煙草孔隙結(jié)構(gòu)與其物理保潤性能的關(guān)聯(lián)性分析

郭華誠 李 強(qiáng) 孫雪平 侯鵬娟

(1. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450016；2. 紅云紅河煙草〔集團(tuán)〕有限責(zé)任公司紅河卷煙廠，云南 彌勒 652300)

煙草原料的保潤性能對(duì)其耐加工性乃至卷煙產(chǎn)品的吸味都有重要影響[1-2]。為減少加工過程中煙草原料的造碎，改善卷煙產(chǎn)品的吸味，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煙草原料和卷煙產(chǎn)品的保潤性能進(jìn)行了大量研究，并取得了較大的進(jìn)展。Tso等[3]研究發(fā)現(xiàn)，煙草中多孔體構(gòu)成的膠質(zhì)毛細(xì)管以及蛋白質(zhì)、果膠、水溶性糖、有機(jī)鹽類等親水性化合物較多，其吸濕性也較強(qiáng)；康文功等[4]研究發(fā)現(xiàn)，煙絲失水量與烷烴含量呈顯著負(fù)相關(guān)，烷烴含量越高，煙絲水分散失越少，保潤性能越好；樓佳穎等[5]研究發(fā)現(xiàn)，膨脹煙絲和薄片經(jīng)工藝處理后，對(duì)水分子的吸附量以及保持力都劣于葉絲；張相輝等[6]研究發(fā)現(xiàn)，煙絲石油醚提取物含量與其吸濕、解濕平衡含水率均呈負(fù)相關(guān)；然而，有關(guān)煙草原料保潤性能與其孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系研究甚少，試驗(yàn)旨在通過煙草原料的保潤性能與其微觀孔結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性分析研究，為降低加工過程中煙草原料造碎提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

烤煙、香料煙、白肋煙、再造煙葉、膨脹梗絲共計(jì)26個(gè)試驗(yàn)樣品：河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司；

煙草動(dòng)態(tài)含水率監(jiān)測裝置：INFRALAB710E型，英國NDC公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9145A型，上海一恒科技有限公司；

電子天平：EL204型，感量0.000 1 g，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

實(shí)驗(yàn)室煙葉切絲機(jī)：QS-2A型，鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司；

壓汞儀：AutoPore IV 9500型，美國麥克儀器公司。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)樣品制備 根據(jù)文獻(xiàn)[7]，對(duì)26個(gè)試驗(yàn)樣品進(jìn)行平衡水分處理，經(jīng)切絲機(jī)切絲后(寬度1.0 mm)，再次置于相對(duì)濕度(60±3)%，溫度(22±1) ℃恒溫恒濕室中，平衡水分處理48 h。

1.2.2 試驗(yàn)樣品保潤性能測試 準(zhǔn)確稱取4 g(精確至0.000 1 g)煙草樣品于70 mm×40 mm稱量瓶，置于溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度為30%的煙草動(dòng)態(tài)含水率監(jiān)測裝置中，稱量瓶放置在對(duì)應(yīng)編號(hào)電子天平上，每60 s記錄1次樣品質(zhì)量，測試時(shí)間4 000 min以上。根據(jù)文獻(xiàn)[8]采用烘箱法測定樣品干基含水率，使用水分比(干燥條件下，物料水分殘余量的相對(duì)比值)描述失水過程[9-11]，并通過熱力學(xué)Weibull模型擬合樣品水分比隨失水時(shí)間的變化曲線[12-14]。Weibull模型中α值大小可作為評(píng)價(jià)樣品物理保潤性能指標(biāo)[15-16]。水分比按式(1) 計(jì)算：

(1)

式中：

MR——水分比；

Mo——初始干基含水率，%；

Me——最終干基含水率，%；

Mt——t時(shí)刻干基含水率，%。

Weibull模型公式見式(2)。

(2)

式中：

α——尺度參數(shù)；

β——形狀參數(shù)；

t——失水時(shí)間，min。

Weibull模型中，α值可用于描述水分比隨失水時(shí)間變化的快慢程度，取水分比為e-1時(shí)所用時(shí)間為α值(min)。α值即樣品散失水分過程中，水分散失達(dá)到初始含水率63%時(shí)所需時(shí)間[17-19]，α值越大，樣品水分比變化緩慢，物理保潤性能越好。β值可用來反映失水過程前期水分散失速率的大小，其值越大表示初始干燥速率越小。

1.2.3 試驗(yàn)樣品孔隙結(jié)構(gòu)測定 采用壓汞儀在137.9～34 475.0 Pa壓力范圍內(nèi)，提供34.5 Pa的壓力增量，浸潤角為130°，汞表面張力0.48 N/m對(duì)試驗(yàn)樣品孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定，步驟如下。

(1) 樣品預(yù)處理：稱取0.4 g樣品(精確至0.000 1 g)置于樣品室中，通入氬氣進(jìn)行真空脫氣處理，去除影響測試結(jié)果的吸附物質(zhì)(水分、雜質(zhì))，保證汞能有效填充樣品中的微孔。

(2) 膨脹計(jì)加載裝樣：樣品預(yù)處理后，分析天平稱重，然后置入潔凈、干燥的樣品膨脹計(jì)中。

(3) 低壓分析：保持測試環(huán)境(20±1) ℃，將載有待測樣品的膨脹計(jì)裝載到低壓站上，在0.689 5～137.900 0 Pa壓力范圍內(nèi)，逐步增加壓力，汞壓入待測樣品孔隙中，壓汞儀實(shí)時(shí)記錄施壓數(shù)值和相應(yīng)注汞體積，然后進(jìn)行高壓分析。

(4) 高壓分析：保持測試環(huán)境(20±1) ℃，將膨脹計(jì)裝載到高壓站，在137.9～413 700.0 Pa壓力范圍內(nèi)，實(shí)時(shí)記錄施壓數(shù)值和相應(yīng)的注汞量。

(5) 軟件導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用PoroWin軟件進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品保潤性能測定結(jié)果

由表1可知，除24號(hào)樣品的R2最低為0.929，其余25個(gè)樣品的決定系數(shù)R2>0.980，表明Weibull模型對(duì)26個(gè)樣品干燥曲線擬合效果良好，能較好地描述干燥過程中水分散失過程。

對(duì)不同類型煙草樣品(烤煙、薄片、梗絲、白肋煙、香料煙)的物理保潤性能指標(biāo)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表2。由表2可知，5類煙草樣品之間，尺度參數(shù)和形狀參數(shù)均達(dá)到極顯著差異，說明不同類型的煙草樣品之間物理保潤性能差異顯著。對(duì)不同煙葉樣品Weibull模型的α值和β值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)(表3)，烤煙、白肋煙與香料煙樣品Weibull模型中α值的平均值分別為376，289，288 min，說明白肋煙與香料煙樣品的失水速率要快于烤煙，烤煙的物理保潤性能優(yōu)于白肋煙和香料煙；烤煙、白肋煙與香料煙樣品Weibull模型中β值的平均值分別為0.935，0.816，0.836，說明白肋煙與香料煙樣品在失水過程前期的失水速率也要高于烤煙樣品。再造煙葉、膨脹梗絲樣品Weibull模型中α值的平均值分別為258，395 min，表明再造煙葉樣品的失水速率高于膨脹梗絲，且再造煙葉樣品的β值小于膨脹梗絲，表明在失水過程前期，再造煙葉樣品的失水速率高于膨脹梗絲。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)測定結(jié)果

煙草是毛細(xì)管狀的多孔體，通過壓汞法，測定26個(gè)煙草樣品的孔隙結(jié)構(gòu)，通過軟件計(jì)算，相關(guān)孔隙結(jié)構(gòu)物理量測定結(jié)果見圖1。以面積基準(zhǔn)計(jì)算得出的中值孔直徑可用來描述50%孔容積對(duì)應(yīng)的孔徑大小。

表1 煙草樣品的Weibull模型擬合結(jié)果Table 1 Weibull model fitting results of tobacco samples

表2 不同類型煙草物理保潤性能的方差分析Table 2 Variance analysis of physical moisture retention property of different types of tobacco

由圖1可知，不同煙草原料間各孔隙結(jié)構(gòu)指標(biāo)表現(xiàn)出一定的差異性，其中中值孔直徑、平均孔直徑均呈現(xiàn)為：為：薄片>白肋煙>香料煙>膨脹梗絲>烤煙的規(guī)律；孔容積呈現(xiàn)：香料煙>膨脹梗絲>白肋煙>薄片>烤煙，且這一趨勢與骨架密度變化呈相反的關(guān)系，主要與香料煙、白肋煙組織結(jié)構(gòu)疏松，而烤煙組織結(jié)構(gòu)較為緊密有關(guān)。

2.3 煙草的保潤性能與其孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)性

對(duì)煙草樣品物理保潤性能與孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)，α值與中值孔直徑、平均孔直徑在0.01水平(雙側(cè))上顯著負(fù)相關(guān)，β值與中值孔直徑在0.01水平(雙側(cè))上顯著負(fù)相關(guān)，而與平均孔直徑在0.05水平(雙側(cè))上顯著負(fù)相關(guān)。結(jié)果表明煙草中值孔直徑與平均孔直徑較大時(shí)，不利于煙葉水分的保持。進(jìn)一步利用回歸分析探討煙草空隙結(jié)構(gòu)對(duì)物理保潤性能的影響(圖2)，發(fā)現(xiàn)平均孔直徑與Weibull模型的α值和β值均呈線性負(fù)相關(guān)，R2分別達(dá)到了0.70和0.74，說明隨著煙葉平均孔直徑的增大，煙葉物理保潤性能逐漸減弱，煙草組織結(jié)構(gòu)中富含多孔，平均孔直徑較大，水分子在細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間流動(dòng)性較高，影響煙草原料對(duì)水分的持有能力，其保潤性能較差。

表3 物理保潤性能描述性統(tǒng)計(jì)分析Table 3 Descriptive statistical analysis of physical moisture retention property

圖1 不同煙草原料孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)比Figure 1 Comparison of pore structure of different tobacco raw materials

參數(shù)相關(guān)性孔容積孔表面積中值孔直徑平均孔直徑容積密度骨架密度孔隙率αPearson相關(guān)性-0.418?0.452?-0.647??-0.670??0.431?-0.212-0.472?顯著性(雙側(cè))0.0340.0200.0000.0000.0280.2980.015βPearson相關(guān)性-0.127 -0.043 -0.501??-0.439? 0.100 -0.236-0.240 顯著性(雙側(cè))0.5370.8340.0090.0250.6260.2460.238

? **表示在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

方形黑點(diǎn)表示測量值，圓形紅色點(diǎn)表示預(yù)測值

3 結(jié)論

利用煙草動(dòng)態(tài)含水率監(jiān)測裝置測定煙草物理保潤性能，壓汞法測定煙草孔隙結(jié)構(gòu)，并對(duì)物理保潤性能與煙葉孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)性進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1) 白肋煙與香料煙樣品的失水速率要快于烤煙，再造煙葉樣品的失水速率高于膨脹梗絲，梗絲的保潤性能最好，其次是烤煙，而再造煙葉樣品的保潤性能最差；在失水過程前期，白肋煙與香料煙樣品失水速率高于烤煙樣品，再造煙葉樣品的失水速率也要高于膨脹梗絲。

(2) 煙草中值孔直徑與平均孔直徑較大時(shí)，不利于水分的保持，并且隨著平均孔直徑的增加，煙葉物理保潤性能逐漸減弱，因此可以考慮在卷煙葉組配方設(shè)計(jì)和維護(hù)時(shí)，合理配伍，在不降低卷煙感官品質(zhì)的基礎(chǔ)上，合理控制煙葉原料中值孔直徑與平均孔直徑的比例，提高煙葉保潤性能，進(jìn)一步降低卷煙加工過程中的原料造碎。

后續(xù)將開展煙草中細(xì)胞內(nèi)自由水和結(jié)合水的相互轉(zhuǎn)化，及轉(zhuǎn)化后水分散失速率的研究。