（食品科学专业论文）微波干燥主要工艺条件与叶丝质量的关系研究.pdf

郑州烟革研究院硕士毕业论文 摘要 本文对叶丝微波干燥主要工艺条件与叶丝质量的关系进行了系统丽全面的探 索，同时研究了叶丝微波干燥特性，得到了相应的结论。本文分为四部分阐述课 题研究内容及结果： 对微波加热干燥基本原理以及微波在烟草工业中各方面应用的研究进展进 行了阐述，同时指明了课题的研究目的及创新点。 对叶丝微波干燥特性进行了研究 的变化规律并绘制了叶丝微波干燥曲线 分析叶丝含水率和温度随微波作用时间 研究不同工艺条件( 微波功率、叶丝初 始含水率、真空压力) 对叶丝微波干燥曲线的影响，在此基础上建立了叶丝微波 干燥的数学模型。 叶丝微波干燥分为三个阶段：升速、恒速和降速三个阶段。微波功率越大，脱 水速率越快，温度上升越快；初始含水率越大，脱水速率略快，初始含水率越小， 最终温度上升的越高；真空压力对干燥曲线的影响不显著。叶丝微波干燥的数学 模型可以采用p a g e 方程。通过回归分析得到微波功率为6 0 0 w 1 5 0 9 、真空压力为 0 0 4 m p a 条件下的方程为：m t = m 】x e x p 0 0 5 8 e x p ( 1 7 9 m 1 ) t ( 2 1 叶11 1 m 1 1 】。 研究了微波干燥过程中主要化学成分( 还原糖、总植物碱、总氮、总挥发 碱、钾、氯等) 、某些重要中性香味成分和感官质量随微波干燥时间的变化趋势。 叶丝微波干燥过程中叶丝中的还原糖、总植物碱、总氮、总挥发碱的含量以 及还原糖总植物碱的值都随微波干燥时间的延长而逐渐降低。其中还原糖下降的 平均速率最高，总氮下降的平均速率最小。与干燥前的叶丝相比，叶丝中性香味 成分总量和酮、醇类物质总量都降低。评吸结果表明于燥过程中，叶丝香气质、 劲头保持不变；微波干燥后叶丝的烟气浓度降低、刺激性增强、干燥感和干净程 度有所改善；从感官质量角度考虑，叶丝干燥至湿基含水率在1 2 左右，感官评吸 质量较佳。 通过对叶丝微波干燥过程中主要工艺条件( 微波功率、叶丝初始含水率、 真空压力) 对上部、中部和下部叶丝物理质量( 填充值、弹性) 、主要化学成分、 i i i 微波干燥主要工艺条件与叶丝质量的关系研究 某些重要中性香味成分及感官质量影响的研究，基本确定了不同部位烟叶叶丝微 波干燥的最佳工艺条件范围。同时还运用方差分析研究了工艺条件和叶丝各项理 化质量之间的关系。 不同微波功率对各部位叶丝的填充值、还原糖的影响差异显著；叶丝初始含 水率对各部位叶丝的填充值、还原糖、总植物碱、糖碱、总挥发碱影响差异显著。 保持各部位叶丝较佳的物理质量和感官质量的工艺条件范围：上部叶丝( b 4 f ) ，中 高功率( 6 0 0 w 1 5 0 9 ) 、中高含水率( 2 6 ) 结合低真空压力卜0 0 8 m p a ) 的工艺条件； 中部烟叶( c 2 f ) ，采用高的含水率( 2 9 ) 、中高功率( 6 0 0 w 1 5 0 9 ) 结合真空压力 ( 一0 0 6 m p a ) a 的工艺条件；下部烟叶( x 2 f ) ，中高功率( 6 0 0 w 1 5 0 9 ) 、中高含水率( 2 6 ) 结合中低真空压力( 一o 0 6 m p a ) 的工艺条件有助于保持较好的物理质量和感官质 量。 关键词：微波干燥叶丝质量 郑州烟草研究院硕士毕业论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o c e s s i n gc o n d i t i o n sa n dq u a l i v yo fc u t t o b a c c ou n d e rm i c r o w a v ed r y i n gw a ss t u d i e ds y s t e m i c a l l y i tw a s s e p a r a t e di n t of o u r p a r t st oi n t r o d u c e t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n s ： 1 t h et h e o r yo fm i c r o w a v ed r y i n gw a ss u m m a r i z e di nt h ef i r s t c h a p t e r t h e r e s e a r c hp r o g r e s so ft h ea p p l i c a t i o no fm i c r o w a v ei nt o b a c c oi n d u s t r yw a sr e v i e w e d t h e o b j e c ta n d t h ei n n o v a t i o no ft h i st h e s i sw e r es h o w n r e s p e c t i v e l y 2 t h ec h a n g eo f m o i s t u r ec o n t e n ta n d t e m p e r a t u r ew i t hm i c r o w a v et r e a t m e n tt i m e a n dt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha si n i t i a t i v em o i s t u r ec o n t e n to f c u tt o b a c c o ，p o w e ro fm i c r o w a v ea n dv a c u u m ，w e r ei n v e s t i g a t e d b a s e do n t h e s e ，t h e m a t h e m a t i cm o d e lo fm i c r o w a v ed r y i n gw a se s t a b l i s h e d t h ec o n c l u s i o nw a ss h o w e d t l l a t ： m i c r o w a v ed r y i n go fc u tt o b a c c ow a sd i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s ：i n c r e a s i n g s p e e d ， c o n s t a n t s p e e da n dd e c r e a s i n g - s p e e d t h eh i g h e rt h ep o w e ro fm i c r o w a v e ，t h em o r e r a p i dt h ed e h y d r a t i o n w a sa n dt h em o r e r a p i d t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ；t h e h i g h e rt h e i n i t i a t i v em o i s t u r ec o n t e n t ，t h em o r e r a p i dt h ed e h y d r a t i o nw a s ；t h el o w e r t h ei n i t i a t i v e m o i s t u r ec o n t e n t ，t h eh j g h e rt h ef m a lt e m p e r a t u r ew a s ；t h ee f f e c t so fv a c u u mo nd r y i n g p r o c e s s i n g w e r eo b s c u r e i tw a sa l s o p r o v e d t h a tt h e p a g ee q u a t i o n c o u l db e s u c c e s s f u l l y i n t r o d u c e dt od e s c r i b et h em i c r o w a v ed r y i n gp r o c e s s i n g t h ee q u a t i o n c o u l db ed e s c r i b e da s m t = m 1 e x p 。00 5 8 e x p ( 1 7 9 m 1 ) t ( 21 卅1 m 1 】b yr e g r e s s i o n a n a l y s i s u n d e rg i v e np r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ( 6 0 0 w 1 5 0 9o fm i c r o w a v ep o w e ra n d _ o 0 4 m p ao f v a c u u m ) 3 t h ec h a n g eo ft h em a i nr o u t i n ec h e m i c a lc o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gr e d u c i n gs u g a r s t o t a la l k a l o i d ，t o t a lv o l a t i l eb a s e s ，t o t a ln i t r o g e n ，s o m ei m p o r t a n t n e u t r a lf l a v o r c o m p o n e n t sa n ds e n s o r yq u a l i t yd u r i n gm i c r o w a v ed r y i n g w e r ei m , e s t i g a t e d i tw a s f o u n dt h a tt h ec o n t e n t so fr e d u c i n gs u g a r s ，t o t a la l k a l o i d ，r a t i oo ft h e m ，t o t a ln i t r o g e n a n dt o t a lv o l a t i l eb a s e ss h o war e d u c i n gt e n d e n c yw i t ht h el a s t i n go f m i c r o w a v e d r y i n g v 微波干燥主要工艺条件与叶丝质量的关系研究 a m o n gt h e s e ，t h ed e c r e a s i n gr a t eo fr e d u c i n gs u g a r sw a st h em o s tr a p i da n dt h eo n eo f t o t a ln i t r o g e nw a st h es l o w e s t c o m p a r e dw i t hc u tt o b a c c ow i t h o u t d r y i n g ，t h ec o n t e n t s o ft h et o t a ln e u t r a lf l a v o rc o m p o n e n t s ，t h et o t a lk e t o n ea n d t h et o t a la l d e h y d ed e c r e a s e d i tw a si n d i c a t e db yt h e s e n s o r yr e s u l t st h a td u r i n gt h ed r y i n gp r o c e s s i n g ，q u a l i t yo f a r o m aa n dp h y s i o l o g i c a ls t r e n g t hk e p ts t a b l e ；a f t e rd r y i n g ，s m o k ec o n c e n t r a t i o nw a s d e c r e a s e d ，i r r i t a n c yw a si n c r e a s e da n dd r y n e s sa n dc l e a n n e s sw e r ei m p r o v e d ；w h e n d r i e dt o1 2 o f m o i s t u r ec o n t e n ta p p r o x i m a t e l y , t h e s e n s o r yq u a l i t yo f c u tt o b a c c ow a s b e s t 4 e f f e c t so f p r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gi n i t i a t i v em o i s t u r ec o n t e n t ，p o w e ro f m i c r o w a v ea n d v a c u u l q f l ，o np h y s i c a l q u a l i t y , s u c h a s f i l l i n g v a l u ea n d e l a s t i c i t y ， r o u t i n ec h e m i c a lc o m p o n e n t sa n d s e n s o r yq u a l i t yo f c u tt o b a c c of r o mu p p e r , m i d d l ea n d l o w e rs t a l kp o s i t i o n sw e r es t u d i e dd u r i n gt h ep r o c e s so f m i c r o w a v e d r y i n g a tt h es 砒t i e t i m e ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np r o c e s s i n gc o n d i t i o n sa n dv a r i o u sp h y s i c a la n dc h e m i c a l g u i d e l i n e s w e r es t u d i e d b y v a r i a n c e a n a l y s i s t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m a l p r o c e s s i n gc o n d i t i o n so f m i c r o w a v ed r y i n gw e r ea s c e r t a i n e d 。b ya n dl a r g e ， t h ed i f f e r e n c e so f t h ee f f e c t so f d i f f e r e n tm i c r o w a v e p o w e r o i lt h e f i l l i n gv a l u ea n d e l a s t i c i t yo fc u tt o b a c c ow e r er e m a r k a b l e ；t h ed i f f e r e n c e so ft h ee f f e c t so fi n i t i a t i v e m o i s t u r ec o n t e n to nt h e f i l l i n gv a l u e ，r e d u c i n gs u g a r s ，t o t a la l k a l o i d s ，t h e r a t i oo f r e d u c i n gs u g a r sa n d t o t a la l k a l o i d s ，t o t a lv o l a t i l eb a s e so fc u tt o b a c c ow e r er e m a r k a b l e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：( 1 ) m i d d l eh i g hp o w e r ( 6 0 0 w 1 5 0 曲a n d m i d d l eh i 曲m o i s t u r e c o n t e n t ( 2 6 ) ，t o g e t h e rw i t hl o wv a c u u m ( 一0 0 8 m p a ) c o n t r i b u t et o a c q u i r eb e t t e r s e n s o r yq u a l i t yo fc u t ( b 4 f ) a n db e t t e rp h y s i c a lq u a l i t y ( 2 ) f o rc u t ( c 2 f ) f r o mm i d d l e s t a l k p o s i t i o n ，h i g h m o i s t u r e c o n t e n t ( 2 9 ) a n d m i d d l e h i g hp o w e r ( 6 0 0 w 15 0 9 ) ， t o g e t h e rw i t h m i d d l ev a c u u m ( 一0 0 6 m p a ) w e r ef a v o r e dt oa c q u i r el a r g ef i l l i n gv a l u ea n d e l a s t i c i t ya n dh e l p e d t oi m p r o v es e n s o r yq u a l i t ya sw e l l ( 3 ) f o rc u t ( x 2 f ) ，m i d d l eh i g h p o w e r ( 6 0 0 w 15 0 9 ) a n dm i d d l eh i g hm o i s t u r ec o n t e n t ( 2 6 ) ，t o g e t h e rw i t hm i d d l et o h i g hv a c u u m ( 一0 0 6 m p a ) ，h e l p e d t om a i n t a i nb e t t e rs e n s o r yq u a l i t ya n d p h y s i c a lq u a l i t y k e yw o r d s ：m i c r o w a v e ，d r y i n g ，c u tt o b a c c o ，q u a l i t y v i 微波干燥主要工艺条件1 j 叶丝质量的关系耐究 第一章微波在烟草工业中的应用 微波技术利用微波能的清洁、无污染、作用原理独特以及在实际应用中具有 的有效性和高效性的特点，在工农业生产、化学分析检测、有机合成技术、药物 合成、固相催化反应、环境监测与污染监测监控、治污控污处理、食品卫生检测、 分离提取和辅助溶样制样以及仪器自动控制分析等方面得到了广泛的研究与应 用，并初步形成了微波加热干燥、微波溶样制样、微波萃取分离以及微波合成等 一系列交叉应用技术。微波技术在各领域中的应用优势十分明显，尤其是在加热 作用方面，快速、高效、高产、均匀、灵敏、清洁、劳动强度低和操作简便等优 点更能被充分地表现出来。经过近几十年的发展，微波技术已在不同领域以其独 有的优势发挥着特殊的作用，在烟草工业中的应用研究同样取得了一系列的进展。 本章主要是对现阶段微波技术在烟草工业中应用进展进行总计，并详细阐述 了微波干燥的特点，分析现阶段应用中存在的问题，提出课题的主要研究目的和 创新点。 1 1 微波加热的基本原理 微波是指电磁波谱中位于红外线与无线电之间介于3 0 0 3 0 0 0 0 0 m h z 的电磁 波，是一种能量形式，在电介质中可以转化成热量【i j 。因为高频电场在空间不断地 变换方向，使被微波作用物料中的极性分子以每秒上亿次的速率振动，这些分子 间的摩擦挤压作用产生了热量，从而使物料温度丹高。一般分子的极性越强越容 易受到微波作用。水是典型的极性分子，具有较高的相对介电常数，是微波加热 过程主要的能量吸收者。微波的加热方式与普通的热传递大不相同，它能够穿透 到物质的深层，使物质的内外同时加热升温。由于微波加热不依赖于物料的导热 性质，因而加热速度快，不会产生表面结壳现象。物料干燥是一种水分迁移和蒸 发同时进行的加工方式，微波加热从内部产生热量，使物料内部迅速生成的蒸汽 形成巨大的驱动力，产生一种“泵送效应”，驱动水分以水蒸汽的形式移向表面， 有时甚至产生很大的总压梯度，使部分水分在还未来得及汽化时就己被排列到物 郑州烟草研究院硬l 毕业论文 料表面，因此干燥速度极快。由于物料的传热方向、蒸气压迁移方向、压力梯度 和温度梯度的方向一致，即传热和传质的方向一致，热阻碍小，而且物料吸收能 量和排湿并不完全依赖于干燥介质核自身的热传导率，因而可以大大提高物料的 传热效率和干燥速率。微波干燥具有如热均匀、速度快、加热的热惯性小、易于 控制、热效率高、有利于改善劳动环境和条件、杀菌和加速化学反应等特点和优 点 2 - 6 】。 1 2 微波技术在烟草工业中的应用研究进展 1 2 1 微波技术在烟草化学中的应用 1 2 1 1 微波技术在烟草分析化学中的应用 早在1 9 6 7 年，n h w i l l i a m s t 7 】就报道了用微波加快某些化学反应的实验研究结 果。1 9 7 5 年，m i c h a e lg s t e p h e n s o n 等【8 l 报道用微波干燥可以作为一种快速制备烟 草分析化学样品的方法。他们通过对经加热炉、冷冻干燥和微波干燥3 种方法处 理过的原烟样品进行化学分析比较，发现采用微波干燥方法不仅时间短、耗能少， 而且化学成分的改变也不大。张承聪等 9 1 研究发现，用微波消解处理烟草样品，可 以对大批量烟草样品中的多种元素同时进行测定，而且分析结果准确，线性范围 宽，方法简便，具有推广价值。杨俊【lo 】实验采用微波辅助湿法消解烟叶样品以测 定其中的钾，回收率在9 5 。8 1 0 4 。5 之间，相对标准偏差( r s d ) d 于2 。梁颁 捷等l 也报道用微波辅助湿法消解烟叶样品以测定烟叶中的矿质元素含量。吴玉 萍等【”1 报道用微波消解一i c p a e s 法测定烟草中的多种元素和土壤中的多种元 素，测定结果的相对标准偏差分别为o 4 6 6 4 7 署go 6 0 6 。3 3 ，标样回收率 为9 2 2 1 0 6 5 0 和9 2 8 1 0 2 4 。蒋次清等【1 3 l 利用微波消解烟草样品，用电 感耦合等离子体一质谱仪( i c p m s ) 同时测定烟草土壤中的2 1 个元素，结果烟草 测定韵相对标准偏差绝大多数都在5 以内，回收率为9 5 4 1 0 4 1 ；土壤测定 的相对标准偏差绝大多数都在5 以内，回收率为9 7 o 1 1 2 7 。吴玉萍等【】训 也报道了i c p a e s 法在土壤多元素分析中的应用研究，他们在聚四氟乙烯密闭罐 ( f r n 0 3 一h c l h f h c l 0 4 体系) 用微波消解土壤样结合i c p a e s 法测定土壤中的多矛孛 元素，测定结果的相对标准偏差为0 ，6 0 6 3 3 ，标准回收率为9 2 8 1 0 2 4 a 2 微波干燥主要工艺条件与叶丝质量的关系研究 张承明、夏秀花和刘继康( 1 7 】则分别报道了用微波消化测定烟草中的汞和用微 波浸提快速测定烟叶中的有机酸含量以及用微波消解快速测定烟草中总氮的方 法。1 9 9 6 年，m o h a p a t r as c 【1 8 】通过实验发现，与盘式加热相比，利用微波加热提取 并分析烟草中的叶绿素、淀粉以及总糖的效率要高得多。1 9 8 9 年，n n b a r t b a k u r 1 9 利用微波条件研究了烤烟烟叶在连续或波动风情况下的热交换，进而研究了烤烟在 调制过程中冷热条件等工艺参数对烟叶的影响，证明微波是一种很好的研究手段。 1 2 1 2 微波技术在烟草致香物质合成反应中的应用 1 9 7 5 年，美国专利3 8 7 0 0 5 3p o 报道，将烟草经过水处理后再进行微波辐照， 一定水平的微波能将烟草内的香味物质转移到表面，有利于提高其香味和风味， 此过程并不引起烟草的膨胀。1 9 9 5 年，王家强等【2 1 1 实验将甘氨酸和葡萄糖等在微 波场中进行m a i l l a r d 反应，以探索微波对烟草致香物质的合成反应速率。结果表 明，微波辐射能大大加速m a i l l a r d 反应进程，而且所得产物的香味浓郁。1 9 9 6 年， 杨伟祖等【22 研究了微波辐射fp h 对m a i l l a r d 反应挥发性组分的影响。结果表明， 对同一体系，相同p h 及相同反应时间，微波辐射加热所产生的m a i l l a r d 反应产物 挥发性组分的相对含量与传统的回流加热相比有明显差别，不同口h 条件下， m a i l l a r d 反应产物的香气也有显著差异。 1 2 1 3 微波对烟草中t s n a 的影响 据美国专利6 3 3 8 3 4 8 2 3 1 和6 3 1 1 6 9 5l 2 4 1 报道，在烟草调制阶段用微波进行辐射， 可降低或抑制烟草中特有亚硝胺( t s n a ) 的形成。h a r o l dr b u r t o n 等 2 5 1 的研究发 现，用微波辐射调制的烟叶与用其它方法调制的烟叶相比，至少有一种t s n a 的含 量有所降低。魏玉玲等【2 6 】通过研究发现，烟草制品经微波处理后，不仅t s n a 的 含量降低，而且还能保持产品原有的烟碱含量，不影响烟草的香气和吸味；对于 嚼烟、鼻烟等烟草制品而言，经微波处理后，可使其具有更浓厚而令人愉悦的香 味。徐杨f 2 7 】利用微波辐射建立了一种同时分离烟草中挥发性亚硝胺和氮氧化合物 的方法，能在3 m i n 内收集烟草制品中的亚硝胺和氮氧化物，所确定的最佳条件为： 温度1 5 - 2 5 。c ；微波功率8 5 0 w ：n 2 ( 载气) 流量1 2 0 m l m i n ；微波辐照时间2 1 0 s 。 1 2 2 微波技术在烟草工艺中的应用 1 2 2 1叶丝微波在线膨胀 郑州烟草研究院硕士毕业论文 1 9 9 0 年，d o n a l da c a l l e s o n 口川为探索仅用水作为膨胀介质在微波能加热条件 下膨胀烟丝细胞组织的可能性和有效性，进行了微波干燥膨胀烟丝的实验研究。 结果证明，用微波能加热烟丝可以提高其填充值。烟草的含水率对膨胀效果有显 著影响，一般切后烟丝的含水率( 2 0 ) 不能满足微波膨胀的要求，比较合适的烟丝 含水率应为3 5 左右。1 9 8 8 年，k o e r b e r a g 公司【2 9 l 为改变现行制丝生产线所存在 的工艺缺陷，将微波技术引入这一领域。改造后能源消耗降低，烟叶损耗减少， 并废除了烟叶回潮机和真空回软机的脱水于燥装置，大大简化了初加工过程。此 外，微波还可以用来烘焙烟支。 近年来，我国将微波应用于烟草工艺的研究也取得了一些进展。孔臻等【3 0 】重 点研究了微波在不同工艺参数( 如h t 蒸气压力、叶丝含水率、微波辐射时间、脱 水真空压力) 下对叶丝干燥效果的影响。在此基础上，确定出叶丝微波膨胀的最 佳工艺参数，同时也对微波膨胀叶丝的卷制质量、内在质量、化学成分、致香成 分、烟气质量与烘丝机烘焙叶丝进行了对比分析研究，还对微波膨胀叶丝的抗造 碎性能进行了比较分析。结果表明，微波干燥的叶丝膨胀效果较好，能显著降低 烟支密度及卷烟焦油释放量，有利于提高卷烟的感官质量。于建军等【3 l 】进行的微 波烘烤对烟丝填充力及吸味品质的影响研究结果表明，正常工艺烘丝之后再经过 短时间微波烘烤，可以快速使生产线上的烟丝达到生产工艺所需要的含水率，缩 短烘丝时间，同时烟丝的填充力增加，卷制质量提高，单箱耗丝量降低，烟气中 c o 量减少，提高了卷烟的安全性。太原卷烟厂【3 2 】为解决h t 和烘丝机在实际应用 中存在的不足，补充h t 的加温加湿功能、改善制丝质量和提高烟丝的膨胀效果，在 制丝线上加装了微波干燥机。微波干燥前后的烟丝膨胀效果对比表明，利用微波辐 照可以提高烟丝的填充值，而且对降焦也有一定效果。 1 2 2 ，2 烟片微波松散、杀虫灭菌 美国专利4 7 9 9 5 0 1 33 】和5 1 3 9 0 3 5 3 4 1 报道了采用不同方法和装置处理压缩烟包， 发现利用微波发生器装置对烟包进行升温处理，可使烟包松散，并且能够降低后续 工艺中的造碎。目前，青岛卷烟厂已经安装投产了一条微波松散杀虫线，其生产流 程为：叶块一切块一微波松散杀虫一松散润叶。微波松散杀虫可有效杀死虫卵， 从根本上杜绝虫害的发生。据报道 3 5 1 ，常规焙烟房烘烟支4 h ，其烟上微生物总数 为2 4 1 0 5 个g ，而卷烟经微波烘烤2 0 s 、5 0 s 和8 0 s ，其微生物总数分别为1 0 5 1 0 3 、 微波干燥主要工艺条件与叫丝质量的关系研究 8 1 1 0 4 和1 3 1 0 4 个缝。可见，微波灭菌具有效果好、时间短的优点。 1 2 2 3 微波烘焙白肋烟 云南烟草科学研究院【36 】将微波技术及微波化学应用在白肋烟处理工艺中的研 究结果表明，用微波烘焙自肋烟较常规烘焙更有利于增加白肋烟的烟香、降低刺 激性及减轻杂气。李耀光口7 1 也进行了微波对白肋烟的烘焙处理实验，并与传统的 高温烘焙白肋烟工艺进行了比较分析。结果表明，利用微波烘焙不仅可以提高自 肋烟的品质，并且快速、高效、节能。分析其机理，一方面是微波的热效应作用， 可使反应物迅速升温，从而加速了m a i l l a r d 等一系列反应的进行；另一方面是微 波的非热效应作用，即反应物在微波的超高频震荡下，分子瞬间被激活，分子之 间相互碰撞、摩擦的机会极大增加，使反应变得复杂而快速，进而产生出更多的 致香物质。 1 2 2 4 微波膨胀梗丝 杨伟祖等研究了微波烘烤对梗丝的填充力及内在主要致香成分的影响。结 果表明：以微波烘烤替代传统的烘筒烘烤，可以在很短的时间内( i m i n ) 将生 产线上经高温加湿后的梗丝烘干到生产工艺所要求的水分，与烘筒烘烤相比，微 波烘烤梗丝的填充力可增大1 5 2 0 。微波烘烤对梗丝内在主要致香物质的影 响主要是使其中各化学成分的相对含量发生变化，例如有机酸性成分，微波烘烤 较之烘筒烘烤可使除4 一氧代戊酸、1 ，2 一苯二甲酸双( 2 - - 甲基丙基) 酯、邻苯 二甲酸二甲酯等几种化合物以外的其它成分的相对含量增加( 尤其是羟基丁二酸 二甲酯) 。微波烘烤可在一定程度上改善梗丝的吸味质量。 1 2 , 2 5 微波介质膨胀烟草 1 9 8 9 年，d i m e r l e t t a u t 3 9 1 进行了微波干燥热切压缩烟包的实验，发现采用这种 方法对提高烟丝的填充值有一定作用。美国专利4 2 4 8 2 5 2 h 饼、3 8 2 8 7 9 7 、 3 8 4 2 8 4 6 1 4 2 1 都公布了微波在膨胀烟草方面的应用报道。方法是，采用合适的浸渍剂 ( 可以是水或盐类等水溶液、挥发性有机溶剂、干冰、氨类物质等) 浸演烟草( 烟 梗、烟叶或者烟丝) ，然后通过微波对浸渍后的烟草进行加热，促使浸渍剂受热挥 发，从而带动烟草细胞的膨胀。美国专利4 2 8 9 1 4 8 4 3 1 也报道了一种膨胀烟草的方法， 先在压力为3 0 1 0 0 m p a 、工作温度0 5 0 4 c 的装有氮气和氩气的密闭容器中处理烟 草，再解压并通过微波加热使物料的温度达到1 0 0 4 0 0 c ，可使烟丝得到膨胀a 郑州烟草研究院硕士毕业论文 1 。2 。3 微波技术在烟草工业其它方面的应甩 宋修琨等【4 4 j 实验发现，将微波去湿技术应用于再造烟叶生产中不仅节电，而 且可以提高产品的填充值，达到提质降耗的效果。龚信文【45 1 、陈奇生1 4 6 1 等报道了 微波不仅具有防霉、防虫、杀菌等作用，还可提高烟草种子的发芽率，也可将其 用于烟草品种的改良。张益兰等【4 7 】报道，用微波水分仪可以准确快速地测量烟包 的含水率，实时指导生产，及时发现并解决问题，实现了对烟包含水率的实时控 制，有效地保证了打叶复烤的片烟质量，又可方便地应用于烟叶仓库对入库片烟 的验收或对仓储片烟的含水率进行检测，极大地减轻了操作人员的工作量，有效 地杜绝霉烂烟叶的发生。英国菲尔创纳仪器及自动化有限公司研制出一种能够测 定烟草水分和密度的微波系统【4 8 1 。陈建潭 4 9 1 介绍了利用t e w s 微波水分测定系统测 定烟草水分含量和包装密度的方法，该系统用烘箱挥发物测定和水分测定等参考 方法进行校正，通过检验测定特定的烟草产品的方法，证明微波校准曲线的独立 性，无需考虑密度、烟草种类、质量、颜色和生长地区。德国汉堡宙斯电子公司 生产的微波湿度测量仪【5 0 】能测定出产品的整体湿度含量，即不仅能检测产品的表 面湿度，而且也能测其内部湿度，还可以同时测其密度，适用于卷烟或烟叶的含 水率测试。俞恬静娜j 也介绍了种用于测定水分和密度的名为f i a l 的微波系统， 其特点是不必制备样品，可方便地用于在线卷包生产和烟支、滤棒的检测。 1 3 微波技术在烟草工业中的应用展望和需要解决的问题 从微波干燥技术的发展趋势看，研究与开发的主要推动力是除了能耗费用的 因素之外，更重要的推动力是新技术和新工艺对于干燥产品质量的特殊要求d “。 微波干燥作为一种新兴的干燥技术以其独特的加热特点显示了在烟草行业应用的 可行性。但直到目前，微波技术并没有在烟草行业得到大规模的工业化应用，其 原因主要是应用技术研究滞后。目前微波干燥技术研究的重点主要集中在两个方 面：一是研究微波技术如何与其它传统的加热方式相结合，进而缩短加热时间、 降低生产成本、提高产品质量：二是开展对微波干燥过程中数学模型和现象的模 拟研究 1 。烟草行业科研重点应为以下几个方面：微波制备分析样品技术在烟草 分析化学研究；对微波合成化学在烟草致香成分合成方面研究；对微波食品分离 技术在烟草薄片生产中研究；微波工艺条件对烟草物理特性和化学特性等的影响 微波干燥主錾工艺条件与叶丝质量的关系研究 研究；在微波松散杀虫、微波在线膨胀工艺技术应用研究；微波加热与其他加热 方式应用于烟草的对比研究；微波与其他加热方式结合应用于烟草工业中的研究。 从我国烟草行业的现状来看，推广微波技术的应用急需解决以下3 个方面的问题； 可以和卷烟工业生产相匹配的大功率磁控管的生产难题；微波泄漏的防护问 题；开展微波对烟草作用特性的研究。 1 4 课题研究目的和创新点 本课题利用微波烘丝实验机研究叶丝含水率和温度随微波干燥时间变化的规 律；微波干燥叶丝过程中主要工艺条件即微波输入功率、进料含水率和抽真空压 力对叶丝物理性能( 填充值和弹性) 、常规化学成分( 还原糖、总植物碱、总氮、 总挥发碱) 、感官质量和某些重要中性香味成分的影响，从而得到主要工艺条件与 干燥后叶丝质量之间的关系。拟通过以上研究为微波技术应用于叶丝干燥工序提 供一定的技术参考和理论指导。 本课题的创新点： 叶丝微波干燥特性研究，绘制温度和含水率随干燥时间变化的规律性曲线。 叶丝微波干燥工艺条件对叶丝物理特性、化学特性和感官质量的影响首次 得到全面的系统分析与研究。 郑州炯草研究院硕士毕业论文 第二章叶丝微波干燥特性研究 叶丝干燥的工艺任务是去除叶丝的部分水分，满足后工序加工要求；改善和提 高叶丝的感官质量；提高叶丝填充能力和耐加工性，达n - - - 者的协调【5 。通过总 结前人的工作已经论证了微波在烟草加工中应用的可行性，但以往的工作仍局限 在对实验表观现象的研究，对微波应用的基础理论研究仍停留在起步阶段。本章 旨在对叶丝微波干燥特性进行深入的研究，对其进行理论基础的探索，由表及里， 进步深化微波这项新技术在烟草中的应用。所谓干燥特性研究，是通过一系列 的实验，得到干燥介质在不同实验参数下物料含水率随时间变化以及干燥速率随 物料含水率的变化曲线，继而建立干燥特性数学模型，揭示干燥过程中干燥介质 在不同参数下质热传递特性。叶丝微波干燥特性研究对于干燥装置最佳结构设计、 干燥工艺条件优化和能耗最低化方面均具有关键指导作用。本章对微波干燥特性 研究的实验装篝、实验方法和实验结果进行了详细的介绍。 2 1 材料与方法 2 1 。1 实验材料： 河南烤烟：c 2 f 2 1 2 实验仪器设备与系统组成 微波烘丝实验机( 徐州众凯机电设备制造有限公司，微波炉可控功率0 一1 0 0 0 w , 频率2 4 5 0 m h z ) ，结构示意图见图2 1 r a y t e xm x 2 红外测温仪( 美国r a y t e x 公司，温度测量范围一3 0 9 0 0 。c ，精 度0 1 ) c s l 0 1 2 d 电热鼓风干燥箱( 中外合资重庆四达实验仪器有限公司，温度范围 1 0 2 0 0 c ，温度波动度o 56 c ，温度均匀度2 5 q s i 试样切丝机( 郑州中烟科技开发有限公司) m p 4 0 0 0 电子天平( 上海第二天平仪器厂，精度0 1 9 ) 微波干燥主要工艺条件弓叶丝质量的关系研究 j a 2 0 0 3 电子天平( 上海天平仪器厂，精度0 。0 0 1 9 ) 】排，k 桶f 12 真空泵水精3 微波炉 4 真空表5 真空腔盖6 真空泵阀门 圈2 - 1 微波实验装置结构示意图 2 1 3 实验方法： 把烟抽梗切丝后进行水分调整，调整到规定含水率后进微波炉进行微波干燥 实验。一定时间间隔取出微波锅，利用称重法测定微波锅内烟丝总包含水率的变 化来计算该时间点的于基含水率，同时利用红外测温仪测定叶丝的温度，记录不 同时刻的叶丝的含水率和温度的变化情况，绘制叶丝微波干燥曲线。每次微波锅 所装叶丝为t 5 0 9 ，且保持铺料均匀，微波炉输出功率单位表示成w 1 5 0 9 。 2 ，1 3 1 初始含水率的测定： 烘箱法【5 5 】 2 1 3 2 叶丝含水率的调整： 测定切后叶丝的含水率，计算欲达到目标含水率需要加水量，对切后叶丝加 水拌匀。搅拌均匀后用密封袋封好，平衡4 8 h 后，在密封袋内各点随机取样测定 含水率，要求各点含水率偏差在目标含水率0 5 之间。 2 1 3 3 微波干燥过程含水率和温度的测定： 于燥前测定微波锅( 去盖) 的质量w 1 ，叶丝的干基含水率m 1 和湿基含水率m 2 ， 微波干燥一定时间t 后用红外测温仪快速测定微波锅内烟丝的温度t 并溺定微波锅 ( 去盏) 和叶丝的总质量w 2 ，t 时刻的叶丝干基含水率m t 为： 郑卅f 烟草研究院硕士毕业论文 m t = m i - ( w l w 2 ) w , ( 1 一m 2 ) 其中 m 2 2 m l ( 1 + m i ) 2 ，2 结果与讨论 2 2 1 叶丝微波干燥曲线 4 5 4 0 一3 5 琶3 0 l 2 5 纛2 0 整1 5 l o 5 o 2 - ( 1 ) 2 - ( 2 ) o12345 时阃( m i n ) 干基含水率( ) 圈2 - 2 叶丝微波干燥曲线 ( 微波功率6 0 0 w 1 5 0 9 ；初始干基含水率4 0 ：真空压力为0 0 4 m p a ) 由图2 2 可知，在微波干燥速率逐渐增大阶段( 0 2 m i n ) ，叶丝含水率降低缓慢， 温度上升迅速。温度上升速度快是由于叶丝内部极性分子主要是自由水在微波场 的作用下被强制激励，快速运动，产生热量，表现为叶丝温度迅速升离；在恒速 干燥阶段( 2 m i n 3 5 r a i n ) ，由于叶丝内部处于强烈汽化条件下，蒸汽形成速度有可能 超过其迁移速率，形成总压梯度，使得水分以蒸汽的形式大量逸出，此阶段含水 率下降迅速，温度上升缓慢：降速干燥阶段( 3 5 r a i n 5 m i n ) ，叶丝吸收的能量与蒸发 水分所耗用的能量及相关的热损失相抵消时，温度保持不变，此时伴随干燥速率 的下降；干燥后期，由于叶丝含水率已大大减少，基本上自由水已经全部蒸发， 吸收的热量用于叶丝水分蒸发的部分显著减少，大部分热量又被用于提高叶丝本 身的温度了，表现为温度上升缓慢，此时叶丝的含水率已经下降缓慢或者保持不 变了。 1 0 微波干燥主要工艺条件与叶丝质量的关系研究 图2 3 至图2 5 列出了微波功率、初始含水率和真空压力对叶丝干燥曲线的 影响。在其它工艺条件不变并保证每次装载的叶丝质量相同的情况下，输入功率 越大，脱水速率就越快，完成干燥所需的作用时间就越短；同样的，随着功率的 增大温度上升的速度也越快。从图2 3 可以看出2 0 0 w 1 5 0 9 功率时，温度上升速 度缓慢且大部分干燥过程的温度都低于8 0 c ，而8 0 0 w 15 0 9 功率下叶丝温度迅速 上升到8 0 以上。此现象表明对于大功率微波加热，控温手段显得更为必要。