微波處理對煙葉微觀組織結構的影響

摘要：為研究微波處理對煙葉微觀組織結構的影響，采用冷場電子掃描技術以放大500～3 000倍的方式對不同微波時間和環境相對濕度下處理的煙葉表面及斷面進行觀察。結果表明，微波處理后煙葉表面褶皺展開；組織結構膨脹充分，有孔隙舒展；導管內壁表面粗糙，纖維束之間有微隙。環境濕度和微波處理時間對微波效果有重要影響。微波處理時間為6 min時煙葉膨脹效果最佳，無結構坍塌現象；環境濕度在50%時膨脹率最大，膨脹效果明顯。從煙草組織結構角度來看，在卷煙工藝中微波處理工序有必要對煙葉濕度、微波時間等操作條件進行細致控制。

關鍵詞：煙葉；微波處理；組織結構

中圖分類號：S572 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）13-3062-03

微波是一種波長為0.1～1.0 cm的高頻電磁波[1]，具有對水分子作用顯著、穿透力強、加熱均勻、加熱速度快、選擇吸收等特點[2]。近年來微波技術在卷煙工藝領域應用發展迅速[2-4]，楊偉祖等[5]、何炬等[6]相繼指出微波膨脹的梗絲填充能力提高，其抽吸質量等方面有明顯改善；高玲等[7]提出微波輻射法能減少卷煙煙氣中亞硝胺的含量；孔臻等[8]研究表明微波干燥對煙絲的吸食品質有影響。

前期研究大多是關于微波處理后煙葉的化學成分和抽吸效果的變化，很少有人對微波處理后煙葉表面及斷面的組織結構進行觀察及分析。因此， 試驗采用掃描電鏡技術對微波處理后的煙葉組織結構進行觀察，研究微波工藝對煙葉結構組織的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設備

煙葉樣品：片煙（云南大理B3F）。

儀器設備：恒溫恒濕箱（KBF-240，Binder）；微波消解儀（Multiwave 3000，Perkin Elmer）；離子濺射儀（E-1045，日立）；冷場掃描電子顯微鏡（S-4800，日立）；熱鼓風循環干燥箱（ED，Binder）。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗參數的確定 依據某卷煙廠生產工藝中的微波技術指標（樣品平衡溫度22 ℃、環境相對濕度60%，微波處理強度0.28 W/g，微波處理時間8 min）確定試驗參數。

時間：取上述條件下平衡好的煙葉約90 g，分別微波處理0、2、4、6、8、10、12、14 min。

環境相對濕度：取較完整的煙葉碎片60 g置于22 ℃，放置在環境相對濕度分別為30%、40%、50%、60%、70%的恒溫恒濕箱里平衡48 h后進行微波處理。

1.2.2 掃描電鏡觀察煙葉組織結構 從上述條件下處理的及未經處理的煙葉中挑選出色澤、厚度、位置相近的部位進行處理，取其斷面、正反面通過導電膠固定在樣品臺上，將樣品臺放入離子濺射儀里進行噴金，在冷場掃描電子顯微鏡下觀察并拍照。

1.2.3 煙葉膨脹率的測定 斷面的選取：取厚度均勻且能代表斷面平均厚度的斷面拍照并測量。斷面厚度測量：對斷面多個位置進行測量并取平均值，即為該斷面的厚度。微波作用前后，煙葉表面積未發生明顯變化，斷面厚度發生變化，故用煙葉膨脹率表征微波前后斷面的變化。

煙葉膨脹率（倍）=微波后的煙葉斷面厚度（μm）/微波前的煙葉斷面厚度（μm）。

2 結果與分析

2.1 微波處理后煙葉掃描電鏡圖

2.1.1 微波處理對煙葉表面結構的影響 從微波處理前后表面電鏡圖（圖1）可以看出，微波處理前煙葉表面干癟、凹凸不平，細胞褶皺聚在一起；微波處理后煙葉表面細胞張開，比較光滑。出現此現象的原因可能是因為微波使組織內部水分氣化、升華，水蒸氣從內部向外擴散的同時壓力使表面細胞張開，水分蒸發的同時可能使煙葉內部的氣體隨水分一起揮發出來。煙葉表面細胞褶皺的展開，有利于添加料液時液料與煙葉表面均勻接觸。

2.1.2 微波處理對煙葉斷面的影響 微波處理前后煙葉斷面結構如圖2所示。從圖2a可以看出，未處理煙葉斷面上下兩表面厚實，中間層細胞結構緊實，幾乎無空隙。微波處理6 min時（圖2b），中間層向上下維度展開，細胞空間結構充分膨脹，孔隙增多，且分布均勻。隨著微波處理時間的延長（圖2c），膨脹現象并沒有進一步增加，反而有降低趨勢，可能是微波產生的能量過剩，導致細胞被拉伸，組織結構被破壞，內部孔隙增大，引起了內部支撐組織結構的塌陷。

2.1.3 微波處理對煙葉斷面導管的影響 煙草細胞壁物質包括纖維素、半纖維素、木質素和果膠等成分，其含量對煙葉品質有一定的影響，含量較高致使煙葉具有強烈的刺激性，吸味嗆咳，香氣量少[9]。為觀察微波處理對煙葉植物纖維的影響，對微波前后富含纖維素的導管進行比較，結果見圖3。從圖3a可以看出，微波處理前導管內壁光滑，纖維束之間連接緊密；微波處理后（圖3b）導管內壁表面粗糙，纖維束之間有微隙。表明微波處理可以破壞細胞壁各物質間的結合層，降低纖維素的結晶度，從而改善煙葉的吸食品質。

由以上結果可知，在一定條件下對煙葉進行微波處理，煙葉體積增大，填充能力提高；導管內部表面粗糙，導管束及細胞間的孔隙有利于料液、香精的添加與吸收，使燃燒時氧氣和燃燒產物的傳輸更迅速，提高燃燒性，從而可減少煙氣中CO等有害物質的含量。

2.2 微波處理工藝與煙葉膨脹率的關系

2.2.1 微波處理時間與煙葉膨脹率的關系 在電鏡下觀察不同微波處理時間對煙葉斷面厚度的影響，測定微波處理時間與煙葉膨脹率的關系，結果見圖4。從圖4可知，在微波處理0～4 min時，煙葉膨脹率隨微波處理時間的延長迅速增大，這是因為微波時間長，產生的能量就多，能量被煙葉內部水分吸收，并形成較多的水蒸氣，從而使膨脹率增加；在微波處理6 min時，大部分水分被蒸發，蒸汽壓大形成疏松多孔的物質，因此膨脹率最大；當微波時間繼續增加，除部分微波被水分吸收外，其余作用于煙葉細胞組織，對組織結構有破壞作用，引起組織結構坍塌。因此，最佳微波處理時間為6 min。

2.2.2 環境相對濕度與膨脹率的關系 為觀測環境相對濕度對微波處理后煙葉的影響，對斷面結構進行觀察與測量，結果如圖5和圖6所示。從圖5可以看出，環境相對濕度為30%時有膨脹效果（圖5a），但有部分呈層狀結構未展開，細胞間隙不均勻，且有脫水碳化現象；相對濕度增加至50%時斷面組織結構疏松，膨脹完全、均勻（圖5b）；相對濕度達70%時斷面中間部分膨脹（圖5c）。

由圖6可知，當環境相對濕度小于50%時，煙葉的膨脹率隨濕度的增加而增加，平衡濕度小，煙葉含水率就少，水蒸氣少，產生的蒸汽壓難以擴大足夠的纖維空間，內部結構碳化；隨著相對濕度的提高，產生足夠的水蒸氣，深層物質和水蒸氣一起揮發，膨脹率較大。若進一步提高相對濕度，膨脹率反而減小，其原因一方面可能是相對濕度大，水分含量大，所需能量多，而此條件下微波產生的能量還遠遠不夠；另一方面，微波后煙葉中仍含有較多的水分，且煙葉結構沒有定型，發生二次變形。因此平衡的最佳濕度為50%。

3 小結

考察了微波工藝中微波處理時間和煙葉平衡時的環境相對濕度對煙葉微波效果的影響，采用掃描電鏡技術對不同條件處理后的煙葉表面、斷面、導管等組織結構進行觀察， 并對微波處理后煙葉斷面膨脹率進行測量。試驗結果表明，與未經微波處理的煙葉相比，微波處理后煙葉表面褶皺展開，組織細胞膨脹；斷面層細胞呈空間結構，有孔隙；導管內壁表面粗糙，纖維束之間有微隙。環境相對濕度與微波時間對微波效果有重要影響。在試驗范圍內，煙葉膨脹率均隨著環境相對濕度和微波處理時間的增加呈先增大后減小的趨勢。環境相對濕度為50%時煙葉斷面膨脹率最大，膨脹效果明顯；微波時間為6 min時煙葉膨脹效果最佳，且無結構坍塌現象。

試驗對微波工藝條件參數的確定具有重要意義。同時，煙葉平衡時所處的環境相對濕度和微波處理時間對煙葉組織結構和膨脹率影響程度的大小還需要進一步的研究。

參考文獻：

[1] 范壽康.微波技術與微波電路[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2] 林玉紅，羅登山，閆亞明.微波技術在煙草工業中的應用研究進展[J].煙草科技，2004（2）：9-13.

[3] 宮長榮，宋朝鵬，趙明月，等.微波技術在煙草行業中的應用[J].中國煙草科學，2003（3）：34-36.

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[8] 孔 臻，席年生，劉朝賢，等.微波法干燥葉絲研究[J].煙草科技，2003（11）：14-16.

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