辊切梗丝成丝工艺研究

朱 波，单 凯，关 欣，姚光明，徐大勇，毕思强，郭 亮，洪龙先，蒙建宝，韩 帅，陈广平*

1. 山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂，山东省青岛市崂山区株洲路137 号 266100

2. 红塔辽宁烟草有限责任公司，沈阳市和平区和平北大街26-2 号 110003

3. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

4. 山东中烟工业有限责任公司青州卷烟厂，山东省青州市玲珑山北路1818 号 262500

5. 广东中烟工业有限责任公司湛江卷烟厂，广东省湛江市赤坎区康乐路5 号 524033

6. 广西中烟工业有限责任公司南宁卷烟厂，南宁市西乡塘区北湖南路28 号 530001

烟梗是卷烟生产的重要原料之一［1］，在理化特性上与烟叶存在较大差异，应用前需要经过单独的工艺处理［2-3］。利用烟梗制成的梗丝具有良好的填充性和燃烧性［4-6］，但其形态结构与叶丝差异较大，大多以片状形式存在（以下称为片状梗丝），会影响卷烟配方均匀性和卷烟质量［7-8］，难以在细支卷烟和高档卷烟生产中推广应用。近年来针对烟梗成丝工艺已进行了大量研究。金勇等［9］分析了盘磨梗丝对卷烟质量的影响，发现添加盘磨梗丝可以降低卷烟吸阻和通风率、增大烟支硬度，同时降低烟气中CO 及HCN释放量。谷超林等［10］对比了再造梗丝与普通梗丝的使用性能，发现再造梗丝填充性能好且化学成分可调，其感官质量优于普通梗丝。丁美宙等［11］、廖晓祥等［12］研究发现卷烟中加入微波膨胀梗丝可以提升烟支物理质量和烟气指标的稳定性。但以上烟梗处理方法均存在预处理难度大、制成的丝状梗丝与叶丝形态差异大、感官质量难以提升、成丝效果不理想等问题。辊切法制梗丝技术是利用辊压切刀，对常规制梗丝线生产的片状梗丝进行二次切丝（辊轧进料和剪切成丝），进而获得宽度一致、感官质量良好、形状与叶丝接近的梗丝（以下称为辊切梗丝）。辊切梗丝的生产需要经过两次切丝过程，因此其工艺质量容易受片状梗丝的影响。片状梗丝过大、过薄会造成辊切梗丝碎丝增多，过小则会降低辊切梗丝中长丝比例。但目前关于工艺参数对片状梗丝和辊切梗丝的影响研究则鲜见报道。为此，考察了烟梗筛分、压梗、切梗厚度、膨胀强度、干燥方式5个工艺参数对片状梗丝和辊切梗丝质量的影响，设计了辊切梗丝成丝工艺流程并进行应用验证，旨在为提高梗丝工艺质量提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器和设备

材料：“人民大会堂（软红）”牌常规卷烟和“人民大会堂（硬红）”牌细支卷烟以及对应原材料（烟梗配方、叶组配方、料香配方等，均由营口卷烟厂提供）。

仪器和设备：YB-3 型烟丝振动分选筛（郑州嘉德机电科技有限公司）；ZD-T25 振动筛分仪（德国Haver & Boecker公司）；长键筛网振动分选筛（江苏智思控股集团有限公司）；PL203 型电子天平［梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司］；KBF 型恒温恒湿箱（德国Binder公司）；智能烟丝弹性测定仪（郑州嘉德机电科技有限公司）；GDS-410型梗丝填充值测定仪（郑州嘉德机电科技有限公司）；抗破碎仪（中国烟草总公司郑州烟草研究院）；CCD 数码相机（日本佳能株式会社）；CWT200 烟丝宽度测定仪（中国科学院安徽光学精密机械研究所）；TA.XT Plus 质构仪（英国Stable Micro System公司）；沈阳卷烟厂1 500 kg/h制梗丝生产线、营口卷烟厂1 500 kg/h 制梗丝生产线、沈阳卷烟厂500 kg/h辊切梗丝生产线（江苏智思控股集团有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品制备

①采用长键筛网振动分选筛（孔径20.0 mm×4.5 mm）对烟梗进行筛分，经过浸梗、贮梗、压梗（压梗厚度0.8 mm）后切成不同厚度的片状梗丝（物料流量2 800 kg/h）；②片状梗丝经膨胀、干燥后辊切为宽度1.0 mm 的梗丝（物料流量为300 kg/h）。考察筛分、压梗、切梗厚度、膨胀强度、干燥方式5个工艺参数、共设置9种处理方式对片状梗丝和辊切梗丝质量的影响，具体参数组合见表1。待设备运行稳定后，分别在烘丝和辊切工序出口处取样，将梗丝样品置于温度（22±1）℃、相对湿度（60±2）%环境下平衡48 h备用。

表1 实验设计表Tab.1 Design of experiments

1.2.2 片状梗丝取样方法

采用振动筛分仪对片状梗丝进行分层处理，统计各层筛网上样品占比，通过简单随机取样法按样品占比选取适当数量的片状梗丝。具体步骤：①将片状梗丝样品均匀混合，置于温度（22±1）℃、相对湿度（60±2）%的环境中平衡48 h。②测量各层筛网（方形孔，孔径分别为8.00、6.70、5.60、4.75、4.00、3.35、2.80、2.00、1.40 和0.70 mm）的净重并记录数据；③将筛网按照孔径由大到小的顺序依次安置在筛框内，选取100 g 片状梗丝样品置于最上层筛网上，盖上顶盖固定手柄；④设置筛分仪振动频率230 r/min，振动时间4 min，逆时针和顺时针各筛分2 min；⑤取出筛网，称量并记录筛网及筛网上样品质量；⑥计算片状梗丝（0.70 mm 筛网下样品呈碎末状，统计为碎丝；0.70 mm筛网上样品呈丝状，统计为丝状梗丝；1.40～8.00 mm筛网上样品呈片状，统计为片状梗丝）总质量及各层筛网上样品占总质量的比例，按比例对片状梗丝取样，共抽取100根，重复3次。

1.2.3 测试方法

如图1所示，根据文献［13］测量片状梗丝的实际面积，以反映片状梗丝尺寸的最长边L为直径做外接圆，片状梗丝实际面积与外接圆面积的比值即为片状梗丝的形状系数R。R 值越接近1，片状梗丝形态越接近圆形，以任何角度进入辊切机，其成丝效果（梗丝结构）均最优。在片状梗丝的力学特性中，使用TA.XT Plus 质构仪（下降速率为30 mm/min）检测剪切强度和穿透力；按照文献［14-15］测定柔软度和破碎度，每个样品重复3次，取平均值。按照文献［16-18］测定片状梗丝及辊切梗丝样品的填充值、弹性和结构。采用烟丝宽度测量仪测定辊切梗丝的宽度和长度。

图1 片状梗丝形状系数示意图Fig.1 Schematic diagram of form coefficient of flake-shaped cut stem

2 结果与分析

2.1 筛分对片状梗丝质量的影响

烟梗经过筛分可以去除梗拐、细梗以及15 mm以下的短梗，降低碎梗比例，提高片状梗丝质量。由表2可知，烟梗筛分处理后片状梗丝结构得到显著改善，整丝率和长丝率分别增加1.72和3.08百分点，中丝率、短丝率和碎丝率分别降低1.36、0.75 和0.97 百分点。

表2 烟梗筛分处理前后片状梗丝结构对比Tab.2 Structure comparison of cut stems before and after tobacco stem screening

2.2 压梗对片状梗丝质量的影响

压梗过程中烟梗产生较大形变，内部结构受到一定程度破坏，从而影响片状梗丝质量。由表3 可知，与压梗处理相比，未压梗处理的片状梗丝整丝率、长丝率分别提高3.31、8.88百分点，中丝率和短丝率分别降低5.58和3.55百分点，碎丝率差异较小；弹性提高6.85百分点；长度5～15 mm片状梗丝形状系数增大，长度15 mm 以上片状梗丝的形状系数差异较小；力学指标中，剪切力、穿透力和柔软度分别增加 8.64、4.22 和 4.58 g，破碎度减小 0.55 百分点。由于柔软度、破碎度与柔软性、抗破碎能力均呈负相关，说明压梗处理破坏了烟梗内部的纤维组织结构，提高了片状梗丝柔软性，但同时也降低了片状梗丝的剪切力、穿透力和抗破碎能力；未经过压梗处理的片状梗丝柔软性较差，但耐加工性提高，可以减少后序加工过程中的造碎。

表3 压梗处理前后片状梗丝质量对比Tab.3 Quality comparison of flake-shaped cut stems before and after stem flattening

2.3 切梗厚度和膨胀强度对片状梗丝质量的影响

由表4可见，切梗厚度为0.15 mm，膨胀强度（汽料比）为0.45时片状梗丝形状系数整体上较高，但切梗厚度和膨胀强度会对片状梗丝产生交互影响。由图2可知，切梗厚度相同时，随着汽料比的增大，整丝率和中丝率呈降低趋势，长丝率无明显变化，短丝率和碎丝率呈升高趋势；汽料比相同时，随着切梗厚度的增加，整丝率升高，中丝率先增大后减小，短丝率和碎丝率均有所降低，长丝率无明显变化。

由表5 可见，切梗厚度相同时，随着汽料比的增大，剪切力、穿透力和柔软度均呈降低趋势，破碎度呈增大趋势；汽料比相同时，随着切梗厚度的增加，剪切力和穿透力均呈增大趋势，柔软度和破碎度均先降低后增高。当切梗厚度为0.15 mm、汽料比为0.33 时，剪切力、穿透力和柔软性均较好，破碎度最小，说明在此加工强度下片状梗丝的耐加工性较好，抗破碎性最好，有利于减少后续加工过程中的造碎。结合表4、表5和图2数据可以看出，相同切梗厚度下，随着汽料比的增大，片状梗丝形状系数增大，但片状梗丝结构和力学特性变差。综合考虑，选择切梗厚度为0.15 mm、汽料比为0.33的加工强度。

表4 膨胀强度对片状梗丝形状系数的影响①Tab.4 Effect of expansion intensity on form coefficient of flake-shaped cut stem

图2 不同切梗厚度和膨胀强度下片状梗丝结构对比Fig.2 Structure of flake-shaped cut stems under different cut widths and expansion intensities

表5 不同切梗厚度和膨胀强度下片状梗丝力学指标对比Tab.5 Mechanical properties of flake-shaped cut stems under different cut widths and expansion intensities

2.4 干燥方式对片状梗丝和辊切梗丝质量的影响

2.4.1 片状梗丝

研究发现，气流烘丝干燥能力强，通过片状梗丝与高温工艺气体充分接触，可以使片状梗丝快速脱水定型，强化梗丝膨胀效果。由表6可知，不同长度片状梗丝经气流干燥后形状系数均大于滚筒干燥。

表6 不同干燥方式下片状梗丝形状系数对比Tab.6 Form coefficient of flake-shaped cut stems under different drying means

2.4.2 辊切梗丝

采用不同干燥方式进行烘丝处理，并对制得的片状梗丝进行辊切，分别测定不同干燥方式下辊切梗丝的物理质量。由表7可见，与滚筒干燥相比，气流干燥处理后辊切梗丝的整丝率和长丝率分别增加17.30、20.05百分点；中丝率差异较小，而短丝率和碎丝率分别降低10.91、6.41百分点；辊切梗丝弹性和填充值分别增加0.78百分点和2.54 cm3/g。因此，采用气流干燥方式可以提高片状梗丝形状系数，改善辊切梗丝结构。

表7 不同干燥方式下辊切梗丝质量对比Tab.7 Quality of roller cutting stems under different drying means

2.5 辊切梗丝成丝工艺流程设计

如图3所示，辊切梗丝成丝工艺流程分为3个工段：烟梗处理段、制片状梗丝段和辊切梗丝段。该工艺流程具有3个特点：①通过多级筛分，筛去细梗和梗拐，保证烟梗质量和尺寸更加一致；②取消压梗工序并优化片状梗丝的切梗厚度、膨胀强度、干燥方式等工艺参数，提高片状梗丝形状系数和耐加工性；③采用辊切方式对片状梗丝进行切丝，同时增加与辊切设备配套的松散和均铺等工序。

图3 辊切梗丝成丝工艺流程图Fig.3 Process flow chart of roller cutting tobacco stem

2.6 辊切梗丝成丝工艺应用效果

由图4可见，与常规梗丝相比，辊切梗丝尺寸小，丝状度好，梗丝结构和宽度均匀性较高，形态更接近叶丝。由表8可见，物理质量方面，辊切梗丝除宽度合格率提高49.49百分点外，弹性、出丝率、整丝率和填充值均有所降低，但降幅均在可控范围内。由于烟梗价格较低，在配伍性和可用性提高的前提下，可以忽略物理质量的降低。感官质量方面，辊切梗丝的配伍性明显优于常规梗丝，在木质气、刺激性、燃烧均匀性以及余味等方面表现良好，适宜添加到卷烟中。

图4 常规梗丝、辊切梗丝与叶丝形态对比Fig.4 Morphology of conventional cut stems, roller cutting stems and tobacco strips

表8 辊切梗丝、常规梗丝物理质量与感官质量对比Tab.8 Comparison of physical properties and sensory quality of conventional cut stems and roller cutting stems

3 结论

对辊切梗丝成丝工艺进行了研究和应用，结果表明：①增加烟梗筛分工序，可以改善片状梗丝的物理质量；取消压梗工序，可以提高片状梗丝整体形状系数，改善片状梗丝结构和耐加工性；切梗厚度为0.15 mm、汽料比为0.33时，片状梗丝耐加工性较好，抗破碎性最好；与滚筒干燥相比，气流干燥下片状梗丝形状系数较好，辊切梗丝结构有所提升。②确定了辊切梗丝成丝工艺流程，在此流程中增加了烟梗筛分工序，取消了压梗工序，增加了辊切及配套的松散和均铺工序。③实际应用效果显示，与常规梗丝相比，辊切梗丝宽度合格率超过99%，弹性、出丝率、整丝率和填充值有所下降，其降幅均在可控范围内，卷烟叶组配伍性和感官质量良好，适宜添加到卷烟中。