不同煙草原料物理保潤(rùn)性能影響因素研究

張峻松　李強(qiáng)　崔凱　霍現(xiàn)寬　侯鵬娟　馬驥　李皓

摘要：為研究不同煙草原料物理保潤(rùn)性能的差異性，以國(guó)內(nèi)具有代表性的烤煙、薄片、膨脹梗絲、白肋煙、香料煙為研究對(duì)象，以含水率測(cè)試手套箱法為檢測(cè)手段，以Weibull 模型擬合失水過(guò)程水分比隨失水時(shí)間變化曲線(xiàn)、模型中特征時(shí)間參數(shù)α值大小，作為物理保潤(rùn)性能差異性的評(píng)價(jià)指標(biāo).結(jié)果表明：

Weibull模型能夠較好地用于表征煙草樣品干燥動(dòng)力學(xué)；

不同部位煙草物理保潤(rùn)性能順序?yàn)椋褐胁?gt;上部>下部；不同品種煙草物理保潤(rùn)性能順序?yàn)椋篕326>紅大>云煙87；不同類(lèi)型煙草物理保潤(rùn)性能順序?yàn)椋涸茻?7 C3F>膨脹梗絲>香料煙>薄片>白肋煙；凍干后的煙草樣品比平衡水分樣品物理保潤(rùn)性能要好.

Abstract：In order to investigate moisture retention of different leaf tobacco materials，the moisture retention of flue＼|cured tobacco， tobacco sheet expanded stem burley tobacco and oriental tobacco were detected by the moisture content testing glove box.With water losing time fitting curve in water losing process by Weibull model and characterization time parameter α as indicators of material mositure retentivity.The results showed that： Weibull model could be well used for characterization of tobacco samples drying dynamics； The moisture retentivity in different stalk positions of tobacco： middle>upper>bottom；The moisture retentivity in different varieties were as follows： K326>Hongda>Yun87；The moisture retentivity in different types of tobacco were as follows： Yun87 C3F>expanded stem >oriental tobacco >tobacco stem >burley tobacco；The material moisture retentivity of freeze＼|dried sample was better than that of the equilibrium sample.

0引言

煙草是一種膠質(zhì)毛細(xì)狀多孔材料，多孔結(jié)構(gòu)決定了煙草結(jié)構(gòu)的孔隙率較高，這為水分凝聚提供了較大的物理空間，對(duì)水分有較高的吸附能力.另外，煙草內(nèi)部還有較多的多糖、果膠、蛋白質(zhì)等親水基質(zhì)，可以通過(guò)羥基等極性基團(tuán)與水分子結(jié)合[1-4].煙草原料的物理保潤(rùn)性能是指在不同的環(huán)境條件下，煙草維持自身正常水分含量的能力[5-6].原料保潤(rùn)性能的優(yōu)劣與卷煙水分散失的速度和多少有密切關(guān)系[7].近年來(lái)，文獻(xiàn)報(bào)道的測(cè)試煙草物理保潤(rùn)性能的方法主要有常規(guī)烘箱法[8-10]、靜態(tài)差量法[11]和硫酸干燥器取樣法[12-13]等，但這些方法一般存在實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)、步驟繁多、準(zhǔn)確度不高等問(wèn)題.本文擬利用操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高的煙草含水率測(cè)試手套箱法[14-16]測(cè)試不同煙草原料的含水率，基于Weibull模型研究失水過(guò)程中含水率的變化和失水的快慢程度，探究煙草原料物理保潤(rùn)性能的影響因素，為進(jìn)一步提高煙草保潤(rùn)性能提供理論依據(jù).

1材料與方法

1.1材料與儀器

材料：2013年烤煙，云煙87 B2F，C3F，X2F；紅大 C3F；K326 C3F；云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供.造紙法薄片，河南許昌薄片有限公司產(chǎn).CO2膨脹梗絲，江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司產(chǎn).2013年湖北恩施白肋煙B2F，C3F，X2F；重慶白肋煙C3F；新疆香料煙一級(jí)；中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院提供.

儀器：HP22-A型溫濕度電子測(cè)量?jī)x，瑞士羅卓尼克上海分公司產(chǎn)；101-0型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海市浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)；FD-1A-50冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)；BSA224/BSA124型分析天平，德國(guó)Sartorius公司產(chǎn)；QS-2A實(shí)驗(yàn)室煙葉切絲機(jī)，鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司產(chǎn).

1.2方法

1.2.1樣品制備不同煙草原料分別保存在濕度RH=（60±3）%，溫度T=（22±1） ℃環(huán)境中，平衡48 h，切絲機(jī)切絲，寬度為1.0 mm.為制備物理結(jié)構(gòu)差異較大的樣品，將切后樣品分成2等份作如下處理.

1）平衡水分：將樣品置于RH=（60±3）%，溫度T=（22±1） ℃環(huán)境中平衡48 h以上，制得平衡水分樣品a；

2）凍干：調(diào)節(jié)樣品濕基含水率，使煙草內(nèi)部孔隙間充滿(mǎn)水分.冷凍干燥前，低溫冷凍樣品，形成穩(wěn)定的固體骨架，然后置于冷凍干燥機(jī)中， -50 ℃條件下處理24 h，樣品呈現(xiàn)疏松、多孔的海綿狀結(jié)構(gòu)，制得凍干樣品b.

1.2.2煙草含水率的測(cè)試方法將1.2.1處理后的實(shí)驗(yàn)樣品置于相對(duì)濕度RH=（60±3）%，溫度T=（22±1） ℃的環(huán)境中[17]，平衡48 h；然后準(zhǔn)確稱(chēng)取4 g（精確至0.000 1 g）實(shí)驗(yàn)樣品置于煙草含水率測(cè)試手套箱中，測(cè)定實(shí)驗(yàn)樣品在RH=30%的濕度環(huán)境中煙絲質(zhì)量隨失水時(shí)間的數(shù)值變化，每1 min記錄1次，測(cè)試周期 4 000 min 以上.采用烘箱法[18]測(cè)定實(shí)驗(yàn)樣品干基含水率，最后作出實(shí)驗(yàn)樣品干基含水率隨失水時(shí)間的變化曲線(xiàn).

1.2.3煙草樣品物理保潤(rùn)性能評(píng)價(jià)方法

在食品工業(yè)中，國(guó)內(nèi)外研究者提出了水分比MR（Moisture Ratio）的概念[19-21]，用來(lái)描述在某一干燥條件下，物料水分殘余量的相對(duì)比值，可反應(yīng)樣品失水的難易程度

MR=Mt-MeMo-Me

式中，Mt為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的干基含水率/%，Me為樣品最終干基含水率/%，Mo為樣品初始干基含水率/%.

近年來(lái)，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的 Weibull 分布函數(shù)已逐漸應(yīng)用于建立水果、蔬菜等食品的干燥過(guò)程模型，Weibull 分布函數(shù)有較好的適用性和兼容性，在熱力學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[22-25].該函數(shù)能較好地描述干燥過(guò)程中水分遷移過(guò)程，擬合精度較高，因此，采用該函數(shù)可對(duì)物料干燥過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)描述.Weibull 分布函數(shù)為

MR=exp-tα

β

式中，t為失水時(shí)間/min；

α為特征時(shí)間參數(shù)/min；β為失水過(guò)程中的形狀參數(shù)，與樣品在失水過(guò)程中開(kāi)始階段的速率有關(guān)，其值越小表示開(kāi)始的干燥速率越大.

煙草樣品在t時(shí)刻的MR由α和β來(lái)進(jìn)行確定.使用Weibull模型對(duì)t和MR進(jìn)行擬合，得到Weibull模型的各參數(shù)值，α表示MR隨失水時(shí)間變化的快慢，其值等于MR為e-1時(shí)所用的時(shí)間，對(duì)任意干燥條件，干燥時(shí)間t=α?xí)r樣品MR約為定值 0.37.因此，Weibull 模型用于描述解濕過(guò)程時(shí)，其特征時(shí)間參數(shù)α即為脫除水分達(dá)到初始含水率 63%時(shí)所需的時(shí)間.α值越小，說(shuō)明樣品MR變化得越快，本研究中使用α值大小評(píng)價(jià)樣品的物理保潤(rùn)性能.

2結(jié)果與討論

2.1煙草樣品物理保潤(rùn)性能評(píng)價(jià)方法的驗(yàn)證

選取云煙87 C3F-a樣品進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，樣品編號(hào)為云煙87 C3F-1，云煙87 C3F-2，云煙87 C3F-3，云煙87 C3F-4.使用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD（Relative Standard Deviation）

考察基于Weibull 模型對(duì)煙草樣品物理保潤(rùn)性能評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性，結(jié)果見(jiàn)表1.由表1可知：特征時(shí)間參數(shù)α值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.57%，說(shuō)明該模型能夠較好地用于表征煙草樣品干燥動(dòng)力學(xué).

2.2不同煙草原料的物理保潤(rùn)性能差異性分析

2.2.1不同部位對(duì)樣品物理保潤(rùn)性能的影響

選取云煙87 B2F（上部）、云煙87 C3F（中部）、云煙87 X2F（下部），分析不同部位煙絲物理保潤(rùn)性能間的差異，煙絲的水分比變化曲線(xiàn)和解濕行為相關(guān)指標(biāo)分別見(jiàn)圖1和表2.

由圖1可知，煙草樣品在失水過(guò)程中的前 1 000 min，MR變化范圍較大，之后變化趨于平緩.失水初期，物理作用是水分散失的主要原因，并且煙草的多孔結(jié)構(gòu)為水分的凝集提供了較大的物理空間，散失的幾乎全為自由水，其保潤(rùn)性能由于物理結(jié)構(gòu)的不同也會(huì)有較大的差異.

由表2可知，在解濕過(guò)程中，云煙87上、中、下3個(gè)部位的煙絲初始干基含水率有較大區(qū)別，中部樣品的初始干基含水率較高，干基含水率變化幅度也最大，平衡時(shí)云煙87中部位煙絲的最終干基含水率較大，上部和下部較為接近.由表2中α值對(duì)比分析可知：云煙87 C3F-a>云煙87 B2F-a>云煙87 X2F-a，說(shuō)明煙絲部位不同對(duì)煙草物理保潤(rùn)性能有較大影響，中部煙物理保潤(rùn)性能較好，下部煙水分散失較快，物理保潤(rùn)性能較差.

2.2.2不同品種對(duì)樣品物理保潤(rùn)性能的影響

選取曲靖地區(qū)烤煙云煙 87 C3F-a，紅大C3F-a，K326 C3F-a煙絲樣品，比較不同品種煙絲間物理保潤(rùn)性能的差異，解濕過(guò)程水分比變化曲線(xiàn)和解濕行為相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)圖2和表3.

由圖2可知，煙草樣品在失水過(guò)程的前1 000 min，水分比變化范圍較大，在500 min左右時(shí)，水分散失程度出現(xiàn)較大差異，1 000 min后，水分散失程度差異較小.

由表3可知，在失水過(guò)程中云煙 87，紅大，K326中部煙絲初始干基含水率有較小差異，K326中部煙絲的初始干基含水率較高，干基含水率變化幅度也較大.

對(duì)表3中α值大小對(duì)比分析可知，K326 C3F-a>紅大 C3F-a>云煙87 C3F-a，表明K326 C3F-a樣品失水所需時(shí)間較長(zhǎng)，即煙絲水分?jǐn)U散較慢，說(shuō)明K326 C3F-a保潤(rùn)性能較好，其次是紅大 C3F-a，云煙87 C3F-a物理保潤(rùn)性能較差，說(shuō)明煙絲品種對(duì)煙草物理保潤(rùn)性能影響較大.因此，在改善卷煙產(chǎn)品保潤(rùn)性能時(shí)，可考慮通過(guò)使用不同品種的煙絲來(lái)適當(dāng)調(diào)節(jié)卷煙產(chǎn)品的物理保潤(rùn)性能.

2.2.3不同類(lèi)型樣品物理保潤(rùn)性能分析

烤煙、造紙法薄片、膨脹梗絲、白肋煙、香料煙等不同類(lèi)型煙草樣品由于各自物理結(jié)構(gòu)及內(nèi)在化學(xué)成分明顯不同[26-32]，其保潤(rùn)性能也有明顯差異.選取烤煙云煙 87 C3F-a，河南許昌薄片-a，江蘇CO2膨脹梗絲-a，恩施白肋煙C3F-a，新疆香料煙一級(jí)-a共5種樣品，解濕過(guò)程水分比變化曲線(xiàn)和解濕行為相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)圖3和表4.

由圖3可知：不同類(lèi)型的煙草樣品，其物理保潤(rùn)性差異較大.樣品開(kāi)始失水時(shí)，失水快慢程度出現(xiàn)較大差異；隨著失水時(shí)間的增加，水分比差異增大，在500 min左右時(shí)，水分比差異達(dá)到最大.之后失水程度逐漸減緩，差異性較小，在2 500 min左右時(shí)，失水速率趨于一致.

由表4可知：5種類(lèi)型煙草樣品的初始干基含水率差異比較明顯，云煙87 C3F-a，江蘇CO2膨脹梗絲-a的初始干基含水率明顯高于其他3種樣品；

云煙87 C3F-a 的平衡干基含水率最大，河南許昌薄片-a最小；在失水過(guò)程中，云煙87 C3F-a，江蘇CO2膨脹梗絲-a的干基含水率變化幅度也較大.對(duì)表4中α值大小對(duì)比分析可知：云煙87 C3F-a的α值最大，即烤煙水分?jǐn)U散比較慢，具有較好的保潤(rùn)性能，其次是江蘇CO2膨脹梗絲-a，新疆香料煙一級(jí)-a，河南許昌薄片-a，恩施白肋煙C3F-a保潤(rùn)性能較差.

2.2.4物理結(jié)構(gòu)對(duì)樣品物理保潤(rùn)性能的影響

考察煙草樣品分別用平衡水分和凍干兩種方式處理后保潤(rùn)性能的差異，處理?xiàng)l件不同，導(dǎo)致物理結(jié)構(gòu)不同，其保潤(rùn)性能也有明顯的差異.選取云煙87 C3F-a，云煙87 C3F-b，紅大 C3F-a，紅大 C3F-b，K326 C3F-a，K326 C3F-b，重慶白肋煙C3F-a，重慶白肋煙C3F-b，新疆香料煙一級(jí)-a，新疆香料煙一級(jí)-b樣品，兩種處理方式樣品失水過(guò)程中水分比變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，解濕行為相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表5.

的多少影響較小，但是對(duì)失水快慢的影響較大.

利用Weibull模型對(duì)失水過(guò)程的干燥曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表6所示.在相同的干燥條件下，凍干樣品的α值均大于對(duì)應(yīng)平衡水分樣品，說(shuō)明凍干后樣品的水分散失較慢，物理保潤(rùn)性能有所改善.樣品凍干后復(fù)水，由于是多孔疏松結(jié)構(gòu)，毛細(xì)管間附著著較多水分，提高了毛細(xì)管水分吸附量，因此，凍干后樣品持水能力較好，即物理保潤(rùn)性能較好.

3結(jié)論

本文采用煙草含水率測(cè)試手套箱法測(cè)試不同煙草樣品物理保潤(rùn)性能，并分析其差異性，得出如下結(jié)論.

1）考察基于Weibull 模型對(duì)煙草樣品物理保潤(rùn)性能評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性，特征時(shí)間參數(shù)α值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.57%，說(shuō)明該模型能夠較好地用于表征煙草樣品干燥動(dòng)力學(xué).

2）α值大小反映不同卷煙原料物理保潤(rùn)性能的差異，可得出相同品種的煙草以中部煙的保潤(rùn)性能最好；不同品種煙草的保潤(rùn)性能，其大小依次為：K326 >紅大>云煙87；不同類(lèi)型煙草樣品物理保潤(rùn)性能大小依次為：烤煙云煙 87>CO2膨脹梗絲>香料煙一級(jí)>造紙法薄片>恩施白肋煙；凍干樣品物理保潤(rùn)性能比平衡水分樣品的物理保潤(rùn)性能好.參考文獻(xiàn)：

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