烤煙抗破碎指數(shù)最佳測(cè)定條件的試驗(yàn)研究

于建軍 ，衛(wèi)盼盼 ，杜閱光 ，崔登科 ，陳紅麗 ，代惠娟 ，葉賢文

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家煙草栽培生理生化研究基地，河南 鄭州 450002；2.天昌國(guó)際煙草有限公司，河南 許昌 461000；3.河北中煙工業(yè)公司，河北 石家莊 050051）

煙草是特殊的農(nóng)產(chǎn)品，主要通過對(duì)葉片加工處理來(lái)實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。煙葉在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸及工業(yè)加工過程中不可避免的會(huì)受到擠壓、切割、撞擊、摩擦、撕裂等不同程度不同方向的人為及機(jī)械外力的作用，尤其是在打葉復(fù)烤加工過程中，難免會(huì)產(chǎn)生一些造碎，這將會(huì)大大降低煙葉的可用性，并直接影響到煙草加工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。如何降低其造碎，最大程度的實(shí)現(xiàn)其工業(yè)價(jià)值，是煙草企業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)比較重視的問題之一。

目前，為了降低煙草的破碎，研究重點(diǎn)已從如何在加工過程中降低煙葉的破碎率[2-7]轉(zhuǎn)向減少煙葉在新機(jī)器應(yīng)用中的造碎[8-10]。煙葉的破碎不僅與其自身內(nèi)在的化學(xué)物質(zhì)有關(guān)，而且還受外界因素的影響，如煙葉加工過程中的周圍環(huán)境溫濕度[11-13]，加工機(jī)械的工藝參數(shù)[14-16]等。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及ISO標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于煙葉的抗破碎性雖然在煙草教材及相關(guān)參考文獻(xiàn)中經(jīng)常提到，但對(duì)煙葉抗破碎性的測(cè)定方法以及如何評(píng)價(jià)這一重要因素一直是個(gè)空白。因此，筆者探討了用煙葉抗破碎指數(shù)評(píng)價(jià)煙葉抗破碎性的可行性和穩(wěn)定性，并對(duì)測(cè)定煙葉抗破碎指數(shù)的理論最佳條件進(jìn)行了研究，以期為煙草相關(guān)理論研究及實(shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料：選自2008年產(chǎn)的平頂山烤煙煙葉，品種為中煙 100，等級(jí) B2F、C3F、X2F。

供試儀器：m307996微型植物粉碎機(jī)，篩網(wǎng)孔徑（φ3.0、φ2.5、φ2.0、φ1.0 mm），LRH-150-S 恒溫恒濕培養(yǎng)箱等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記載與分析，提出煙葉的抗破碎指數(shù)定義為：在一定試驗(yàn)條件下，未通過篩孔的煙葉質(zhì)量占樣品質(zhì)量的百分比。

1.2.1 可行性試驗(yàn)方法設(shè)計(jì) 煙葉回潮后取15片，分別在葉尖、葉中、葉基（盡量避開主脈和支脈）裁 2 cm×1 cm 的煙片，將煙片放置于 T=（22±1）℃，RH=（50±2）%、（65±2）%、（85±2）%的環(huán)境中平衡水分48 h，后稱取10 g煙片放入粉碎機(jī)。粉碎5 s后，將煙樣用不同型號(hào)篩網(wǎng)過篩，分別對(duì)未過篩煙樣稱重，抗破碎指數(shù)較大的煙葉抗破碎能力較強(qiáng)，反之，則較差。通過對(duì)上中下三部位煙葉的抗破碎指數(shù)比較與實(shí)際生產(chǎn)的吻合程度來(lái)驗(yàn)證試驗(yàn)的可行性。

1.2.2 重現(xiàn)性試驗(yàn)方法設(shè)計(jì) 煙葉回潮后取15片，分別在葉尖、葉中、葉基（盡量避開主脈和支脈）裁2 cm×1 cm的煙片，將煙片放入環(huán)境溫濕度為T=（22±1）℃，RH=（65±2）%的恒溫恒濕箱中平衡水分48 h，后稱取10 g煙片放入粉碎機(jī)。粉碎5 s后，過4種不同型號(hào)篩網(wǎng)測(cè)定煙葉的抗破碎指數(shù)。對(duì)1～3三份煙葉樣品進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，每個(gè)煙樣做3次平行測(cè)定，每次均進(jìn)樣5次取平均值，若3次平行測(cè)定的變異系數(shù)均小于5%，則表示本法測(cè)定煙葉抗破碎性的重復(fù)性較好。

1.2.3 最佳測(cè)定條件設(shè)計(jì) 最佳水分條件設(shè)計(jì)：將各規(guī)格煙葉放在 T=（22±1）℃，RH=50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%環(huán)境中平衡水分48 h。然后稱取10 g煙片放入粉碎機(jī)，粉碎5 s后過4種不同型號(hào)篩網(wǎng)，通過對(duì)比確定其最佳水分條件。

如表 1 所示，煙葉重量 A=3、5、7 g，粉碎時(shí)間B=3、4、5 s，篩網(wǎng)孔徑 C=φ1.0、φ2.0、φ2.5 mm 設(shè)計(jì)。按L9（33）正交表進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

2 結(jié)果與分析

2.1 可行性試驗(yàn)

通過對(duì)不同部位煙葉樣品在溫度為（22±1）℃，不同相對(duì)濕度條件下抗破碎指數(shù)的測(cè)定，結(jié)果如表2所示。在同一相對(duì)濕度條件下，煙葉抗破碎指數(shù)表現(xiàn)為中部＞上部＞下部。煙葉抗破碎性的大小與化學(xué)成分（總糖、還原糖、煙堿、總氮、蘋果酸等）、細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)性生物聚合物（總細(xì)胞壁物質(zhì)、纖維素、半纖維素、果膠、木質(zhì)素）和周圍環(huán)境等密切相關(guān)[4]。煙葉吸濕性不同是煙葉抗破碎性差異的主要因素[17]，吸濕性較強(qiáng)的中部葉抗破碎性較好，吸濕性較差的下部葉抗破碎性較差。在同一濕度條件下，中部煙所含的細(xì)胞壁物質(zhì)大于上部，上部略大于下部，理論分析，煙葉的抗破碎性表現(xiàn)為中部＞上部＞下部。因此，試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析是相吻合的，可見采用抗破碎指數(shù)法測(cè)定煙葉的抗破碎性是可行的。

表2 不同部位煙葉在相對(duì)不同濕度下的抗破碎指數(shù)測(cè)定

2.2 重復(fù)性試驗(yàn)

利用平均數(shù)表示參數(shù)的集中趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)差表示離散程度，變異系數(shù)表示穩(wěn)定性。由表3可知，過4種不同型號(hào)篩網(wǎng)的3次平行測(cè)定值較為穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，其變異系數(shù)均小于3%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)理想。結(jié)果表明用煙葉抗破碎性指數(shù)法測(cè)煙葉抗破碎性的數(shù)據(jù)具有重復(fù)性，穩(wěn)定可行。

表3 不同部位煙葉在不同篩網(wǎng)孔徑下煙葉抗破碎指數(shù)測(cè)定的重復(fù)性試驗(yàn)

2.3 最佳測(cè)定條件

2.3.1 最佳水分條件 煙葉是一種吸濕性很強(qiáng)的物料，在一定水分條件下保持一定的含水率[11]。煙葉的實(shí)際加工性能與煙葉性質(zhì)以及環(huán)境濕度有很大關(guān)系。通過對(duì)濕度的調(diào)節(jié)，減少煙葉在加工過程中的造碎、提高煙葉原料利用率，對(duì)降低能源消耗具有非常重要的意義。以中部葉為材料，分析在溫度為（22±1）℃，不同水分條件下煙葉的抗破碎性，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。不論用哪種型號(hào)的篩網(wǎng)，煙葉抗破碎指數(shù)均隨相對(duì)濕度的增加而持續(xù)增加，但增加幅度較小。其中相對(duì)濕度為85%時(shí)，含水率為15.90%，此時(shí)煙葉抗破碎指數(shù)增幅最大或達(dá)最大值，此后趨于平穩(wěn)或略微下降。由此可見，可將煙葉抗破碎測(cè)定的最佳環(huán)境溫濕度設(shè)定為T=（22±1）℃，RH=（85±2）%，即測(cè)定煙葉抗破碎指數(shù)的最佳環(huán)境溫濕度。

表4 不同相對(duì)濕度下煙葉含水率和抗破碎指數(shù)分析與比較

2.3.2 正交試驗(yàn) 煙葉重量、粉碎時(shí)間、篩網(wǎng)孔徑是測(cè)定抗破碎指數(shù)法的主要影響因素，正交試驗(yàn)結(jié)果表明（表5），此試驗(yàn)的最優(yōu)水平組合為A1B1C1，抗破碎指數(shù)達(dá)82.83%，即抗破碎指數(shù)測(cè)定的最佳工作參數(shù)為3 g煙片，粉碎3 s后過φ1.0 mm的篩網(wǎng)。從Rj可以看出因素影響排序?yàn)锳>C>B，即影響煙葉抗破碎指數(shù)的測(cè)定的因素排序是煙葉質(zhì)量A＞篩網(wǎng)孔徑C＞粉碎時(shí)間B。

表5 L9（33）正交試驗(yàn)安排及結(jié)果

正交試驗(yàn)不能區(qū)分是由于各因素的水平變化而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的差異，還是由于試驗(yàn)的隨機(jī)波動(dòng)而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的差異。為解決此問題，需要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。方差分析結(jié)果表明（表6），因素A和因素C的p值小于0.05，即因素A和因素C對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，而因素B的p值小于0.1，即因素B對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。因此，因素A和因素C為主要因素，因素B為次要因素，和表6方差分析得到的直觀分析結(jié)果是一致的。

表6 方差分析

2.3.3 抗破碎指數(shù)測(cè)定的穩(wěn)定性試驗(yàn) 為驗(yàn)證用粉碎機(jī)在測(cè)定煙葉抗破碎指數(shù)的可靠性及穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)：取3份煙葉，按照粉碎機(jī)最佳工作參數(shù)測(cè)定煙葉抗破碎指數(shù)，測(cè)定結(jié)果（表7）。可看出，3份煙葉的抗破碎指數(shù)測(cè)定結(jié)果的變異系數(shù)均小于2%，由此進(jìn)一步說明，用抗破碎指數(shù)法測(cè)定煙葉抗破碎性的方法可靠，測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定。

表7 驗(yàn)證試驗(yàn)

3 結(jié)論與討論

煙葉的抗破碎指數(shù)與煙葉含水率、樣品重量、粉碎時(shí)間、篩網(wǎng)孔徑相關(guān)，因此在這些條件相同的情況下，煙葉的抗破碎性可以通過抗破碎指數(shù)來(lái)反映。抗破碎指數(shù)法從實(shí)驗(yàn)室的條件出發(fā)模擬了煙葉加工中各個(gè)方向各個(gè)強(qiáng)度的受力，試驗(yàn)首先從可行性和重復(fù)性兩方面論證了用抗破碎指數(shù)分析煙葉抗破碎性的可行性操作。在此基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)確定了在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)定煙葉抗破碎指數(shù)的最佳條件。試驗(yàn)表明，在 T=（22±1）℃，RH=（85±2）%的條件下，平衡水分48 h，稱取3 g煙片粉碎3 s后，過φ1.0 mm的篩網(wǎng)為測(cè)定煙葉抗破碎指數(shù)的最佳條件。

抗破碎指數(shù)的定義為：取代表性的煙樣15片，回潮后分別在葉尖、葉中、葉基（盡量避開主脈和支脈）裁成尺寸為 2 cm×1 cm 的煙片，在 T=（22±1）℃，RH=（85±2）%的條件下平衡水分 48 h，稱取 3 g煙片粉碎3 s后，過φ 1.0 mm的篩網(wǎng)，用未穿過篩網(wǎng)的煙片重量占測(cè)試煙葉樣品重量的百分比值表征煙葉的抗破碎性，定義為“煙葉抗破碎指數(shù)（Shatter Resistance Index，簡(jiǎn)稱 SRI）”。SRI值越大，表明煙葉抗破碎能力越強(qiáng)，這是繼抗張力，抗張強(qiáng)度，延伸率后煙葉機(jī)械加工性能的又一重要物理指標(biāo)。本試驗(yàn)從理論上論證了抗破碎指數(shù)對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)作用，但是理論與現(xiàn)實(shí)的差距要通過進(jìn)一步的試驗(yàn)來(lái)解決。因此，將這一理論應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)季節(jié)、不同溫濕度條件下和與之相配套的生產(chǎn)鏈條中還需進(jìn)一步研究。

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