烟片吸料速度与影响要素

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本文作者：乔学义1鲁端峰1温若愚2丁美宙3姚光明1王兵1作者单位：1.烟草行业烟草工艺重点实验室2.川渝中烟工业公司技术研发中心3.河南中烟工业有限责任公司技术研发中心

配叶贮叶是卷烟制丝加工关键工序，其加工方法是将加料后的烟片输送至贮叶柜，并在环境温湿度条件恒定的贮叶房中贮存至少2h以上，以满足烟片充分吸收料液的加工要求［1］。由于配叶贮叶工序的烟片贮存时间较长，卷烟企业需要投入大量资金建造贮叶房和购买贮叶柜，同时也影响了卷烟制丝生产效率的提高，为此，有必要对烤烟烟片吸料速率及影响因素进行研究，找出缩短配叶贮叶时间的加工方式和方法。近年来，国内外在烟草加料设备改进、加料均匀性检测等方面进行了一些研究［2－7］，改善了加料效果，但对于烤烟烟片吸料速率方面的研究还未见报道。因此，笔者通过研究烤烟烟片吸收料液的动力学行为，并对影响烟片吸料速率的微观结构、料液温度和含水率等因素进行分析，旨在为卷烟加料和配叶贮叶工序加工工艺的选择与条件设定提供依据。

1材料与方法

1．1材料

云南2009年打叶复烤后的烤烟烟片，包括B1F、C3F和X3F3个等级;国产某五类牌号卷烟料液，由河南中烟工业有限责任公司提供。主要仪器:JFC-1600型离子溅射仪，日本电子株式会社;SN-3400Ⅱ型扫描电子显微镜，日本HITACHI公司;恒温水浴锅，上海浦东荣丰科学仪器有限责任公司;ML104电子天平(感量0．0001g)，瑞士梅特勒－托利公司。

1．2方法

1．2．1料液吸收动力学试验。借鉴国内外液相吸附动力学的测定方法［9－13］研究烤烟烟片吸收料液的动力学行为，具体测试过程如下:将烤烟烟片在恒温恒湿环境中平衡水分后，分别裁剪成规则的烟片(正方形，边长25mm)和叶丝样品(长25mm，宽1mm)。取50ml料液，转移进放置在恒温水浴中的200ml烧杯中，加入烤烟烟片(叶丝)样品，为使得烤烟烟片(叶丝)完全浸没于料液中，采用滤网将其按压于料液液面之下，试验过程中每间隔30min将烟片(叶丝)从料液中取出，用滤纸快速除掉烟片(叶丝)表面粘附的料液，称重后，再将其放入相同料液中。采用式(1)计算烟片(叶丝)的料液吸附量：（略）。

1．2．2微观结构扫描与图像分析。将烤烟烟片样品截成小段(约5mm)，固定于样品台，经离子溅射仪上真空干燥、喷金镀膜后，于扫描电子显微镜上观察、拍摄取图。电镜工作电压为15kV，拍摄工作距离约58mm。采用ZeissMIAPS图像分析软件分析烤烟烟片电镜扫描照片，测定烟片叶面和截面单位面积孔数量和孔面积，采用式(2)计算孔率:（略）。

2结果与分析

2．1烤烟烟片料液吸收动力学

由图1可知，在同一料液温度(22℃)条件下，烤烟烟片(含水率13%)吸料量随吸料时间的增长逐渐增加，在达到一定值后，料液的吸附和解吸速率达到平衡，吸料量保持稳定。为全面研究烟片吸收料液的动力学特性，找到最符合描述其吸收过程的动力学模型，该试验选择一级动力学方程(式3)和二级动力学方程(式4)［9－10］对图1中的数据进行拟合，拟合直线见图2和图3，通过曲线斜率和截距计算得到的动力学参数见表1。

（动力学方程略）。

由表1可知，2种动力学方程拟合程度均比较高，其中二级动力学方程拟合程度高于一级动力学方程(R＞0．997)，说明二级动力学方程包含烟片吸收料液的所有过程，二级吸附速率常数的大小可以反映烟片吸料速率的快慢。

2．2微观结构对烤烟烟片吸料速率的影响

烤烟烟片叶面(上表面和下表面)和截面微观结构电镜扫描照片见图4，叶面和截面孔数量和孔率见表2。由图4和表2可知，烤烟烟片由连续的固相框架和孔隙组成，属于多孔材料;烤烟烟片叶面光滑致密，呈褶皱状，分布有少量椭圆形气孔、腺毛等，上表面孔数量90～284个/mm2，孔率为0．17%～0．46%，下表面孔数量为309～424个/mm2，孔率为0．53%～0．88%;截面组织结构疏松，孔数量和密度较高，孔隙形状呈不规则的多面体构型，截面孔数量为7653～12163个/mm2，孔率为29．37%～53．28%;叶面和截面相比，结构形态显著不同，截面孔数量为叶面的17～76倍，孔率为叶面的33～183倍。

由烤烟烟叶植物学解剖结构［8］可知，烤烟烟片的叶面主要为疏水的蜡质层和角质层，由于卷烟加料工序所用料液为水溶液，因此加料后粘连在烟片表面的料液仅能通过烟片叶面和截面的孔隙吸收进其组织内部，即烤烟烟片表面的孔隙为吸收料液的通道。为增加烟片表面吸收料液的通道数量和面积，将烟片制成叶丝(含水率13%)，并测定叶丝的二级吸附速率常数，依次为上部叶丝，19．995mg/(g•min);中部叶丝，25．893mg/(g•min);下部叶丝，10．234mg/(g•min)。结合表1可知，叶丝的二级吸附速率常数为烟片的2．2～3．1倍，说明叶丝对料液的吸收显著快于烟片。

2．3含水率对烤烟烟片吸料速率影响

由表3可知，在同一料液温度(22℃)条件下，随着含水率逐渐增大，烟片的二级吸附速率常数逐渐减小，说明烟片料液吸收速率随着其含水率的增大逐渐降低。叶片料液吸收速率随着含水率增大而逐渐降低的原因可能是不同含水率的叶片内孔表面料液吸附位点数量不同，烟片对料液的吸收是一个料液分子扩散进烟片和叶丝组织内部，并占据其内孔表面吸附位点的过程，在同一含水率条件下，叶片内孔表面料液吸附位点的数量相同，但随着含水率的增大，部分空缺的料液吸附位点会被水分子占据，致使料液吸附位点数量减少，此时吸收进叶片组织内部的料液分子要占据更多的吸附位点，需和水分子竞争，因而料液吸收速率降低。

2．4料液温度对烤烟烟片吸料速率影响

由表4可知，在同一含水率(13%)条件下，随着料液温度的增高，烟片的二级吸附速率常数显著增大，当料液温度由30℃提高60℃时，烟片的二级吸附速率常数至少增大5倍，说明烟片对料液的吸收是一个吸热过程，提高料液温度可显著提高烟片吸料速率。

3结论与讨论

目前卷烟工业企业在烟片制丝生产过程中普遍采用在叶片上加料的工艺，料液温度为40～60℃，加料后的烟片含水率为18%～20%，同时为使得烟片充分吸收料液，在加料后需将叶片贮存2h以上［1］。该研究结果表明，烤烟烟片吸收料液的过程符合二级动力学方程，将烤烟烟片制成叶丝、提高料液温度、降低烟片含水率，均可显著增大烟片吸料速率。因此，卷烟企业在烟片制丝加工过程中，可将烟片先切丝再加料，同时在适宜的范围内，应选择较高的料液温度和较低的烟片含水率，以缩短加料后物料贮存时间，提高制丝生产效率。

烤烟烟片的微观结构与卷烟制丝加工质量密切相关［14－15］。孔臻等研究了膨胀烟丝、天然烟丝等的微观结构，结果发现烟丝表面光滑，有大量褶皱，截面组织褶皱较深，分布有大量孔隙［14－15］。笔者的研究表明，烤烟烟片属于多孔材料，叶面和截面结构形态不同，叶面光滑致密，呈褶皱状，截面组织结构疏松，孔数量和密度较高，孔隙形状呈不规则的多面体构型，与孔臻等研究结果相同;同时对烟片叶面和截面的孔数量和孔率测定结果表明，烤烟烟片截面的孔数量和孔率显著大于叶面，因此，将烟片制成叶丝后，有利于增大烤烟烟片表面孔数量和孔率。关于烟片制成叶丝后的热物性、吸湿性等变化有待进一步研究。