微波膨脹功率對(duì)煙梗質(zhì)量的影響

李曉 景天 姚二民 劉強(qiáng) 丁美宙

摘要：為研究微波膨脹功率對(duì)煙梗質(zhì)量的影響，采用單因素試驗(yàn)方法，直觀分析不同微波功率處理前后煙梗外觀質(zhì)量的變化，并測(cè)定煙梗膨脹率、常規(guī)化學(xué)成分的變化情況；利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，簡(jiǎn)稱SEM）觀察不同微波功率處理后膨脹煙梗的切面結(jié)構(gòu)，同時(shí)考察不同存放時(shí)間對(duì)膨脹煙梗膨脹率的影響。結(jié)果表明，隨著微波功率的增加，煙梗膨脹率呈線性提高，當(dāng)微波功率為33 kW時(shí)，煙梗膨脹率可達(dá)到116%；當(dāng)微波功率為[JP2]35 kW 時(shí)，煙梗膨脹率達(dá)到122%，膨脹率雖有所增加，但增加幅度不大，從直觀上看這時(shí)大部分煙梗顏色呈現(xiàn)棕黑色，甚至出現(xiàn)焦糊化現(xiàn)象；膨脹煙?？偺呛瓦€原糖含量隨微波功率的增加逐漸降低，下降幅度約10%，煙堿、總氮含量變化不明顯；與原梗相比，經(jīng)微波處理的煙梗組織結(jié)構(gòu)疏松，間隙孔洞增多增大，髓腔部分出現(xiàn)斷裂破損，且隨微波功率增加，煙梗微觀結(jié)構(gòu)形變程度增強(qiáng)；[JP]微波功率、存放時(shí)間對(duì)煙梗膨脹率的影響均達(dá)到極顯著水平，在外界環(huán)境條件基本不變的情況下，膨脹煙梗存放7～10 d膨脹率趨于穩(wěn)定。綜合來(lái)看，當(dāng)微波功率為30～33 kW時(shí)，膨脹煙梗綜合質(zhì)量較好。

關(guān)鍵詞：煙梗；微波膨脹；膨脹率；微觀結(jié)構(gòu)；掃描電子顯微鏡

中圖分類號(hào)： TS452文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）03-0141-03

收稿日期：2015-12-17

基金項(xiàng)目：河南中煙科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)（編號(hào)：ZW2014034）。

作者簡(jiǎn)介：李曉（1967—），女，河南南陽(yáng)人，碩士，教授，主要從事煙草科學(xué)教學(xué)與研究。E-mail：lixiao6712@126.com。

通信作者：劉強(qiáng)，工程師，主要從事卷煙工藝研究。E-mail：xyhailang@163.com。

煙梗作為煙草植物的產(chǎn)物，來(lái)源廣泛，大約占煙草總質(zhì)量的25%，因它具有改善煙支結(jié)構(gòu)、降低成本和降焦的功能，而被作為卷煙原料的重要組分[1]。傳統(tǒng)工藝制成的梗絲與煙絲相比存在外觀差別大、木質(zhì)氣味重和刺激性氣味較大等缺點(diǎn)，使煙梗在卷煙中的應(yīng)用受到了限制[2]。近年來(lái)，新興的微波膨脹煙梗技術(shù)為煙梗的充分利用提供了新的研究方向，國(guó)內(nèi)外主要是通過(guò)研究原料、設(shè)備參數(shù)和方法來(lái)提高膨脹煙梗的品質(zhì)[3-12]。高銳等研究了煙梗含水率、膨脹時(shí)間、膨脹功率與煙梗膨脹率的關(guān)系，結(jié)果表明，煙梗微波膨脹的最佳條件為膨脹時(shí)間 45 s、煙梗含水率20%、微波功率630 W，煙梗膨脹率為 4.24%[6]。李軍等研究表明，煙梗經(jīng)微波處理后，因具有較高的膨脹率和孔隙率，在陳化和補(bǔ)水回潮的過(guò)程中，容易出現(xiàn)體積變化現(xiàn)象，影響顆粒梗產(chǎn)品的物理特性[8]。楊威等分析了微波膨脹處理對(duì)煙?；瘜W(xué)成分、主要致香成分和顯微結(jié)構(gòu)的影響[12]。然而，目前對(duì)微波膨脹煙梗質(zhì)量的研究報(bào)道較少。為提高煙梗的應(yīng)用效果，研究不同微波功率對(duì)膨脹煙梗膨脹率的影響，以及膨脹后煙梗在不同存放時(shí)間下膨脹率的變化情況，旨在優(yōu)化膨脹煙梗預(yù)處理參數(shù)，并通過(guò)對(duì)不同功率處理后膨脹煙梗主要化學(xué)成分和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，為膨脹煙梗的加工處理提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

2014年云南麗江煙梗，由河南中煙許昌卷煙廠提供。

1.2儀器

PL3002電子天平[梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]、DHG-9145A型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司）；JSM-6490LV掃描電子顯微鏡、離子濺射儀（日本電子株式會(huì)社）；微波膨梗機(jī)（許昌煙草煙絲廠）；其他：500 mL量筒；500 mL燒杯、石英砂等。

1.3方法

1.3.1樣品的制備

取含水率為18%的云南煙梗，根據(jù)尺寸大小進(jìn)行篩選并分組，對(duì)分組后的煙梗進(jìn)行不同功率（27、30、33、35 kW）的微波處理，其他工序參數(shù)完全一致。工藝流程：篩分→定量喂料→2次篩分→增溫干燥→微波膨脹→3次篩分→取樣→測(cè)定膨脹率→存放→測(cè)定膨脹率。其中篩分為將物料預(yù)先分組，篩除梗徑3 mm以下的碎梗，2次、3次篩分為篩除膨脹后碎梗。

1.3.2煙梗膨脹率的測(cè)定方法

采用烘箱法測(cè)定不同微波功率處理后膨脹煙梗的含水率[13]，根據(jù)干物質(zhì)質(zhì)量相等的原理，用四分法隨機(jī)稱取一定質(zhì)量的原梗和相應(yīng)質(zhì)量的膨脹煙梗。

采用石英砂測(cè)體積法測(cè)定原梗與不同功率處理后的膨脹煙梗的體積，根據(jù)公式：膨脹率=[SX（]V膨-V原V原[SX）]×100%（V膨、V原分別為膨脹后、膨脹前的體積），可得膨脹煙梗的膨脹率。以上方法重復(fù)3次取平均值。將處理后的膨脹煙梗在不同存放時(shí)間下貯存，重復(fù)利用上述方法測(cè)定煙梗膨脹率。

1.3.3常規(guī)化學(xué)成分的測(cè)定

總糖、還原糖、總植物堿和總氮含量的測(cè)定分別按照煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[14-16]規(guī)定的方法進(jìn)行。

1.3.4掃描電子顯微鏡分析

將不同微波功率處理前后的煙梗用刀片分別切取1 mm的薄片后用導(dǎo)電性膠帶固定于樣品臺(tái)，經(jīng)離子濺射儀真空干燥、鉑噴鍍后，用掃描電子顯微鏡（JSM-6490LV）進(jìn)行觀測(cè)，拍攝取圖。測(cè)定條件為加速電壓20 kV，二次電子發(fā)射距離為10 mm，放大倍數(shù)為30～500倍。

2結(jié)果與分析

2.1不同微波功率對(duì)煙梗膨脹率的影響

分別利用27、30、33、35 kW微波功率對(duì)含水率為18%的云南煙梗進(jìn)行微波膨脹，觀察及測(cè)定不同微波功率處理前后煙梗的外觀質(zhì)量和膨脹率，結(jié)果如圖1、圖2所示。

由圖1可見，對(duì)比原梗，隨著微波功率的增加，膨脹煙梗的體積明顯增大且顏色逐漸加深，其中微波功率為33 kW處理的煙梗膨脹效果較好，煙梗膨脹率達(dá)到116%；當(dāng)微波功率達(dá)到35 kW時(shí)，煙梗膨脹率雖有所提高，但變化幅度不大且煙梗整體顏色呈現(xiàn)棕黑色，甚至出現(xiàn)焦糊化現(xiàn)象。這可能是因?yàn)殡S著微波功率的增加，煙梗表皮組織內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而髓腔部分結(jié)構(gòu)疏松，在高溫條件下，易產(chǎn)生炭化現(xiàn)象。由圖2可知，隨著微波功率的增加，煙梗膨脹率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)，隨著微波強(qiáng)度增加，煙梗內(nèi)部自由水的失去速度加快，產(chǎn)生的水蒸氣壓力增加，增強(qiáng)了煙梗膨脹效果。因此，整體而言，當(dāng)微波功率為30～33 kW時(shí)，煙梗膨脹率及外觀質(zhì)量較好。

2.2不同微波功率對(duì)煙?；瘜W(xué)成分的影響

對(duì)不同微波功率處理下膨脹煙梗進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)分析，結(jié)果如表1所示，單因素方差分析結(jié)果見表2。

由表1可知，與原梗相比，膨脹煙?？偺恰⑦€原糖、煙堿和總氮含量均有所下降，其中，膨脹煙?？偺恰⑦€原糖含量隨微波功率的增加逐漸降低，下降幅度分別為9.09%～11.32%、8.56%～10.02%；煙堿和總氮含量之間差異不明顯，變化率差別不大，均低于2.5%。這可能是由于在微波膨脹過(guò)程中溫度迅速升高，煙梗內(nèi)部糖類物質(zhì)發(fā)生焦糖化反應(yīng)，使糖類物質(zhì)[CM（25]轉(zhuǎn)化為致香成分。由表2可知，微波功率對(duì)膨脹煙?；瘜W(xué)成分中的總糖和還原糖含量有極顯著影響（P<0.01），對(duì)總氮、煙堿影響不顯著。

2.3不同微波功率對(duì)煙梗顯微結(jié)構(gòu)的影響

由圖3可以直觀地看出，在35倍電鏡圖片中，與原梗相比，經(jīng)微波處理的煙梗組織結(jié)構(gòu)疏松，間隙孔洞增多增大，髓腔部分出現(xiàn)斷裂破損，且隨微波功率增加，煙梗微觀結(jié)構(gòu)形變程度增強(qiáng)。煙梗從外到內(nèi)分別由表皮組織、薄壁組織、維管束組織和髓腔4個(gè)部分組成，在薄壁組織與維管束細(xì)胞之間還存在明顯的形成層。由此可見，隨著微波功率的增加，不同部位的膨脹程度也不相同。

由圖4～圖6看出，在500倍電鏡下，原梗薄壁組織和髓腔結(jié)構(gòu)緊密，表面皺褶較多，維管束細(xì)胞較為分散，間距較大，細(xì)胞形狀多為圓形。當(dāng)微波功率為27 kW時(shí)，膨脹煙梗薄壁組織和髓腔中細(xì)胞體積增大數(shù)倍，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，維管束細(xì)胞體積變化不明顯，細(xì)胞間隙變小，細(xì)胞排布更加整齊有序。當(dāng)微波功率為30、33 kW時(shí)，膨脹煙梗薄壁組織和髓腔中細(xì)胞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損，且隨微波功率的增加，髓腔中細(xì)胞體積不斷增大；薄壁組織中細(xì)胞體積呈先增大后減小趨勢(shì)。這是由于微波膨脹是由內(nèi)向外擴(kuò)散的過(guò)程，髓腔位于煙梗中心部位，最先受到膨脹，故膨脹效果最明顯；薄壁組織細(xì)胞位于表皮細(xì)胞與維管束細(xì)胞之間，在膨脹過(guò)程中細(xì)胞間會(huì)產(chǎn)生相互擠壓，導(dǎo)致體[CM（25]積減小。維管束細(xì)胞體積并無(wú)較大改變，仍然保持明顯的空[JP2]洞結(jié)構(gòu)，其中微波功率為30 kW時(shí)，維管束組織細(xì)胞膨脹效果最好；當(dāng)微波功率為33 kW時(shí)，維管束細(xì)胞開始出現(xiàn)破損。

2.4不同存放時(shí)間對(duì)微波膨脹煙梗膨脹率的影響

將不同微波功率處理后的膨脹煙梗放在自然條件下存放，測(cè)定存放不同時(shí)間膨脹煙梗膨脹率。

由圖7可知，隨著存放時(shí)間的增加，煙梗膨脹率呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，整體膨脹率有所下降，其中微波功率27 kW處理的煙梗膨脹率在存放過(guò)程中穩(wěn)定性較差，可能是由于微波功率較低，造成煙梗吸收微波較少，煙梗膨脹不完全造成的。而微波功率為30、33 kW處理的煙梗膨脹效果好，在存放過(guò)程中穩(wěn)定性較好，在存放1～6 d煙梗膨脹率波動(dòng)較大，可能是因?yàn)闊煿＝?jīng)高溫膨脹后煙梗組織結(jié)構(gòu)疏松未定型，到7 d之后，存放過(guò)程中膨脹煙梗溫度逐漸[CM（25]趨于穩(wěn)定，膨脹煙梗內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，體積變化波動(dòng)較小。綜合來(lái)看，微波功率為30～33 kW處理的煙梗在存放過(guò)程中較為穩(wěn)定，在外界環(huán)境條件基本不變的情況下，膨脹煙梗存放7～10 d以后膨脹率趨于穩(wěn)定。

采用SPSS 21.0軟件對(duì)不同微波功率處理煙梗在不同存放時(shí)間下的膨脹率作方差分析，客觀分析各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的重要程度。由表3可知，微波功率、存放時(shí)間對(duì)煙梗膨脹率的影響均達(dá)到極顯著水平，表明微波功率和存放時(shí)間對(duì)煙梗膨脹率的影響起到重要作用。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析不同微波功率處理后膨脹煙梗的理化性質(zhì)和顯微結(jié)構(gòu)可知，隨著微波功率的增加，膨脹煙梗的體積明顯增大且顏色逐漸加深，煙梗膨脹率呈線性上升趨勢(shì)；由直觀分析可知，微波功率為33 kW時(shí)煙梗膨脹效果最好，膨脹率達(dá)116%；當(dāng)微波功率達(dá)到35 kW時(shí)，煙梗膨脹率達(dá)到122%，膨脹率有所提高，但提高幅度不大，從直觀上看這時(shí)大部分煙梗顏色呈現(xiàn)棕黑色，甚至出現(xiàn)焦糊化現(xiàn)象，可見當(dāng)微波功率為30～33kW時(shí)，煙梗膨脹率及外觀質(zhì)量較好。

煙梗經(jīng)微波膨脹處理后，煙梗中總糖、還原糖、煙堿和總氮含量均有所下降。其中，膨脹煙梗總糖、還原糖含量隨微波功率的增加逐漸降低，下降幅度分別為9.09%～11.32%、856%～10.02%；煙堿和總氮含量變化不明顯。

從煙梗的微觀結(jié)構(gòu)上看，與原梗相比，經(jīng)微波處理的煙梗組織結(jié)構(gòu)疏松，間隙孔洞增多增大，髓腔部分出現(xiàn)斷裂破損，且隨微波功率增加，煙梗微觀結(jié)構(gòu)形變程度逐漸增強(qiáng)。

微波功率、存放時(shí)間對(duì)煙梗膨脹率的影響均達(dá)到極顯著水平，微波功率為30、33 kW處理的煙梗膨脹效果好，故在存放過(guò)程中較為穩(wěn)定；隨著存放時(shí)間的增加，煙梗膨脹率呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)且整體有所下降，在外界環(huán)境條件基本不變的情況下，膨脹煙梗存放7～10 d以后膨脹率趨于穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]王月俠，葛善禮，賈濤，等. 煙?；瘜W(xué)組成的分析[J]. 煙草科技，1996（3）：16-17.

[2]陳良元. 卷煙生產(chǎn)工藝技術(shù)[M]. 鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[3]陳晶鈴，陳明功，汪曉艷，等. 煙梗微波膨化基本規(guī)律的研究[J]. 安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，28（3）：61-64.

[4]廖曉祥，趙云川，陳冉，等. 不同微波膨脹煙梗的化學(xué)感官特性研究[J]. 化學(xué)研究與應(yīng)用，2015，27（3）：292-298.

[5]資文華，龍明海，陳林，等. 云南典型煙區(qū)煙梗原料的微波膨脹特性差異[J]. 煙草科技，2013（7）：8-11.

[6]高銳，黃志強(qiáng)，王松峰，等. 煙梗微波膨脹條件優(yōu)化及其對(duì)煙?；瘜W(xué)成分和物理結(jié)構(gòu)的影響[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，42（11）：50-54.

[7]周森，傅懷云，常躍. 煙梗微波膨脹預(yù)處理工藝的探討[J]. 重慶與世界（學(xué)術(shù)版），2012，29（11）：169-170.

[8]李軍，資文華，宋蓮英，等. 陳化時(shí)間對(duì)微波膨脹煙梗加工過(guò)程物理特性的影響[J]. 煙草科技，2010（11）：15-17.

[9]梁貴安，彭金輝，蘇四清，等. 84 kW微波煙梗膨脹生產(chǎn)試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)研究[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，36（8）：110-113.[HJ1.5mm]

[10]許琨敏，彭金輝，蘇四清，等. 一種滾筒式煙梗連續(xù)微波膨脹設(shè)備：CN201110138821.8[P]. 2012-01-25.

[11]湯馬斯·亨利·懷特. 一種制備粒狀膨脹煙梗的方法及所采用的設(shè)備：CN200510118934.6[P]. 2006-03-22.

[12]楊威，張強(qiáng)，董高峰，等. 微波膨脹對(duì)煙梗品質(zhì)及顯微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，26（3）：69-72.

[13]國(guó)家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心. 煙草及煙草制品試樣的制備和水分測(cè)定烘箱法：YC/T 31—1996[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[14]國(guó)家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心. 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]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[15]國(guó)家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心. 煙草及煙草制品總植物堿的測(cè)定連續(xù)流動(dòng)法：YC/T 468—2013[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[16]國(guó)家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心. 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]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.