魔芋葡甘聚糖基吸水劑的保潤性能研究

嚴(yán) 恒,郭國寧,程 艷,蔡 冰,姜發(fā)堂,＊

(1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院,湖北武漢 430068; 2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心,湖北武漢 430051)

魔芋葡甘聚糖基吸水劑的保潤性能研究

嚴(yán) 恒1,郭國寧2,＊,程 艷1,蔡 冰2,姜發(fā)堂1,＊

(1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院,湖北武漢 430068; 2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心,湖北武漢 430051)

以魔芋葡甘聚糖(KG M)及其衍生物魔芋超強吸水劑 (KSAP)為對象,考察在煙草薄片中的保潤效果,并與甘油、丙二醇進(jìn)行了對比。同時采用回歸方程建立 KSAP在煙草薄片中的保潤模型。結(jié)果表明：KG M、KSAP的保潤效果優(yōu)于甘油和丙二醇,且 KSAP的保潤效果最好。煙草薄片的水分比率(MR)與 KSAP濃度(c)和保潤時間(t)的相關(guān)性模型為MR=exp[(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

魔芋葡甘聚糖,魔芋超強吸水劑,煙草薄片,保潤

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

KG M 湖北清誠咸豐綠色食品有限公司;KSAP湖北工業(yè)大學(xué)魔芋生物材料研究室制備;B類煙草薄片 湖北中煙工業(yè)公司;其余試劑 均為國產(chǎn)分析純。

HZ WS-3智能恒溫恒濕實驗箱 無錫華澤科技有限公司;AR2130電子精密天平 梅特勒-托利多儀器 (上海)有限公司;HygroPa lm-AW1水分活度儀瑞士羅卓尼克公司;GZX-9140 MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 上海博訊實業(yè)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 煙草薄片預(yù)處理 取 120mm×120mm大小的煙草薄片 100±1℃干燥脫水 2h,取出放入密封袋中快速封口,置于硅膠干燥器中。

1.2.2 測試環(huán)境平衡 設(shè)定溫度 22℃,相對濕度40%的恒溫恒濕實驗箱測試環(huán)境,將電子精密天平置于實驗箱體內(nèi),天平托盤上放置樣品支架,箱體內(nèi)溫濕度穩(wěn)定后開始實驗。

1.2.3 保潤效果對比 取精確稱重的預(yù)處理煙草薄片,均勻噴曬 1.5g蒸餾水,迅速置于天平的樣品支架上,每隔 10min記錄一次天平讀數(shù),直到讀數(shù)恒定,即煙草薄片失水達(dá)到平衡,使用 HygroPa lm-AW1水分活度儀測試失水平衡后的煙草薄片水分活度。按上述方法分別均勻噴曬 1.5g濃度(w/w)為 1%甘油、1%丙二醇、1%KG M、1%KSAP,并測試水分活度。重復(fù)三次實驗,取平均值。

1.2.4 KSAP在煙草薄片中保潤模型的建立 按1.2.3方法分別往預(yù)處理煙草薄片均勻噴曬濃度(w/w)為 0.2%、0.4%、0.6%和 0.8%的 KSAP溶液,研究不同濃度 KSAP的煙草薄片保潤性能,建立其保潤模型。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 煙草薄片失水曲線 以煙草薄片干基含水率為縱坐標(biāo)、失水時間為橫坐標(biāo),繪制添加不同保潤劑煙草薄片失水曲線。煙草薄片干基含水率按式 (1)計算：

式中：W為干基含水率,%;Mt為 t時刻重量,g; M0為干基重,g。

1.3.2 煙草薄片失水速率曲線 以煙草薄片失水速率為縱坐標(biāo)、煙草薄片干基含水率為橫坐標(biāo),繪制添加不同保潤劑煙草薄片失水速率曲線。煙草薄片失水速率按式(2)計算：

式中：V為失水速率,g/(m2·min);△M為△t時間間隔內(nèi)散失的水分量,g;△t為時間間隔,min; S為失水面積,m2。

1.3.3 煙草薄片水分比率曲線 根據(jù)對應(yīng)于不同失水時間的煙草薄片干基含水率和平衡干基含水率,計算對應(yīng)于不同失水時間的煙草薄片的水分比率。以煙草薄片水分比率為縱坐標(biāo)、失水時間為橫坐標(biāo)繪制曲線。水分比率按式(3)計算：

式中：MR為水分比率;We為平衡干基含水率,%;W為失水過程中任意時刻干基含水率,%; W0為初始干基含水率,%。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加不同保潤劑的煙草薄片失水動力學(xué)曲線

影響煙草薄片失水過程的主要因素是溫度、相對濕度及其組成成分,添加不同保潤劑對煙草薄片失水過程的影響見圖 1。

圖 1 添加不同保潤劑的煙草薄片失水曲線

在22℃、相對濕度40%環(huán)境中,煙草薄片的含水率隨著時間的延長而遞減,直至平衡。添加了保潤劑的樣品含水率下降程度均低于空白對照,表明保潤劑的添加有助于延緩煙草薄片的水分散失,這是因為保潤劑均是多羥基化合物,能夠結(jié)合水分子并形成氫鍵。與傳統(tǒng)煙草保潤劑甘油和丙二醇相比, KG M和 KSAP的保潤效果更明顯,其中 KSAP的水分散失最慢,這可以從 KSAP的分子結(jié)構(gòu)來解釋。K S A P分子鏈上除了羥基外還富含強親水基團(tuán)-羧基,與水的結(jié)合能力更強,KSAP分子鏈之間形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),阻礙了水分的散失。KSAP還具有良好的成膜性,能在煙草薄片表面形成了一層穩(wěn)定封閉的被膜,阻止了水分散失。表 1是煙草薄片的平衡含水率和與之相對應(yīng)的水分活度,從平衡含水率的數(shù)值可以看出,保潤劑在不同程度上提高了煙草薄片的平衡含水率,其中添加了 KSAP的最高,相比于空白、甘油和丙二醇分別提高了 55.6%、44.3%和36.0%。這是由于在失水后期,保潤劑吸附在煙草薄片上,仍有部分水沒能掙脫保潤劑的束縛而結(jié)合在一起,從而提高了煙草薄片的平衡含水率。從水分活度的數(shù)據(jù)可以看出,添加不同保潤劑的煙草薄片的水分活度大約為 0.4,與實驗相對濕度一致,表明了失水達(dá)到了終點,水分不再丟失。此時水分活度相同,添加了 KSAP的含水率最高,表明了 KSAP降低了煙草薄片水分的逃逸能力,阻止了水分的散失。

表 1 添加不同保潤劑的煙草薄片的平衡含水率及水分活度

圖 2是添加不同保潤劑的煙草薄片失水速率曲線。在失水初期失水速率恒定,這是由于此時煙草薄片表面完全濕潤,與自由液面水的氣化沒什么差別。隨著時間的延長,失水速率開始下降,這是煙草薄片含水率的降低導(dǎo)致失水動力差減小的結(jié)果,失水速率呈遞減趨勢。在相同的含水率下,涂抹保潤劑的煙草薄片失水速率均低于空白樣,且 KSAP的失水速率最低。說明保潤劑與水分子之間的結(jié)合,改變了水分的微觀分布狀態(tài),使原本逃逸能力較強的水分子受到了保潤劑的束縛,從而降低了水分的散失速率。

圖 2 添加不同保潤劑的煙草薄片失水速率曲線

2.2 KSAP在煙草薄片中保潤模型建立

物料失水是一個復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)過程,不僅受到失水條件的影響,且隨著物料種類、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)及外部形狀的不同存在明顯差異,關(guān)于煙草的失水模型鮮見報道。圖 3是不同濃度KSAP的煙草薄片水分比率對應(yīng)失水時間的曲線,參考食品的薄層干燥模型[17-18],使用指數(shù)模型 MR= exp(-At)擬合,式中MR是水分比率,t是失水時間, A是與 KSAP添加量有關(guān)的常數(shù)?；貧w方程系數(shù) A和擬合度 R2列于表 2。

圖 3 添加不同濃度 KSAP的煙草薄片含水率比率曲線

表2 回歸方程系數(shù)A擬合度R2

根據(jù)表2的系數(shù)A和相應(yīng)的 KSAP濃度 c,繪制A-c曲線,采用不同函數(shù)模型擬合得到 A-c回歸方程和擬合度 R2列于表 3。對數(shù)模型的回歸擬合度為0.9951,高于其他模型的擬合度,采用對數(shù)模型回歸所得的回歸A-c曲線繪于圖 4,從回歸曲線的走勢上看,隨著 KSAP濃度增加,系數(shù) A逐漸變小,表明煙草薄片的保潤性能增強。系數(shù) A的減小幅度遞減,說明煙草薄片保潤性能提高的程度遞減,這是因為 KSAP為高分子鏈狀化合物,濃度較低時,分子間相互影響較小,鏈伸展情況較好,親水基團(tuán)與水充分接觸,濃度遞增后,分子聚集程度遞增,部分親水基團(tuán)由于位阻作用與水結(jié)合能力變?nèi)酢?/p>

表 3 不同模型的回歸A-c方程和擬合度R2

圖4 回歸A-c曲線方程

根據(jù)MR-t回歸模型MR=exp(-At)和回歸A-c方程A=-0.0036Ln(c)+0.0199,煙草薄片的保潤模型為：MR=exp[(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

3 結(jié)論

3.1 保潤劑能夠延緩煙草薄片中水分的散失,維持煙草薄片較高的含水量,提高煙草薄片的保潤性能。KG M和 KSAP的保潤性能優(yōu)于傳統(tǒng)保潤劑甘油和丙二醇,其中 KSAP最優(yōu),是一種值得深開發(fā)的環(huán)境友好型新型煙草保潤劑。

3.2 首次建立了煙草保潤劑的保潤模型,在 22℃、40%相對濕度下,KSAP添加濃度在 0.2%～1%范圍內(nèi),煙草薄片的水分比率(MR)-失水時間 (t)方程為MR=exp[(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

3.3 在相同的含水率情況下,KSAP降低了水分活度(即逃逸能力),改變了煙草薄片中水的分布和結(jié)合狀態(tài),有關(guān)水分在煙草薄片中的分布情況以及KSAP成膜狀態(tài)等保潤機理有待進(jìn)一步探討。

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Study on moisture retention of konjac superabsorbent polym er

YAN Heng1,GUO Guo-n ing2,＊,Cheng Yan1,CA I Bing2,JI ANG Fa-tang1,＊
(1.College ofBiological Engineering,HubeiUniversity of Technology,Wuhan 430068,China; 2.Technology Center of Hubei Tobacco(Group)Co.Ltd,Wuhan 430051,China)

The effec t of konjac g lucom annan and its de riva tive konjac sup e rabsorbent p olym e r on m ois ture re tention of tobacco shee ts we reinves tiga ted by contras ting w ith g lyce rin and p rop ylene g lycol.The m ois turere tention m ode l of KSAP in tobacco shee ts was es tab lished by fitting reg ress ion ana lys is.It was found tha t the m ois ture re tention effec t of KGM,KSAP we re be tte r than those of g lyce rin and p rop ylene g lycol,and KSAP was the bes t.The equa tion of tobacco shee t m ois ture ra tio w ith KSAP concentra tion and m ois ture re tention t im e was MR=exp [(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

KGM;KSAP;tobacco shee t;m ois ture re tention

TS201.2

A

1002-0306(2010)03-0142-04

卷煙生產(chǎn)過程中,通常需要添加甘油、丙二醇等保潤劑[1-2],其作用是延緩卷煙水分的散失,維持煙絲的含水率,從而降低卷煙抽吸時的干燥感和刺激性,提升抽吸品質(zhì)。從實際情況看,這些保潤劑的效果并不理想,甘油的裂解產(chǎn)物丙烯醛[3]還對主流煙氣產(chǎn)生不良?xì)馕丁Ｄ壳靶滦蜔煵荼檮┑膱蟮垒^少[4-6],且多以煙絲為研究載體,因煙絲尺寸與加料均勻性顯著影響其水分散失率[7-8],致使結(jié)果不穩(wěn)定,重復(fù)性差。煙草薄片[9]又稱為再造煙葉,是利用煙末、煙梗、碎煙片等廢棄原料制成的片狀再生產(chǎn)品,保留了煙絲的重要特性。由此采用煙草薄片模擬煙絲樣本,在取樣和加料均勻性上容易控制。魔芋葡甘聚糖(KG M)是一種天然水溶性高分子,具有良好的成膜性、吸水性和保水性[10],其衍生物魔芋超強吸水劑 (KSAP)安全無害,具有可生物降解性[11-12],因其分子富含羥基和羧基等親水性基團(tuán),吸水倍率、保水效果顯著提高[13-16]。本文旨在開發(fā)一種安全高效的新型煙草保潤劑 KSAP,以煙草薄片為載體,研究 KSAP的保潤效果并建立模型,為其在卷煙中的應(yīng)用提供理論依據(jù),同時為煙草保潤劑的研究提供新的思路。

2009-10-12 ＊通訊聯(lián)系人

嚴(yán)恒(1982-),男,碩士研究生,研究方向：食品化學(xué)。

國家煙草專賣局資助項目(110200701003)。