基于低場核磁技術和環境掃描電鏡的卷煙吸濕機制研究

韓 聃 田兆福 王宏生 張曉鳴（.江南大學食品學院，江蘇 無錫 4；.廣西中煙工業有限責任公司，廣西 南寧 53000）

煙草是一種膠質毛細多孔物質，它的組織結構由毛細管和多孔體構成，含有果膠、蛋白質等膠體物質和水溶性糖等親水性物質，具有極其敏感的吸濕性能［1，2］。

近年來，低場核磁共振技術（LF—NMR）廣泛應用于生物體系中結合水的研究。通過分析T2弛豫時間的不同，較容易區分出易流動損失和通過物理、化學作用緊密結合的水分［3］。Li Rong－rong等［4］通過測定水中氫核的橫向弛豫時間研究面團中水分子的流動性和結合情況，進而研究水分含量對面團流變性質的影響，試驗表明通過低場核磁技術可以有效區分樣品中水分的不同狀態，為進一步研究水分狀態對流變性質的影響提供了參考。

環境掃描電鏡（environmental scanning electron microscope，ESEM）的出現使觀察新鮮含水生物樣品表觀結構成為現實［5，6］。朱銀鳳等［7］利用掃描電鏡技術直觀檢測煙草細胞表面細微結構變化，從而研究其生長發育機理。

本研究擬利用低場核磁技術，對弛豫時間以及弛豫面積進行分析，區分卷煙吸濕過程中不同水分結合狀態，利用環境掃描電鏡對卷煙吸濕過程中表面微觀結構變化進行觀察，總結其吸濕規律，探究不同添加劑對吸濕機制的影響，旨為煙草制品吸濕機制的探索與分析提供相關依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

卷煙及其原料煙絲：中國某中煙公司；包括空白樣品、加香樣品（加香劑按卷煙重量0.1%添加）、加糖樣品（混合液按卷煙重量0.1%添加）、加料樣品（丙二醇、丙三醇混合液，按卷煙重量1.0%添加）、加酸樣品（按卷煙重量0.15%添加），所有化學物質添加比例及方法按照卷煙生產工藝標準；

丙二醇、丙三醇：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

核磁共振成像分析儀：NMI20型，上海紐邁電子科技有限公司；

環境掃描電鏡：ESEM－2020型，美國Philips公司；

水分活度儀：Fast－lab－GB型，法國 GBA 公司；

恒溫培養箱：DHP－9052型，上海市欣榮有限科技公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 水分活度的測定 在室溫18～25℃，濕度50%～80%的條件下，用飽和鹽溶液校正水分活度儀。取約0.1g試樣，迅速放入樣品皿中，封閉測量倉，進行測定，每間隔5min記錄水分活度儀的響應值，當相鄰兩次響應值之間誤差小于0.005時的Aw為測定值。儀器平衡后，重復3次。

1.2.2 煙絲含水率的測定

（1）樣品前處理：將煙絲在溫度（25±1）℃，硅膠干燥器中平衡24h。

（2）初始水分含量的測定：按YC/T 31—1996執行。

1.2.3 吸附等溫線的測定 取2～3g預處理后的樣品，置于設定的環境下，前12h每2h測定一次含水率及水分活度，12h后每4h測定一次含水率及水分活度，直至穩定。根據所得數據繪制水分活度、水分含量變化曲線以及吸附等溫線。

1.2.4 核磁共振測定 取約1g預處理的樣品置于磁場中心位置的射頻線圈中心，利用FID信號調節共振中心頻率，進行CPMG脈沖序列掃描試驗。試驗參數為采樣點TD＝8 192，重復掃描次數NS＝16，弛豫衰減時間D0＝1 000ms。掃描結束后，利用T2Fit軟件反演擬合出T2值分布及弛豫積分面積。

1.2.5 ESEM圖像采集 將待測樣品煙葉分別于RH＝30、RH＝60、RH＝80及溫度22℃下放置48h，平衡后取出，選取形態特征較好、無明顯破損與蟲害、約為5mm×5mm大小的樣品直接置于樣品臺上觀察拍照。電鏡樣品室選擇環境真空模式，采用氣體二次電子信號成像；工作電壓15～20kV，工作距離10mm，表面圖放大倍數200倍，橫切面放大倍數400倍。

2 結果與討論

2.1 煙草增濕過程

吸濕增重曲線可從直觀上反映不同樣品吸濕性能的差異性，通過吸濕曲線可以分析不同化學物質的添加對煙草吸濕特性的影響。由圖1（a）可知，糖類物質的添加對煙草吸濕起到促進作用，吸濕量較空白樣明顯增多，其作用機制與樣品內糖類物質添加，造成羧基等易與水分子結合的極性基團增加有關。料液物質（主要是丙二醇）易通過羥基與水分結合，對煙草吸濕也起到了促進作用，但效果不及糖類物質的作用。酸類物質添加后其吸濕曲線與空白樣基本重合，表明其對吸濕增重無明顯影響。加香劑添加后其吸濕曲線低于空白樣，表明其對煙草吸濕能力起到了抑制作用，這可能與其油溶特性有關。成品卷煙吸濕增重曲線高于空白樣，但受到加香劑對吸濕的負面影響，吸濕低于單獨添加糖、料液的樣品。

吸附等溫線不僅能夠反映樣品在不同濕度下的水分含量，也可以表示在相同水分含量下，樣品與水分結合能力的強弱。吸附等溫線可以為進一步判斷樣品吸濕特性提供依據。由圖1（b）可知，加香劑添加后，吸附等溫線較空白樣有明顯下降趨勢。無論在高、低濕度環境下其水分含量均少于空白樣，與吸濕增重曲線相符。在相同水分含量下，加香樣品水分活度高于空白樣，與水分結合強度較低。加香劑對煙草吸濕特性的抑制作用可能是由于加香劑的油溶特性，易在煙草表面成膜，一方面減少了易與水分子結合的極性基團數量，另一方面易形成油膜阻礙了表面吸附水分，從而減弱了煙草本身的吸濕能力。

圖1 煙草吸濕規律曲線Figure 1 Hygroscopic law curve of different taboo samples

2.2 基于低場核磁技術應用的分析

2.2.1 弛豫時間分析 體系中不同水分所處狀態的不同與物料本身結合水分能力的大小相關，因此，可以將體系中的水分為三部分：近似純水的自由水，與物料通過一定物理、化學力作用的結合水，與物料結合極為緊密的“結構水”。這三部分水分都有各自馳豫率以及弛豫時間T2。大多數物料屬于多組分體系，所以體系的T2值不止一個。T2的大小代表了水分流動性的強弱，可以表示物料中水分的自由度，T2值越小，代表水分與非水組分結合得越緊密，越不容易排出；T2越大，代表水分的自由度越大，越容易排出［8］。通過NMR所得到的馳豫時間與橫向弛豫總積分面積的關系曲線可以間接反映出物料中水分的含量和存在狀態。

通過低場核磁共振對卷煙吸附過程中橫向弛豫時間T2進行測定，得到不同吸附時間、不同原材料的T2時間分布，見表1。結果表明無論是成品卷煙還是空白樣都存在3個T2區間，分別是T21（0～2ms）、T22（2～10ms）、T23（10～150ms），其中T21表示的可能是與水分子通過極性基團緊密結合的不易分離的結構水分子層，T22表示的可能主要是以微毛細管結合得較為緊密的結合水分子層，T23表示的可能是存在于孔隙以及表面的自由水。

表1 不同樣品吸濕過程的T2值變化情況Table 1 T2values during the moisture adsorption of different samples

觀察弛豫時間及橫向弛豫總積分面積可以發現卷煙材料中結構水分子層與結合水分子層超過90%，占水分吸附絕大多數，可見煙草中的水分主要是以這兩種形式存在的。T23對應的自由水在卷煙水分含量中所占比例少，含量較低。

空白樣品吸附初始階段（2～12h）內，T21值不斷減小，表明水分與卷煙內部化學物質結合越來越牢固。可以推斷在這一階段T21值的減少與化學結合水在一定程度上的重排有關。空白樣在吸濕初始階段毛細管吸附起主要作用，吸附水和煙絲內部親水物質的化學結合相對較少，隨著吸濕過程的不斷進行，毛細管吸附水逐漸遷移到煙絲親水物質表面，水分子和親水大分子的氫鍵作用不斷加強，其動力學過程由單個水分子和一個極性基團的單個氫鍵作用不斷地演化為一個水分子和鄰近的多個親水基團（最多4個）的氫鍵作用，因此最終表現為T21值不斷減小。當吸附水增加到一定程度，親水基團表面的單分子層結合水飽和，結合水逐漸以多層水為主，隨著多層水比例的不斷增加，雖然結合水的總比例是增加的，但其整體結合強度不如未飽和時的單層水結合強，因而T21值又開始變大。

其他樣品的T21起始值都小于空白樣品，是因為煙絲中加入的親水物質，如加香劑、糖、料液物質等，增強了形成氫鍵的結合水能力。隨著吸水量不斷增加，加香樣品同空白樣品的吸濕過程類似，單層水比例減小，多層水比例增加，整體表現為T21值又開始變大。而加糖和加保潤劑的成品卷煙情況更為復雜，吸濕后期T21值都有所減小，但T21值的持續減少，與這些樣品吸濕48h時樣品中結構水含量的繼續增加是完全一致的，由此說明T21值是反映水結合強度的最敏感指標，可以作為卷煙控濕研究的重要技術參數。

T22是指煙草吸附水中次為牢固的吸附水，一般可以認為這部分水主要是通過毛細管凝集吸附（微毛細管為主）構成的水分子層。其變化過程與毛細管的種類、粗細和含量有關，因而其吸附動力學比較復雜，不同樣品的T22變化無明顯規律可循。

T23可以認為是指煙草表面的自由水，主要是孔隙水與表面吸附水，其數值遠大于T21和T22，表明這部分水和煙絲結合很弱。

2.2.2 基于弛豫積分面積的結合水性質分析 測定自旋—自旋弛豫時間可以得到不同弛豫時間對應的質子信號強度，以峰面積表示的這類信號強度在一定程度上可以反映體系內部不同水分含量之間的關系（見圖2）。

橫向弛豫總積分面積與煙絲中水分含量有著較好的線性關系，相關系數R2均值大于0.9（0.915 8，0.921 1，0.988 4，0.891 4，0.974 7），這表明通過 NMR 檢測煙絲中氫質子信號絕大部分是水分子中的氫質子，利用NMR測定弛豫時間可以較為準確的表示煙絲中水分分布狀態及含量的實際情況。

圖2 不同樣品吸附等溫線圖Figure 2 Water content－relaxation integral area

空白樣品不同吸濕時間水分組成比例圖見圖3，通過卷煙不同時刻總含水量以及其對應不同狀態水分比例圖可以得到各個時刻不同狀態水分含量的具體值見表2。

圖3 空白樣不同吸濕時間水分組成比例圖Figure 3 Water composition ratio in different adsorption time

表2 空白樣不同時刻不同狀態水分含量Table 2 Moisture content of different water status in different adsorption time %

由表2可知，煙草中水分存在的主要狀態是不易移動的化學吸附水，包括晶體細胞中的水分、大分子內部結合水以及化學結合水等［9］。煙草制品中另外一種結合力較強的水分是以微毛細管凝結水為主的結合水，這部分水分結合能力略弱，但是明顯強于自由水。自由水含量較少，主要為表面物理吸附水以及潤濕水等。吸濕初始階段0～12h，空白樣品化學吸附水比例減少，毛細管吸附水所占比例增加，從吸附水分含量中也可以發現，毛細管吸附水量占主要部分。據此可以認為未添加保潤劑的原材料系列，卷煙水分吸附以毛細管吸附為主，化學結合水吸附含量較少。隨著水分吸附的增加，自由水比例上升，吸附量不斷增多。這可能是因為吸附水分增多，毛細管吸附以及化學吸附在一定程度上飽和，表面吸附水向內部擴散速率減慢，造成自由水含量提升。在12～48h階段，吸附機制的轉移，由化學吸附、毛細管凝結吸附轉向通過膠體滲透作用與煙草內部大分子親水膠體物質結合吸附，這使得化學吸附結合水比例上升，毛細管凝結吸附水比例下降。

由表3可知，空白＋香樣品水分比例圖與空白樣趨勢基本一致，其吸附機制無明顯變化。值得注意的是香氣物質的添加一方面少量增加了羥基、羧基等極性基團，使得化學吸附仍然不斷增加，同時香氣物質的添加并沒有對毛細管吸附起抑制作用，使得這類樣品水分吸附由兩方面共同作用完成。

表3 空白＋香樣不同時刻不同狀態水分含量Table 3 Moisture content of different water status of spice sample in different adsorption time %

由表4可知，這類樣品毛細管吸附水含量已經明顯受到抑制，在整個吸附階段以化學結合水吸附為主要吸附手段，與空白樣品吸附明顯不同。這也證明了糖類等易溶于水的極性基團在一定程度上改變卷煙本身的吸附機制，是不同卷煙吸附量明顯不同的重要原因之一。

表4 空白＋糖樣不同時刻不同狀態水分含量Table 4 Moisture content of different water status of sugar sample in different adsorption time%

由表5可知，成品卷煙由于保潤劑的添加，煙草水分吸附主要以化學結合吸附為主，化學結合水的比例不斷增加。從具體含量上看，毛細管在初期幾乎無吸附，水分含量的增加主要集中在結合水部分。卷煙吸附最后階段吸附機制轉移，毛細管凝結吸附、化學吸附轉向與煙草內部親水性物質的結合。

表5 成品煙絲不同時刻不同狀態水分含量Table 5 Moisture content of different water status of end product sample in different adsorption time%

2.2.3 基于表觀特征對煙草吸濕規律的分析 卷煙樣品中不同添加物質一方面因其不同的化學基團對煙草吸濕機制產生作用，另一方面由于其溶解性等物理性質差異，在一定程度上對其表觀特征產生改變，影響其吸濕機制。分析不同水分含量下不同樣品表觀形態差別有利于對吸濕機制的全面了解，不同樣品RH＝30環境掃描電鏡觀察圖見圖4。

圖4 不同樣品在RH＝30環境掃描電鏡觀察圖Figure 4 ESEM micrographs of tobacco transection in RH＝30

由圖4可知，空白樣品葉片表面氣孔分布較多，表皮細胞中部平滑向上突起，褶皺感較強，成品煙絲氣孔結構相對較少，且氣孔外表皮細胞平滑，結合松散，細胞輪廓相對清晰。從圖4（c）中可以觀察到樣品中存在的柵欄組織與海綿組織。煙草中海綿組織薄壁細胞大小和形狀不規則，形成短臂突起并相互連接形成較大的細胞空隙，多呈網狀。觀察成品樣品可以發現，較空白樣，其橫切面存在空隙結構較少，組織之間結合較為緊密。

圖5 不同煙草樣品在RH＝60環境下掃描電鏡觀察Figure 5 ESEM micrographs of tobacco in RH＝60

由圖5可知，RH＝60環境濕度下樣品表皮細胞結構與干燥樣區別不大。空白樣以不規則的表面排列結構以及較強的褶皺感區分于成品卷煙。值得注意的是空白樣氣孔數量呈減少的趨勢，成品煙絲并沒有這種情況。從圖5（c）中可以發現空白樣原來較大的細胞間空隙減小，海綿結構與柵欄結構間結合緊密程度有所增加。這種結構上的變化與二者不同的吸附機制有關。空白樣品吸附以毛細管吸附為主，其吸附水分集中在表面，表面水分含量較高，使得煙絲葉片表面氣孔數量減少，而金韻吸附以化學吸附為主，水分更快地從表面結構向內部轉移，對氣孔的影響不明顯。同時空白樣毛細管大量吸附水后，海綿組織膨脹作用使得其柵欄組織細胞之間間距減小，細胞結合緊密，空隙結構減小。金韻煙絲水分增加以化學吸附為主，水分較多存在于煙絲內部，這使得海綿組織膨脹增大與柵欄組織結合加強的同時，其結構在一定程度上重新排列，使得空隙結構重新分布。

3 結論

卷煙煙絲吸濕過程中不同化學物質的添加對卷煙吸濕有著較大的影響，糖類（葡糖糖等小分子糖類混合物）及料液物質（丙二醇為主）的添加對吸濕起促進作用，而加香劑的添加一定程度上阻礙了卷煙吸附過程。應用低場核磁技術可以較為準確地反映煙草內部水分狀態及含量，成品卷煙煙絲一般都存在3個T2區間分別是T21（0～2ms）、T22（2～10ms）、T23（10～150ms），分別代表體系中的化學結合水、毛細管結合水以及自由水。其中T21大小變化與煙絲內單層水、多層水轉化排列有關，其值是反映水結合強度的最敏感指標，可以作為卷煙控濕研究的重要技術參數。卷煙內部結合能力強的化學吸附水含量最多，是煙草內部水分的主要構成。煙草自身水分吸濕的過程中以毛細管吸附為主，化學結合吸附較少。羥基等極性基團物質大量添加后，改變了煙絲水分吸濕機制，化學吸附起主要吸附作用，毛細管吸附受到抑制。不同卷煙樣品其表皮結構區別主要集中于表面氣孔數量的多少以及細胞間結合的緊密程度。海綿組織與柵欄組織以及其形成的空隙結構是煙草內結構的主要組成部分，其組成結構與狀態一方面受到煙絲水分含量的影響，另一方面與煙草內添加不同的化學物質有關。

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