魔芋葡甘聚糖基吸水劑的保潤性能研究

嚴 恒,郭國寧,程 艷,蔡 冰,姜發堂,＊

(1.湖北工業大學生物工程學院,湖北武漢 430068; 2.湖北中煙工業有限責任公司技術研發中心,湖北武漢 430051)

魔芋葡甘聚糖基吸水劑的保潤性能研究

嚴 恒1,郭國寧2,＊,程 艷1,蔡 冰2,姜發堂1,＊

(1.湖北工業大學生物工程學院,湖北武漢 430068; 2.湖北中煙工業有限責任公司技術研發中心,湖北武漢 430051)

以魔芋葡甘聚糖(KG M)及其衍生物魔芋超強吸水劑 (KSAP)為對象,考察在煙草薄片中的保潤效果,并與甘油、丙二醇進行了對比。同時采用回歸方程建立 KSAP在煙草薄片中的保潤模型。結果表明：KG M、KSAP的保潤效果優于甘油和丙二醇,且 KSAP的保潤效果最好。煙草薄片的水分比率(MR)與 KSAP濃度(c)和保潤時間(t)的相關性模型為MR=exp[(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

魔芋葡甘聚糖,魔芋超強吸水劑,煙草薄片,保潤

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

KG M 湖北清誠咸豐綠色食品有限公司;KSAP湖北工業大學魔芋生物材料研究室制備;B類煙草薄片 湖北中煙工業公司;其余試劑 均為國產分析純。

HZ WS-3智能恒溫恒濕實驗箱 無錫華澤科技有限公司;AR2130電子精密天平 梅特勒-托利多儀器 (上海)有限公司;HygroPa lm-AW1水分活度儀瑞士羅卓尼克公司;GZX-9140 MBE數顯鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 煙草薄片預處理 取 120mm×120mm大小的煙草薄片 100±1℃干燥脫水 2h,取出放入密封袋中快速封口,置于硅膠干燥器中。

1.2.2 測試環境平衡 設定溫度 22℃,相對濕度40%的恒溫恒濕實驗箱測試環境,將電子精密天平置于實驗箱體內,天平托盤上放置樣品支架,箱體內溫濕度穩定后開始實驗。

1.2.3 保潤效果對比 取精確稱重的預處理煙草薄片,均勻噴曬 1.5g蒸餾水,迅速置于天平的樣品支架上,每隔 10min記錄一次天平讀數,直到讀數恒定,即煙草薄片失水達到平衡,使用 HygroPa lm-AW1水分活度儀測試失水平衡后的煙草薄片水分活度。按上述方法分別均勻噴曬 1.5g濃度(w/w)為 1%甘油、1%丙二醇、1%KG M、1%KSAP,并測試水分活度。重復三次實驗,取平均值。

1.2.4 KSAP在煙草薄片中保潤模型的建立 按1.2.3方法分別往預處理煙草薄片均勻噴曬濃度(w/w)為 0.2%、0.4%、0.6%和 0.8%的 KSAP溶液,研究不同濃度 KSAP的煙草薄片保潤性能,建立其保潤模型。

1.3 數據處理

1.3.1 煙草薄片失水曲線 以煙草薄片干基含水率為縱坐標、失水時間為橫坐標,繪制添加不同保潤劑煙草薄片失水曲線。煙草薄片干基含水率按式 (1)計算：

式中：W為干基含水率,%;Mt為 t時刻重量,g; M0為干基重,g。

1.3.2 煙草薄片失水速率曲線 以煙草薄片失水速率為縱坐標、煙草薄片干基含水率為橫坐標,繪制添加不同保潤劑煙草薄片失水速率曲線。煙草薄片失水速率按式(2)計算：

式中：V為失水速率,g/(m2·min);△M為△t時間間隔內散失的水分量,g;△t為時間間隔,min; S為失水面積,m2。

1.3.3 煙草薄片水分比率曲線 根據對應于不同失水時間的煙草薄片干基含水率和平衡干基含水率,計算對應于不同失水時間的煙草薄片的水分比率。以煙草薄片水分比率為縱坐標、失水時間為橫坐標繪制曲線。水分比率按式(3)計算：

式中：MR為水分比率;We為平衡干基含水率,%;W為失水過程中任意時刻干基含水率,%; W0為初始干基含水率,%。

2 結果與分析

2.1 添加不同保潤劑的煙草薄片失水動力學曲線

影響煙草薄片失水過程的主要因素是溫度、相對濕度及其組成成分,添加不同保潤劑對煙草薄片失水過程的影響見圖 1。

圖 1 添加不同保潤劑的煙草薄片失水曲線

在22℃、相對濕度40%環境中,煙草薄片的含水率隨著時間的延長而遞減,直至平衡。添加了保潤劑的樣品含水率下降程度均低于空白對照,表明保潤劑的添加有助于延緩煙草薄片的水分散失,這是因為保潤劑均是多羥基化合物,能夠結合水分子并形成氫鍵。與傳統煙草保潤劑甘油和丙二醇相比, KG M和 KSAP的保潤效果更明顯,其中 KSAP的水分散失最慢,這可以從 KSAP的分子結構來解釋。K S A P分子鏈上除了羥基外還富含強親水基團-羧基,與水的結合能力更強,KSAP分子鏈之間形成三維網絡結構,阻礙了水分的散失。KSAP還具有良好的成膜性,能在煙草薄片表面形成了一層穩定封閉的被膜,阻止了水分散失。表 1是煙草薄片的平衡含水率和與之相對應的水分活度,從平衡含水率的數值可以看出,保潤劑在不同程度上提高了煙草薄片的平衡含水率,其中添加了 KSAP的最高,相比于空白、甘油和丙二醇分別提高了 55.6%、44.3%和36.0%。這是由于在失水后期,保潤劑吸附在煙草薄片上,仍有部分水沒能掙脫保潤劑的束縛而結合在一起,從而提高了煙草薄片的平衡含水率。從水分活度的數據可以看出,添加不同保潤劑的煙草薄片的水分活度大約為 0.4,與實驗相對濕度一致,表明了失水達到了終點,水分不再丟失。此時水分活度相同,添加了 KSAP的含水率最高,表明了 KSAP降低了煙草薄片水分的逃逸能力,阻止了水分的散失。

表 1 添加不同保潤劑的煙草薄片的平衡含水率及水分活度

圖 2是添加不同保潤劑的煙草薄片失水速率曲線。在失水初期失水速率恒定,這是由于此時煙草薄片表面完全濕潤,與自由液面水的氣化沒什么差別。隨著時間的延長,失水速率開始下降,這是煙草薄片含水率的降低導致失水動力差減小的結果,失水速率呈遞減趨勢。在相同的含水率下,涂抹保潤劑的煙草薄片失水速率均低于空白樣,且 KSAP的失水速率最低。說明保潤劑與水分子之間的結合,改變了水分的微觀分布狀態,使原本逃逸能力較強的水分子受到了保潤劑的束縛,從而降低了水分的散失速率。

圖 2 添加不同保潤劑的煙草薄片失水速率曲線

2.2 KSAP在煙草薄片中保潤模型建立

物料失水是一個復雜的非穩態傳質過程,不僅受到失水條件的影響,且隨著物料種類、內部結構、物理化學性質及外部形狀的不同存在明顯差異,關于煙草的失水模型鮮見報道。圖 3是不同濃度KSAP的煙草薄片水分比率對應失水時間的曲線,參考食品的薄層干燥模型[17-18],使用指數模型 MR= exp(-At)擬合,式中MR是水分比率,t是失水時間, A是與 KSAP添加量有關的常數。回歸方程系數 A和擬合度 R2列于表 2。

圖 3 添加不同濃度 KSAP的煙草薄片含水率比率曲線

表2 回歸方程系數A擬合度R2

根據表2的系數A和相應的 KSAP濃度 c,繪制A-c曲線,采用不同函數模型擬合得到 A-c回歸方程和擬合度 R2列于表 3。對數模型的回歸擬合度為0.9951,高于其他模型的擬合度,采用對數模型回歸所得的回歸A-c曲線繪于圖 4,從回歸曲線的走勢上看,隨著 KSAP濃度增加,系數 A逐漸變小,表明煙草薄片的保潤性能增強。系數 A的減小幅度遞減,說明煙草薄片保潤性能提高的程度遞減,這是因為 KSAP為高分子鏈狀化合物,濃度較低時,分子間相互影響較小,鏈伸展情況較好,親水基團與水充分接觸,濃度遞增后,分子聚集程度遞增,部分親水基團由于位阻作用與水結合能力變弱。

表 3 不同模型的回歸A-c方程和擬合度R2

圖4 回歸A-c曲線方程

根據MR-t回歸模型MR=exp(-At)和回歸A-c方程A=-0.0036Ln(c)+0.0199,煙草薄片的保潤模型為：MR=exp[(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

3 結論

3.1 保潤劑能夠延緩煙草薄片中水分的散失,維持煙草薄片較高的含水量,提高煙草薄片的保潤性能。KG M和 KSAP的保潤性能優于傳統保潤劑甘油和丙二醇,其中 KSAP最優,是一種值得深開發的環境友好型新型煙草保潤劑。

3.2 首次建立了煙草保潤劑的保潤模型,在 22℃、40%相對濕度下,KSAP添加濃度在 0.2%～1%范圍內,煙草薄片的水分比率(MR)-失水時間 (t)方程為MR=exp[(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

3.3 在相同的含水率情況下,KSAP降低了水分活度(即逃逸能力),改變了煙草薄片中水的分布和結合狀態,有關水分在煙草薄片中的分布情況以及KSAP成膜狀態等保潤機理有待進一步探討。

[1]張效康 .保潤劑保潤性能及過程的實驗 [J].煙草科技, 1994(4)：11-12.

[2]康躍進,張愛忠,許淑紅 .丙二醇在卷煙加料中的應用[J].煙草科技,1996(4)：29.

[3]E L Carmines,C L Carmines.Toxicological evaluation of glycerin as acigarette ingredient[J].Food and Chemical Toxicology,2005,43(10)：1521-1539.

[4]戴建國 .新型保潤劑 NCS在卷煙加料中的應用[J].煙草科技,1996(4)：28-29.

[5]阮曉明 .新型天然保潤劑 PDS在卷煙中的應用[J].煙草科技,2006(9)：8-10.

[6]陳建軍,李奇,安毅,等 .雙向保潤劑的性能及其在卷煙中的應用[J].中國煙草學報,2008(12)：21-24.

[7]Toshiro,Toshimasa.Moisture diffusionwithin shredded tobacco leaves[J].Agric Biol Chem,1985,49(6)：1809-1812.

[8]Toshiro,Yasuhiro,Toshimasa.Moisture permeability of cured tobacco epidermis[J].Agric Biol Chem.,1984,48(2)：439-443.

[9]陳祖剛,蔡冰,王建新,等 .國內外造紙法薄片工藝與品質比較[J].煙草科技,2008(2)：4-10.

[10]張升暉,吳紹艷,顏益智,等 .魔芋葡甘露聚糖純化及性能研究[J].食品科學,2005,26(9)：275-277.

[11]劉愛紅,姜發堂 .魔芋超強吸水劑的生物降解性能研究[J].化學與生物工程,2007,24(6)：52-54.

[12]張小菊,姜發堂 .羧甲基魔芋葡甘聚糖的制備及應用于空心膠囊的研究[J].食品科學,2004,25(10)：200-203.

[13]劉愛紅,姜發堂,張聲華 .魔芋粉接枝丙烯酸 (鈉)超強吸水劑的制備[J].材料科學與工程學報,2004,22(4)：588-591.

[14]陳文靜,汪超,倪學文,等 .魔芋葡甘聚糖接枝丙烯酸共聚物與微晶纖維素和二氧化硅的抗結塊性能比較研究[J].食品科學,2009,30(1)：99-103.

[15]李萬芬,姜發堂,汪超 .魔芋超強吸水劑吸濕性能研究[J].食品工業科技,2006,27(6)：93-95.

[16]劉愛紅,姜發堂 .魔芋超強吸水劑 (KSAP)的結構分析[J].材料科學與工程學報,2007,25(6)：826-829.

[17]肖旭霖 .洋蔥真空遠紅外薄層干燥模型[J].食品科學, 2002,23(5)：40-43.

[18]Stamatios J Babalis,Elias Papanicolaou,Nikolas Kyriakis,et al.Evaluation of thin-layer drying models for describing drying kinetics of figs[J].Journal of Food Engineering,2006(75)：205-214.

Study on moisture retention of konjac superabsorbent polym er

YAN Heng1,GUO Guo-n ing2,＊,Cheng Yan1,CA I Bing2,JI ANG Fa-tang1,＊
(1.College ofBiological Engineering,HubeiUniversity of Technology,Wuhan 430068,China; 2.Technology Center of Hubei Tobacco(Group)Co.Ltd,Wuhan 430051,China)

The effec t of konjac g lucom annan and its de riva tive konjac sup e rabsorbent p olym e r on m ois ture re tention of tobacco shee ts we reinves tiga ted by contras ting w ith g lyce rin and p rop ylene g lycol.The m ois turere tention m ode l of KSAP in tobacco shee ts was es tab lished by fitting reg ress ion ana lys is.It was found tha t the m ois ture re tention effec t of KGM,KSAP we re be tte r than those of g lyce rin and p rop ylene g lycol,and KSAP was the bes t.The equa tion of tobacco shee t m ois ture ra tio w ith KSAP concentra tion and m ois ture re tention t im e was MR=exp [(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

KGM;KSAP;tobacco shee t;m ois ture re tention

TS201.2

A

1002-0306(2010)03-0142-04

卷煙生產過程中,通常需要添加甘油、丙二醇等保潤劑[1-2],其作用是延緩卷煙水分的散失,維持煙絲的含水率,從而降低卷煙抽吸時的干燥感和刺激性,提升抽吸品質。從實際情況看,這些保潤劑的效果并不理想,甘油的裂解產物丙烯醛[3]還對主流煙氣產生不良氣味。目前新型煙草保潤劑的報道較少[4-6],且多以煙絲為研究載體,因煙絲尺寸與加料均勻性顯著影響其水分散失率[7-8],致使結果不穩定,重復性差。煙草薄片[9]又稱為再造煙葉,是利用煙末、煙梗、碎煙片等廢棄原料制成的片狀再生產品,保留了煙絲的重要特性。由此采用煙草薄片模擬煙絲樣本,在取樣和加料均勻性上容易控制。魔芋葡甘聚糖(KG M)是一種天然水溶性高分子,具有良好的成膜性、吸水性和保水性[10],其衍生物魔芋超強吸水劑 (KSAP)安全無害,具有可生物降解性[11-12],因其分子富含羥基和羧基等親水性基團,吸水倍率、保水效果顯著提高[13-16]。本文旨在開發一種安全高效的新型煙草保潤劑 KSAP,以煙草薄片為載體,研究 KSAP的保潤效果并建立模型,為其在卷煙中的應用提供理論依據,同時為煙草保潤劑的研究提供新的思路。

2009-10-12 ＊通訊聯系人

嚴恒(1982-),男,碩士研究生,研究方向：食品化學。

國家煙草專賣局資助項目(110200701003)。