基于響應(yīng)面-主成分分析法優(yōu)化再造煙葉表面改性膜材料的配方研究

王子維，陳一楨，舒灝，徐耀威，劉奔，何山，童宇星，晏群山，高頌，郭瓊，賀靖鵬，趙德清*

煙草和煙氣化學(xué)

基于響應(yīng)面-主成分分析法優(yōu)化再造煙葉表面改性膜材料的配方研究

王子維1,2,3，陳一楨1,2,3，舒灝1,2,3，徐耀威1,2,3，劉奔1,2,3，何山1，童宇星1,2,3，晏群山1,2,3，高頌1,2,3，郭瓊4，賀靖鵬4，趙德清4*

1 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢市東西湖區(qū)?？诙?號(hào) 430040；2 湖北新業(yè)煙草薄片開(kāi)發(fā)有限公司，武漢沌口經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)萬(wàn)家湖路126號(hào) 430056；3 重組煙葉應(yīng)用技術(shù)研究湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市東西湖區(qū)?？诙?號(hào) 430040；4 四川輕化工大學(xué)，宜賓市三江新區(qū)白塔路1號(hào) 644055

【背景和目的】針對(duì)加熱卷煙用再造煙葉吸濕性過(guò)強(qiáng)的問(wèn)題，克服其在制絲、卷包以及貯存過(guò)程中易吸潮的缺陷，確保其耐加工性以及感官質(zhì)量的穩(wěn)定性。【方法】以殼聚糖、石蠟、黃原膠為配方組分，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面-主成分分析法優(yōu)化膜材料配方，開(kāi)發(fā)出具有適中疏水性的膜材料涂布液，用于再造煙葉表面疏水改性。【結(jié)果】?jī)?yōu)化得到膜材料配方為：殼聚糖、石蠟和黃原膠的涂布量分別為0.6g/m2、1.5 g/m2、1.6 g/m2，在此條件下制得改性再造煙葉的接觸角87.542°、吸濕率10.98%、放濕率2.16%、感官質(zhì)量得分87分。相比于傳統(tǒng)再造煙葉，改性后再造煙葉的吸濕率和放濕率均顯著降低，感官質(zhì)量基本保持，抗張強(qiáng)度有所提升，再造煙葉的綜合性能得到明顯改善。

再造煙葉；吸濕性；殼聚糖；石蠟；響應(yīng)面；主成分分析

吸濕性是再造煙葉的基本物理特性，與再造煙葉及其制品的加工、貯藏以及卷煙的抽吸品質(zhì)密切相關(guān)。加熱卷煙專(zhuān)用再造煙葉因富含甘油等發(fā)煙劑（含量10%～30%）而導(dǎo)致其表面吸濕性過(guò)強(qiáng)，由此帶來(lái)吸潮、粘連、霉斑等問(wèn)題，進(jìn)而影響加熱卷煙在制絲、卷包過(guò)程中的耐加工性以及貯存過(guò)程中的感官質(zhì)量穩(wěn)定性。同天然煙葉類(lèi)似，決定再造煙葉吸濕性能的內(nèi)在因素是煙葉的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，外在因素是環(huán)境溫濕度、煙葉實(shí)際水分與平衡水分的差值、空氣流動(dòng)速度和包裝狀況等[1-2]。通過(guò)再造煙葉表面改性技術(shù)，改善其吸濕性過(guò)強(qiáng)的缺陷，滿(mǎn)足耐加工性和感官質(zhì)量穩(wěn)定性要求，是再造煙葉領(lǐng)域亟需解決的重要課題。

目前，再造煙葉吸濕性及表面改性的研究相對(duì)較少，相關(guān)文獻(xiàn)主要集中在煙葉吸濕保潤(rùn)性能方面[3-7]。表征固體表面潤(rùn)濕性的基本理論主要是接觸角，接觸角可作為潤(rùn)濕程度的量度，接觸角大小不僅與材料的固有性質(zhì)親水性和疏水性有關(guān)，還與材料表面的粗糙度、孔隙率、孔徑大小及其分布等表面性狀有關(guān)[8]。造紙法再造煙葉與天然煙葉表面潤(rùn)濕特性研究表明[9]，天然煙葉的前進(jìn)接觸角大于90°，表現(xiàn)出一定的疏液性，造紙法再造煙葉的前進(jìn)接觸角小于90°，表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性。等溫吸濕線(xiàn)和凈等量吸附熱可以用于表征煙草吸濕或放濕行為，GAB模型為擬合煙草等溫吸濕線(xiàn)最優(yōu)模型[10]。劉洋等[11]采用接觸角法測(cè)量煙葉的表面自由能，認(rèn)為白肋煙、烤煙和香料煙3種云南煙葉的表面自由能較低，屬于低能表面材料，較難被水潤(rùn)濕，較易被一些特定表面張力的液體潤(rùn)濕，表面自由能還與煙葉表面多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。利用接觸角篩選粉體磷酸一銨包裹型防潮劑的研究表明[12]，有機(jī)物包裹粉狀磷酸一銨后，接觸角增加，吸濕速度降低，可以用接觸角的大小來(lái)篩選防潮包裹劑。煙葉主要通過(guò)三種方式吸收水分[13-14]：煙葉上表面、下表面和切面。當(dāng)煙絲寬度大于5.0mm時(shí)，主要靠上下表皮吸收水分。當(dāng)煙絲寬度小于1.0mm時(shí)，吸收水分主要通過(guò)煙絲的切面。表面改性是利用物理或化學(xué)方法對(duì)固體表面進(jìn)行處理使其表面性質(zhì)發(fā)生變化，如表面疏水性或親水性、表面原子層結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)等。

煙葉表面化學(xué)成分通常是指附著在葉片表皮上的一層茸毛分泌物，主要為非極性或弱極性物質(zhì)，包括雙萜類(lèi)、糖酯、表面蠟、揮發(fā)物及其它微量組分。其中，表面蠟質(zhì)由角質(zhì)、長(zhǎng)鏈烷烴、蠟酯、脂肪醇等多種疏水有機(jī)物組成，形成具有疏水結(jié)構(gòu)的保護(hù)層覆蓋于表皮層，對(duì)煙草保潤(rùn)和吸濕性能具有重要影響[1-2,15]。石蠟是一種固態(tài)飽和碳?xì)湮锏奶峒兓旌衔?，食品?jí)石蠟是以含油蠟為原料，經(jīng)發(fā)汗或溶劑脫油，再經(jīng)加氫精制或白土精制所得的一種食品添加劑，廣泛用于食品、醫(yī)藥和化妝品領(lǐng)域[16]。殼聚糖作為自然界中唯一的堿性陽(yáng)離子多糖，具有優(yōu)異的生物相容性、生物降解性、可再生性和天然抗菌性而受到廣泛關(guān)注，殼聚糖的脫乙酰度主要通過(guò)影響分子中氨基與乙酰氨基的相對(duì)含量來(lái)影響疏水性與抗菌活性[17]，當(dāng)脫乙酰度低時(shí)乙?；扛邔?dǎo)致疏水性增強(qiáng)。黃原膠是性能優(yōu)越的微生物多糖，集增稠穩(wěn)定、懸浮乳化為一體，分子中穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的懸浮特性。為改善加熱卷煙用再造煙葉的吸濕性能，本研究選取殼聚糖、石蠟、黃原膠為配方組分，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面-主成分分析法優(yōu)化膜材料配方，將膜材料涂布液通過(guò)噴涂方式轉(zhuǎn)移至再造煙葉表面，賦予再造煙葉適合的疏水性。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

主要材料：干法再造煙葉，湖北新業(yè)煙草薄片開(kāi)發(fā)有限公司；58號(hào)石蠟（食品級(jí)），荊門(mén)市維佳實(shí)業(yè)有限公司；殼聚糖（食品級(jí)），山東奧康生物科技有限公司；黃原膠（食品級(jí)），內(nèi)蒙古阜豐生物科技有限公司；36%乙酸，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乳化劑，實(shí)驗(yàn)室自制。

主要儀器：SDC-350自動(dòng)傾斜接觸角測(cè)量?jī)x，重慶晟鼎達(dá)因特科技有限公司；DF-101S集熱式恒溫磁力攪拌器，上海力辰邦西儀器科技有限公司；SN-FS400-ST數(shù)顯高速分散機(jī)，上海尚普儀器設(shè)備有限公司；CFS-100恒溫恒濕箱，康菲維斯設(shè)備（東莞）有限公司；GZX-9146MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠(chǎng)；ABS-8866數(shù)顯溫濕度計(jì)，寧波得力工具有限公司；W-71氣動(dòng)噴槍?zhuān)_(tái)州市彩田氣動(dòng)工具有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 再造煙葉表面改性工藝流程

工藝流程：石蠟乳液制備→殼聚糖溶解→黃原膠溶解→膜材料復(fù)配→涂布液均質(zhì)→噴涂→干燥→改性后再造煙葉樣品。

石蠟乳液制備：稱(chēng)取一定量的食品級(jí)58號(hào)石蠟和乳化劑ZTG，置于反應(yīng)器中加熱至60℃左右熔化，在100r/min的攪拌速度下，逐滴加入總水量30%左右的90℃熱水，加熱攪拌10min，將剩余的熱水（總水量70%）分兩次加入石蠟乳液中，繼續(xù)攪拌30min后，冷卻，制得石蠟乳液。

選取合適分子量和脫乙酰度的殼聚糖用稀醋酸溶液溶解，配制0.6%濃度的殼聚糖溶液。配制0.5%濃度的黃原膠溶液。裁取長(zhǎng)寬大小為400mm×200mm的干法再造煙葉作為空白樣品，平衡水分后待用，空白樣品的定量為120g/m2，厚度為0.282mm，含水率為11.5%。根據(jù)涂布量分別稱(chēng)取三種膜材料組分溶液，混合、分散均勻后制得膜材料涂布液，采用噴涂方式將膜材料涂布液轉(zhuǎn)移至再造煙葉表面（單面涂布），經(jīng)烘箱干燥后制得改性后的再造煙葉樣品，置于干燥器中平衡48h（溫度22℃、相對(duì)濕度60%）后待測(cè)。

1.2.2 膜材料單因素實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中干法再造煙葉試樣的面積為0.08m2（400 mm×200 mm），選取的單因素有殼聚糖的涂布量（A）、石蠟的涂布量（B）和黃原膠的涂布量（C），以接觸角、感官質(zhì)量、吸濕率、放濕率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)，分別選取不同的涂布量進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，A的涂布量為：0.3、0.6、1.2、2.4、4.8；B的涂布量為：0.25、0.5、1.0、2.0、4.0；C的涂布量為：0.2、0.4、0.8、1.6、3.2，涂布量單位為g/m2（以再造煙葉的面積為基準(zhǔn)計(jì)算）。

1.2.3 膜材料響應(yīng)面-主成分分析法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，每個(gè)因素選取3個(gè)較好的水平進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，同樣以接觸角、感官質(zhì)量、吸濕率、放濕率作為指標(biāo)，通過(guò)主成分分析法對(duì)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行降維，轉(zhuǎn)化成規(guī)范化綜合得分Z值作為總評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用Design-Expert 11軟件，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到膜材料涂布液的優(yōu)化配方。

1.2.4 指標(biāo)的測(cè)定

（1）再造煙葉疏水性的測(cè)定。利用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定再造煙葉（1.2.1中的樣品）表面接觸角，以接觸角大小表征再造煙葉疏水性強(qiáng)弱。所用液體為去離子水，滴液量為2 μL。調(diào)節(jié)儀器照相焦距，用微量進(jìn)樣器將液滴滴在樣品表面，在液滴接觸表面2s時(shí)拍攝圖像，測(cè)量計(jì)算接觸角，移動(dòng)樣品改變測(cè)試點(diǎn)位置，取3次測(cè)量結(jié)果平均值作為被測(cè)樣品的接觸角[9]。

（2）再造煙葉感官質(zhì)量評(píng)價(jià)。再造煙葉經(jīng)切絲、手工打煙、平衡水分后制成評(píng)吸樣品，樣品感官質(zhì)量評(píng)價(jià)采用百分制評(píng)價(jià)法，由9位專(zhuān)業(yè)評(píng)委從煙氣特性、香氣特性、舒適性及持久性4個(gè)方面進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)與細(xì)則見(jiàn)表1。

表1 再造煙葉感官質(zhì)量評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)與細(xì)則

Tab.1 Sensory quality evaluation criteria and rules

（3）再造煙葉吸濕性能評(píng)價(jià)。吸濕性能采用吸濕率和放濕率進(jìn)行評(píng)價(jià)。將平衡后的再造煙葉樣品用標(biāo)準(zhǔn)定量取樣器裁切成100cm2大小的圓形，精確稱(chēng)重后置于含有飽和硝酸鉀溶液的干燥器中（溫度25℃、濕度RH 82%±2%），干燥器內(nèi)溫濕度通過(guò)溫濕度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，每隔一段時(shí)間記錄樣品重量變化，根據(jù)式（1）計(jì)算吸濕率。同樣地，將樣品放入含有飽和氯化鋰溶液的干燥器中（溫度25℃、濕度RH 31%±2%），每隔一段時(shí)間記錄樣品重量變化，根據(jù)式（2）計(jì)算放濕率。吸濕率和放濕率的測(cè)定結(jié)果是在固定時(shí)長(zhǎng)72 h下測(cè)定的。

1.2.5 主成分提取與數(shù)據(jù)處理

對(duì)改性后再造煙葉品質(zhì)的各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得到原始數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率及特征值，將大于1的特征值因子作為主成分提取標(biāo)準(zhǔn)[19]。按式（3）計(jì)算各實(shí)驗(yàn)組的綜合得分F，按式（4）將得到的綜合得分F進(jìn)行規(guī)范化處理，得到規(guī)范化綜合得分Z[20,21]。以規(guī)范化綜合得分Z為響應(yīng)值，確定表面膜材料的最優(yōu)配方。

式中，為綜合得分，1、2為主成分1、2的得分，1、2為主成分1、2的特征值，為累積特征值；為規(guī)范化綜合得分，F為綜合得分中最大值，F為綜合得分中最小值。

采用origin 9.0進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理并制圖，利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行主成分分析，利用Design Expert 11.0進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖1（a）可以看出，隨著殼聚糖涂布量的逐漸增加，再造煙葉的接觸角呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，在涂布量為1.2 g/m2時(shí)接觸角達(dá)到最大，為100.7°，相比涂布量0.3 g/m2時(shí)接觸角增大了56.4%，相比未涂布的空白再造煙葉（38.3°）接觸角增大了62.4°。此后，隨著涂布量的繼續(xù)增大，接觸角反而開(kāi)始下降，涂布量升高至4.8 g/m2時(shí)，接觸角降至最低點(diǎn)，為44.7°，相比最高點(diǎn)下降了55.6%。由此可見(jiàn)，殼聚糖對(duì)于提高再造煙葉表面的接觸角作用顯著，在較低用量條件下即可賦予再造煙葉較好的疏水性，超過(guò)一定用量反而導(dǎo)致再造煙葉表面具有親水性，導(dǎo)致接觸角快速下降。再造煙葉表面的親水性和疏水性大小是由膜材料本身的親疏水性質(zhì)以及再造煙葉表面的粗糙度、孔隙率、透氣度及孔徑分布等因素共同決定的[8]。當(dāng)殼聚糖涂布量較低時(shí)，其分子內(nèi)大量的乙?；鹬鲗?dǎo)作用體現(xiàn)出一定的疏水性，此時(shí)接觸角增大；當(dāng)殼聚糖涂布量超過(guò)一定量時(shí)，其分子內(nèi)豐富的氨基和羥基形成的分子間氫鍵使其使其呈現(xiàn)親水性，此時(shí)接觸角下降[17]。且感官質(zhì)量得分與殼聚糖的涂布量呈負(fù)相關(guān)，表明添加殼聚糖對(duì)再造煙葉的抽吸品質(zhì)有負(fù)面影響，必須嚴(yán)格控制其涂布量的大小，不能片面追求增大接觸角而忽略了感官質(zhì)量。從圖1（b）可以看出，再造煙葉的吸濕率和放濕率隨殼聚糖涂布量的增大呈先下降而后升高的趨勢(shì)，涂布量1.2 g/m2時(shí)吸濕率達(dá)到最低為6.57%，涂布量2.4 g/m2時(shí)放濕率達(dá)到最低為2.34%，接觸角越大，疏水性越高，相應(yīng)地吸濕率越低，放濕率也越低，表明再造煙葉表面疏水效果越好。

石蠟的主要成分與天然煙葉表面蠟質(zhì)成分相似[18]，主要為起疏水作用的長(zhǎng)鏈烷烴，因此可以利用食品級(jí)石蠟對(duì)再造煙葉進(jìn)行表面改性。從圖2（a）可以看出，接觸角大小隨石蠟涂布量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在涂布量1 g/m2時(shí)接觸角接近最大值為83.8°，此后涂布量增大至2g/m2時(shí)接觸角不再變化，保持84.3°，繼續(xù)增大涂布量至4g/m2時(shí)，接觸角反而下降至67.1°。即石蠟乳液在低用量時(shí)可以增加再造煙葉表面接觸角，超過(guò)一定用量接觸角反而會(huì)下降。接觸角的測(cè)量值除了與石蠟本身的疏水性有關(guān)外，還與再造煙葉表面的粗糙度、孔隙率有關(guān)，對(duì)于接觸角＜90°的親水性表面，表面粗糙度的增大反而會(huì)使表觀(guān)接觸角變小，這與文獻(xiàn)[8]的結(jié)論是一致的。且感官質(zhì)量得分與石蠟涂布量也呈負(fù)相關(guān)，表明石蠟乳液對(duì)再造煙葉抽吸品質(zhì)有不利影響，應(yīng)最大程度地減少其涂布量。從圖2（b）可以看出，吸濕率和放濕率隨石蠟乳液涂布量的增大也呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，這與接觸角的趨勢(shì)剛好相反，表明增大接觸角時(shí)吸濕率和放濕率降低，接觸角減少時(shí)吸濕率和放濕率增大。

黃原膠具有增稠穩(wěn)定、懸浮乳化的功能，是一種較好的成膜材料。圖3（a）可得，接觸角隨黃原膠涂布量的增加呈現(xiàn)先下降后有所升高的趨勢(shì)，在涂布量?jī)H為0.2 g/m2時(shí)接觸角達(dá)到最高值為49.3℃，此后降至最低點(diǎn)33.5°，而后當(dāng)涂布量增加至3.2 g/m2時(shí)接觸角略微升高至41.4℃。圖3（b）顯示吸濕率和放濕率呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，且降低的幅度不大，即黃原膠的疏水改性效果較差，這可能與其本身固有的親水性有關(guān)。從感官質(zhì)量變化來(lái)看，在涂布量為0.4 g/m2時(shí)感官質(zhì)量得分增加了0.5分，表明低用量的黃原膠在某種程度上可以改善抽吸品質(zhì)，但用量再高感官質(zhì)量反而下降。總體來(lái)看，黃原膠在膜材料涂布液中主要起穩(wěn)定劑和分散劑的作用。

單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膜材料疏水改性效果排序?yàn)椋簹ぞ厶牵臼炄橐海军S原膠，殼聚糖涂布量為1.2 g/m2時(shí)接觸角達(dá)到100.7°，感官質(zhì)量得分為7.5分，吸濕率和放濕率分別為6.57%、2.75%。再造煙葉的接觸角、吸濕率和放濕率是表征其吸濕性能的重要指標(biāo)，同時(shí)，感官質(zhì)量是再造煙葉的內(nèi)涵價(jià)值所在，綜合考慮膜材料對(duì)吸濕性能和感官品質(zhì)的影響，有必要對(duì)膜材料進(jìn)行復(fù)配并優(yōu)化其配方，以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。

(a)對(duì)接觸角和感官質(zhì)量的影響 (b)對(duì)吸濕率和放濕率的影響

圖1 殼聚糖涂布量對(duì)再造煙葉表面性能的影響

Fig.1 Effect of the coating content of chitosan on surface characteristic of reconstituted tobacco

（a）對(duì)接觸角和感官質(zhì)量的影響 （b）對(duì)吸濕率和放濕率的影響

圖2 石蠟乳液涂布量對(duì)再造煙葉表面性能的影響

Fig.2 Effect of the coating content of paraffin on surface characteristic of reconstituted tobacco

（a）對(duì)接觸角和感官質(zhì)量的影響 （b）對(duì)吸濕率和放濕率的影響

圖3 黃原膠涂布量對(duì)再造煙葉表面性能的影響

Fig.3 Effect of the coating content of xanthan gum on surface characteristic of reconstituted tobacco

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以殼聚糖的涂布量（A）、石蠟乳液的涂布量（B）和黃原膠的涂布量（C）作為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的3個(gè)影響因素，研究其對(duì)改性后再造煙葉表面接觸角、感官質(zhì)量、吸濕率、放濕率的影響。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素與水平

Tab.2 Factors and levels of response surface method （g/m2）

表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

Tab.3 Response surface design scheme and results

2.2.1 主成分分析

采用SPSS對(duì)表3中再造煙葉品質(zhì)的4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，通過(guò)KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形度檢驗(yàn)可知，KMO值為0.609＞0.6，Bartlett檢驗(yàn)顯著性結(jié)果為0.000＜0.01，說(shuō)明各指標(biāo)之間具有相關(guān)性，表3數(shù)據(jù)適用主成分分析。主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率見(jiàn)表4。前2個(gè)主成分的特征值均＞1，當(dāng)提取前2個(gè)主成分時(shí)，累積貢獻(xiàn)率為95.573%，根據(jù)大于85%累積貢獻(xiàn)率的原則[19-21]，提取前2個(gè)主成分可以反映改性后再造煙葉品質(zhì)的主要信息。主成分中指標(biāo)的特征向量值見(jiàn)表5，決定第1主成分的指標(biāo)為吸濕率、接觸角和放濕率；決定第2主成分的指標(biāo)為感官評(píng)分，可見(jiàn)提取的2個(gè)主成分能夠全面反映再造煙葉的品質(zhì)信息。

表4 改性再造煙葉主成分的特征值及貢獻(xiàn)率

Tab.4 Characteristic values and contribution rate of principal components in modified reconstituted tobacco

表5 改性再造煙葉指標(biāo)的特征向量值

Tab.5 Index characteristic vectorial values of modified tobacco

為消除各個(gè)指標(biāo)間存在的量綱和數(shù)量級(jí)的差異，利用SPSS軟件對(duì)表3中的數(shù)據(jù)X1、X2、X3、X4從相關(guān)性矩陣出發(fā)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（Z-socre法），轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值ZX1、ZX2、ZX3、ZX4，根據(jù)各指標(biāo)在主成分上的載荷量，計(jì)算出各指標(biāo)在不同主成分上的線(xiàn)性組合系數(shù)，得到主成分的得分F1、F2。

F1=-0.583*ZX1+0.012*ZX2+0.591*ZX3+0.558*ZX4

F2=0.103ZX1+0.962*ZX2-0.125*ZX3+0.219*ZX4

利用方差貢獻(xiàn)率權(quán)重得到綜合得分F值，由于各指標(biāo)間存在單位和變異程度的差異，因此對(duì)綜合得分F進(jìn)行規(guī)范化處理后得到規(guī)范化綜合得分Z，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 主成分綜合得分及規(guī)范化綜合得分

Tab.6 Principal component score and standardized comprehensive score

2.2.2 響應(yīng)面分析

以規(guī)范化綜合得分Z值為響應(yīng)值，利用Design- Expert 11.0軟件進(jìn)行多元回歸擬合，得到多元回歸模型，回歸方程如下：

回歸模型方差分析見(jiàn)表7。該模型的=0.0002＜0.01，表明該模型極顯著。失擬項(xiàng)=0.1075＞0.05，表示失擬項(xiàng)不顯著，表明建模成功。該模型的決定系數(shù)為2=0.9678，校正決定系數(shù)2adj為0.9265，說(shuō)明該回歸模型實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間擬合度較高，可用于規(guī)范化綜合得分的預(yù)測(cè)。

表7 回歸模型方差分析

Tab.7 Variance analysis of regression model

注：*表示差異顯著（<0.05）；**表示差異極顯著（<0.01）。

從表7中還可以看出，各因素中，一次項(xiàng)B為極顯著（＜0.01），A顯著（＜0.05），C為不顯著，表明B石蠟乳液的用量變化對(duì)Z值影響最大，其次為A殼聚糖用量影響較大，而C黃原膠用量影響不大。二次項(xiàng)中AC和C2為極顯著，BC為顯著；交互項(xiàng)顯著性的排序?yàn)椋篈C＞BC＞AB。統(tǒng)計(jì)學(xué)上F值越大、值越小，表明該因素對(duì)結(jié)果的影響越大[19-21]，通過(guò)F值和值大小，可以判定各因素對(duì)規(guī)范化得分Z值影響的重要性，各因素對(duì)改性后再造煙葉吸濕性能影響排序?yàn)椋菏炄橐旱耐坎剂浚˙）>殼聚糖的涂布量（A）>黃原膠的涂布量（C）。

2.2.3 各因素交互作用分析

響應(yīng)面3D曲面圖能夠直觀(guān)反映出三因素與規(guī)范化綜合得分Z值之間的關(guān)系和相互作用[20]，各因素之間的交互作用和等高線(xiàn)見(jiàn)圖4，曲面越彎曲說(shuō)明因素對(duì)結(jié)果的影響越大，等高線(xiàn)呈橢圓形且越密集說(shuō)明各因素間交互作用越顯著。各因素之間對(duì)于規(guī)范化綜合得分的影響不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。

（a）殼聚糖與石蠟的交互作用 （b）殼聚糖與石蠟的等高線(xiàn)

（c）殼聚糖與黃原膠的交互作用 （d）殼聚糖與黃原膠的等高線(xiàn)

（e）石蠟與黃原膠的交互作用 （f）石蠟與黃原膠的等高線(xiàn)

圖4 各因素間的交互作用

Fig.4 Interaction between factors

從圖4（a）、（b）可看出，殼聚糖（A）和石蠟乳液（B）的Z值其響應(yīng)面曲線(xiàn)均比較陡峭，說(shuō)明殼聚糖A和石蠟乳液B對(duì)Z值的影響十分顯著。根據(jù)圖4（b）可知，殼聚糖與石蠟交互作用的等高線(xiàn)圖近似于圓形，表明兩因素間的交互作用對(duì)改性再造煙葉規(guī)范化綜合得分Z值的影響為不顯著。

從圖4（c）、（d）可以看出，隨黃原膠（C）涂布量的增加，改性再造煙葉規(guī)范化得分Z值變化幅度不明顯，C對(duì)應(yīng)的曲面圖較平直，A對(duì)應(yīng)的曲面圖彎曲程度大于C，表明殼聚糖（A）對(duì)改性再造煙葉的影響大于黃原膠（C）的影響。隨著殼聚糖（A）涂布量的增加Z值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，有拐點(diǎn)出現(xiàn)，這可能是由于在一定的涂布量區(qū)間內(nèi)，增加殼聚糖的用量可以提高改性再造煙葉的疏水性，但過(guò)多的涂布量又會(huì)抑制改性后的再造煙葉吸濕性能，導(dǎo)致規(guī)范化綜合得分下降。

從圖4（e）、（f）可以看出，石蠟的曲面彎曲程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黃原膠，表明石蠟對(duì)Z值的作用顯著性大于黃原膠，從等高線(xiàn)的疏密程度來(lái)看，石蠟與黃原膠之間的交互作用顯著性較強(qiáng)。這與表7中回歸模型方差分析的結(jié)果是一致的。

2.2.4 模型驗(yàn)證

以規(guī)范化綜合得分為響應(yīng)值，通過(guò)響應(yīng)面分析，優(yōu)化得到的表面膜材料涂布液配方為：殼聚糖（A）涂布量為0.633 g/m2，石蠟乳液（B）涂布量為1.498 g/m2，黃原膠（C）涂布量為1.637 g/m2，在此條件下規(guī)范化綜合得分為1.007?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)需求，調(diào)整參數(shù)得到膜材料涂布液的優(yōu)化配方為：殼聚糖（A）涂布量為0.6 g/m2，石蠟乳液（B）涂布量為1.5 g/m2，黃原膠（C）涂布量為1.6 g/m2，在此條件下得到改性后再造煙葉的規(guī)范化綜合得分為1.005，與預(yù)測(cè)值基本一致，因此該模型準(zhǔn)確可靠，表明響應(yīng)面分析結(jié)合主成分分析法得到的膜材料涂布液配方具有一定的可靠性，有實(shí)用價(jià)值。

2.3 改性后再造煙葉的物理性能和感官質(zhì)量

應(yīng)用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)優(yōu)化配方制得表面改性再造煙葉，測(cè)量其接觸角、吸濕率、放濕率、抗張強(qiáng)度等物理指標(biāo)，評(píng)價(jià)感官質(zhì)量，觀(guān)察表面形貌，并與未改性再造煙葉進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8和圖5。從表8可以看出，相對(duì)于空白樣，改性樣的接觸角增加了101%，感官質(zhì)量略有下降，吸濕率和放濕率分別下降了23.3%、52.7%，表明再造煙葉經(jīng)表面改性后，其表面的疏水性能得到顯著提高，吸濕性能和放濕性能均有所下降。應(yīng)指出的是，本文吸濕率和放濕率的測(cè)試結(jié)果都是對(duì)圓形大片樣品進(jìn)行的，對(duì)切絲后樣品的吸濕率和放濕率結(jié)果應(yīng)當(dāng)另作探討。其次，改性樣的抗張強(qiáng)度增加了42%，這可能與黃原膠和殼聚糖組分具有黏結(jié)作用有關(guān)。圖5為改性前后再造煙葉的表面形貌圖，相對(duì)于空白樣，改性樣的表面平整度提高了，孔隙率和粗糙度有所下降，說(shuō)明膜材料對(duì)再造煙葉表面的孔結(jié)構(gòu)具有一定的整飾作用。總體來(lái)看，表面改性后再造煙葉的綜合性能得到了改善。利用主成分分析與響應(yīng)面相結(jié)合的方法優(yōu)化再造煙葉表面改性膜材料配方的綜合評(píng)價(jià)方法是可行的。

表8 再造煙葉表面性能的對(duì)比

Tab.8 Comparison of surface properties of reconstituted tobacco

圖5 再造煙葉表面改性前后表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

以殼聚糖、石蠟乳液和黃原膠的涂布量為變量，以接觸角、感官質(zhì)量、吸濕率和放濕率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面-主成分分析實(shí)驗(yàn)優(yōu)化確定表面改性膜材料的配方為：殼聚糖、石蠟乳液、黃原膠的涂布量分別為：0.6 g/m2、1.5 g/m2、1.6 g/m2，在此條件下得到改性后再造煙葉的規(guī)范化綜合得分最高，改性再造煙葉的接觸角為87.542°、吸濕率為10.98%，放濕率為2.16%，感官質(zhì)量得分為87分。相對(duì)于未改性再造煙葉，改性再造煙葉的疏水性能得到顯著提高，吸濕率和放濕率均明顯下降，吸濕性過(guò)強(qiáng)的問(wèn)題得到改善，同時(shí)，抗張強(qiáng)度有所升高，感官質(zhì)量基本保持，再造煙葉的綜合品質(zhì)得到提升。利用表面改性技術(shù)解決再造煙葉吸濕性過(guò)強(qiáng)問(wèn)題的關(guān)鍵是優(yōu)化膜材料涂布液的配方，本研究基于響應(yīng)面-主成分分析法優(yōu)化表面膜材料涂布液的配方，開(kāi)發(fā)出具有適中疏水性的膜材料涂布液，用于再造煙葉表面疏水改性，為解決再造煙葉領(lǐng)域吸濕性過(guò)強(qiáng)的共性問(wèn)題，提供了新的思路和方案。開(kāi)發(fā)新的表面改性膜材料配方應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際值得進(jìn)一步深入研究。

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Optimization of formula of reconstituted tobacco surface modified membrane material by response surface and principal component analysis method

WANG Ziwei1,2,3, CHEN Yizhen1,2,3, SHU Hao1,2,3, XU Yaowei1,2,3, LIU Ben1,2,3, HE Shan1, TONG Yuxing1,2,3, YAN Qunshan1,2,3, GAO Song1,2,3, GUO Qiong4, HE Jingpeng4,ZHAO Deqing4*

1 China Tobacco Hubei Industrial Co., Ltd., Wuhan 430040, China;2 Hubei Xinye Reconstituted Tobacco Development Co., Ltd., Wuhan 430056, China;3 Applied Technology Research of Reconstituted Tobacco Hubei Province Key Laboratory, Wuhan 430040, China;4 Sichuan University of Science and Engineering, Yibin 644055, China

Targeting the problem of high moisture absorption characteristic of reconstituted tobacco used for heated cigarette, aiming at overcoming the defects of easy moisture absorption in cigarette making, packaging and storage, ensuring processing resistance and stability of sensory quality, chitosan, paraffin and xanthan gum were used as the formulation components to develop one membrane material coating with moderate hydrophobicity used in the surface hydrophobic modification of reconstituted tobacco. Based on the single factor experimental, the response surface and principal component analysis method were carried out to optimize the coating formula. The results indicated that: the optimized coating mass of chitosan, paraffin and xanthan gum were 0.6g/m2, 1.5 g/m2, 1.6 g/m2, respectively. Under this condition, the contact angle, moisture absorption rate, moisture release rate and sensory score of modified reconstituted tobacco were 87.542°, 10.98%, 2.16%, and 87, respectively. compared to the conventional sample, the moisture absorption rate and the release rate of modified reconstituted tobacco decreased significantly, while the sensory quality remained and the tensile strength rose greatly, indicating that the comprehensive characteristic was enhanced significantly.

Reconstituted Tobacco; moisture absorption; chitosan; paraffin; response surface; principal component analysis

. Email：dqzdq2013@qq.com

王子維（1993—），工程師，主要從事新型煙草產(chǎn)品和工藝研究，Email：wangziwei@hbtobacco.cn

趙德清（1973—），博士，副教授，主要從事新型煙草與再造煙葉研究，Email：dqzdq2013@qq.com

2022-11-22；

2023-08-23

王子維，陳一楨，舒灝，等. 基于響應(yīng)面-主成分分析法優(yōu)化再造煙葉表面改性膜材料的配方研究[J]. 中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2024，30（1）. WANG Ziwei, CHEN Yizhen, SHU Hao, et al. Optimization of formula of reconstituted tobacco surface modified membrane material by response surface and principal component analysis method[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2024,30(1). doi:10.16472/j.chinatobacco.2022.T0315