復(fù)切微波膨脹梗絲的吸附特性

李 航， 夏 非， 張興濤， 馬 揚(yáng)， 邱 智， 堯珍玉*

〔1.云南瑞升煙草技術(shù)(集團(tuán))有限公司， 云南 昆明 650106； 2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院， 河南 鄭州 450002〕

0 引言

【研究意義】隨著世界控?zé)熇顺钡呐d起以及人們對(duì)健康的日益關(guān)注，卷煙焦油量不斷降低。低焦油卷煙具有降耗和減害兩大優(yōu)勢，開發(fā)出能被消費(fèi)者普遍接受的高香氣低焦油卷煙產(chǎn)品已成為一項(xiàng)重要的研究課題。低焦油卷煙的特點(diǎn)決定了其葉組配方中需要大量如薄片和傳統(tǒng)梗絲等的填充料[1]，這類原料不僅能大幅提高煙草原料的綜合利用率及有效降低煙葉的消耗，還可作為載體搭載特殊的料、香添加到卷煙葉組配方中，使卷煙產(chǎn)品在吸味、嗅香上具有獨(dú)特風(fēng)格，對(duì)增強(qiáng)產(chǎn)品特性、確立產(chǎn)品風(fēng)格有重要作用。近年來，隨著煙葉成本不斷上漲，提升填充料的品質(zhì)，進(jìn)一步提高其在卷煙中的使用比例，降低卷煙原料成本，亦是當(dāng)前煙草行業(yè)工作者重要研究內(nèi)容之一。復(fù)切微波膨脹梗絲在顏色、形態(tài)方面較傳統(tǒng)梗絲更接近煙絲，是一種新形態(tài)的梗絲，可應(yīng)用于卷煙葉組配方中，也可作為一種新型載體使用。但作為載體，必須具備良好的吸附能力，才能將足夠的功能香料液、添加劑等被負(fù)載對(duì)象攜帶進(jìn)卷煙葉組，進(jìn)而發(fā)揮相應(yīng)的作用。因此，研究其吸附性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。【前人研究進(jìn)展】何炬等[2-8]報(bào)道，微波膨脹煙梗技術(shù)的興起和發(fā)展，為煙梗資源的利用與研究開辟了新的方向。盧幼祥等[9-11]研究表明，煙梗經(jīng)微波處理后，原有的孔隙結(jié)構(gòu)得到有效膨脹，形成大量多孔組織結(jié)構(gòu)且排列均勻，空腔間隙增多增大，經(jīng)形變、干燥后，制備出的微波膨脹梗絲，具有較高的填充力，可促進(jìn)卷煙的燃燒，改善煙梗的抽吸品質(zhì)，降低焦油含量。董高峰等[12-13]研究優(yōu)化了復(fù)切微波膨脹梗絲的加工工藝?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，鮮有關(guān)于復(fù)切微波膨脹梗絲吸附特性方面的研究報(bào)道。為此，探究復(fù)切微波膨脹梗絲與薄片絲、傳統(tǒng)梗絲、葉絲對(duì)水、乙醇和甘油等的負(fù)載能力，評(píng)價(jià)其吸附特性，并選取薄荷醇為負(fù)載對(duì)象進(jìn)行驗(yàn)證?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探明復(fù)切微波膨脹梗絲的吸附特性，為其在卷煙產(chǎn)品中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 梗絲、薄片絲及葉絲樣品 復(fù)切微波膨脹梗絲(煙梗依次經(jīng)微波膨脹、回潮、切片、切絲、干燥定型和風(fēng)分等工序制成的梗絲)，紅河卷煙廠；薄片絲，云南中煙再造煙葉有限責(zé)任公司；傳統(tǒng)梗絲，昆明卷煙廠；純?nèi)~絲，昆明卷煙廠。

1.1.2 試劑與儀器 蒸發(fā)皿、95%乙醇和甘油，山東濟(jì)南國太化工；薄荷醇(AR)，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心；200目濾布和400目濾網(wǎng)，杭州大橫科技有限公司；RE5299旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化有限公司；AT-YC-1填充值測定儀，山東安尼麥特有限公司；ML303分析天平(感量0.001 g)，瑞士Mettler Toledo公司；恒溫水浴鍋，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；GZX-9140MBE烘箱，上海博迅實(shí)業(yè)；Phenom掃描電子顯微鏡，美國FEI公司；頂空儀(7694E)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(7890A-5975C)，安捷倫科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 指標(biāo)測定

1) 樣品含水率。采用YC/T 28.8-1996[14]方法測定4個(gè)樣品的含水率，3 次重復(fù)，取其平均值。

2) 樣品填充值。采用YC/T 152-2001[15]方法測定4個(gè)樣品的填充值，3 次重復(fù)，取其平均值。

1.2.2 樣品的微觀結(jié)構(gòu)觀察 采用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察，即在加速電壓為5 kV條件下采用背散射電子成像方法分別觀測4個(gè)樣品微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.3 4個(gè)樣品對(duì)被負(fù)載對(duì)象的吸附能力試驗(yàn)

1) 液態(tài)水。準(zhǔn)確稱取4個(gè)樣品各20 g(m0)，分別包裹于200目濾布內(nèi)，用大量水充分洗滌至洗出液體澄清無色視為水溶性物質(zhì)完全洗出，撈出濾布，將樣品置于蒸發(fā)皿內(nèi)，于100℃烘箱內(nèi)烘烤至樣品質(zhì)量不再變化為止，稱量并記錄此時(shí)各樣品的質(zhì)量(m1)，即為樣品中不可溶絕干物質(zhì)質(zhì)量。將洗滌烘干后的樣品置于經(jīng)烘箱完全干燥后的自制漏斗式濾網(wǎng)內(nèi)，均勻噴撒水分，至樣品開始滴水為止，記錄此時(shí)樣品質(zhì)量(m2)。計(jì)算得出樣品對(duì)水(液態(tài))的最大吸附量(m)，m=m2-m1，3 次重復(fù)，取其平均值。

2) 氣態(tài)水。氣態(tài)水即水蒸氣，以下均用氣態(tài)水表達(dá)。準(zhǔn)確稱取水分基本一致的4個(gè)樣品各10 g(M0)，分別置于400目篩網(wǎng)上，并將篩網(wǎng)置于已加熱至沸騰的水浴鍋上，蒸汽回潮一定時(shí)間后，取下篩網(wǎng)，稱取并記錄其質(zhì)量(M1)。計(jì)算得出各樣品在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)氣態(tài)水的最大吸附量(M)，M=M1-M0，試驗(yàn)設(shè)定蒸汽回潮時(shí)間依次為30 s、60 s、120 s和300 s 4個(gè)梯度，3 次重復(fù)，取其平均值。

3) 乙醇。4個(gè)樣品經(jīng)烘箱烘至絕干后，準(zhǔn)確稱取各絕干樣品5 g(Y0)分別包裹于200目濾布內(nèi)，將其浸入盛有絕干樣品質(zhì)量20倍的95%乙醇的燒杯內(nèi)，在22℃條件下浸泡5 min后撈出，懸掛于燒杯上方至無液體滴出，稱取并記錄此時(shí)各樣品重量(Y1)，同時(shí)將燒杯內(nèi)液體轉(zhuǎn)移至燒瓶，利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器在50℃條件下抽真空后得到醇溶組分，稱取并記錄其重量(Y2)，計(jì)算得出樣品對(duì)乙醇的最大吸附量(Y)，Y=Y1+Y2-Y0，3 次重復(fù)，取其平均值。

4) 甘油。4個(gè)樣品經(jīng)烘箱烘至絕干后，準(zhǔn)確稱取各絕干樣品5 g(G0)攪拌浸漬于盛有一定質(zhì)量的甘油的燒杯內(nèi)，再將其放入100℃烘箱內(nèi)浸漬20 min后，用200目濾網(wǎng)將樣品移出后稱取并記錄樣品及濾網(wǎng)總重量(G1)，此時(shí)樣品表面明顯有多余液體，再將其置于100℃烘箱內(nèi)濾除多余甘油至濾網(wǎng)上不再有液體滴出為止，稱取并記錄濾網(wǎng)及濾出液體重量(G2、G3)，計(jì)算得出樣品對(duì)甘油的最大吸附量(G)，G=G1-(G2+G3)-G0，3 次重復(fù)，取其平均值。

1.2.4 樣品對(duì)薄荷醇的綁定能力及釋放差異的驗(yàn)證試驗(yàn) 準(zhǔn)確稱取水分基本一致的4個(gè)樣品各15.00 g(m)，分別添加0.1%的薄荷醇，貯存平衡4 h，得到含薄荷醇的4個(gè)樣品，并將各樣品均分為5份，再將其敞開放置于恒溫(22℃)恒濕(60%)條件下分別放置0、3 d、6 d、9 d和12 d后，采用頂空-氣質(zhì)連用儀分別測定樣品中薄荷醇含量，3 次重復(fù)，取其平均值。

頂空進(jìn)樣條件：準(zhǔn)確稱取上述樣品0.1 g(精確到0.000 1 g)置于22 mL的頂空瓶中，封口。樣品平衡溫度80℃，樣品環(huán)溫度120℃，傳輸線溫度160℃，加壓時(shí)間0.20 min，充氣時(shí)間0.20 min，樣品環(huán)平衡時(shí)間0.05 min，進(jìn)樣時(shí)間1.0 min。氣相色譜條件：填料為(6%-氰丙基-苯基)甲基聚硅氧烷的毛細(xì)管柱柱長60 m，內(nèi)徑0.32 mm，膜厚1.8 μm，進(jìn)樣口溫度240℃，載氣為氮?dú)?，恒流模式流速?.5 mL/min，分流比為20∶1，采用程序升溫，初始溫度50℃保持2 min，以20℃/min 升至240℃保持5 min。質(zhì)譜條件：電離方式為EI，電子能量70 eV，離子源溫度230℃，四極桿溫度150℃。然后計(jì)算樣品中薄荷醇的含量(X)。

X=C/M

式中，X為樣品中薄荷醇的含量(mg/kg)，C為儀器觀測值(μg)，M為試樣的質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 4個(gè)樣品的填充值及水分含量

從表1可知，4個(gè)樣品的填充值為3.55～6.37 cm3/g，依次為復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>薄片絲>葉絲。各樣品的水分含量為12.08%～12.38%，依次為薄片絲>復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>葉絲。填充值越高，單位質(zhì)量體積越大，其與料、香接觸的比表面積也越大，但吸附能力與填充值是否存在正相關(guān)性還有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

表1 4個(gè)樣品的填充值及水分含量

2.2 4個(gè)樣品的微觀結(jié)構(gòu)

從圖1看出，復(fù)切微波膨脹梗絲、傳統(tǒng)梗絲、薄片絲和葉絲4 種樣品的微觀結(jié)構(gòu)存在明顯差異。復(fù)切微波膨脹梗絲微觀結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，結(jié)構(gòu)均勻有序，切面有很多孔洞狀空隙結(jié)構(gòu)；傳統(tǒng)梗絲也可見不規(guī)則孔洞狀結(jié)構(gòu)，但數(shù)目較復(fù)切微波膨脹梗絲少；薄片絲則由多層不規(guī)則纖維狀結(jié)構(gòu)組成，組織較為疏松；葉絲則微觀結(jié)構(gòu)表面皺縮，表面為封閉式結(jié)構(gòu)。表明，煙梗經(jīng)微波膨脹處理后，原有的孔隙結(jié)構(gòu)得到有效膨脹，形成大量多孔組織結(jié)構(gòu)且排列均勻有致，空腔間隙增多增大，是高效吸收料香的載體。

圖1 4個(gè)樣品掃描電鏡(SEM)的微觀結(jié)構(gòu)

2.3 4個(gè)樣品對(duì)水的吸附特性

2.3.1 液態(tài)水 從表2可知，采用水洗溶出方式溶出水溶性物質(zhì)時(shí)，4個(gè)樣品的水分、水溶性物質(zhì)干重和不溶性物質(zhì)干重分別為2.416～2.476 g、6.434～9.135 g和8.437～11.150 g。各樣品不溶性物質(zhì)及其1 g不溶性物質(zhì)對(duì)液態(tài)水的吸附量分別為30.997～68.080 g和2.780～7.502 g，均為復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>薄片絲>葉絲。

表2 4個(gè)樣品的組分構(gòu)成及其對(duì)液態(tài)水的吸附量

2.3.2 氣態(tài)水 從表3可知，4個(gè)樣品接觸不同時(shí)間對(duì)氣態(tài)水吸附性量的變化。接觸30 s時(shí)對(duì)氣態(tài)水的吸附量為0.328～0.928 g，依次為復(fù)切微波膨脹梗絲>葉絲>傳統(tǒng)梗絲>薄片絲。60 s時(shí)為0.953～1.488 g，依次為薄片絲>復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>葉絲。120 s時(shí)為1.485～3.485 g，依次為復(fù)切微波膨脹梗絲>薄片絲>傳統(tǒng)梗絲>葉絲。300 s時(shí)為3.165～8.192 g，依次為復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>薄片絲>葉絲，表明，在吸附時(shí)間充足時(shí)，4個(gè)樣品對(duì)氣態(tài)水均具有良好的吸附特性。

表3 4個(gè)樣品接觸不同時(shí)間對(duì)氣態(tài)水的吸附量

2.4 4個(gè)樣品對(duì)乙醇與甘油的吸附特性

2.4.1 乙醇 從表4可知，在忽略95%乙醇溶液中5%水分的影響下，4個(gè)樣品的醇溶性物質(zhì)和非醇溶性物質(zhì)重量分別為0.138～0.168 g和4.832～4.862 g。在相同吸附時(shí)間下，各樣品非醇溶性物質(zhì)和1 g非醇溶性物質(zhì)對(duì)乙醇的吸附量分別為3.958～7.295 g和0.842～1.545 g，均為復(fù)切微波膨脹梗絲>薄片絲>葉絲>傳統(tǒng)梗絲。

2.4.2 甘油 從表5看出，在相同吸附時(shí)間下，4個(gè)樣品及其1 g樣品對(duì)甘油的吸附量分別為3.938～11.073 g和0.788～2.215 g，均為復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>薄片絲>葉絲?？梢姡瑥?fù)切微波膨脹梗絲對(duì)甘油的吸附能力優(yōu)于其余3個(gè)樣品，約為葉絲的3倍。

表5 4個(gè)樣品醇溶性物質(zhì)與非醇溶性物質(zhì)對(duì)甘油的吸附量

2.5 4個(gè)樣品對(duì)薄荷醇綁定能力的驗(yàn)證

從表6可知，4個(gè)樣品在恒溫恒濕敞口放置條件下，薄荷醇均有不同程度的損失。各樣品放置3 d、6 d、9 d和12 d時(shí)薄荷醇的留存量分別為72.25%～85.23%、56.20%～73.78%、49.79%～66.26%和48.41%～63.62%，均為復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>葉絲>薄片絲。從釋放比例的標(biāo)準(zhǔn)偏差看，復(fù)切微波膨脹梗絲對(duì)薄荷醇的釋放更均勻。

表6 4個(gè)樣品置放不同時(shí)間的薄荷醇留存量

3 討論

在卷煙加工工藝中，加料溶液通常為水溶性香料，加香溶液通常為醇溶性香料，甘油不僅是傳統(tǒng)卷煙制品中常用的保潤劑，用于改善煙草物理特性、增強(qiáng)耐加工性[16-17]，還是新型煙草產(chǎn)品中常用的發(fā)煙劑之一，在高溫加熱狀態(tài)下可產(chǎn)生大量濃郁的煙霧[18]，降低煙草燃燒溫度，增加對(duì)煙氣水分及煙氣粒相物中揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分的釋放[19-20]。卷煙在燃吸的過程中，主流煙氣流經(jīng)煙絲柱，其中的水分也會(huì)被載體吸收，對(duì)感官產(chǎn)生干刺等負(fù)面效應(yīng)，影響卷煙品質(zhì)。因此，選取液態(tài)水、氣態(tài)水、乙醇和甘油3種物質(zhì)作為載體，用于評(píng)價(jià)吸附特性。研究結(jié)果表明，4個(gè)樣品中，復(fù)切微波膨脹梗絲的填充值最高，空間結(jié)構(gòu)疏松，具有較大的比表面積，為吸附能力提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。各樣品不溶性物質(zhì)和1 g不溶性物質(zhì)對(duì)液態(tài)水的吸附量均為復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>薄片絲>葉絲；4個(gè)樣品在接觸30 s、60 s、120 s和300 s時(shí)對(duì)氣態(tài)水的吸附性量分別為復(fù)切微波膨脹梗絲>葉絲>傳統(tǒng)梗絲>薄片絲、薄片絲>復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>葉絲、復(fù)切微波膨脹梗絲>薄片絲>傳統(tǒng)梗絲>葉絲和復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>薄片絲>葉絲。因此，4個(gè)樣品在短時(shí)間內(nèi)卷煙的燃吸環(huán)境并不能充分發(fā)揮各樣品對(duì)水分的吸附能力，主流煙氣水分不會(huì)因樣品的吸附而受損。各樣品非醇溶性物質(zhì)和每克非醇溶性物質(zhì)對(duì)乙醇的吸附量均為復(fù)切微波膨脹梗絲>薄片絲>葉絲>傳統(tǒng)梗絲；對(duì)甘油的吸附量為復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>薄片絲>葉絲，而且復(fù)切微波膨脹梗絲對(duì)甘油的吸附能力遠(yuǎn)優(yōu)于其余3個(gè)樣品，約為葉絲的3倍。薄荷醇的香氣特征明顯，采用其作為負(fù)載對(duì)象表征特征功能風(fēng)格香料的綁定能力及釋放存在差異，各樣品放置3 d、6 d、9 d和12 d時(shí)薄荷醇的留存量分別為72.25%～85.23%、56.20%～73.78%、49.79%～66.26%和48.41%～63.62%，均為復(fù)切微波膨脹梗絲>傳統(tǒng)梗絲>葉絲>薄片絲。從釋放比例的標(biāo)準(zhǔn)偏差看，復(fù)切微波膨脹梗絲對(duì)薄荷醇的釋放更均勻。

4 結(jié)論

復(fù)切微波膨脹梗絲吸附特性良好，有利于攜帶水溶性和醇溶性特征風(fēng)格功能香料進(jìn)入葉組發(fā)揮作用，并維持卷煙在煙包開啟后及煙支抽吸前后感官風(fēng)格的一致性，可作為發(fā)煙劑載體應(yīng)用于生產(chǎn)新型煙草產(chǎn)品。