

[5] 趙科文， 陳實， 蔣浩， 等. 基于近紅外光譜技術的煙絲摻配均勻度測定[J]. 食品與機械， 2020， 36（11）： 183-188.

[6] 張亞平， 鄭豐， 張曉宇， 等. 基于熱分析技術的煙絲摻配均勻度測定方法[J]. 煙草科技， 2019， 52（7）： 83-88.

[7] 劉棟， 陳越立， 李華杰， 等. 取樣量、取樣次數對煙絲混合均勻性檢測的影響[J]. 鄭州輕工業學院學報（自然科學版）， 2013， 28（1）： 45-49.

[8] 劉玉葉， 王建民， 王暉， 等. 雪茄型卷煙風送及卷制過程對梗絲比例的影響[J]. 煙草科技， 2019， 52（10）： 85-91.

[9] 李強， 張果， 李俊， 等. 不同形態梗絲的熱解燃燒特性及動力學參數差異分析[J]. 輕工學報， 2022， 37（3）： 94-100.

[10] FAN Y Y， LI L W， TIPPAYAWONG N， et al. Quantitative structure-reactivity relationships for pyrolysis and gasification of torrefied xylan[J]. Energy， 2019， 188： 116119.

[11] LIANG M， YANG T， ZHANG G， et al. Effects of hydrochloric acid washing on the structure and pyrolysis characteristics of tobacco stalk[J]. Biomass Conversion and Biorefinery， 2023， 13（8）： 6817-6830.

[12] 張果， 岳先領， 葉建斌， 等. 不同涂布率再造煙葉的熱解特性及動力學分析[J]. 食品與機械， 2021， 37（5）： 39-46.

[13] CHEN D Y， LIU D， ZHANG H R， et al. Bamboo pyrolysis using TG-FTIR and a lab-scale reactor： analysis of pyrolysis behavior， product properties， and carbon and energy yields[J]. Fuel， 2015， 148： 79-86.

[14] 吳鍵， 張賈寶， 周國俊， 等. 加熱狀態下云南烤煙的熱失重特性及動力學分析[J]. 河南農業科學， 2022， 51（10）： 151-160.

[15] 凌軍， 王紹坤， 胡巍耀， 等. 煙葉熱分解過程及其動力學分析[J]. 西南農業學報， 2016， 29（4）： 976-981.

收稿日期：2024-02-12

基金項目：湖北中煙工業有限責任公司青年托舉項目；鄭州輕工業大學星空眾創空間項目（2021ZCKJ301）

作者簡介：王姍姍（1993—），女，湖北鐘祥人，工程師，碩士，主要從事卷煙加工技術研究。

通訊作者簡介：李俊（1991—），男，河南信陽人，工程師，碩士，主要從事制絲工藝技術研究。