不同干燥方式下配方煙絲的保潤(rùn)性能

周冰，何邦華，曹良，溫亞東，陳文，付亮，唐軍

云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367號(hào)650231

煙葉作為一種特殊的農(nóng)產(chǎn)品，其葉莖成熟后 經(jīng)初烤-切片-打葉-復(fù)烤后，本身物理組織結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，電鏡觀察可知其形成了一種毛細(xì)多孔物質(zhì)［1-2］，具備吸濕-解濕性能。煙葉的吸濕和解濕過程貫穿于卷煙生產(chǎn)的全過程，例如，復(fù)烤后片煙醇化、片煙回潮、煙葉加料、煙絲干燥、貯絲等工序，煙絲水分變化對(duì)成品煙支感官抽吸時(shí)的香氣、口感、舒適度方面有重要影響。煙絲干燥工序是卷煙加工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，具有去除煙絲中部分水分、彰顯卷煙香氣風(fēng)格的作用。目前煙草行業(yè)主要有滾筒干燥與氣流干燥兩種方式，兩種干燥方式因脫水機(jī)理不同，對(duì)煙絲組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而影響煙絲物理保潤(rùn)性能。近年來，對(duì)煙草保潤(rùn)性能的報(bào)道主要集中在保潤(rùn)劑對(duì)保潤(rùn)性能的影響及其應(yīng)用［3-7］、不同品類煙葉保潤(rùn)性能差異［8-10］、煙葉保潤(rùn)機(jī)理研究［11］、煙葉吸濕曲線模型構(gòu)建與驗(yàn)證［12-16］等方面，有關(guān)干燥方式對(duì)煙絲保潤(rùn)性能影響的文獻(xiàn)報(bào)道較少［17］。因此，對(duì)滾筒干燥和氣流干燥處理后的配方煙絲吸濕-解濕性能的差異進(jìn)行了對(duì)比分析，旨在掌握不同干燥方式對(duì)同一配方煙絲物理保潤(rùn)性能的影響，為卷煙加工工藝設(shè)計(jì)及新產(chǎn)品研發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司在產(chǎn)“云煙”品牌某規(guī)格卷煙的配方煙絲，經(jīng)松散回潮、加料、切絲、煙絲膨脹（增溫增濕）后，分別輸送至滾筒式烘絲機(jī)［干燥溫度分二段式，一區(qū)溫度為（163.0±1.0）℃，二區(qū)溫度為（135.0±3.0）℃］和氣流式烘絲機(jī)［干燥溫度為（155.0±5.0）℃］進(jìn)行干燥，取冷床后煙絲。

ED400烘箱（德國(guó)Binder公司）；MS104TS電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler-Toledo公司）；SPSx型全自動(dòng)動(dòng)態(tài)水分吸附儀（溫度±0.1℃，濕度±0.6%，德國(guó)ProUmind公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙絲等溫吸濕-解濕過程檢測(cè)

（1）實(shí)驗(yàn)方法。稱取2 g左右煙絲放入全自動(dòng)動(dòng)態(tài)水分吸附儀的煙絲盤上，設(shè)定等溫吸濕-解濕環(huán)境：溫度25℃，初始相對(duì)濕度（RH）40%。達(dá)到平衡后開始增濕與解濕兩個(gè)過程測(cè)定：增濕過程分4個(gè)階段，分別為相對(duì)濕度40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%；解濕過程分4個(gè)階段，分別為相對(duì)濕度80%～70%、70%～60%、60%～50%、50%～40%。水分平衡條件：煙絲質(zhì)量變化≤0.01%，自動(dòng)稱量記錄時(shí)間為10 min/次。設(shè)置3個(gè)平行樣。

按YC/T 31—1996的方法檢測(cè)煙絲含水率，得到干基質(zhì)量，由干基質(zhì)量計(jì)算得出煙絲在增濕與解濕過程中每一時(shí)刻的干基含水率。

（2）等溫吸濕-解濕過程曲線。記錄煙絲在不同相對(duì)濕度條件下，水分達(dá)到平衡過程中煙絲質(zhì)量變化率（dm），見公式（1）。

式中：m0為煙絲初始質(zhì)量，g；mt為煙絲在t時(shí)刻的質(zhì)量，g。

1.2.2 煙絲物理保潤(rùn)性能評(píng)價(jià)

采用水分比MR（Moisture ration）［8，18］與Weibull模型的尺度參數(shù)α來評(píng)價(jià)煙絲的物理保潤(rùn)性能。MR表示一定濕度條件下，物料水分殘余量的相對(duì)比值，可反映煙絲失水的難易程度，見公式（2）。

式中：Mt為t時(shí)刻的干基含水率，%；Me為煙絲水分平衡時(shí)的干基含水率，%；M0為煙絲初始干基含水率，%。

Weibull模型可以很好地對(duì)MR曲線進(jìn)行擬合，其分布函數(shù)見公式（3）。

式中：MR為水分比，%；t為時(shí)間，min；α為模型的尺度參數(shù)；β為模型的形狀參數(shù)。

由式（3）可見，煙草樣品在t時(shí)刻的MR由α和β確定。使用Weibull模型對(duì)t和MR進(jìn)行擬合，得到Weibull模型的α和β值，α表示MR隨時(shí)間變化的快慢，其值等于MR為e-1時(shí)所用的時(shí)間，即樣品散失水分或吸收水分達(dá)到初始含水率63%時(shí)所需的時(shí)間，α值越小說明樣品MR變化越快，保潤(rùn)性能越差；β與煙絲在開始階段的水分變化速率相關(guān)，其值越小表示開始階段的水分變化速率越大。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同干燥方式煙絲吸濕-解濕過程曲線

滾筒干燥煙絲、氣流干燥煙絲初始干基含水率分別為13.12%、13.14%，在不同相對(duì)濕度條件下，吸濕-解濕過程煙絲質(zhì)量變化率（dm）如圖1所示。由圖1可知，在吸濕和解濕過程中，氣流干燥煙絲的質(zhì)量變化率（dm）均高于滾筒干燥煙絲。由兩種煙絲初始含水率與過程質(zhì)量變化率（dm）計(jì)算吸濕-解濕過程煙絲含水率，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，初始條件40%相對(duì)濕度下，滾筒干燥煙絲、氣流干燥煙絲達(dá)到水分平衡時(shí)其干基含水率分別為7.54%、8.97%，氣流干燥煙絲水分散失量較少。

圖1 煙絲吸濕-解濕過程質(zhì)量變化曲線Fig.1 Mass variation curves of cut tobacco in the process of absorption and desorption

圖2 煙絲吸濕-解濕過程含水率變化曲線Fig.2 Moisture content variation curves of cut tobacco in the process of absorption and desorption

2.2 不同干燥方式煙絲吸濕-解濕過程平衡含水率分析

吸濕-解濕過程中，煙絲在不同相對(duì)濕度下，水分平衡時(shí)質(zhì)量變化率（dm）見圖3。由圖3可知，與初始質(zhì)量相比，兩種煙絲均在40%、50%相對(duì)濕度條件下散失水分，在60%、70%、80%相對(duì)濕度條件下吸附水分。氣流干燥煙絲在吸濕過程中質(zhì)量變化率高于滾筒干燥煙絲，吸附水分量較大；同樣在解濕過程中質(zhì)量變化率也高于滾筒干燥煙絲，散失水分量也較大，說明氣流干燥煙絲與空氣中水蒸氣的交換容量更大。這應(yīng)與兩種干燥方式的脫水機(jī)理相關(guān)，氣流干燥采用高溫瞬時(shí)脫除水分的方式，使煙絲組織結(jié)構(gòu)在水分快速揮發(fā)的過程中得到了較好的膨脹；滾筒干燥方式脫水溫度低、時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)煙絲組織結(jié)構(gòu)的膨脹效果較差。因此，不同干燥方式下煙絲組織結(jié)構(gòu)存在差異，進(jìn)而對(duì)其吸濕-解濕性能產(chǎn)生影響。

圖3 煙絲在不同相對(duì)濕度下達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的質(zhì)量變化率Fig.3 Mass change rates of cut tobacco in equilibrium state at different RH

進(jìn)一步比較分析吸濕-解濕過程相近平衡點(diǎn)干基含水率的差值，結(jié)果如表1所示。由表1可知，在吸濕過程中，相對(duì)濕度從40%上升至50%時(shí)，滾筒干燥煙絲平衡含水率增加2.45百分點(diǎn)，氣流干燥煙絲平衡含水率增加2.67百分點(diǎn)，氣流干燥煙絲高于滾筒干燥煙絲0.22百分點(diǎn)；同理相對(duì)濕度50%～60%、60%～70%、70%～80%時(shí)含水率增量，氣流干燥煙絲高于滾筒干燥煙絲分別為0.28百分點(diǎn)、0.36百分點(diǎn)、0.74百分點(diǎn)。由此可知，在吸濕過程中，氣流干燥煙絲含水率增量不但高于滾筒干燥煙絲，而且隨相對(duì)濕度增加而增大。在解濕過程中，相對(duì)濕度80%～70%、70%～60%、60%～50%、50%～40%時(shí)氣流干燥煙絲的平衡含水率散失量高于滾筒干燥煙絲0.69百分點(diǎn)、0.34百分點(diǎn)、0.26百分點(diǎn)、0.17百分點(diǎn)；氣流干燥煙絲的平衡含水率散失量不但高于滾筒干燥煙絲，而且隨相對(duì)濕度降低而減少。說明兩種煙絲吸濕-解濕性能差異隨相對(duì)濕度增加而增大。

表1 煙絲在吸濕-解濕過程中平衡含水率的增量與散失量Tab.1 Addition and loss of equilibrium moisture content of cut tobacco in the process of absorption and desorption

2.3 不同干燥方式煙絲吸濕-解濕過程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析

計(jì)算兩種煙絲吸濕-解濕過程水分比（MR），吸濕過程MR曲線分布如圖4所示，解濕過程MR曲線分布如圖5所示。在吸濕過程相對(duì)濕度（RH）60%、解濕過程RH70%下，MR曲線出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)，結(jié)合圖1中的相對(duì)濕度曲線可知，MR曲線波動(dòng)受相對(duì)濕度穩(wěn)定性的影響顯著，但Weibull模型擬合方程中決定系數(shù)R2均大于0.9（表2），說明數(shù)據(jù)具備統(tǒng)計(jì)分析意義，可用于變化趨勢(shì)分析。

圖4 兩種干燥煙絲吸濕過程MR曲線Fig.4 MR curves of two kinds of dried tobacco in absorption process

圖5 兩種干燥煙絲方式解濕過程MR曲線Fig.5 MR curves of two kinds of dried tobacco in desorption process

對(duì)比分析兩種煙絲吸濕過程MR分布曲線（圖4）可知，RH40%、RH50%條件下MR分布曲線相近，RH60%條件下出現(xiàn)明顯躍進(jìn)，RH60%、RH70%條件下MR分布曲線相近，RH80%條件下出現(xiàn)更明顯躍進(jìn)。由此可知，煙絲在初始RH40%條件下散失水分，在RH50%條件下開始吸附水分，RH40%、RH50%條件下MR曲線相近，說明煙絲在RH40%、RH50%條件下，散失水分的速度與吸附水分的速度相近，此時(shí)煙絲散失和吸附的水分應(yīng)是在煙絲表面或結(jié)構(gòu)空隙中運(yùn)動(dòng)的單層水分子［19］。RH60%、RH70%條件下MR曲線相近，說明此時(shí)煙絲吸附水分已由單層水分子變成多層水分子，部分水分子開始滲透煙絲表面并進(jìn)入細(xì)胞組織或毛細(xì)管結(jié)構(gòu)中［20］。RH80%條件下，結(jié)合圖4含水率增量變化趨勢(shì)，水分子吸附量呈指數(shù)型增加，說明此時(shí)水分子已經(jīng)密集地附著于煙絲表面并形成多分子層，并且一部分水分子深入到細(xì)胞內(nèi)部，與一些親水性物質(zhì)相結(jié)合。

解濕過程作為吸濕過程的逆反應(yīng)，同樣存在3種解濕狀態(tài)，從不同相對(duì)濕度條件下MR分布曲線（圖5）可知，RH70%為第1種狀態(tài)，RH60%為第2種狀態(tài)，RH50%、RH40%為第3種狀態(tài)。水分散失過程與水分子在煙絲中的存在狀態(tài)相關(guān)，例如,RH70%條件下，煙絲從相對(duì)濕度80%～70%解濕過程中散失的水分多為吸附于煙絲表面的大量多層水分子，達(dá)到平衡狀態(tài)的用時(shí)明顯少于吸濕過程；RH60%條件下，煙絲從相對(duì)濕度70%～60%解濕過程中散失的水分多為接近煙絲表面的水分子層及部分毛細(xì)管內(nèi)的水分子，達(dá)到平衡狀態(tài)的用時(shí)與吸濕過程相近；RH50%、RH40%條件下，煙絲解濕過程中散失的水分應(yīng)多為吸附在煙絲結(jié)構(gòu)內(nèi)部毛細(xì)管或部分與親水物質(zhì)相結(jié)合的水分子，達(dá)到平衡狀態(tài)的用時(shí)長(zhǎng)于吸濕過程。

以RH60%條件下的吸濕-解濕過程MR分布曲線為例，對(duì)比兩種煙絲吸濕-解濕過程MR分布曲線，結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，兩種煙絲吸濕-解濕過程MR曲線變化趨勢(shì)一致。說明兩種煙絲在吸濕-解濕過程中，水分子吸附-脫附路徑相同，水分在煙絲中的存在狀態(tài)相似。

2.4 不同干燥方式煙絲保潤(rùn)性能分析

采用Weibull模型擬合煙絲MR曲線，得出尺度參數(shù)α與形狀參數(shù)β，結(jié)果見表2。由表2可知，在初始條件RH40%下，氣流干燥煙絲的α值高于滾筒干燥煙絲，說明氣流干燥煙絲在RH40%下保潤(rùn)性能優(yōu)于滾筒干燥煙絲，且開始階段的水分散失速率低于滾筒干燥煙絲。

對(duì)比分析兩種煙絲的α值（表2）可知，吸濕過程中，相對(duì)濕度40%～50%、50%～60%條件下，氣流干燥煙絲α值稍高于滾筒干燥煙絲；相對(duì)濕度60%～70%、70%～80%條件下，氣流干燥煙絲α值稍低于滾筒干燥煙絲。解濕過程中，相對(duì)濕度80%～70%、70%～60%條件下，氣流干燥煙絲α值稍低于滾筒干燥煙絲；相對(duì)濕度60%～50%、50%～40%條件下，氣流干燥煙絲α值稍高于滾筒干燥煙絲。由此可知，吸濕-解濕過程中，在高相對(duì)濕度條件下，滾筒干燥煙絲的保潤(rùn)性能稍優(yōu)于氣流干燥煙絲；在低相對(duì)濕度條件下，氣流干燥煙絲的保潤(rùn)性能稍優(yōu)于滾筒干燥煙絲。不同干燥方式對(duì)煙絲組織結(jié)構(gòu)的膨脹效果影響較大，且對(duì)煙絲化學(xué)成分、揮發(fā)性香味成分影響也較大［21-22］，煙絲組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)物質(zhì)發(fā)生變化，必然對(duì)煙絲的保潤(rùn)性能產(chǎn)生一定影響。

對(duì)比吸濕過程與解濕過程α值可知，解濕過程α值高于吸濕過程，說明吸濕過程水分吸附量達(dá)到初始含水率63%時(shí)所用時(shí)間較短，而解濕過程水分脫附所需時(shí)間顯著增加。結(jié)合表1統(tǒng)計(jì)兩種煙絲在吸濕-解濕過程中平衡含水率增量與散失量的差值，以滾筒干燥煙絲為例，吸濕過程相對(duì)濕度70%～80%條件下平衡含水率增量12.10%，解濕過程相對(duì)濕度80%～70%條件下平衡含水率散失量11.81%，兩者差值為0.28%。對(duì)比兩種煙絲平衡含水率增量與散失量的差值可知，RH70%、RH80%條件下，兩者差值最高，這是因?yàn)樵赗H80%條件下，煙絲吸附水分的方式增多，部分水分子在煙絲中的黏附力增強(qiáng)，因此在解濕過程中，直至達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)也不足以讓吸附的水分子脫離。在相對(duì)濕度60%～40%條件下，兩者差值顯著降低，但煙絲脫附水分量仍低于吸附水分量。說明解濕過程滯留水分現(xiàn)象普遍存在，且滯留量隨相對(duì)濕度增加而增大。

3 結(jié)論

①滾筒干燥與氣流干燥因脫水方式不同，導(dǎo)致同一配方煙絲經(jīng)兩種干燥方式處理后的膨脹效果不同，煙絲組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異。氣流干燥煙絲膨脹效果較好，其吸濕-解濕過程中煙絲質(zhì)量變化率（dm）均高于滾筒干燥煙絲，與空氣中水蒸氣的交換容量更大。②對(duì)比兩種干燥方式煙絲吸濕-解濕過程中各相對(duì)濕度條件下的平衡含水率發(fā)現(xiàn)，氣流干燥煙絲吸濕-解濕過程中的含水率變化量高于滾筒干燥煙絲，且兩種煙絲含水率變化量的差異隨相對(duì)濕度增加而增大。③分析兩種煙絲吸濕-解濕過程MR曲線變化趨勢(shì)可知，MR曲線在不同相對(duì)濕度條件下呈3種分布狀態(tài)，兩種煙絲MR曲線變化趨勢(shì)相同，說明兩種煙絲吸附-脫附水分子的路徑相同，水分子在煙絲中的存在狀態(tài)相似。④Weibull模型擬合MR曲線，對(duì)比分析兩種煙絲的尺度參數(shù)α值可知，在高相對(duì)濕度（RH＞60%）條件下，滾筒干燥煙絲的保潤(rùn)性能稍優(yōu)于氣流干燥煙絲，在低相對(duì)濕度（RH≤60%）條件下，氣流干燥煙絲的保潤(rùn)性能稍優(yōu)于滾筒干燥煙絲。⑤兩種煙絲的解濕過程與吸濕過程相比，均存在滯留水分的現(xiàn)象，且滯留量隨相對(duì)濕度的增加而增大。