李旭 陳良元 韓李峰 潘廣樂 丁美宙 朱文魁

摘要：【目的】研究紅外—對流干燥方式下烤煙葉絲質量的變化特征，為探索可行的煙草原料干燥新方法和新工藝提供基礎理論依據和技術支持。【方法】以2015年的重慶C041烤煙為原料，采用自行搭建的遠紅外滾筒干燥裝置，考察紅外—對流干燥過程對葉絲水含率、表面溫度、彈性、填充值、內孔容積及葉絲結構等的影響，并與傳統(tǒng)干燥方式下的結果進行對比分析，探究紅外一對流干燥過程中葉絲孔徑分布的變化?！窘Y果】紅外—對流干燥過程中加大紅外輻射溫度、熱風溫度均對干燥過程起到強化作用；葉絲填充值隨紅外輻射溫度的升高而增大，隨熱風溫度的升高而減??；熱風溫度的升高會使葉絲彈性增大，葉絲彈性在紅外溫度為170℃時最大、145℃時最??；葉絲的內孔容積隨紅外溫度的升高、熱風溫度的降低而增大，干燥過程中葉絲孔容比例變化較明顯為孔徑0.50～20.00和0.05～0.50μm；對比兩種不同的干燥方式發(fā)現(xiàn)：紅外—對流復合干燥下的葉絲填充值、內孔容積均大于傳統(tǒng)干燥，而彈性相對較小、破碎度相對較高?！窘Y論】在一定范圍內，提高紅外輻射溫度、降低熱風溫度均有利于維持葉絲的填充值，同時葉絲的孔容會呈規(guī)律性變化；與傳統(tǒng)滾筒干燥相比，紅外—對流滾筒干燥方式下的干燥速率相對較快，可在煙草實際干燥加工中推廣應用。

關鍵詞：煙絲；紅外一對流干燥；物理特性；煙絲結構；內孔容積

中圖分類號：S572.062 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）12-2240-07

0引言

【研究意義】煙絲干燥是卷煙加工中的關鍵工序，切后煙絲水含率較高，需經去濕處理使煙絲水含率均勻一致，以適應卷制要求及改善和提高葉絲的感官質量（顧中鑄等，2007）。作為典型的熱敏性物料，煙草在干燥過程中的水含率和溫度變化將顯著影響其內部的美拉德反應、香味成分析出等化學過程（徐如彥等，2008）。同時，煙絲干燥脫水過程中產生的收縮應力也會影響彈性、填充值等物理指標的變化（姚光明等，2011）。但是傳統(tǒng)的葉絲干燥方式存在一些缺陷，葉絲在接觸溫度較高的筒壁或氣流時可去除部分雜氣，但也會損失一定量的香味物質，氣流干燥的香味物質損失尤為嚴重。干燥方式、干燥設備的不同對煙草的物理質量、化學成分及感官質量均有顯著影響。紅外干燥技術具有干燥速率快、生產效率高、節(jié)約能源等優(yōu)點。因此，研究紅外干燥下葉絲質量的變化特征，對新型干燥技術在煙草工業(yè)生產中的推廣應用具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】目前，紅外干燥在果蔬、農產品等加工過程已得到較多的研究及應用。張麗麗等（2012）對茄子進行紅外輻射干燥特性研究；孫傳祝等（2015）對玉米穗進行不同溫度條件下的紅外干燥研究；王雪媛等（2015）研究蘋果片在短波紅外干燥過程中的水分擴撒特性，結果表明紅外干燥均勻性好、干燥效率高。紅外干燥在煙草方面的研究相對較少。張云等（2000）研究表明，使用遠紅外涂料能提高煙葉干重、縮短烘烤時間；李海偉等（2014）采用密集烤房和中短波紅外干燥器研究干筋期不同輻照溫度對烤后煙葉品質的影響，結果表明在干筋期紅外輻射溫度為40℃時能顯著提高上部煙葉的質量；Pan等（2015）對煙絲在紅外輻射一真空聯(lián)合干燥方式下的特性進行研究，結果表明紅外輻射溫度對煙絲的擴散系數影響相對較大，輻射溫度越高、干燥速率越快，干燥終點煙絲溫度越高?！颈狙芯壳腥朦c】國內外對煙草的研究大多關注于氣流干燥技術（丁美宙和王宏生，2005）和滾筒干燥（王巖等，2015），而關于輻射傳熱干燥及其可行『生的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】分別采用紅外一對流、傳導一對流兩種復合干燥方式對烤煙煙絲進行滾筒干燥，考察不同的干燥條件對煙絲質量的影響，為探索可行的煙草原料干燥新方法和新工藝提供理論依據和技術支持。

1材料與方法

1.1試驗材料

原料采用重慶C041烤煙，年份為2015年。將經過切絲后的樣品在恒溫恒濕室平衡至均勻水含率。計算一定量葉絲達水含率30%（濕基）時需要的加水量。均勻噴灑確定量的水分，裝袋密封保存，平衡48 h后，在密封袋內隨機取樣測定水含率，保證水含率測定值與實際值偏差在±0.5%以內。干燥試驗在自行搭建的遠紅外滾筒干燥裝置中進行。如圖1所示，遠紅外滾筒復合干燥裝置由滾筒驅動系統(tǒng)、滾筒進出料系統(tǒng)、蒸氣發(fā)生裝置、熱風及排潮系統(tǒng)、遠紅外加熱系統(tǒng)組成。筒壁溫度可在0～160℃范圍內調節(jié)，滾筒轉速可在0～20 r/min范圍內調節(jié)，滾筒一端分別安裝有物料口，可實現(xiàn)對物料的加料和出料，并且可在不同的干燥階段對物料進行取料；熱風流速為0.12 m/s，氣體溫度可根據需要在0～700℃范圍內調節(jié)，紅外輻射溫度在0～200℃范圍內調節(jié)，工作模式有紅外—對流復合傳熱、紅外—對流—傳導復合傳熱、對流—傳導復合傳熱等。

主要儀器設備：DHG-9623A電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）；UltraPYC 1200e真密度儀（美國Quantachrome公司）；電子天平（德國Sartorius公司，感量：0.0001 g）；RAYMX2C紅外溫槍（Raytek公司）；YDZ430型煙絲填充值測定儀、T100煙絲彈性測定儀（鄭州煙草研究院）；Haver ZD-T25篩分系統(tǒng)（鄭州煙草研究院）。

1.2試驗方法

紅外一對流干燥實驗采用單因素實驗，各因素每個水平下均進行3次重復，滾筒設備參數設定為轉速6 r/min，熱風風速0.12 m/s，筒壁加熱器關閉，主要考察熱風溫度Tg為100℃時紅外輻射溫度Ti（120、145和170℃）及紅外輻射溫度Ti為120℃時熱風溫度Tg（95、110和125℃）對葉絲質量的影響，并設置一個相近干燥速率的傳統(tǒng)滾筒干燥對照實驗，此對照組滾筒設備參數設定為轉速6 r/min，紅外輻射加熱器關閉，熱風溫度Tg為110℃，風速u為0.12 m/s，筒壁溫度Tw為120℃。如表1所示，根據試驗設計的5個干燥條件及對照組（傳統(tǒng)滾筒干燥）共6個處理來設置設備參數（其中，處理B表示Ti=120℃、Tg=110℃的干燥條件）。

每次試驗前設備開機預熱30 min，直至熱風溫度及輻射溫度穩(wěn)定；當設備達設定溫度時，稱取1300 g葉絲（水含率為30%，濕基）均勻鋪料于滾筒內，關上滾筒門開始計時。每隔1 min采集一次葉絲，使用密封袋密封保存，同時用紅外溫槍檢測葉絲物料溫度的變化，并作記錄；測量采集到葉絲的水含率，繪制干燥曲線，分析水分變化規(guī)律并找到葉絲水含率為12.5%（濕基）時對應的時間點，在此時間點采集300 g葉絲在密封袋內保存，用于煙絲彈性、填充值、密度等物理指標的檢測。

1.3樣品分析

干燥后樣品水含率的測定參照YC/T 31-1996《煙草及煙草制品試樣的制備和水分測定烘箱法》進行；填充值的測定參照YC/T 152-2001《卷煙煙絲填充值的測定》進行；彈性的測定參照YC/T186-2004《卷煙 煙絲彈性的測定方法》進行；密度和內孑L容積的測定參照YC/T 473-2013《煙絲表觀密度、真密度和內孔容積的測定》進行；煙絲結構的測定參照YC/T 289-2009《卷煙配方煙絲結構的測定》進行。孔徑分布采用壓汞儀分析，取1 g煙絲置于儀器樣品室并密封，最大測試壓力414 MPa，浸潤角取130°，采用儀器自帶軟件進行孔徑分布數據處理。

2結果與分析

2.1烤煙葉絲水含率及表面溫度變化特征分析

按照表1進行滾筒干燥試驗，考察不同干燥條件下葉絲干燥時間、平均干燥速率及干燥終點溫度變化。由圖2和表2可知：（1）在其他干燥條件相同時，紅外溫度越高，葉絲干燥速率越快，葉絲表面溫度上升也越快，且在干燥前期葉絲表面溫度上升到一定值后，葉絲表面溫度有一緩慢變化的區(qū)段，由于此時葉絲吸收到的輻射能量和葉絲內部水分蒸發(fā)消耗的熱量近似達到平衡，造成葉絲的水含率下降較快；（2）在其他干燥條件一定時，熱風溫度越高，干燥速率最快，其中熱風溫度為95℃時葉絲的表面溫度最高；（3）提高紅外輻射溫度和熱風溫度均能增加單位時間內葉絲接收的熱量，為單位時間內汽化更多水分提供了條件，因此葉絲單位時間內散發(fā)的水分量就越多，說明紅外輻射傳熱和熱風對流傳熱均對傳質過程起到強化作用；（4）筒壁溫度設定為120℃（處理A）進行的傳統(tǒng)滾筒干燥試驗與將紅外溫度設定為120℃（處理B）進行的紅外一對流復合干燥試驗的取樣點（葉絲水含率為12.5%的時間點）最接近，即可認為此溫度下兩種干燥方式中煙絲在取樣點的干燥速率近似相等，但兩種干燥方式的葉絲表面溫度有一定差距，相對于傳統(tǒng)滾筒干燥，紅外一對流干燥下煙絲溫度上升更快，而且干燥終點溫度相對較高。

2.2烤煙葉絲填充值和彈性變化分析

2.2.1不同干燥條件對葉絲填充值的影響 通過干燥脫水處理，獲得較好的填充性是葉絲干燥加工工序的主要目的之一（段鷗等，2014）。不同干燥條件下葉絲干燥至12.5%時葉絲填充值變化如圖3所示：（1）當其他干燥條件一定時，葉絲填充值隨紅外輻射溫度的升高而增大，隨熱風溫度的升高而小幅降低；填充值的變化主要是由于葉絲在干燥過程中的卷曲變形造成，在一定范圍內，紅外輻射溫度越高，熱風溫度越低，葉絲的卷曲變形程度越大進而填充值也越大；（2）相同的干燥速率下（滾筒120℃和紅外120℃的干燥速率近似相等），紅外—對流干燥的葉絲填充值大于對流—傳導干燥，表明紅外—對流干燥方式使葉絲的卷曲變形程度較大。

2.2.2不同干燥條件對葉絲彈性的影響 煙絲彈性不僅可從側面反映出煙絲的填充能力，還與煙絲的耐加工能力有較大相關性（張鵬飛等，2016）。葉絲干燥至水含率為12.5%時，不同干燥條件下煙絲彈性變化規(guī)律如圖4所示：（1）當其他干燥條件一定時，葉絲彈性隨熱風溫度的升高而增大；僅改變紅外輻射溫度的情況下，葉絲彈性在紅外溫度為170℃時最大、145℃時最小，表明在一定溫度范圍內，較高的熱風溫度和紅外輻射溫度有利于提高葉絲彈性；（2）相同的干燥速率下（滾筒120℃和紅外120℃的干燥速率近似相等），傳統(tǒng)干燥方式的煙絲彈性大于紅外一對流復合干燥，說明傳統(tǒng)干燥有利于保持煙絲彈性。

2.3葉絲結構變化分析

為對比滾筒式紅外輻射—熱風干燥和傳統(tǒng)滾筒干燥兩種干燥處理方式對葉絲破碎性的影響，本研究考察兩種方式干燥后葉絲和干燥前葉絲的尺寸分布。選擇葉絲脫水至12.5%所需時間相對一致的干燥條件進行對比分析，紅外—對流干燥條件為紅外輻射溫度120℃、熱風溫度120℃，傳統(tǒng)干燥條件為筒壁溫度120℃、熱風溫度120℃，兩種干燥方式下滾筒轉速一致。相同水含率下，干燥前后的葉絲尺寸分布如表4所示。

采用以下所示的葉絲尺寸分布方程，可計算得到干燥前后的葉絲特征尺寸，并確定兩種干燥方式下的葉絲破碎度（表5）。

式中，F(xiàn)為葉絲篩上累積質量百分比（%）；q為篩網孔徑（mm）；a、p為方程參數；d為葉絲特征尺寸（mm）；

由表5可看出，紅外—對流干燥后葉絲的特征尺寸較傳統(tǒng)滾筒干燥方式有所減小，干燥處理后葉絲的破碎度也略高于傳統(tǒng)滾筒干燥方式。

2.4烤煙葉絲微觀結構變化分析

不同干燥條件下葉絲干燥至水含率為12.5%時，表觀密度及真密度如表6所示，隨著紅外輻射溫度的上升，真密度及表觀密度均呈降低趨勢；隨熱風溫度的上升，兩者均呈增大趨勢。

參照標準《YC/T 473-2013煙絲表觀密度、真密度和內孔容積的測定》中煙絲內孔容積計算公式可求出不同干燥條件下的煙絲內孔容積變化規(guī)律。如圖5所示：（1）在紅外—對流干燥過程中，紅外輻射溫度及熱風溫度的改變對葉絲的內孔容積有影響，升高紅外輻射溫度和熱風溫度，葉絲內孔容積會減小，說明葉絲內部孔隙有收縮現(xiàn)象，是由于毛細管收縮應力的存在，使葉絲產生收縮形變（許冰洋等，2015）；（2）相同的干燥速率下，紅外—對流干燥下的葉絲內孔容積大于對流—傳導干燥，說明隨著水含率的降低，對流一傳導干燥方式使葉絲產生的收縮形變較大。

為探討滾筒紅外—對流干燥過程中葉絲孔徑分布的變化，在輻射溫度120℃、熱風溫度120℃條件下，對不同水含率階段的葉絲取樣進行壓汞測試。根據進汞量測試，將葉絲孔徑分為>20.00、0.50～20.00、0.05～0.50及<0.05μm 4個范圍，對4個孔徑范圍內孔隙容積進行統(tǒng)計分析，可得到各個孔徑范圍孔隙容積的比例（圖6）。對比初始樣品水含率為25%、15%和10%時葉絲樣品各個孔徑范圍內孔隙容積的比例，可以看出，干燥過程中烤煙葉絲不同孔徑范圍內孔容比例變化較明顯的范圍為孔徑0.50～20.00和0.05～0.50 gm，其中，在孔徑0.50～20.00μm內孔隙容積比例隨水含率的降低有減小的趨勢，在孔徑0.05～0.50 gm內孔隙容積比例隨水含率的降低有增大的趨勢。其原因可能是干燥過程中，在毛細管壁的收縮應力作用下，較大孔隙收縮程度較高，導致部分孔隙收縮成為較小孔隙所致。

3討論

干燥過程中物料間的基本傳熱方式主要有對流、傳導和輻射等3種方式。目前，煙草行業(yè)內應用最廣泛的滾筒干燥采用了傳導—對流復合干燥的方式，通過熱風和煙絲間的對流傳熱及滾筒壁和煙絲問傳導傳熱，實現(xiàn)煙絲的干燥。本研究中所涉及的紅外干燥其干燥機理是以電磁波輻射對含濕物料進行加熱，由于具有加熱效應的輻射電磁波長主要位于0.76～20.00μm內的紅外線區(qū)段，因此也稱紅外輻射傳熱干燥。與對流、傳導傳熱干燥不同的是，紅外輻射傳熱干燥具有非接觸加熱、熱慣性小、對不規(guī)則顆粒物料加熱均勻性好等優(yōu)點（王相友等，2007），而且由于紅外線對物料具有穿透性，因此區(qū)別于對流和傳導方式對物料的表面加熱過程，紅外輻射傳熱同時可實現(xiàn)對物料表層和表層以下一定深度的均勻加熱。在紅外輻射加熱過程中，紅外線輻射到物料上當其頻率與組成物料的分子固有頻率相同時，分子就會產生共振吸收，同時因為分子運動加速，分子的內能增加，導致物料內部溫度上升，內外溫度差為5～10℃。物料溫度內高外低存在的溫度梯度與水含率梯度共同作用，導致物料的內部水分不斷擴散，從而達到干燥的目的（王相友和林喜娜，2009）。

干燥過程是一個同時涉及傳質傳熱的單元操作，煙絲在干燥過程中水含率和溫度時刻發(fā)生著變化，外部環(huán)境的傳熱一部分用于煙絲水分蒸發(fā)所需要的熱量，另一部分用于煙絲表面溫度的提升（段鷗等，2014）。本研究對不同干燥條件的烤煙葉絲水含率變化和溫度變化特征進行分析，結果發(fā)現(xiàn)，紅外輻射傳熱和熱風對流傳熱均對傳質過程起到強化作用，煙絲表面溫度隨水含率的變化分3個階段（趙靜芬等，2011），其中溫度均有一緩慢變化的階段，可能由于此時煙絲吸收到的熱量和煙絲內部水分蒸發(fā)消耗的熱量近似達到平衡，造成煙絲的水含率下降較快，但是紅外—對流干燥方式下這個階段相對平緩，可能是由于紅外—對流干燥速率較快的原因。

作為多孔固體介質，葉絲在干燥過程中其溫濕度變化所產生的應力作用通常導致其內部物理結構發(fā)生一系列變化，并直觀地體現(xiàn)在孔隙結構的變化上（Aguilera et al.，2015）。本研究對葉絲在紅外—對流干燥方式下微觀結構的變化進行分析，結果發(fā)現(xiàn)升高紅外輻射溫度、熱風溫度葉絲的內孔容積均會減小，內孔容積的變化是因為煙絲在干燥過程中孔隙水分蒸發(fā)形成彎曲液面，液面張力的作用使得孔內形成毛細管收縮應力，致使多孔介質產生較大的收縮應變（Mayor and Sereno，2004）。干燥過程中烤煙葉絲孔容比例變化較明顯的范圍集中在孔徑0.50～20.00和0.05～0.50μm。

本研究對比分析兩種干燥方式下葉絲的彈性、填充值和煙絲尺寸分布，結果發(fā)現(xiàn)紅外—對流干燥方式下煙絲的填充值較高，但是彈性較低，破碎度較大。這是由于紅外輻射具有一定的穿透性，水分在煙絲內部汽化，可以使葉絲內部孔隙張開，所以內孔容積增大，在宏觀上表現(xiàn)為葉絲的填充值增加。而由于內部孔隙的增加，使得葉絲的韌性減弱，葉絲容易破碎，檢測彈性值時施加一定的壓力后葉絲容易造碎，導致彈性值比傳統(tǒng)干燥小。關于紅外—對流干燥對煙絲化學成分的影響還有待深入研究。

4結論

紅外一對流滾筒干燥過程中紅外輻射傳熱和熱風對流傳熱均對傳質過程起到強化作用，在一定范圍內，提高紅外輻射溫度、降低熱風溫度均有利于維持葉絲的填充值，同時葉絲的孔容也會呈現(xiàn)規(guī)律性變化；與傳統(tǒng)滾筒干燥相比，紅外—對流滾筒干燥方式下的干燥速率也相對較快，可在煙草實際干燥加工中推廣應用。