高温高湿法梗丝膨胀技术综述（图）

摘要　现代卷烟生产要求降低卷烟成本，降低卷烟中焦油的含量，提高卷烟安全性。膨胀梗（烟）丝是实现上述要求的手段之一。针对目前梗丝质量存在的问题，加大对梗丝处理方法的研究力度，提高梗丝的品质，改进其在卷烟产品中的可用性具有重要意义。本文把膨胀技术大致分为三类：高温高湿法、微波膨胀法和ESS技术。其中着重介绍了高温高湿法膨胀梗丝的技术路线。

　　关键词　高温高湿　梗丝膨胀技术　综述

　　随着人民生活水平的不断提高和科学技术的进步，吸烟对健康的影响越来越受到关注。降低焦油含量是当今卷烟工业发展急需解决的问题之一。卷烟焦油量受烟丝组分、烟支燃烧物质数量、燃烧条件及过滤、稀释等因素的影响。梗丝对于改善卷烟燃烧有着重要作用，使用膨胀梗丝是降低卷烟焦油量的方法之一。本文对现有梗丝膨胀技术作了简要的综述，其中着重介绍了高温高湿法膨胀梗丝的技术原理和具体的技术工序。

　　一、梗丝膨胀技术原理

　　烟梗结构中约有70%是毛细管和细胞部份，30%属于木质支撑部分。水份渗透到烟梗的全部组织结构中，烟梗的体积将增大；再经高温高湿的气流处理，使梗丝组织结构内水蒸汽的分压力增加，造成毛细管和细胞结构进一步胀大，然后将烟梗内的水份含量快速降至某一定值，固定其膨胀了的体积。

　　由于烟梗主要是由皮层、木质部、韧皮部、形成层、芯等构成，细胞壁较厚，纤维等坚韧物质含量多。梗丝在高温湿条件下，经水、汽冲散浸润，梗丝细胞组织能够充分吸湿胀大，同时内含亲水性物质也吸湿胀大。在干燥脱水时，这些亲水性物质分子团重新排列，支链状结构变成复杂网状结构，使得梗丝细胞组织结构进一步膨松胀大。因此，梗丝膨胀主要原因在于膨胀介质对梗丝组织结构的浸润湿胀作用。

　　二、高温高湿法

　　（一）技术简介

　　高温高湿的处理方法：即以水为膨胀介质，以高温（102-106℃）、高湿（R.H=37-40%）为手段，使烟梗内部的水蒸汽压力增大，从而导致烟草的毛细管和细胞胀大，其体积明显扩大，然后快速干燥。在此过程中，把梗丝中某些纤维的高填充容积固定下来，完成梗丝膨胀的目的。

　　梗丝膨胀工序流程图

　　（二）现有工序评价

　　1、洗梗工序

　　洗梗是烟梗预处理中的关键工序之一。其目的是增加烟梗的含水率，提高烟梗的柔软度和可塑性，减少在压梗、切梗等工序中的损耗，简便易行的方法就是目前国内外常用的蒸梗和洗梗。洗梗工艺是利用恒温循环水对打后烟梗进行在线处理。设备的波纹状槽底便于水在一定流速下形成波纹以冲击烟梗，使烟梗在水槽中连续翻滚而得以充分清洗。然后经滤水网带进入储梗柜进行回软。烟梗经过洗梗及回软后，水分一般增加15%左右，能满足切丝工艺的要求。对采用洗梗前后梗丝质量进行综合对比，结果见表l、表2。

　　从表1、表2可以看出，洗梗与未洗梗相比，梗签剔出率比原来下降15%以上。填充值提高15%左右。梗丝的总体质量水平和梗丝的有效利用率明显的上升。烟梗经水洗预处理后，切后的梗丝手感柔软，梗签、梗块少，梗丝膨胀效果很好，烘后的梗丝颜色比原来深，接近烟丝的色泽。很明显洗梗工序能提高烟梗的预处理效果，对提高梗丝质量有很大帮助。

　　（1）水速与水位对烟梗的影响

　　洗梗工艺用的是恒温循环水，水速过慢，槽内水流平稳，烟梗浮在水面上平稳地飘过水槽，烟梗洗净率差；如果水流达到一定速度，形成湍流，烟梗随波纹状水流翻滚而过，则洗净率高。另外，若水位过高，则水流波纹状不明显，烟梗在经过水槽时受不到底槽的撞击作用，不利于提高洗净率。

　　（2）水温对烟梗的影响

　　水温升高，有利于增大烟梗表面一些亲水性物质的溶解度，削弱烟梗表面的“屏障作用”，增加水分子动能，加快水分向烟梗内部的扩散速度，所以适当提高水温是提高烟梗洗净率、缩短储梗时间的有效途径。但水温过高易造成烟梗回软后水分过大。一般认为，水温设定在50℃左右、储存时间为3h的条件下，梗丝质量较理想。而且在50℃左右，蒸汽消耗大大降低，蒸汽压力达到0.6MPa即可满足生产要求。

　　（3）落水速度

　　烟梗在进料端的垂直落水速度越大，烟梗越充分浸入水中，有利于其在水中翻滚，提高洗净率。
　　

表1　采用水洗方式

　　

表2　未采用水洗方式

　　2、储梗：储梗时间与膨胀率的关系

　　由于烟梗吸收水分的能力较差，润梗加潮时，水分多吸附在梗的表皮层上。因此，润梗后烟梗必须储存一定的时间，才能使水分得到充分平衡，内外一致，此时的烟梗韧性好，切出的梗丝均匀、柔软，给后道工序的增温增湿提供良好的条件，使梗丝能够在短时间内获得膨胀塔所要求的来料温度和水分。梗丝经过膨胀塔后，膨胀均匀，膨胀率高。反之，储存时间短，因水分不能充分渗透到烟梗内部，外绵内硬，切丝时易出现跑块、切碎现象，且均匀性差，膨胀率必然低。

　　图1　储梗时间与膨胀率的关系曲线图

　　从图1中可以看出，储梗时间在0-2小时之间时，随着时间延长，填充值增加明显；储梗时间在2-4小时之间时，填充值增加幅度有所减缓；储梗时间超过4小时以上，对填充值增加不明显。因此，要求储梗时间不低于4小时，但是由于受储梗柜数量和生产任务的限制，储梗时间保证一般在2-4小时之间。

　　3、压梗

　　膨胀梗丝要达到较好的效果，要求梗丝宽度适宜、组织结构破损较少、成丝率要高。组织结构破坏严重的梗丝，不仅无法膨胀，而且造碎严重。压梗是解决上述问题的重要手段。目前，国内专家对梗丝形变过程，普遍提出了“厚压薄切”的工艺观点，也有的提出不压梗的工艺观点。提出不压梗的专家认为：无论怎样压梗，都会不同程度破坏烟梗内部结构，并且降低烟梗弹性，致使烟梗在切丝过程中再次受压形变时，不容易形成坚实的“烟饼”导致跑梗现象增加。尤长虹等研究后认为甲级烤烟型卷烟的压梗厚度值宜取1.2-1.4mm（见表3）。
　　

表3　压梗厚度对梗丝质量的影响

　　4、切梗

　　（1）切梗厚度对烟梗膨胀的影响

　　传统的制梗工艺规定，切梗宽度为0.2-0.25mm。目前，大多数烟厂采用“厚压薄切”工艺，使切丝宽度小于0.2mm。有报道认为，切梗宽度为0.1-0.12mm时梗丝膨胀效果良好，但是切丝难度较大。不同的切梗宽度对应着不同的梗丝整丝率、碎丝率、填充值以及剔梗率。要使梗丝取得较好的膨胀效果，成丝率高，含末量与含杂量少，就要求有适宜的切丝宽度。切梗丝过宽，烘后梗丝缺乏弹性，过窄则造碎大，含末率高。在烟支重量基本相同的情况下，烟支吸阻、抽吸口数、总粒相物、焦油和一氧化碳量随切丝宽度的增加呈先下降后上升的趋势，结果见表4。

　　（2）切梗角度对烟梗膨胀的影响

　　切梗角度是指烟梗轴线与切刀间的夹角。从表5可知，切梗角度在0-45°之间，切梗角度越小，填充值越高，烟梗内部易膨胀的组织细胞（如薄壁细胞）增加了与水接触的比表面积，膨胀效果好。在45-90°之间，切后梗丝填充值较低，与切梗角度呈非线性关系，变化缓慢。在实际操作中发现，0-15°不压梗情况下，切丝造碎较大，填充值降低。若轻压梗后再切，成丝率高，造碎小，填充值增大。但此时切出的梗丝截面积过大，特别是长梗丝在卷制中易形成烟丝填充值不均的状况，且膨胀后其燃烧性大大提高，也易使烟支燃烧不均匀。一般认为切梗角度以20-30°为宜。

　　（3）切丝水分

　　在适宜的湿度下切梗能得到较大的填充值，在湿度较高和湿度较低的情况下切出的梗丝，梗丝膨胀后填充值都较小，一般认为切梗水分在25%-35%之间比较合适。

　　（4）二次切丝

　　用复切式制梗丝法加工的梗丝在卷烟烟支中的分布均匀性最好，并且烟支吸阻和烟气焦油量较低，较好地解决了以往梗丝尺寸过大、影响掺配均匀度和卷烟感官质量的问题。虽然复切式制梗丝工艺较直接切梗丝工艺的损耗略高，但由于烟梗的成本相对较低，其损耗的增加幅度微乎其微，如果从提高卷烟生产的稳定性、达到用较少投入生产高质量产品的目的的要求来看，复切式制梗丝工艺整体上优于直接切梗丝工艺。

　　5、烘丝

　　（1）烘丝前的含水率

　　烟草像其它植物一样，是一种纤维状结构的毛细管组织。木质纤维吸湿体积膨胀，当干燥时其体积就会收缩。多数研究者指出，开始收缩的这一点是纤维饱和点。大多数植物的纤维饱和点的含水率为28%。烟梗的纤维饱和点的含水率一般为35%-38%，此时烟梗纤维体积最大。当烟梗含水率低于纤维饱和点的含水率（35%-38%）时烟梗开始收缩，所以，膨胀梗丝烘丝前梗丝最佳含水率理论上为35%-38%。
　　

表4　不同梗丝宽度卷烟烟气分析结果

　　

表5　切梗角度与填充值的关系

　　（2）烘丝工艺对填充值的影响

　　在烘梗丝工序中，高温高湿的空气介质是梗丝快速干燥的重要条件。HT流化床流出的梗丝在100℃以上的高温下，其组织内部的水已呈沸腾状态，再进入120-150℃高温气流中，梗丝表面水分在极短的时间内全部蒸发，与此同时在高温和蒸汽压力差（梗丝内部水蒸汽分压>环境水蒸汽压力）的作用下，梗丝内部吸附水份迅速向组织表面运动。在此过程中，梗丝组织内部的毛细管和细胞由于水分子剧烈运动而被扩大，又由于脱水过程相当短，而使扩大后的形态固定，从而完成梗丝膨胀的全过程。

　　影响烘后梗丝填充值的因素包括筒壁蒸汽压力、热风温度、进风风量、排潮风量和滚筒转速。

　　烘丝筒的转速：滚筒转速对梗丝填充值的影响不太明显。在一定范围内，适当提高滚筒转速，可减少梗丝与筒壁接触时间，减轻梗丝的收缩，有利于提高填充值。

　　烘丝筒的温度：在一定范围内，筒温升高，梗丝卷曲度增大，从而使填充值增大。但筒温过高，梗丝易烤焦，且梗丝组织细胞收缩僵化、弹性下降、碎丝率增大。筒温过低，则脱水速度减慢，填充值亦低。

　　热风风量与排湿能力：在热风温度恒定的情况下，随着风流量的增大，梗丝干燥速度加快。排湿能力过高而空气含湿量过低，则梗丝易烤焦、变黑，并产生大量的梗末，甚至出现火星，膨胀效果差；若排湿能力过低，空气含湿量过高，则梗丝脱水速度减慢，烘后梗丝因含水率过高，填充值降低。因此，适当增加热风风量，减少排湿能力，使烘筒内保持较高的湿度，可减少梗丝在干燥过程中的收缩。

　　6、蒸汽温度与压力对膨胀效果的影响

　　温度是影响烟梗膨胀的重要因素之一，通过提高温度，使梗丝组织膨胀开来，实验证明每升高10℃，梗丝填充值升高0.25-0.28cm3。

　　蒸汽压力升高可促进梗丝组织结构的疏松，使水分迅速渗透，体积增大，柔韧性增加。根据热力学原理，在梗丝膨胀塔内，蒸汽压力越高，系统内的温度越高。梗丝细胞内部的水份迅速向外部转移并汽化，使梗丝体积迅速膨胀，膨胀后的梗丝水份为14%左右。若蒸汽压力低，则温度也低，梗丝膨胀效果较差。由此可见，蒸汽压力也是影响梗丝膨胀效果的最重要因素，在适当的范围内，蒸汽压力越高，膨胀效果越好。但是若能使梗丝膨胀温度降低，又能取得较好的膨胀效果，将大大节约热源，这一问题有待于作进一步的探讨。

　　（三）梗用添加剂

　　1、常规加料

　　梗丝在燃吸时香气淡薄，杂气、木质气重、刺激性较大。与烟叶相比，烟梗类物质主要由纤维素、半纤维素、木质素等大分子量的化合物组成。因而在燃吸时烟味淡薄，杂气、木质气重，烟气粗糙，刺激性大以及余味欠舒适。通过加料处理可以抑制木杂气，降低刺激性，改善余味，协调烟香。常规加料有如下分类。

　　（1）掩杂、减刺、矫味剂

　　该类原料很多，结合梗丝除杂、减刺、增香的要求，经多次试验，我们发现有机酸类的作用最显著。经有机酸的混合液处理不同类型的梗丝，均可起到较好地减刺除杂的作用。

　　除了有机酸外，在试验过程中还发现一些新型的甜味剂，对于减刺减杂，矫味的效果也十分明显。如：在料液中增加0.02%的二甲基烟叶酮，不但能大大地降低了木质类杂气，而且可使主流烟气产生清甜的香气和香味，使余味更纯净和舒适。

　　（2）增香剂

　　选用天然的烟草提取物，能弥补梗丝本身烟香不足的缺陷，添加后，与烟香协调，赋烟香予天然感。

　　（3）保润剂

　　加入保润剂，既可减少空气湿度对梗丝的影响，增加梗丝的持水力、弹性和韧性，又可降低燃吸时的灼口感。大多选用多元醇作为保润剂。

　　2、特殊加料

　　特殊加料选用不同的比例调配成的料液要能克服梗丝对燃吸品质的不良影响，能增强梗丝的香气、吸味、改善余味、减轻杂气、减小刺激，而且经加料处理后的梗丝烟草香气较充实、协调，无异味，按一定的比例掺兑到较高级的卷烟产品以后，卷烟产品的风格和内在质量不因掺兑的梗丝而改变或降低。

　　3、梗丝潜香处理

　　由云南烟草科学研究院开发的梗丝潜香处理技术已经申报了国家专利。该技术处理后的梗丝，抽吸品质具有明显改进，由于是潜香处理，加工的梗丝可以在不同的产品中使用，通用性较好。

　　4、加料点

　　在梗丝加工过程中，不同加料位点不仅影响梗丝的结构、填充值和内外在质量，而且还影响梗丝加工的消耗指标。陈良元等研究后认为，可以将梗丝线的加料位点选择在切丝和超级回潮之间，并增设贮梗丝柜，保证加料后的梗丝进行超级回潮和膨胀干燥前达到1h以上的贮存时间。

　　三、微波膨胀技术

　　微波是一种电磁波，其频率范围是300MH-300KMHZ。微波有许多奇妙特性，把它作为一种新的能源对材料进行加热，就引伸出一种独特的加热方法一微波能加热。微波膨胀方法就是利用微波作为新的加热能源的一种膨胀方法。

　　微波加热特点是：1、穿透力强，里外一起加热。2、加热速度快，可以迅速蒸发烟梗内部的水分。

　　对梗丝中挥发性成分及有机酸性成分进行GC/MS分析表明：微波烘烤对梗丝内在的致香物质有一定影响，主要是使它们中各化学成分的相对含量发生变化。感官评吸的结果还表明微波烘烤可在一定程度上提高梗丝的抽吸质量。

　　四、ESS（Expanded shredded stem）技术

　　ESS技术是雷诺公司开发的，Dickinson公司负责推广。该技术可以用于任何烟梗，包括正常的烟梗，以及以前扔掉的烟茎。具体过程是利用高温高压气体，让梗丝在膨胀线上爆破膨胀，就像爆米花一样，然后通过湿度控制把胀开的梗丝恢复到理想的体积。与常规膨胀梗丝相比，ESS技术可以达到以下几个目的，一是扩大梗丝原料范围，即过去不能使用的材料可以被重新利用，包括白肋烟烟梗。二是可以去除烟梗杂气，改善吸味，降低一氧化碳。三是可以使膨胀烟梗体积大小一致，便于烟叶配方使用。

　　五、小结

　　随着现代卷烟工业的飞速发展，卷烟制品的安全性、经济性越来越受到人们的关注。梗丝膨胀技术应运而生，可以说是现代卷烟工业技术革命的产物。梗丝膨胀技术使现代烟草加工业在降低烟叶消耗，减少卷烟有害物质等方面取得了新的突破。卷烟制丝生产过程中，约有20%-30%的烟梗需要制成梗丝并掺入到烟丝中去。梗丝处理质量的好坏，直接影响到混合后的烟丝填充率和卷烟质量，关系着企业的经济效益。

　　梗丝膨胀处理过程中，首先要重视烟梗预处理的作用，润梗的温度和水分要达到质和量的统一，然后保障足够的贮梗时间。温度和水份是梗丝处理中的两个关键因素，如何控制温度和水份将具体问题具体分析，梗丝加料是一种技术性很强的工艺，只有在摸清烟梗品质特性的基础上进行料液设计，才能做到有的放矢。在加料时，要选择适当的加料点及料液成分，尽量减少糖类物质的加入，因为料液含有较多的糖份，容易造成料液吸附在梗丝表面，粘性增加，从而使梗丝在干燥脱水时，水分不易快速去掉，影响膨胀效果，而且膨胀后的梗丝也容易产生收缩现象，贮丝过程容易结团。

　　高温高湿法膨胀梗丝的技术路线，是适合我国卷烟工业发展实际的。微波膨胀法将有待进一步研究推广。ESS技术是烟梗生产中较为新颖的一种方法，扩大了烟梗的使用范围，有效地提高了烟梗的利用率及抽吸品质，是烟梗处理的又一次新的尝试，如何使ESS产品在卷烟配方中有效应用是当前面临的首要问题。

　　参考文献：

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　　High Temperature and High Humidity Expansion of Cut Stem: a Review

　　Deyou Jiang1 Jianquan Shi 2 Zhiyong Sun1 Zhangyu Chen1 Bin Li1 Zhihua Liu1

　　（1 Yunnan Academy of Tobacco Science Kunming 650106）

　　（2 Honghe cigarette factory Mile 652300）

　　Abstract: Expanded tobacco is one of the efficient methods that produce the “safer” cigarette with the lower deliveries and cost. Because of the poor quality of the cut stem today， the study on the processing of the cut expanded stem in order to broaden the usability of the tobacco stem in the cigarette product was very significant. In this paper three methods for the expansion of cut stem were reviewed， including high temperature and high humidity technology， microwave energy expanding technology and ESS technology. In this review the high temperature and high humidity technology was emphasized.

　　Keywords: High temperature and High humidity Expanding technology Review

　　

责任编辑：王海娟

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