煙絲組織結(jié)構(gòu)與平衡含水率的關(guān)系

馬 林，帖金鑫

鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)科學(xué)大道166號(hào) 450000

煙絲組織結(jié)構(gòu)與平衡含水率的關(guān)系

馬 林，帖金鑫

鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)科學(xué)大道166號(hào) 450000

為了解煙絲組織結(jié)構(gòu)與保潤性能的關(guān)系，應(yīng)用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了烤煙、白肋煙、香料煙3種煙絲表面和切面結(jié)構(gòu)，光學(xué)顯微鏡觀察煙絲下表皮氣孔，比表面積測試儀測定煙絲毛細(xì)管比表面積大小。結(jié)果表明：①香料煙結(jié)構(gòu)最為緊密，切面含有很多空隙結(jié)構(gòu)，國產(chǎn)烤煙和津巴布韋烤煙的切面較疏松。②白肋煙氣孔數(shù)目在烤煙與香料煙之間，同一品種烤煙不同部位煙絲樣品比表面積大小：中部＞下部＞上部。③低濕度（RH=30%）環(huán)境條件下煙絲組織結(jié)構(gòu)與平衡含水率正相關(guān)；高濕度（RH=60%）環(huán)境條件下，煙絲組織結(jié)構(gòu)與平衡含水率負(fù)相關(guān)，隨著相對(duì)濕度的增加，煙絲表面化學(xué)成分對(duì)含水率的影響程度逐漸加強(qiáng)。

煙絲組織結(jié)構(gòu)；保潤性能；比表面積；氣孔數(shù)；平衡含水率

煙絲組織結(jié)構(gòu)對(duì)煙絲的柔韌性、耐加工性具有顯著影響，也是影響卷煙保潤的重要因素之一［1-2］。在提高煙絲的保潤性能方面，國內(nèi)研究主要集中在對(duì)煙草保潤劑的開發(fā)與應(yīng)用上［3-5］，對(duì)煙絲組織結(jié)構(gòu)固有保潤性能相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累不多，對(duì)組織結(jié)構(gòu)與保潤性能關(guān)系的研究亦較少，從而導(dǎo)致目前保潤劑或保潤技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)［6-7］。煙絲通過表面吸附作用、毛細(xì)管的凝結(jié)、膠體物質(zhì)的滲透和晶體物質(zhì)的潮解等共同作用形成煙草的吸濕特性。從組織結(jié)構(gòu)上看，煙草是含有大量毛細(xì)管的多孔物質(zhì)，孔多且表面積大，表面能高，熱力學(xué)不穩(wěn)定［8-9］，為了降低自身的表面能，煙草會(huì)產(chǎn)生吸附現(xiàn)象，表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收其表面水分的能力。Toshiro等［10］對(duì)干燥煙絲的水分轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)煙絲主要依靠表皮和切面吸收水分，同時(shí)還對(duì)煙絲的部分物理性能如表觀密度和真密度進(jìn)行了研究，證實(shí)煙絲確為多孔物質(zhì)。Yukio等［11］采用臨界點(diǎn)干燥法對(duì)煙絲進(jìn)行前處理后，用氮吸附-解吸法測定了煙絲的孔徑和比表面積，根據(jù)孔徑的分布情況，推斷出煙絲的吸濕曲線，發(fā)現(xiàn)理論值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合性好，煙絲的比表面大小能表征其吸附能力。總之，國內(nèi)外對(duì)煙絲組織結(jié)構(gòu)和平衡含水率的關(guān)系缺乏系統(tǒng)的研究。因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，從煙絲表面結(jié)構(gòu)、切面結(jié)構(gòu)、氣孔數(shù)、比表面積進(jìn)行深入研究，旨在為全面了解煙絲的自身保潤性能提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

烤煙：玉溪YB2F、玉溪YC3F、玉溪YX2F（Y：云煙87）；玉溪KB2F、玉溪KC3F、玉溪KX 2F（K：K326）；玉溪HB2F、大理HC3F、玉溪HX2F（H：紅花大金元）；津巴布韋ZWOMA、津巴布韋L1M。白肋煙：湖北白肋煙MBCB1。香料煙：保山香料煙上一級(jí)。紅花大金元新鮮煙葉（B2F、2012年）。所用煙葉原料均由紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司提供。無水乙醇、乙酸乙酯（AR、均購自天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心）。

XS-212光學(xué)顯微鏡（南京江南永新光學(xué)有限公司）；JSM-6490LV掃描電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社）；3H-2000BET-M比表面儀（貝士德儀器科技有限公司）；JW-BK比表面儀（北京精微高博科學(xué)技術(shù)有限公司）；M103678超臨界干燥儀（中西化玻儀器有限公司）；BSA224/BSA124電子分析天平（感量：0.000 1 g，德國Sartorius公司），KQ5200DE超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙絲表面和切面結(jié)構(gòu)的觀測

將煙絲樣品置于0.1 mol/L磷酸緩沖液（pH 7.2）中，于超聲儀中超聲清洗后置于軟化液［甘油∶己醇（體積比）=1∶1］中軟化48 h，分別以FAA固定液（每100m L含50%乙醇89m L，冰乙酸6m L，甲醛5m L）和25%戊二醛（以磷酸緩沖液配制，并含25%蔗糖）固定48 h（以上各步交換溶劑時(shí)皆用磷酸緩沖液清洗干凈），繼以30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%無水乙醇、乙酸乙酯：乙醇（體積比）=1∶1溶液和乙酸乙酯梯度脫水，每級(jí)15 min，二氧化碳臨界點(diǎn)干燥，真空濺射法噴鍍金屬膜，用掃描電鏡在10 kV下觀察。

1.2.2 煙絲下表皮氣孔的觀測

在煙絲中隨機(jī)選取100根進(jìn)行觀察。將煙絲放在光學(xué)顯微鏡中接目鏡的隔板上（此處正好與物鏡放大的中間像重疊），采用目鏡測微尺測量經(jīng)顯微鏡放大后的細(xì)胞物象（測微尺5mm×5mm，分100個(gè)小格）。光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)為160倍，觀察氣孔數(shù)目。

1.2.3 煙絲比表面積的測定

將煙絲在T=22℃，RH=60%的環(huán)境中平衡5d。稱取20g煙絲，放入無水乙醇中浸泡4h，再用乙酸乙酯置換乙醇浸泡煙絲。將煙絲原料放入臨界點(diǎn)干燥裝置中，注入液態(tài)二氧化碳，在二氧化碳的臨界溫度以上（40℃，35MPa）進(jìn)行干燥處理。采用3H-2000BET-M型氮吸附儀，固體標(biāo)樣參比法測定實(shí)驗(yàn)中所用13種煙絲的比表面積。儀器運(yùn)行條件：吹掃溫度40℃，時(shí)間90min；吹掃介質(zhì)：氮?dú)猓晃劫|(zhì)：氮?dú)猓惠d氣：He；環(huán)境溫度：21～22℃，參比樣品為炭黑。

采用JW-BK氮吸附儀測定不同類型煙絲比表面積和氣孔的平均孔徑大小［13］。

1.2.4 煙絲平衡含水率的測定

精確稱取煙絲樣品5 g，放入玻璃稱量瓶中，分別置于相對(duì)濕度為30%、40%、50%、60%、65%、70%、80%的硫酸干燥器中，將硫酸干燥器置于22℃環(huán)境中，每隔12 h測量煙絲的質(zhì)量，直至煙絲質(zhì)量恒定，采用YC/T 31—1996［14］方法測定其平衡含水率。每種樣品平行測定3次，結(jié)果取平均值［15］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同煙絲下表面和切面結(jié)構(gòu)比較

2.1.1 煙絲下表面結(jié)構(gòu)比較

4種煙絲樣品下表面結(jié)構(gòu)的SEM圖見圖1。由圖1可以看出，煙葉下表面在500倍與750倍時(shí)下表面結(jié)構(gòu)清晰，氣孔可見。4種煙絲樣品的下表面有明顯的不同：保山香料煙下表面有厚厚的一層蠟質(zhì)，表面氣孔數(shù)目多，組織結(jié)構(gòu)緊密；津巴布韋L1M烤煙下表面蠟質(zhì)層不明顯，組織較疏松，氣孔數(shù)目明顯少于其他煙絲；國產(chǎn)烤煙玉溪YC3F下表面皺褶最多，氣孔數(shù)目較之津巴布韋烤煙多；白肋煙下表面疏松，表面蠟質(zhì)層不明顯，氣孔數(shù)目介于烤煙與香料煙之間。

2.1.2 煙絲切面觀察

圖1 4種煙絲樣品下表面結(jié)構(gòu)的SEM圖

紅花大金元新鮮煙葉切面的SEM圖見圖2。由圖2可以看出，煙葉切面結(jié)構(gòu)包括上表皮、下表皮及二者之間的柵欄組織和海綿組織與維管束，上、下表皮皆由單細(xì)胞組成［16］。柵欄組織由一層長柱形細(xì)胞縱向排列組成，細(xì)胞排列比較緊密。海綿組織由多層不規(guī)則細(xì)胞不規(guī)則排列組成，細(xì)胞間隙較大。

圖2 紅花大金元新鮮煙葉切面的SEM圖（1 000倍）

圖3 4種煙絲樣品切面結(jié)構(gòu)圖

圖3 為4種煙絲樣品切面結(jié)構(gòu)圖，由圖中可以看出，煙葉經(jīng)過復(fù)烤，原生質(zhì)結(jié)構(gòu)自溶、解體，細(xì)胞膜的通透性被破壞，致使胞內(nèi)的部分物質(zhì)滲出而進(jìn)入細(xì)胞間隙中。煙葉的柵欄組織和海綿組織結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，柵欄組織和海綿組織失水萎縮，甚至溶解消失。從圖中還可以看出，香料煙結(jié)構(gòu)最為緊密，切面有很多空隙結(jié)構(gòu)，國產(chǎn)烤煙和津巴布韋烤煙的切面較疏松。

2.2 不同品種煙絲的氣孔數(shù)目比較

以大理HC3F為例，隨機(jī)取100根煙絲，統(tǒng)計(jì)其氣孔數(shù)目，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出：煙絲氣孔數(shù)目主要在19～30之間。統(tǒng)計(jì)每一品種煙絲氣孔數(shù)目在19～30之間煙絲的個(gè)數(shù)和氣孔總數(shù)，氣孔數(shù)目總和與煙絲個(gè)數(shù)比值即為該品種煙絲的氣孔數(shù)目。13種煙葉樣品的氣孔數(shù)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。由表1可以看出，同一品種煙絲中部氣孔數(shù)目最多。津巴布韋烤煙氣孔數(shù)目低于國產(chǎn)烤煙；香料煙氣孔數(shù)目最多；白肋煙氣孔數(shù)目居于烤煙

圖4 大理HC3F 的氣孔數(shù)目

表1 13種煙絲樣品的單位面積氣孔數(shù)目①

2.3 不同品種煙絲的比表面積比較

2.3.1 動(dòng)態(tài)氮吸附儀測定煙絲比表面積

以紅花大金元為例，其上中下部煙葉的脫附曲線見圖5。圖中第1個(gè)脫附峰為參比樣品炭黑的脫附曲線，后面依次為上中下部煙絲的脫附曲線。

13種煙絲樣品的比表面積結(jié)果見表2。由表2可知，煙絲樣品的比表面積大小順序?yàn)椋汉卑桌邿煟颈Ｉ较懔蠠熒弦患?jí)＞津巴布韋L1M＞國產(chǎn)烤煙玉溪YC3F；國產(chǎn)3個(gè)品種烤煙比表面積大小順序?yàn)椋篩（云煙87）＞K（K326）＞H（紅花大金元）；同一品種烤煙不同部位比表面積大小順序?yàn)椋褐胁浚鞠虏浚旧喜俊?/p>

圖5 紅花大金元上、中、下部煙絲的參比法脫附曲線

表2 13種煙絲樣品的比表面積

2.3.2 靜態(tài)氮吸附儀測定煙絲比表面積

表3為靜態(tài)氮吸附法測定玉溪YC3F、津巴布韋烤煙L1M、湖北白肋煙、保山香料煙上一級(jí)的比表面積和毛細(xì)多孔的平均孔徑大小。由表3可知，比表面積大小：湖北白肋煙MBCB1＞寶山香料煙上一級(jí)＞津巴布韋L1M＞玉溪YC3F，變化趨勢與動(dòng)態(tài)氮吸附法相同。比較4種煙絲樣品的比表面積和平均孔徑，發(fā)現(xiàn)兩者無對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3 4種煙絲樣品的比表面積和平均孔徑

2.4 不同品種煙絲平衡含水率比較

當(dāng)煙絲的實(shí)際含水率大于當(dāng)時(shí)空氣溫濕度下的平衡含水率時(shí)，煙絲向空氣中散失水分；反之，則吸收空氣中的水分，直至達(dá)到平衡狀態(tài)。不同品種煙絲在不同相對(duì)濕度下的平衡含水率見表4。由表4可見，相對(duì)濕度與煙絲平衡含水率成正相關(guān)，相對(duì)濕度大則煙絲的平衡含水率也大。

表4 煙絲樣品在不同相對(duì)濕度下的平衡含水率①（%）

2.5 煙絲組織結(jié)構(gòu)對(duì)保潤性能影響的分析

從煙絲的吸濕過程來看，煙絲的表面結(jié)構(gòu)與切面結(jié)構(gòu)在RH≤60%時(shí)對(duì)煙絲的吸濕性能影響顯著，所以對(duì)不同類型煙絲的表面、切面結(jié)構(gòu)與22℃、RH=60%下平衡含水率進(jìn)行了比較分析（表5）。從表5可知，煙絲的平衡含水率受多種因素的影響，包括煙絲下表面結(jié)構(gòu)、切面結(jié)構(gòu)以及煙絲的品種等。

表5 煙絲樣品表面、切面結(jié)構(gòu)與平衡含水率

不同品種煙絲的氣孔數(shù)目、表面積大小及與平衡含水率的相關(guān)性分析結(jié)果見表6和表7。如表7所示，氣孔數(shù)目與RH=60%時(shí)的平衡含水率顯著負(fù)相關(guān)，比表面積與RH=60%時(shí)的平衡含水率負(fù)相關(guān)；氣孔數(shù)目、比表面積與RH=30%時(shí)的平衡含水率有一定程度的正相關(guān)性。其他研究結(jié)果表明［17-20］煙絲表面的化學(xué)物質(zhì)與煙絲平衡含水率有一定的關(guān)系，主要是煙絲表面的蠟質(zhì)類物質(zhì)能夠?qū)熃z內(nèi)部環(huán)境與外界環(huán)境隔離開，為維持煙絲內(nèi)部的正常含水率提供保障。康文功等［21］研究表明烷烴作為煙絲表面蠟質(zhì)中的主要成分，占煙絲干質(zhì)量的0.1%左右，烷烴在煙絲表面作為一類非極性的疏水物質(zhì)，可將煙絲內(nèi)部水分與外界隔離開，對(duì)維持煙絲一定的含水率起到非常重要的作用。因此，推測在低濕度環(huán)境條件下煙絲組織結(jié)構(gòu)在保潤性能上起主要作用。隨著相對(duì)濕度的增加，煙絲含水率與煙絲組織結(jié)構(gòu)負(fù)相關(guān)，在相對(duì)濕度較高的環(huán)境下，煙絲表面化學(xué)成分對(duì)含水率的影響程度較大。

表6 煙絲樣品的氣孔數(shù)目、比表面積與平衡含水率

表7 煙絲樣品的氣孔數(shù)目、比表面積與平衡含水率的相關(guān)性分析結(jié)果①

3 結(jié)論

（1）用掃描電子顯微鏡觀察4種煙絲的下表面發(fā)現(xiàn)：香料煙表面有厚厚的一層蠟質(zhì)，組織結(jié)構(gòu)緊密。白肋煙表面結(jié)構(gòu)疏松，表面蠟質(zhì)層不明顯。通過對(duì)煙絲切面結(jié)構(gòu)的觀察研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過復(fù)烤和工藝處理，煙絲切面處的組織結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重的破壞。香料煙結(jié)構(gòu)最為緊密，切面處含有很多空隙，國產(chǎn)烤煙和津巴布韋烤煙的切面處較疏松。

（2）同一品種煙絲中部葉氣孔個(gè)數(shù)最多，不同品種的氣孔數(shù)目為K（K326）＞Y（云煙87）＞H（紅花大金元）；津巴布韋烤煙氣孔數(shù)目低于國產(chǎn)烤煙；香料煙氣孔數(shù)目最多；白肋煙氣孔數(shù)目居于烤煙與香料煙之間。比表面積大小：湖北白肋煙＞保山香料煙一類＞津巴布韋L1M＞國產(chǎn)烤煙玉溪YC3F；國產(chǎn)3個(gè)品種烤煙煙絲樣品比表面積大小：Y（云煙87）＞K（K326）＞H（紅花大金元）；同一品種烤煙不同部位比表面積大小：中部＞下部＞上部。

（3）煙絲的平衡含水率受多種因素的影響，包括煙絲組織結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)成分、煙絲的品種等。在低濕度環(huán)境條件下（RH=30%）煙絲氣孔數(shù)目在保潤性能上可能起主要作用。隨著相對(duì)濕度的增加，煙絲含水率與煙絲比表面積負(fù)相關(guān)，煙絲表面化學(xué)成分對(duì)平衡含水率的影響程度逐漸增大。

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責(zé)任編輯 周雅寧

Relationship Between Tissue Structure of Tobacco Shreds and Equilibrium Moisture Content Thereof

MA Lin and TIE Jinxin
School of Food and Biological Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450000,China

To Study the relationship betweentissue structure of cut shreds and moisture retentivity thereof, the surface and sectional structures of flue-cured,burley and oriental tobacco shreds were observed by a scanning electron m icroscope,the stomas of under epiderm is were observed by an opticalm icroscope,and the capillary specific surface area wasmeasured by a specific surface area tester.The results showed that： 1)The structure of oriental tobacco was the closest and its section was of porous structure,the section of domestic and Zimbabwean flue-cured tobacco was opener.2)The stoma number of burley tobacco was higher thanthat of flue-cured tobacco,while lower thanthat of oriental tobacco.The stalk positions of fluecured tobacco of the same variety inthe order of specific surface area were m idd le＞lower＞upper.3) The tissue structure positively correlated to equilibrium moisture content o f tobacco shreds in lowhum idity (RH=30%)environment,while their correlation became negative in high hum idity environment(RH=60%); and the influence of surface chem ical composition intobacco shreds on moisture content increased gradually with the rise of relative hum idity.

Cut tobacco tissue structure;Moisture retentivity;Specific surface area;Stoma number; Equilibrium moisture content

TS412

A

1002-0861（2015）09-0075-06

10.16135/j.issn1002-0861.20150913

2014-09-16

2015-06-11

國家煙草專賣局卷煙增香保潤重大專項(xiàng)項(xiàng)目“煙葉表面性狀及化學(xué)成分與保潤性能關(guān)系研究”（422012AA0370）。

馬林（1964—），博士，教授，主要從事卷煙工藝學(xué)與煙草生物技術(shù)研究。E-mail：malindf@vip.sina.com

馬林，帖金鑫.煙絲組織結(jié)構(gòu)與平衡含水率的關(guān)系［J］.煙草科技，2015，48（9）：75-80.

MA Lin,TIE Jinxin.Relationship between tissue structure of tobacco shreds and equilibrium moisture content thereof［J］.Tobacco Science&Technology，2015，48（9）：75-80.