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本文作者：喬學(xué)義1魯端峰1溫若愚2丁美宙3姚光明1王兵1作者單位：1.煙草行業(yè)煙草工藝重點實驗室2.川渝中煙工業(yè)公司技術(shù)研發(fā)中心3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心

配葉貯葉是卷煙制絲加工關(guān)鍵工序，其加工方法是將加料后的煙片輸送至貯葉柜，并在環(huán)境溫濕度條件恒定的貯葉房中貯存至少2h以上，以滿足煙片充分吸收料液的加工要求［1］。由于配葉貯葉工序的煙片貯存時間較長，卷煙企業(yè)需要投入大量資金建造貯葉房和購買貯葉柜，同時也影響了卷煙制絲生產(chǎn)效率的提高，為此，有必要對烤煙煙片吸料速率及影響因素進行研究，找出縮短配葉貯葉時間的加工方式和方法。近年來，國內(nèi)外在煙草加料設(shè)備改進、加料均勻性檢測等方面進行了一些研究［2－7］，改善了加料效果，但對于烤煙煙片吸料速率方面的研究還未見報道。因此，筆者通過研究烤煙煙片吸收料液的動力學(xué)行為，并對影響煙片吸料速率的微觀結(jié)構(gòu)、料液溫度和含水率等因素進行分析，旨在為卷煙加料和配葉貯葉工序加工工藝的選擇與條件設(shè)定提供依據(jù)。

1材料與方法

1．1材料

云南2009年打葉復(fù)烤后的烤煙煙片，包括B1F、C3F和X3F3個等級;國產(chǎn)某五類牌號卷煙料液，由河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供。主要儀器:JFC-1600型離子濺射儀，日本電子株式會社;SN-3400Ⅱ型掃描電子顯微鏡，日本HITACHI公司;恒溫水浴鍋，上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限責(zé)任公司;ML104電子天平(感量0．0001g)，瑞士梅特勒－托利公司。

1．2方法

1．2．1料液吸收動力學(xué)試驗。借鑒國內(nèi)外液相吸附動力學(xué)的測定方法［9－13］研究烤煙煙片吸收料液的動力學(xué)行為，具體測試過程如下:將烤煙煙片在恒溫恒濕環(huán)境中平衡水分后，分別裁剪成規(guī)則的煙片(正方形，邊長25mm)和葉絲樣品(長25mm，寬1mm)。取50ml料液，轉(zhuǎn)移進放置在恒溫水浴中的200ml燒杯中，加入烤煙煙片(葉絲)樣品，為使得烤煙煙片(葉絲)完全浸沒于料液中，采用濾網(wǎng)將其按壓于料液液面之下，試驗過程中每間隔30min將煙片(葉絲)從料液中取出，用濾紙快速除掉煙片(葉絲)表面粘附的料液，稱重后，再將其放入相同料液中。采用式(1)計算煙片(葉絲)的料液吸附量：（略）。

1．2．2微觀結(jié)構(gòu)掃描與圖像分析。將烤煙煙片樣品截成小段(約5mm)，固定于樣品臺，經(jīng)離子濺射儀上真空干燥、噴金鍍膜后，于掃描電子顯微鏡上觀察、拍攝取圖。電鏡工作電壓為15kV，拍攝工作距離約58mm。采用ZeissMIAPS圖像分析軟件分析烤煙煙片電鏡掃描照片，測定煙片葉面和截面單位面積孔數(shù)量和孔面積，采用式(2)計算孔率:（略）。

2結(jié)果與分析

2．1烤煙煙片料液吸收動力學(xué)

由圖1可知，在同一料液溫度(22℃)條件下，烤煙煙片(含水率13%)吸料量隨吸料時間的增長逐漸增加，在達到一定值后，料液的吸附和解吸速率達到平衡，吸料量保持穩(wěn)定。為全面研究煙片吸收料液的動力學(xué)特性，找到最符合描述其吸收過程的動力學(xué)模型，該試驗選擇一級動力學(xué)方程(式3)和二級動力學(xué)方程(式4)［9－10］對圖1中的數(shù)據(jù)進行擬合，擬合直線見圖2和圖3，通過曲線斜率和截距計算得到的動力學(xué)參數(shù)見表1。

（動力學(xué)方程略）。

由表1可知，2種動力學(xué)方程擬合程度均比較高，其中二級動力學(xué)方程擬合程度高于一級動力學(xué)方程(R＞0．997)，說明二級動力學(xué)方程包含煙片吸收料液的所有過程，二級吸附速率常數(shù)的大小可以反映煙片吸料速率的快慢。

2．2微觀結(jié)構(gòu)對烤煙煙片吸料速率的影響

烤煙煙片葉面(上表面和下表面)和截面微觀結(jié)構(gòu)電鏡掃描照片見圖4，葉面和截面孔數(shù)量和孔率見表2。由圖4和表2可知，烤煙煙片由連續(xù)的固相框架和孔隙組成，屬于多孔材料;烤煙煙片葉面光滑致密，呈褶皺狀，分布有少量橢圓形氣孔、腺毛等，上表面孔數(shù)量90～284個/mm2，孔率為0．17%～0．46%，下表面孔數(shù)量為309～424個/mm2，孔率為0．53%～0．88%;截面組織結(jié)構(gòu)疏松，孔數(shù)量和密度較高，孔隙形狀呈不規(guī)則的多面體構(gòu)型，截面孔數(shù)量為7653～12163個/mm2，孔率為29．37%～53．28%;葉面和截面相比，結(jié)構(gòu)形態(tài)顯著不同，截面孔數(shù)量為葉面的17～76倍，孔率為葉面的33～183倍。

由烤煙煙葉植物學(xué)解剖結(jié)構(gòu)［8］可知，烤煙煙片的葉面主要為疏水的蠟質(zhì)層和角質(zhì)層，由于卷煙加料工序所用料液為水溶液，因此加料后粘連在煙片表面的料液僅能通過煙片葉面和截面的孔隙吸收進其組織內(nèi)部，即烤煙煙片表面的孔隙為吸收料液的通道。為增加煙片表面吸收料液的通道數(shù)量和面積，將煙片制成葉絲(含水率13%)，并測定葉絲的二級吸附速率常數(shù)，依次為上部葉絲，19．995mg/(g•min);中部葉絲，25．893mg/(g•min);下部葉絲，10．234mg/(g•min)。結(jié)合表1可知，葉絲的二級吸附速率常數(shù)為煙片的2．2～3．1倍，說明葉絲對料液的吸收顯著快于煙片。

2．3含水率對烤煙煙片吸料速率影響

由表3可知，在同一料液溫度(22℃)條件下，隨著含水率逐漸增大，煙片的二級吸附速率常數(shù)逐漸減小，說明煙片料液吸收速率隨著其含水率的增大逐漸降低。葉片料液吸收速率隨著含水率增大而逐漸降低的原因可能是不同含水率的葉片內(nèi)孔表面料液吸附位點數(shù)量不同，煙片對料液的吸收是一個料液分子擴散進煙片和葉絲組織內(nèi)部，并占據(jù)其內(nèi)孔表面吸附位點的過程，在同一含水率條件下，葉片內(nèi)孔表面料液吸附位點的數(shù)量相同，但隨著含水率的增大，部分空缺的料液吸附位點會被水分子占據(jù)，致使料液吸附位點數(shù)量減少，此時吸收進葉片組織內(nèi)部的料液分子要占據(jù)更多的吸附位點，需和水分子競爭，因而料液吸收速率降低。

2．4料液溫度對烤煙煙片吸料速率影響

由表4可知，在同一含水率(13%)條件下，隨著料液溫度的增高，煙片的二級吸附速率常數(shù)顯著增大，當料液溫度由30℃提高60℃時，煙片的二級吸附速率常數(shù)至少增大5倍，說明煙片對料液的吸收是一個吸熱過程，提高料液溫度可顯著提高煙片吸料速率。

3結(jié)論與討論

目前卷煙工業(yè)企業(yè)在煙片制絲生產(chǎn)過程中普遍采用在葉片上加料的工藝，料液溫度為40～60℃，加料后的煙片含水率為18%～20%，同時為使得煙片充分吸收料液，在加料后需將葉片貯存2h以上［1］。該研究結(jié)果表明，烤煙煙片吸收料液的過程符合二級動力學(xué)方程，將烤煙煙片制成葉絲、提高料液溫度、降低煙片含水率，均可顯著增大煙片吸料速率。因此，卷煙企業(yè)在煙片制絲加工過程中，可將煙片先切絲再加料，同時在適宜的范圍內(nèi)，應(yīng)選擇較高的料液溫度和較低的煙片含水率，以縮短加料后物料貯存時間，提高制絲生產(chǎn)效率。

烤煙煙片的微觀結(jié)構(gòu)與卷煙制絲加工質(zhì)量密切相關(guān)［14－15］。孔臻等研究了膨脹煙絲、天然煙絲等的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)煙絲表面光滑，有大量褶皺，截面組織褶皺較深，分布有大量孔隙［14－15］。筆者的研究表明，烤煙煙片屬于多孔材料，葉面和截面結(jié)構(gòu)形態(tài)不同，葉面光滑致密，呈褶皺狀，截面組織結(jié)構(gòu)疏松，孔數(shù)量和密度較高，孔隙形狀呈不規(guī)則的多面體構(gòu)型，與孔臻等研究結(jié)果相同;同時對煙片葉面和截面的孔數(shù)量和孔率測定結(jié)果表明，烤煙煙片截面的孔數(shù)量和孔率顯著大于葉面，因此，將煙片制成葉絲后，有利于增大烤煙煙片表面孔數(shù)量和孔率。關(guān)于煙片制成葉絲后的熱物性、吸濕性等變化有待進一步研究。