煙草保潤劑的物理保潤性能研究

張安豐，劉春波，申欽鵬，陳永寬，熊 文，楊光宇,陜紹云，荊磊磊，劉志華

(1.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心/云南省煙草化學(xué)重點實驗室，云南 昆明 650231；2.昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

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煙草保潤劑的物理保潤性能研究

張安豐1,2，劉春波1，申欽鵬1，陳永寬1，熊 文1，楊光宇1,陜紹云2，荊磊磊1,2，劉志華1

(1.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心/云南省煙草化學(xué)重點實驗室，云南 昆明 650231；2.昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

摘要：為了提高卷煙制品的耐加工性，減少水分的散失以及保證煙草制品質(zhì)量，以甘油、丙二醇為對照，比較了新型保潤劑對煙絲物理保潤性的差異。結(jié)果表明：噴灑丙三醇的煙絲平衡含水率為14.57%，噴灑新型保潤劑3#的煙絲平衡含水率為14.76%，4#的為14.73%，5#的為15.09%，其余保潤性差異不明顯。噴灑保潤劑的煙絲平衡含水率越高，其表面微結(jié)構(gòu)越光滑，組織結(jié)構(gòu)展開越明顯，且斷面厚度增加越明顯。噴灑丙三醇的煙絲失水率為7.64%，噴灑新型保潤劑3#的為8.01%，4#的為8.36%，5#的為7.48%，表明了樣品5#在卷煙中的物理保潤效果較好。

關(guān)鍵詞：物理保潤性；新型保潤劑；平衡含水率；失水率；煙草

煙葉為疏松的多孔材料，從熱力學(xué)上講，其吸收水分的潛力較高。正是由于煙葉材料的多孔特性，在較高溫度和較低濕度下，游離水分、毛細(xì)管水分等散失也較快，從而導(dǎo)致卷煙也較容易干燥[1]。在卷煙制品生產(chǎn)過程中，添加保潤劑能夠維持煙絲水分，改善其物理保潤性能。目前，常用的保潤劑為丙二醇[2]、甘油[3]、二甘醇、山梨醇等多羥基化合物[4]。然而，甘油和丙二醇的保潤性能雖好，但對于卷煙感官品質(zhì)的改善效果不太理想[5]。近年來，國內(nèi)外開發(fā)出了多種新型保潤劑來替代傳統(tǒng)的保潤劑[6-9]，在改善卷煙內(nèi)在品質(zhì)的同時，還可以減少對人體健康的危害，這符合保潤劑在煙草行業(yè)發(fā)展的趨勢。

動態(tài)水分吸附分析技術(shù)(DVS)是研究物料吸濕或解濕行為的主要手段，基本原理是在設(shè)定相對濕度(RH)環(huán)境、程序升溫或恒溫過程中研究被測物質(zhì)質(zhì)量隨時間的變化規(guī)律。目前，已廣泛應(yīng)用于制藥、食品、生物材料等多個領(lǐng)域[10-12]。該技術(shù)集成了高精度天平、控溫范圍廣、控濕能力強、自動化水平高等優(yōu)越功能，有利于建立溫濕度恒定的環(huán)境監(jiān)測煙草樣品中水分細(xì)微的變化。該方法簡便易行，且可靠穩(wěn)定，有助于分析不同類型保潤劑和卷煙原料在物理保潤性能方面上的差異。卷煙的物理保潤性與其平衡含水率[13]、微觀結(jié)構(gòu)[14]等有關(guān)，都是評判卷煙成品合格與否的一個重要指標(biāo)。目前，關(guān)于煙草制品物理保潤性的檢測方法還未見報道，本文采用動態(tài)水分吸附分析技術(shù)(DVS)對煙絲的物理保潤性能進(jìn)行了分析研究，比較了不同種類保潤劑在煙絲平衡含水率、表面微結(jié)構(gòu)、失水率及等溫吸濕-解濕行為等物理保潤效果的差異性，旨在為今后相關(guān)煙草保潤劑的開發(fā)和保潤技術(shù)的研究提供理論參考。

1材料與方法

1.1實驗材料

煙絲樣品由云南中煙有限責(zé)任公司技術(shù)中心提供。無水乙醇(AR)由南京化學(xué)試劑有限公司提供；變色硅膠由青島海洋變色硅膠廠提供；甘油、丙二醇(化學(xué)純)由上海試劑一廠提供。

1.2實驗儀器

KBF240恒溫恒濕箱(德國 Binder公司)；101-2A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京市永光明醫(yī)療儀器廠)；E12140電子分析天平(靈敏度0.0001 g，美國Ohaus公司)； DVS-100T Advantage動態(tài)水分吸附儀(感量：0.000001 g，質(zhì)量偏差：<150 mg，溫度：±0.1 ℃，濕度：±0.5%，英國SMS公司)；GZPROX/MVE01359064 臺式電子掃描顯微鏡(荷蘭PHENOMWORLD)；干燥器。

1.3實驗方法

1.3.1實驗樣品前處理取8份未加香加料配方煙絲300 g，分別噴灑0.6 g單體保潤劑丙二醇、丙三醇及新型保潤劑1#、2#、3#、4#、5#(企業(yè)自制)，再分別噴二次蒸餾水20 mL；而空白煙絲直接噴水20 mL。然后將樣品放在室溫下自然干燥24 h，使保潤劑能夠被煙絲充分吸收，最后將樣品放入溫度為20 ℃、RH=60%的恒溫恒濕箱中平衡48 h，以備實驗用。

1.3.2平衡含水率測定采用經(jīng)典方法YC/T31─1996《煙草及煙草制品水分的測定烘箱法》[15]進(jìn)行測定。

1.3.3煙絲微結(jié)構(gòu)表征煙絲在環(huán)境溫度(22±1)℃和相對濕度(60±2)%的恒溫恒濕箱內(nèi)平衡48 h，將樣品煙絲從中間斷開，分別將斷面固定在載物臺上，在相同的條件下，用臺式電子掃描顯微鏡觀察拍照[16]。每個煙樣在500倍下，取5個點拍照，進(jìn)行圖像采集，再放大1000倍，對煙絲表面微結(jié)構(gòu)拍照分析。

1.3.4煙絲等溫吸濕-解濕實驗方法經(jīng)過樣品質(zhì)量的優(yōu)化，以取樣量在20～100 mg之間進(jìn)行篩選，最終選擇75 mg為測試樣品質(zhì)量。通入200 sccm氮氣，將其放入動態(tài)水分吸附儀的樣品盤中，并設(shè)定等溫吸濕-解濕的環(huán)境溫度為(22±1)℃，將每個相對濕度的梯度的控制模式設(shè)置為質(zhì)量變化率下線dm/dt=0.0025，并設(shè)置了自動記錄樣品質(zhì)量的時間間隔為1 min。增濕和干燥的運行程序為：樣品在RH=0%的條件下平衡1 h，隨后RH升高10%，再平衡1 h，依次進(jìn)行，每次RH均升高10%，并都保持1 h；當(dāng)RH=90%時，平衡1 h后運行干燥的程序，與增濕程序相反，每次RH均降低10%，并保持1 h，依次從RH=90%降到RH=0%。

程序運行后，數(shù)據(jù)自動保存，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出煙絲在吸濕和解濕過程中每一濕度梯度的質(zhì)量、失水率及滯后變化量。其中，失水率的計算公式如下：

式中：M0為物料在干燥程序t0(RH=60%)時刻的質(zhì)量；M1為物料在干燥程序t1(RH=30%)時刻的質(zhì)量；X(%)為物料失水率。

2結(jié)果與分析

2.1添加不同保潤劑的煙絲平衡含水率分析

噴灑不同保潤劑的煙絲平衡含水率結(jié)果見表1。從表1中可以看出，不同保潤劑保潤效果差異性明顯。與空白比較，添加保潤劑有利于煙絲對水分的維持，噴灑新型保潤劑5#的煙絲平衡含水率為15.09%，3#的為14.76%，4#的為14.73%，丙三醇的為14.57%，丙二醇的為14.24%，空白的為13.49%。可見，新型保潤劑保潤效果優(yōu)于傳統(tǒng)保潤劑單體，而且噴灑5#的煙絲平衡含水率較高，物理保潤性較好，說明了添加不同保潤劑對煙絲平衡含水率的影響極大，煙絲平衡含水率的多少易受到保潤劑種類的影響。

表1　噴灑不同保潤劑的煙絲平衡含水率 %

2.2保潤劑對煙絲微結(jié)構(gòu)的分析

2.2.1表面微結(jié)構(gòu)圖1為添加不同保潤劑的煙絲表面微結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖。由圖1可以看出，煙絲表面的微結(jié)構(gòu)具有一定的變化差異。在溫度20 ℃、濕度為60%的環(huán)境下，空白煙絲微表面凹凸不平，組織結(jié)構(gòu)交織、干癟，褶皺和小溝較多，形成了大量不規(guī)則的溝槽紋理等結(jié)構(gòu)。與空白比較，添加保潤劑后的煙絲表面的組織結(jié)構(gòu)逐漸膨大，結(jié)構(gòu)變得疏松，小溝和褶皺也逐漸減少，表面的氣孔逐漸打開?？梢园l(fā)現(xiàn)，煙絲平衡含水率越高，表面細(xì)胞組織吸收水分越多，表面變得越光滑，組織結(jié)構(gòu)展開越明顯?？梢?，保潤劑的添加對煙絲微結(jié)構(gòu)具有一定的影響。

a～f分別為空白、丙二醇、甘油、1#、3#、5#樣品放大1000倍時的SEM照片。圖1　不同保潤劑對煙絲表面微結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖

2.2.2斷面微結(jié)構(gòu)煙絲吸收水分主要是通過其斷面，故對煙絲斷面進(jìn)行電鏡分析。圖2為添加不同保潤劑的煙絲斷面結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖。從圖2可以看出，不同保潤劑處理的煙絲斷面結(jié)構(gòu)差異性明顯，空白煙絲斷面組織之間孔隙小，組織結(jié)構(gòu)緊實，斷面厚度小；煙絲吸收水分以后，其斷面孔隙增大，組織結(jié)構(gòu)逐漸拉伸，煙絲內(nèi)部組織脹開，斷面增厚，平衡含水率越高，斷面厚度增加越明顯，說明平衡含水率對煙絲斷面結(jié)構(gòu)影響很大。

2.3保潤劑對煙絲等溫吸濕-解濕行為分析

通過對動態(tài)水分分析儀實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，失水率結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，噴灑保潤劑的煙絲失水率較小。與空白比較，噴灑丙二醇的煙絲失水率為8.42%，丙三醇的為7.64%，新型保潤劑1#的為7.77%，2#的為7.94%，3#的為8.01%，4#的為8.36%，5#的為7.48%，說明經(jīng)新型保潤劑5#處理后煙絲對水分的維持能力較強。煙絲具有吸濕和解濕的特性，噴灑保潤劑以后，所含羥基與水分子形成氫鍵，使水分受束縛，散失速度減緩。失水率越低，保潤劑的物理保潤性能越好。因此，新型保潤劑5#的物理保潤效果較好，1#和丙三醇次之，2#、3#、4#及丙二醇較差。

表2　噴灑不同保潤劑的煙絲等溫吸濕-解濕結(jié)果

圖3為添加不同保潤劑煙絲等溫滯后變化曲線。從圖3可以看出，當(dāng)RH<20%時，干燥的環(huán)境能使煙絲解濕速率相近，滯后變化曲線趨向較為一致，在該濕度范圍內(nèi)，煙絲保潤性差異不明顯。當(dāng)RH>20%以后，新型保潤劑3#煙絲滯后變化量較高，空白煙絲滯后變化量較低，其余滯后變化量差異性不大，說明了空白煙絲具有吸濕慢、解濕慢的特點，新型保潤劑3#煙絲具有吸濕慢、解濕快的特點，該特點使得其滯后變化量較高，達(dá)9.21%(RH=70%)，而新型保潤劑5#表現(xiàn)為吸濕與解濕性能較為適中的特點。當(dāng)RH>70%以后，煙絲滯后變化量隨相對濕度變化急劇下降，說明煙絲在高濕度環(huán)境下其吸附與脫附量都趨于平衡，滯后現(xiàn)象不明顯，這與顧中鑄等[17]在煙草吸濕滯后現(xiàn)象研究中得到的結(jié)論一致。因此，考慮到保潤劑良好的保潤保濕和防潮雙向的功能特點，我們認(rèn)為吸濕與解濕性能適中的保潤劑5#更具有開發(fā)和應(yīng)用前景。

圖3　噴灑不同保潤劑的煙絲等溫吸濕-解濕滯后變化曲線

3結(jié)論

通過對幾種煙用保潤劑物理保潤性的分析和比較，明確了不同保潤劑保潤性能的差異。與傳統(tǒng)保潤劑比較，新型保潤劑的保濕效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)保潤劑單體。噴灑保潤劑的煙絲平衡含水率越高，其煙絲微結(jié)構(gòu)變化性越明顯，表面微結(jié)構(gòu)越光滑，組織結(jié)構(gòu)展開以及斷面厚度增加越明顯。噴灑新型保潤劑5#的煙絲失水率較低，對煙絲的物理保潤效果較好。結(jié)合新型保潤劑良好的保濕和防潮雙向功能特點，吸濕與解濕性能適中的保潤劑更具有開發(fā)和應(yīng)用前景。因此，對于新型保潤劑5#的開發(fā)對卷煙物理保潤技術(shù)研究具有一定的理論參考價值。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

收稿日期：2015-12-20

基金項目：云南省科技廳保潤劑研制項目；云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司項目(2013JC02)。

作者簡介：張安豐(1989─)，男，碩士研究生，主要研究方向為煙草化學(xué)。*通訊作者：劉志華。

中圖分類號：S572

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)07-0073-05

Reseach on Physical Moisture Retention of Tobacco Humectants

ZHANG An-feng1,2, LIU Chun-bo1, SHEN Qin-peng1, CHEN Yong-kuan1, XIONG Wen1,YANG Guang-yu1, SHAN Shao-yun2, JING Lei-lei1,2, LIU Zhi-hua1*

(1. Technology Center, China Tobacco Yunnan Industrial Company Limited / Key Lab of Tobacco Chemistry of Yunnan, Kunming 650231, China; 2. School of Chemical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650224, China)

Abstract：In order to improve the processability of cigarette products, reduce their moisture loss, and ensure the quality of tobacco products, we used glycerol and propylene glycol as controls, and compared the differences in the physical moisture retention on cut tobacco among several new-type humectants. The results showed that: after being sprayed by glycerol, new humectant 3#, new humectant 4# and new humectant 5#, the cut tobacco had the equilibrium moisture content of 14.57%, 14.76%, 14.73% and 15.09%, respectively; there were no obvious differences in the physical moisture retention among other humectants. The higher the equilibrium moisture content of cut tobacco sprayed by humectants, the more smooth its surface microstructure, the more obvious its spread organizational structure, and the more evidently its section thickness increased. After spraying glycerol, new humectant 3#, new humectant 4# and new humectant 5# on the cut tobacco, its moisture loss rate was 7.64%, 8.01%, 8.36% and 7.48%, respectively, showing new humectant 5# had better physical moisture retention on cigarette.

Key words：Physical moisture retention; New humectants; Equilibrium moisture content; Rate of moisture loss； Tobacco