微波處理對(duì)煙葉微觀組織結(jié)構(gòu)的影響

摘要：為研究微波處理對(duì)煙葉微觀組織結(jié)構(gòu)的影響，采用冷場(chǎng)電子掃描技術(shù)以放大500～3 000倍的方式對(duì)不同微波時(shí)間和環(huán)境相對(duì)濕度下處理的煙葉表面及斷面進(jìn)行觀察。結(jié)果表明，微波處理后煙葉表面褶皺展開(kāi)；組織結(jié)構(gòu)膨脹充分，有孔隙舒展；導(dǎo)管內(nèi)壁表面粗糙，纖維束之間有微隙。環(huán)境濕度和微波處理時(shí)間對(duì)微波效果有重要影響。微波處理時(shí)間為6 min時(shí)煙葉膨脹效果最佳，無(wú)結(jié)構(gòu)坍塌現(xiàn)象；環(huán)境濕度在50%時(shí)膨脹率最大，膨脹效果明顯。從煙草組織結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，在卷煙工藝中微波處理工序有必要對(duì)煙葉濕度、微波時(shí)間等操作條件進(jìn)行細(xì)致控制。

關(guān)鍵詞：煙葉；微波處理；組織結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：S572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）13-3062-03

微波是一種波長(zhǎng)為0.1～1.0 cm的高頻電磁波[1]，具有對(duì)水分子作用顯著、穿透力強(qiáng)、加熱均勻、加熱速度快、選擇吸收等特點(diǎn)[2]。近年來(lái)微波技術(shù)在卷煙工藝領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展迅速[2-4]，楊偉祖等[5]、何炬等[6]相繼指出微波膨脹的梗絲填充能力提高，其抽吸質(zhì)量等方面有明顯改善；高玲等[7]提出微波輻射法能減少卷煙煙氣中亞硝胺的含量；孔臻等[8]研究表明微波干燥對(duì)煙絲的吸食品質(zhì)有影響。

前期研究大多是關(guān)于微波處理后煙葉的化學(xué)成分和抽吸效果的變化，很少有人對(duì)微波處理后煙葉表面及斷面的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察及分析。因此， 試驗(yàn)采用掃描電鏡技術(shù)對(duì)微波處理后的煙葉組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，研究微波工藝對(duì)煙葉結(jié)構(gòu)組織的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設(shè)備

煙葉樣品：片煙（云南大理B3F）。

儀器設(shè)備：恒溫恒濕箱（KBF-240，Binder）；微波消解儀（Multiwave 3000，Perkin Elmer）；離子濺射儀（E-1045，日立）；冷場(chǎng)掃描電子顯微鏡（S-4800，日立）；熱鼓風(fēng)循環(huán)干燥箱（ED，Binder）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)參數(shù)的確定 依據(jù)某卷煙廠生產(chǎn)工藝中的微波技術(shù)指標(biāo)（樣品平衡溫度22 ℃、環(huán)境相對(duì)濕度60%，微波處理強(qiáng)度0.28 W/g，微波處理時(shí)間8 min）確定試驗(yàn)參數(shù)。

時(shí)間：取上述條件下平衡好的煙葉約90 g，分別微波處理0、2、4、6、8、10、12、14 min。

環(huán)境相對(duì)濕度：取較完整的煙葉碎片60 g置于22 ℃，放置在環(huán)境相對(duì)濕度分別為30%、40%、50%、60%、70%的恒溫恒濕箱里平衡48 h后進(jìn)行微波處理。

1.2.2 掃描電鏡觀察煙葉組織結(jié)構(gòu) 從上述條件下處理的及未經(jīng)處理的煙葉中挑選出色澤、厚度、位置相近的部位進(jìn)行處理，取其斷面、正反面通過(guò)導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上，將樣品臺(tái)放入離子濺射儀里進(jìn)行噴金，在冷場(chǎng)掃描電子顯微鏡下觀察并拍照。

1.2.3 煙葉膨脹率的測(cè)定 斷面的選?。喝『穸染鶆蚯夷艽頂嗝嫫骄穸鹊臄嗝媾恼詹y(cè)量。斷面厚度測(cè)量：對(duì)斷面多個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量并取平均值，即為該斷面的厚度。微波作用前后，煙葉表面積未發(fā)生明顯變化，斷面厚度發(fā)生變化，故用煙葉膨脹率表征微波前后斷面的變化。

煙葉膨脹率（倍）=微波后的煙葉斷面厚度（μm）/微波前的煙葉斷面厚度（μm）。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波處理后煙葉掃描電鏡圖

2.1.1 微波處理對(duì)煙葉表面結(jié)構(gòu)的影響 從微波處理前后表面電鏡圖（圖1）可以看出，微波處理前煙葉表面干癟、凹凸不平，細(xì)胞褶皺聚在一起；微波處理后煙葉表面細(xì)胞張開(kāi)，比較光滑。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)槲⒉ㄊ菇M織內(nèi)部水分氣化、升華，水蒸氣從內(nèi)部向外擴(kuò)散的同時(shí)壓力使表面細(xì)胞張開(kāi)，水分蒸發(fā)的同時(shí)可能使煙葉內(nèi)部的氣體隨水分一起揮發(fā)出來(lái)。煙葉表面細(xì)胞褶皺的展開(kāi)，有利于添加料液時(shí)液料與煙葉表面均勻接觸。

2.1.2 微波處理對(duì)煙葉斷面的影響 微波處理前后煙葉斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2a可以看出，未處理煙葉斷面上下兩表面厚實(shí)，中間層細(xì)胞結(jié)構(gòu)緊實(shí)，幾乎無(wú)空隙。微波處理6 min時(shí)（圖2b），中間層向上下維度展開(kāi)，細(xì)胞空間結(jié)構(gòu)充分膨脹，孔隙增多，且分布均勻。隨著微波處理時(shí)間的延長(zhǎng)（圖2c），膨脹現(xiàn)象并沒(méi)有進(jìn)一步增加，反而有降低趨勢(shì)，可能是微波產(chǎn)生的能量過(guò)剩，導(dǎo)致細(xì)胞被拉伸，組織結(jié)構(gòu)被破壞，內(nèi)部孔隙增大，引起了內(nèi)部支撐組織結(jié)構(gòu)的塌陷。

2.1.3 微波處理對(duì)煙葉斷面導(dǎo)管的影響 煙草細(xì)胞壁物質(zhì)包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠等成分，其含量對(duì)煙葉品質(zhì)有一定的影響，含量較高致使煙葉具有強(qiáng)烈的刺激性，吸味嗆咳，香氣量少[9]。為觀察微波處理對(duì)煙葉植物纖維的影響，對(duì)微波前后富含纖維素的導(dǎo)管進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3a可以看出，微波處理前導(dǎo)管內(nèi)壁光滑，纖維束之間連接緊密；微波處理后（圖3b）導(dǎo)管內(nèi)壁表面粗糙，纖維束之間有微隙。表明微波處理可以破壞細(xì)胞壁各物質(zhì)間的結(jié)合層，降低纖維素的結(jié)晶度，從而改善煙葉的吸食品質(zhì)。

由以上結(jié)果可知，在一定條件下對(duì)煙葉進(jìn)行微波處理，煙葉體積增大，填充能力提高；導(dǎo)管內(nèi)部表面粗糙，導(dǎo)管束及細(xì)胞間的孔隙有利于料液、香精的添加與吸收，使燃燒時(shí)氧氣和燃燒產(chǎn)物的傳輸更迅速，提高燃燒性，從而可減少煙氣中CO等有害物質(zhì)的含量。

2.2 微波處理工藝與煙葉膨脹率的關(guān)系

2.2.1 微波處理時(shí)間與煙葉膨脹率的關(guān)系 在電鏡下觀察不同微波處理時(shí)間對(duì)煙葉斷面厚度的影響，測(cè)定微波處理時(shí)間與煙葉膨脹率的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可知，在微波處理0～4 min時(shí)，煙葉膨脹率隨微波處理時(shí)間的延長(zhǎng)迅速增大，這是因?yàn)槲⒉〞r(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生的能量就多，能量被煙葉內(nèi)部水分吸收，并形成較多的水蒸氣，從而使膨脹率增加；在微波處理6 min時(shí)，大部分水分被蒸發(fā)，蒸汽壓大形成疏松多孔的物質(zhì)，因此膨脹率最大；當(dāng)微波時(shí)間繼續(xù)增加，除部分微波被水分吸收外，其余作用于煙葉細(xì)胞組織，對(duì)組織結(jié)構(gòu)有破壞作用，引起組織結(jié)構(gòu)坍塌。因此，最佳微波處理時(shí)間為6 min。

2.2.2 環(huán)境相對(duì)濕度與膨脹率的關(guān)系 為觀測(cè)環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)微波處理后煙葉的影響，對(duì)斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與測(cè)量，結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5可以看出，環(huán)境相對(duì)濕度為30%時(shí)有膨脹效果（圖5a），但有部分呈層狀結(jié)構(gòu)未展開(kāi)，細(xì)胞間隙不均勻，且有脫水碳化現(xiàn)象；相對(duì)濕度增加至50%時(shí)斷面組織結(jié)構(gòu)疏松，膨脹完全、均勻（圖5b）；相對(duì)濕度達(dá)70%時(shí)斷面中間部分膨脹（圖5c）。

由圖6可知，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度小于50%時(shí)，煙葉的膨脹率隨濕度的增加而增加，平衡濕度小，煙葉含水率就少，水蒸氣少，產(chǎn)生的蒸汽壓難以擴(kuò)大足夠的纖維空間，內(nèi)部結(jié)構(gòu)碳化；隨著相對(duì)濕度的提高，產(chǎn)生足夠的水蒸氣，深層物質(zhì)和水蒸氣一起揮發(fā)，膨脹率較大。若進(jìn)一步提高相對(duì)濕度，膨脹率反而減小，其原因一方面可能是相對(duì)濕度大，水分含量大，所需能量多，而此條件下微波產(chǎn)生的能量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；另一方面，微波后煙葉中仍含有較多的水分，且煙葉結(jié)構(gòu)沒(méi)有定型，發(fā)生二次變形。因此平衡的最佳濕度為50%。

3 小結(jié)

考察了微波工藝中微波處理時(shí)間和煙葉平衡時(shí)的環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)煙葉微波效果的影響，采用掃描電鏡技術(shù)對(duì)不同條件處理后的煙葉表面、斷面、導(dǎo)管等組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察， 并對(duì)微波處理后煙葉斷面膨脹率進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，與未經(jīng)微波處理的煙葉相比，微波處理后煙葉表面褶皺展開(kāi)，組織細(xì)胞膨脹；斷面層細(xì)胞呈空間結(jié)構(gòu)，有孔隙；導(dǎo)管內(nèi)壁表面粗糙，纖維束之間有微隙。環(huán)境相對(duì)濕度與微波時(shí)間對(duì)微波效果有重要影響。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，煙葉膨脹率均隨著環(huán)境相對(duì)濕度和微波處理時(shí)間的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。環(huán)境相對(duì)濕度為50%時(shí)煙葉斷面膨脹率最大，膨脹效果明顯；微波時(shí)間為6 min時(shí)煙葉膨脹效果最佳，且無(wú)結(jié)構(gòu)坍塌現(xiàn)象。

試驗(yàn)對(duì)微波工藝條件參數(shù)的確定具有重要意義。同時(shí)，煙葉平衡時(shí)所處的環(huán)境相對(duì)濕度和微波處理時(shí)間對(duì)煙葉組織結(jié)構(gòu)和膨脹率影響程度的大小還需要進(jìn)一步的研究。

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