微波膨脹煙絲的微觀形貌與理化指標(biāo)

成清校，任宏杰

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

膨脹煙絲的使用，既可降低卷煙單箱煙絲消耗量，又可降低卷煙的焦油釋放量，一般摻入10%的膨脹煙絲的卷煙，它的煙氣焦油量比不摻膨脹煙絲的卷煙降低14.7%，如果全部使用膨脹煙絲，則可降低41%。因此，煙草膨脹技術(shù)一直是煙草行業(yè)的重要研究領(lǐng)域之一[1]。

國(guó)內(nèi)有試驗(yàn)研究表明，煙絲經(jīng)過(guò)微波加熱后，致香成分比例增加，品質(zhì)提升。微波加工過(guò)的煙絲在理化特征、香氣方面的品質(zhì)提升已經(jīng)有研究結(jié)論支撐。同時(shí)微波的殺蟲(chóng)滅菌作用會(huì)大大降低煙葉醇化工藝過(guò)程中由于煙蟲(chóng)滋生造成的損失，煙葉在通過(guò)微波設(shè)備時(shí)，蟲(chóng)卵等生物團(tuán)的水分被迅速充揮發(fā)造成局部高溫，而且由于微波的生物效應(yīng)，造成通過(guò)微波的蟲(chóng)卵大量死亡，避免了煙蟲(chóng)后期的滋生，具有很好的殺蟲(chóng)效果。

微波干燥還具有許多優(yōu)點(diǎn)：首先是干燥速度快，干燥時(shí)間短。由于微波特殊的加熱方式使物料溫度短時(shí)間內(nèi)快速升高，而加熱溫度梯度同水分蒸發(fā)方向一致，提高干燥推動(dòng)力致使干燥時(shí)間非常短，一般可縮短50%左右或更多。其次，微波加熱溫度均勻，表里一致，可以使干燥物料的水分分布均勻。再者，微波還是節(jié)能環(huán)保無(wú)公害型能源。微波源可即開(kāi)即用，功率連續(xù)可調(diào)，反應(yīng)易于控制，能源利用率高，熱能幾乎全部作用在物料上，既不浪費(fèi)又不污染環(huán)境[2]。

1 煙絲膨脹試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理和方法

在一定溫度和壓力條件下，用膨脹劑對(duì)煙絲進(jìn)行浸漬，使其浸入煙絲細(xì)胞內(nèi)。由于煙絲含有極性水分子，具有強(qiáng)烈吸收微波的介電特性，在微波輻射加熱時(shí)，隨微波頻率激烈碰撞摩擦，產(chǎn)生大量熱，并迅速傳遞給膨脹劑，從而使膨脹劑急劇揮發(fā)，產(chǎn)生蒸汽壓，在煙絲細(xì)胞中從內(nèi)向外急劇壓出，使煙絲的細(xì)胞空間迅速擴(kuò)大，宏觀上表現(xiàn)為煙絲膨脹變大。微波加熱過(guò)程中煙絲的溫度梯度、傳熱和蒸汽壓遷移方向均勻一致，由里向外，因此便于煙絲內(nèi)部蒸汽的產(chǎn)生和積累，當(dāng)煙絲內(nèi)部蒸汽壓力超過(guò)細(xì)胞纖維組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的承受能力時(shí)，這種壓力促使煙絲膨脹。

1.2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)材料：煙絲、自來(lái)水、膨脹劑。

試驗(yàn)設(shè)備：煙絲浸漬裝置（自制）、DHS16-A 紅外水分儀（鄭州中谷）、電子天平（杭州其偉光電）、微波爐(普通型2450MHz，2kW)、JFC-1600 型離子濺射儀（日本電子株式會(huì)社）；SN-3400Ⅱ型掃描電子顯微鏡（日本HITACHI 公司）、化學(xué)連續(xù)流動(dòng)分析儀（德國(guó)布朗盧比公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）取一定量的煙絲，用紅外水分儀測(cè)其含水率并用自來(lái)水進(jìn)行回潮調(diào)節(jié)，使煙絲的含水率保持在22%左右。

（2）采用如圖1 所示的煙絲浸漬裝置利用膨脹劑對(duì)煙絲進(jìn)行浸漬。浸漬裝置由浸漬罐、介質(zhì)儲(chǔ)罐、溫控電加熱裝置、真空泵等設(shè)備組成。將膨脹劑和浸漬罐均預(yù)熱至一定溫度，裝入煙絲并對(duì)浸漬罐進(jìn)行抽空處理，然后向浸漬罐內(nèi)加注一定量的膨脹劑，控制浸漬溫度為90～100℃，浸漬時(shí)間30min，排空膨脹劑，取出煙絲。

（3）將浸漬后的煙絲放入微波爐中，微波加熱60s，觀察膨脹效果。

（4）將微波膨脹后的煙絲樣品按照各相關(guān)煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行煙氣和化學(xué)指標(biāo)的測(cè)定。

圖1 煙絲膨脹試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic illustration of cut tobacco expansion test device

2 結(jié)果分析

2.1 膨脹煙絲的外觀

圖2 所示的是煙絲在微波膨脹前后的對(duì)比照片，從照片中可以看出經(jīng)微波加熱處理后，煙絲發(fā)生了明顯的膨脹，膨脹后的煙絲體態(tài)飽滿，色澤鮮亮，達(dá)到了完全膨脹的效果。這充分說(shuō)明了微波加熱膨脹煙絲工藝的可行性。

2.2 膨脹煙絲的微觀形貌

為了進(jìn)一步觀察煙絲在微波膨脹前后煙絲微觀結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)煙絲膨脹前后的樣品進(jìn)行了掃描電鏡分析。

將葉絲樣品截成小段（約5 mm）后固定于樣品臺(tái)，經(jīng)離子濺射儀上真空干燥、鉑噴鍍后，于掃描電子顯微鏡上觀察、拍攝取圖。電鏡工作電壓為15kV、放大2000 倍。

圖2 原絲及膨脹煙絲照片F(xiàn)ig.2 Photos of cut tobacco before and after expansion

結(jié)果如圖3 所示。從照片中可以直觀地看出，原絲的表面組織干癟、交織，褶皺較多，氣孔呈閉合狀態(tài)；而經(jīng)微波膨脹后的煙絲表面組織明顯膨大，光滑飽滿，褶皺較少且氣孔打開(kāi)，這一現(xiàn)象從根本上印證了微波膨脹煙絲的工藝原理。

圖3 原絲及膨脹煙絲的SEM 照片F(xiàn)ig.3 SEM picture of cut tobacco before and after expansion

2.3 膨脹煙絲的理化指標(biāo)和煙氣檢測(cè)

原絲及微波膨脹后煙絲的理化指標(biāo)對(duì)比影響見(jiàn)表1和圖4。從中可以看出，煙絲經(jīng)微波膨脹處理后，主要化學(xué)成分中與膨脹前煙絲相比，氯化物、總氮、鉀和蛋白質(zhì)的含量沒(méi)有顯著差異，而總糖和還原糖的含量得到提高，煙堿含量降低，糖堿比由8.77 提高到10.98，差異顯著，而糖堿比表征了煙絲的香味，其值越高，香味越好，這說(shuō)明采用微波膨脹處理能明顯提高煙絲的香味。

在煙絲填充能力方面，依據(jù)同一類型、同一等級(jí)的煙草含水率與填充值之間的經(jīng)驗(yàn)公式將膨后煙絲折算到與原絲含水率一致時(shí)的填充值，該經(jīng)驗(yàn)公式為：

F=F0－0.169（ω－ω0）

式中：F—折算煙絲填充值（cm3/g）；F0—煙絲實(shí)際填充值（cm3/g）；ω—煙絲折算含水率（%）；ω0—煙絲實(shí)際含水率（%）。則：F=7.01－0.169×（18.09－12.09）=5.996。

因此，可以認(rèn)為，煙絲經(jīng)微波膨脹后，填充值由2.55cm3/g提高到5.996 cm3/g，膨脹率達(dá)到了235%，效果十分明顯。

原絲及微波膨脹后煙絲的煙氣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2 和圖5。從圖中可以看出，與膨前煙絲卷煙相比，微波膨脹處理后的煙絲中一氧化碳、總粒相物、煙堿和焦油的含量顯結(jié)構(gòu)疏松，表皮細(xì)胞向外凸出，表面光滑，氣孔打開(kāi)，褶皺減少。

表1 煙絲的理化指標(biāo)Tab.1Physicochemicalindexofcuttobacco

圖4 原絲及膨脹煙絲的理化指標(biāo)對(duì)比圖Fig.4 Physicochemical index comparison diagram of cut tobacco before and after expansion

（3）經(jīng)微波膨脹后的煙絲中一氧化碳、總粒相物、煙堿和焦油等有害物質(zhì)的含量顯著下降，而糖堿比得到顯著提高，這說(shuō)明采用微波膨脹工藝有利于提高煙著下降，說(shuō)明微波膨脹后煙絲在降焦降害方面效果顯著。

圖5 原絲及膨脹煙絲的煙氣檢測(cè)對(duì)比圖Fig.5 Cigarette smoke test comparison diagram of cut tobacco before and after expansion

表2 煙絲的煙氣檢測(cè)Tab.2Cigarettesmoketestofcuttobacco

3 結(jié)論

通過(guò)本試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)膨脹劑浸漬后的煙絲，采用微波加熱工藝可以使煙絲得到很好的膨脹效果，膨脹率可達(dá)235%。

（2）煙絲的膨脹效果可以通過(guò)葉絲表面的SEM 照片直觀地反映出來(lái)，未膨脹的煙絲組織結(jié)構(gòu)緊密，表皮細(xì)胞向內(nèi)凹陷，氣孔閉合，呈褶皺狀；膨脹后的煙絲組織絲的香味。

[1]潘高偉．煙絲在線膨脹HXD 工藝研究[D]．陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008．

[2]楊洲，段潔利．微波干燥及其發(fā)展[J]．糧油加工與食品機(jī)械，2000，3．

[3]國(guó)家煙草專賣局．煙草和煙草制品總蛋白質(zhì)含量的測(cè)定(YC/T 166-2003)[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[4]國(guó)家煙草專賣局．煙草及煙草制品氯的測(cè)定.連續(xù)流動(dòng)法(YC/T 162-2011)[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[5]國(guó)家煙草專賣局．煙草及煙草制品總氮的測(cè)定.連續(xù)流動(dòng)法(YC/T 161-2002)[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[6]國(guó)家煙草專賣局． 煙草及煙草制品總植物堿的測(cè)定. 連續(xù)流動(dòng)法(YC/T 160-2002)[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[7]國(guó)家煙草專賣局． 煙草及煙草制品水溶性糖的測(cè)定. 連續(xù)流動(dòng)法(YC/T 159-2002)[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.