新型卷煙雙向阻濕劑的性能研究及其應(yīng)用效果評(píng)估

張旭倩 田兆福 王宏生 張曉鳴

（1.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530001）

煙絲中的水分含量既影響加工過(guò)程中卷煙的品質(zhì)，又影響卷煙貯藏過(guò)程中的穩(wěn)定性和產(chǎn)品品質(zhì)。成品卷煙在儲(chǔ)藏過(guò)程中常常受到環(huán)境中水分的影響，在南方溫?zé)岢睗竦沫h(huán)境下吸濕受潮、在北方寒冷干旱的環(huán)境下失水解吸。孫雯等［1］的研究表明卷煙含水率為12%～14%時(shí)具有較好的評(píng)吸感受，過(guò)高或過(guò)低的煙絲含水率都會(huì)對(duì)卷煙評(píng)吸感受造成不利影響。因此，卷煙的保潤(rùn)研究一直是煙草技術(shù)人員的研究重點(diǎn)。

現(xiàn)在常用的保潤(rùn)劑有甘油、丙二醇等，但它們存在干燥環(huán)境中保潤(rùn)性較差，高濕環(huán)境中阻水性不明顯的缺點(diǎn)［2］。如何開(kāi)發(fā)阻水效果更好的新型保潤(rùn)劑越來(lái)越成為關(guān)注的熱點(diǎn)。A.Stoilova等［3］利用水果中的水溶性果膠提取物對(duì)Rodopb卷煙進(jìn)行了保潤(rùn)性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)此類物質(zhì)的多羥基組分在卷煙中具有一定的保潤(rùn)性能。還有一些研究［4，5］表明吡咯烷酮羧酸類、魔芋多糖等天然提取產(chǎn)物較甘油、丙二醇表現(xiàn)出更好的保潤(rùn)性能，同時(shí)也能提高煙氣品質(zhì)，改善感官評(píng)吸效果，是較為理想的保潤(rùn)劑。但是因提取工藝、成本的限制，加上天然保潤(rùn)劑成分較為復(fù)雜，不同批次穩(wěn)定性差等因素，其在卷煙中的應(yīng)用受到一定限制。

本研究致力于選取安全、單一的試劑，替代甘油、丙二醇，達(dá)到更好的保潤(rùn)、阻濕效果。脂肪烴類由長(zhǎng)碳鏈和單個(gè)羧基（—COOH）組成，具有很強(qiáng)的疏水性，利用脂肪烴類在煙絲表面成膜可以形成一道疏水屏障阻隔水分遷移；多糖類物質(zhì)中則有大量羥基（—OH）、羧基（—COOH）等親水基團(tuán)，可以與水分子之間產(chǎn)生氫鍵作用，鎖住多糖膜兩側(cè)水分，從而防止水分子透過(guò)膜層。在韓聃等［6］對(duì)卷煙吸濕機(jī)理的研究基礎(chǔ)上，本研究擬研制在高濕環(huán)境防水、低濕環(huán)境鎖水的雙向阻濕劑，并利用環(huán)境掃描電鏡（ESEM）分析，評(píng)估雙向阻濕劑的作用效果。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

煙絲：廣西中煙工業(yè)公司；

月桂酸、棕櫚酸、硬脂酸、D－葡萄糖酸鈣、無(wú)水乙醇、氯化鉀：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

氯化鎂：分析純，上海試劑一廠；

類脂GY、多糖A、多糖B、多糖C：本實(shí)驗(yàn)自制。

1.2 儀器與設(shè)備

恒溫培養(yǎng)箱：DHP－9052型，上海市欣榮有限科技公司；

恒溫恒濕箱：HWS－150型，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；

磁力攪拌器：C－MAG型，德國(guó)IKA公司；

環(huán)境掃描電鏡：ESEM－2020型，美國(guó)Philips公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 單一保潤(rùn)劑處理煙絲樣品 將樣品煙絲過(guò)20目篩，取20目以上的整絲8份，20g/份，置于溫度（22±1）℃、相對(duì)濕度（RH）為（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡48h，平衡后的煙絲含水率在12.5%左右。

分別加入5g，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%的月桂酸、棕櫚酸、硬脂酸、類脂GY（I類）；或分別加入4g，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的多糖類A、多糖類B、多糖類C（II類），使I類保潤(rùn)劑的用量為煙絲重量的1.0%，II類保潤(rùn)劑的用量為煙絲重量的0.1%，加入4g純水作為空白對(duì)照，置于溫度（22±1）℃、相對(duì)濕度（RH）為（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡72h，使不同處理的煙絲中起始水分含量基本保持一致，并測(cè)量樣品起始水分含量。

1.3.2 復(fù)配保潤(rùn)劑處理煙絲樣品 將樣品煙絲過(guò)20目篩，取20目以上的整絲7份，20g/份，置于溫度（22±1）℃、相對(duì)濕度（RH）為（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡48h，平衡后的煙絲含水率在12.5%左右。

根據(jù)1.3.1中保潤(rùn)效果評(píng)估，分別選取I類、II類中效果好的保潤(rùn)劑復(fù)配，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，確保I類、II類保潤(rùn)劑的添加量和添加比例，對(duì)照組加入等量常用保潤(rùn)劑甘油，置于溫度（22±1）℃、相對(duì)濕度（RH）為（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡72h，使不同處理的煙絲中起始水分含量基本保持一致，并測(cè)量樣品起始水分含量。

1.3.3 雙向阻濕劑性能測(cè)試 根據(jù)中華人民共和國(guó)進(jìn)出口商品檢驗(yàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SN 0180—1992中規(guī)定，配制飽和KCl溶液于干燥器中，將干燥器置于（35±1）℃的恒溫培養(yǎng)箱中，并保證干燥器中的相對(duì)濕度（RH）為（84±1）%，以此模擬相對(duì)獨(dú)立的高濕度恒溫恒濕環(huán)境。配制飽和MgCl2溶液于干燥器中，將干燥器置于（35±1）℃的恒溫培養(yǎng)箱中，并保證干燥器中的相對(duì)濕度（RH）為（32±1）%，以此模擬相對(duì)獨(dú)立的低濕度恒溫恒濕環(huán)境。

分別取1.3.1和1.3.2中的樣品各3g置于稱量瓶，每個(gè)樣品取2個(gè)平行，將稱量瓶開(kāi)口分別置于上述環(huán)境中進(jìn)行煙絲吸濕、解吸試驗(yàn)，采用差量法［7］測(cè)試煙絲含水率的變化。即用烘箱測(cè)量法測(cè)得煙絲的起始含水率，試驗(yàn)開(kāi)始后每隔一定時(shí)間取出稱量瓶稱重（精確到0.000 1g），直至兩次稱量結(jié)果相差小于0.001 0g。

1.3.4 環(huán)境掃描電鏡（ESEM）觀測(cè) 對(duì)1.3.1和1.3.2中保潤(rùn)性能良好的樣品，分別選RH為（32±1）%、（60±1）%和（84±1）%的平衡狀態(tài)下的添加保潤(rùn)劑的樣品和空白組對(duì)照，將樣品直接置于樣品臺(tái)上進(jìn)行環(huán)境掃描電鏡分析，觀察樣品煙絲表面的微觀組織結(jié)構(gòu)。電鏡樣品室選擇環(huán)境真空模式，采用氣體二次電子信號(hào)成像；工作電壓為15～20kV，工作距離10mm，觀測(cè)圖放大倍數(shù)400倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 保潤(rùn)效果評(píng)估

2.1.1 脂肪烴類對(duì)煙絲水分變化的影響 脂肪烴類物質(zhì)是以長(zhǎng)碳鏈為主，具有很強(qiáng)的疏水性，通過(guò)將脂肪烴噴涂在煙絲表面，能使煙絲表面較少直接暴露在環(huán)境中，減緩水分透過(guò)煙絲表面的速率，從而達(dá)到控制煙絲水分的目的。將添加脂肪烴類的樣品煙絲和空白對(duì)照組分別在高濕（RH＝84%）、低濕（RH＝32%）條件下吸濕、解吸至平衡狀態(tài)，將煙絲含水率對(duì)測(cè)試時(shí)間作圖，見(jiàn)圖1。

圖1 脂肪烴類對(duì)煙絲水分含量的影響Figure 1 Effect of aliphatic hydrocarbons on the moisture content of tobacco

在環(huán)境相對(duì)濕度84%條件下，添加脂肪烴的煙絲和空白煙絲均迅速吸濕，煙絲含水率上升很快。在開(kāi)始的0～12h，煙絲水分含量成線性上升；12～36h，煙絲吸濕速率下降，煙絲含水率上升較慢；36h之后，煙絲含水率變化很小。通過(guò)煙絲含水率的多少，可以判斷出脂肪烴的阻濕效果為：類脂GY＞硬脂酸＞棕櫚酸＞月桂酸（P＜0.05）。煙絲吸濕速率和含水率都隨著所添加的脂肪烴類物質(zhì)的碳鏈延長(zhǎng)而減小，這與脂肪烴的結(jié)構(gòu)關(guān)系一致，即隨著碳鏈的增長(zhǎng)，極性減弱，親油性增加，通過(guò)疏水作用從而達(dá)到雙向隔離水分的效果。其中類脂GY分子具有較大的空間結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的疏水性，從而增加了分子的親油性，因此阻濕效果較佳。

在環(huán)境相對(duì)濕度32%條件下，0～8h，煙絲含水率呈線性下降，解吸速率因添加的脂肪烴的不同而略有差異；8～24h，煙絲含水率的降低速度變小，此階段所散失的水分跟煙絲結(jié)合較為緊密，解吸速率下降；24h后，煙絲含水率逐漸趨于平衡。但不同添加劑的煙絲的水分含量平衡終點(diǎn)表現(xiàn)出明顯差異性，噴涂脂肪烴的煙絲較空白有更高的平衡含水率，即脂肪烴添加劑對(duì)煙絲水分的截留效果好于空白，并隨著碳鏈的增長(zhǎng)，持水效果越好，這與高濕度環(huán)境下脂肪烴類表現(xiàn)出的阻濕效果結(jié)論一致。

2.1.2 多糖類對(duì)煙絲水分變化的影響 多糖類保潤(rùn)劑作為親水性大分子，其保潤(rùn)性能的差異取決于對(duì)水分子作用力的大?。?］。多糖分子含有大量的親水基團(tuán)與三維網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，容易與鄰近的水分子通過(guò)氫鍵締合，截留水分，防止其穿過(guò)煙絲表面的多糖膜層，從而形成保護(hù)屏障，有效地控制煙絲的水分。

多糖類物質(zhì)對(duì)煙絲水分含量的影響見(jiàn)圖2。在環(huán)境相對(duì)濕度84%時(shí)，0～12h階段，添加多糖A和多糖B的煙絲吸濕速率比空白煙絲小，表明多糖A和多糖B在煙絲表面成膜，減緩了煙絲吸濕。吸濕平衡后，添加多糖A、多糖B的煙絲比空白煙絲的平衡含水率分別低1.03%和1.21%（P＜0.05）。而添加多糖C的煙絲平衡含水率與空白煙絲相比無(wú)顯著差異，可能是多糖C所含的親水基團(tuán)與水結(jié)合，表現(xiàn)出較好的親水性。

圖2 多糖類物質(zhì)對(duì)煙絲水分含量的影響Figure 2 Effect of the polysaccharide on the moisture content of tobacco

在環(huán)境相對(duì)濕度32%時(shí)，存放時(shí)間的延長(zhǎng)，煙絲的含水率呈線性下降，而添加多糖A、多糖B和多糖C的煙絲水分含量下降速率比空白煙絲慢（P＜0.05），即水分保持性較空白煙絲更好，水分散失速率較慢。

多糖類保潤(rùn)劑中多糖A和多糖B具有一定的雙向阻水效果，但阻水效果不及脂肪烴類明顯，可能多糖類保潤(rùn)劑中親水基團(tuán)結(jié)合了較多的水分子，影響了煙絲中的水分分布和水分存在狀態(tài)。

2.1.3 復(fù)配添加劑的雙向阻濕效果 選取脂肪烴類添加劑中阻水效果好的類脂GY和多糖類添加劑復(fù)配添加，考察其阻濕效果。將脂肪烴類的疏水碳鏈的阻水與多糖的親水基團(tuán)、三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鎖水功效相結(jié)合，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，從而達(dá)到更佳的雙向阻濕效果。添加復(fù)配添加劑的煙絲吸濕、解吸曲線見(jiàn)圖3。

圖3 復(fù)配添加劑對(duì)煙絲水分含量的影響Figure 3 Effect of compound additives on the moisture content of tobacco

由圖3（a）可知，在高濕環(huán)境條件下，煙絲含水率隨時(shí)間增加而增長(zhǎng)，與空白煙絲相比，3種復(fù)配添加劑都能有效降低煙絲在對(duì)應(yīng)時(shí)段的含水率，即添加復(fù)配保潤(rùn)劑的煙絲吸濕量較小。其中以多糖B/類脂GY（0.1%/1.0%）阻水效果最佳，72h后平衡含水率為35.08%，比空白煙絲的含水率38.83%降低3.75%（P＜0.05），同時(shí)，煙絲水分含量達(dá)到35%的時(shí)間延遲了30h，為空白煙絲所需時(shí)間的200%，有效延緩了煙絲吸濕時(shí)間。

由圖3（b）可知，煙絲處于低濕環(huán)境條件，48h后煙絲含水率趨于平衡，其平衡含水率大小排序?yàn)椋憾嗵荁/類脂GY（0.1%/1.0%）＞多糖B′/類脂 GY（0.1%/1.0%）＞多糖 A/類脂GY（0.2%/1%）＞空白。

不同阻濕劑對(duì)煙絲樣品吸濕速率、解吸速率的影響分別見(jiàn)表1、2。比較復(fù)配添加劑煙絲與空白煙絲的吸濕、解吸速率，在表1吸濕階段的0～12h、表2解吸階段的0～8h，可以看出復(fù)配添加劑煙絲比空白煙絲的吸濕、解吸速率低，即在復(fù)配添加劑的影響下，煙絲表面的水分?jǐn)U散進(jìn)展得較慢，復(fù)配添加劑有效地延緩了煙絲水分變化的速度，并影響最終平衡含水量，將煙絲的水分變化控制在較小范圍，達(dá)到有效的雙向阻濕。

表1 阻濕劑對(duì)煙絲樣品吸濕速率的影響Table 1 Effect of different humectants on rate of water absorption of tobacco mg/（g·h）

表2 阻濕劑對(duì)煙絲樣品解吸速率的影響Table 2 Effect of different humectants on rate of water desorption of tobacco mg/（g·h）

2.2 煙絲的表面形態(tài)比較

利用環(huán)境掃描電鏡，可以觀察含水分的煙絲表面結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)比煙絲表面結(jié)構(gòu)的不同，分析阻濕劑雙向阻水的原因。在RH＝60%的環(huán)境下，樣品煙絲表面的環(huán)境掃描電鏡觀測(cè)圖見(jiàn)圖4，在相對(duì)濕度60%的環(huán)境中平衡72h后的空白樣品、添加類脂GY樣品、復(fù)配添加多糖B/類脂GY樣品的表面組織結(jié)構(gòu)有明顯不同。

空白樣品表面很多褶皺，煙葉細(xì)胞組織直接暴露在環(huán)境中，褶皺細(xì)密；添加類脂GY樣品表面能看到細(xì)密的類脂GY涂層，表面褶皺相比空白樣品明顯較少，且被類脂GY覆被的表面因?yàn)槠涫杷饔?，吸濕過(guò)程受阻，從而整體上吸濕速率較空白樣??；從復(fù)配添加多糖B/類脂GY樣品表面可以看到較為均勻的阻濕劑，覆蓋面比添加類脂GY樣品更加多且連續(xù)，阻濕劑填補(bǔ)了煙絲褶皺的溝壑部位，減少了暴露在環(huán)境中的表面積。多糖B的黏度及其三維空間結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了阻濕膜連續(xù)性，煙絲通過(guò)毛細(xì)管解吸的幾率下降，此外，在復(fù)配添加多糖B/類脂GY樣品中暴露的煙葉組織的氣孔最少，大大減少了煙絲內(nèi)部水分通過(guò)氣孔散失的比例。

3 結(jié)論

圖4 樣品煙絲和參照煙絲在RH＝60%的表面環(huán)境掃描電鏡觀測(cè)圖Figure 4 ESEM micrographs of tobacco surface in RH＝60%

與傳統(tǒng)保潤(rùn)劑甘油、丙二醇和其他天然保潤(rùn)劑相比，多糖B/類脂GY復(fù)配添加劑具有良好、穩(wěn)定的雙向阻濕性能，能夠延緩煙絲中水分的散失速度。對(duì)比空白組，在相對(duì)濕度RH＝84%的環(huán)境下，能使煙絲從12%的初始含水率達(dá)到35%的時(shí)間延緩2倍；在相對(duì)濕度RH＝32%的環(huán)境下，能使煙絲含水率從12%降到8%的時(shí)間延緩2倍。

通過(guò)觀察添加復(fù)配阻濕劑后煙絲表面的環(huán)境掃描電鏡圖，可以直觀地看到在高濕或低濕的環(huán)境中，復(fù)配阻濕劑都能通過(guò)覆被在煙絲表面，減少暴露的表面積，達(dá)到有效延緩煙絲表面的水分變化，將煙絲表面較長(zhǎng)時(shí)間地維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。即添加劑以化學(xué)吸附等方式將水分鎖定在阻濕膜兩側(cè)，從而達(dá)到控制煙絲中水分的目的。

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