新型卷煙雙向阻濕劑的性能研究及其應用效果評估

張旭倩 田兆福 王宏生 張曉鳴

（1.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122；2.廣西中煙工業有限責任公司，廣西 南寧 530001）

煙絲中的水分含量既影響加工過程中卷煙的品質，又影響卷煙貯藏過程中的穩定性和產品品質。成品卷煙在儲藏過程中常常受到環境中水分的影響，在南方溫熱潮濕的環境下吸濕受潮、在北方寒冷干旱的環境下失水解吸。孫雯等［1］的研究表明卷煙含水率為12%～14%時具有較好的評吸感受，過高或過低的煙絲含水率都會對卷煙評吸感受造成不利影響。因此，卷煙的保潤研究一直是煙草技術人員的研究重點。

現在常用的保潤劑有甘油、丙二醇等，但它們存在干燥環境中保潤性較差，高濕環境中阻水性不明顯的缺點［2］。如何開發阻水效果更好的新型保潤劑越來越成為關注的熱點。A.Stoilova等［3］利用水果中的水溶性果膠提取物對Rodopb卷煙進行了保潤性測試，發現此類物質的多羥基組分在卷煙中具有一定的保潤性能。還有一些研究［4，5］表明吡咯烷酮羧酸類、魔芋多糖等天然提取產物較甘油、丙二醇表現出更好的保潤性能，同時也能提高煙氣品質，改善感官評吸效果，是較為理想的保潤劑。但是因提取工藝、成本的限制，加上天然保潤劑成分較為復雜，不同批次穩定性差等因素，其在卷煙中的應用受到一定限制。

本研究致力于選取安全、單一的試劑，替代甘油、丙二醇，達到更好的保潤、阻濕效果。脂肪烴類由長碳鏈和單個羧基（—COOH）組成，具有很強的疏水性，利用脂肪烴類在煙絲表面成膜可以形成一道疏水屏障阻隔水分遷移；多糖類物質中則有大量羥基（—OH）、羧基（—COOH）等親水基團，可以與水分子之間產生氫鍵作用，鎖住多糖膜兩側水分，從而防止水分子透過膜層。在韓聃等［6］對卷煙吸濕機理的研究基礎上，本研究擬研制在高濕環境防水、低濕環境鎖水的雙向阻濕劑，并利用環境掃描電鏡（ESEM）分析，評估雙向阻濕劑的作用效果。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

煙絲：廣西中煙工業公司；

月桂酸、棕櫚酸、硬脂酸、D－葡萄糖酸鈣、無水乙醇、氯化鉀：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

氯化鎂：分析純，上海試劑一廠；

類脂GY、多糖A、多糖B、多糖C：本實驗自制。

1.2 儀器與設備

恒溫培養箱：DHP－9052型，上海市欣榮有限科技公司；

恒溫恒濕箱：HWS－150型，上海森信實驗儀器有限公司；

磁力攪拌器：C－MAG型，德國IKA公司；

環境掃描電鏡：ESEM－2020型，美國Philips公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 單一保潤劑處理煙絲樣品 將樣品煙絲過20目篩，取20目以上的整絲8份，20g/份，置于溫度（22±1）℃、相對濕度（RH）為（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡48h，平衡后的煙絲含水率在12.5%左右。

分別加入5g，質量分數為4.0%的月桂酸、棕櫚酸、硬脂酸、類脂GY（I類）；或分別加入4g，質量分數為0.5%的多糖類A、多糖類B、多糖類C（II類），使I類保潤劑的用量為煙絲重量的1.0%，II類保潤劑的用量為煙絲重量的0.1%，加入4g純水作為空白對照，置于溫度（22±1）℃、相對濕度（RH）為（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡72h，使不同處理的煙絲中起始水分含量基本保持一致，并測量樣品起始水分含量。

1.3.2 復配保潤劑處理煙絲樣品 將樣品煙絲過20目篩，取20目以上的整絲7份，20g/份，置于溫度（22±1）℃、相對濕度（RH）為（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡48h，平衡后的煙絲含水率在12.5%左右。

根據1.3.1中保潤效果評估，分別選取I類、II類中效果好的保潤劑復配，經反復試驗，確保I類、II類保潤劑的添加量和添加比例，對照組加入等量常用保潤劑甘油，置于溫度（22±1）℃、相對濕度（RH）為（60±2）%的恒溫恒濕箱中平衡72h，使不同處理的煙絲中起始水分含量基本保持一致，并測量樣品起始水分含量。

1.3.3 雙向阻濕劑性能測試 根據中華人民共和國進出口商品檢驗行業標準SN 0180—1992中規定，配制飽和KCl溶液于干燥器中，將干燥器置于（35±1）℃的恒溫培養箱中，并保證干燥器中的相對濕度（RH）為（84±1）%，以此模擬相對獨立的高濕度恒溫恒濕環境。配制飽和MgCl2溶液于干燥器中，將干燥器置于（35±1）℃的恒溫培養箱中，并保證干燥器中的相對濕度（RH）為（32±1）%，以此模擬相對獨立的低濕度恒溫恒濕環境。

分別取1.3.1和1.3.2中的樣品各3g置于稱量瓶，每個樣品取2個平行，將稱量瓶開口分別置于上述環境中進行煙絲吸濕、解吸試驗，采用差量法［7］測試煙絲含水率的變化。即用烘箱測量法測得煙絲的起始含水率，試驗開始后每隔一定時間取出稱量瓶稱重（精確到0.000 1g），直至兩次稱量結果相差小于0.001 0g。

1.3.4 環境掃描電鏡（ESEM）觀測 對1.3.1和1.3.2中保潤性能良好的樣品，分別選RH為（32±1）%、（60±1）%和（84±1）%的平衡狀態下的添加保潤劑的樣品和空白組對照，將樣品直接置于樣品臺上進行環境掃描電鏡分析，觀察樣品煙絲表面的微觀組織結構。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；工作電壓為15～20kV，工作距離10mm，觀測圖放大倍數400倍。

2 結果與討論

2.1 保潤效果評估

2.1.1 脂肪烴類對煙絲水分變化的影響 脂肪烴類物質是以長碳鏈為主，具有很強的疏水性，通過將脂肪烴噴涂在煙絲表面，能使煙絲表面較少直接暴露在環境中，減緩水分透過煙絲表面的速率，從而達到控制煙絲水分的目的。將添加脂肪烴類的樣品煙絲和空白對照組分別在高濕（RH＝84%）、低濕（RH＝32%）條件下吸濕、解吸至平衡狀態，將煙絲含水率對測試時間作圖，見圖1。

圖1 脂肪烴類對煙絲水分含量的影響Figure 1 Effect of aliphatic hydrocarbons on the moisture content of tobacco

在環境相對濕度84%條件下，添加脂肪烴的煙絲和空白煙絲均迅速吸濕，煙絲含水率上升很快。在開始的0～12h，煙絲水分含量成線性上升；12～36h，煙絲吸濕速率下降，煙絲含水率上升較慢；36h之后，煙絲含水率變化很小。通過煙絲含水率的多少，可以判斷出脂肪烴的阻濕效果為：類脂GY＞硬脂酸＞棕櫚酸＞月桂酸（P＜0.05）。煙絲吸濕速率和含水率都隨著所添加的脂肪烴類物質的碳鏈延長而減小，這與脂肪烴的結構關系一致，即隨著碳鏈的增長，極性減弱，親油性增加，通過疏水作用從而達到雙向隔離水分的效果。其中類脂GY分子具有較大的空間結構和更強的疏水性，從而增加了分子的親油性，因此阻濕效果較佳。

在環境相對濕度32%條件下，0～8h，煙絲含水率呈線性下降，解吸速率因添加的脂肪烴的不同而略有差異；8～24h，煙絲含水率的降低速度變小，此階段所散失的水分跟煙絲結合較為緊密，解吸速率下降；24h后，煙絲含水率逐漸趨于平衡。但不同添加劑的煙絲的水分含量平衡終點表現出明顯差異性，噴涂脂肪烴的煙絲較空白有更高的平衡含水率，即脂肪烴添加劑對煙絲水分的截留效果好于空白，并隨著碳鏈的增長，持水效果越好，這與高濕度環境下脂肪烴類表現出的阻濕效果結論一致。

2.1.2 多糖類對煙絲水分變化的影響 多糖類保潤劑作為親水性大分子，其保潤性能的差異取決于對水分子作用力的大小［8］。多糖分子含有大量的親水基團與三維網絡空間結構，容易與鄰近的水分子通過氫鍵締合，截留水分，防止其穿過煙絲表面的多糖膜層，從而形成保護屏障，有效地控制煙絲的水分。

多糖類物質對煙絲水分含量的影響見圖2。在環境相對濕度84%時，0～12h階段，添加多糖A和多糖B的煙絲吸濕速率比空白煙絲小，表明多糖A和多糖B在煙絲表面成膜，減緩了煙絲吸濕。吸濕平衡后，添加多糖A、多糖B的煙絲比空白煙絲的平衡含水率分別低1.03%和1.21%（P＜0.05）。而添加多糖C的煙絲平衡含水率與空白煙絲相比無顯著差異，可能是多糖C所含的親水基團與水結合，表現出較好的親水性。

圖2 多糖類物質對煙絲水分含量的影響Figure 2 Effect of the polysaccharide on the moisture content of tobacco

在環境相對濕度32%時，存放時間的延長，煙絲的含水率呈線性下降，而添加多糖A、多糖B和多糖C的煙絲水分含量下降速率比空白煙絲慢（P＜0.05），即水分保持性較空白煙絲更好，水分散失速率較慢。

多糖類保潤劑中多糖A和多糖B具有一定的雙向阻水效果，但阻水效果不及脂肪烴類明顯，可能多糖類保潤劑中親水基團結合了較多的水分子，影響了煙絲中的水分分布和水分存在狀態。

2.1.3 復配添加劑的雙向阻濕效果 選取脂肪烴類添加劑中阻水效果好的類脂GY和多糖類添加劑復配添加，考察其阻濕效果。將脂肪烴類的疏水碳鏈的阻水與多糖的親水基團、三維網絡結構的鎖水功效相結合，產生協同效應，從而達到更佳的雙向阻濕效果。添加復配添加劑的煙絲吸濕、解吸曲線見圖3。

圖3 復配添加劑對煙絲水分含量的影響Figure 3 Effect of compound additives on the moisture content of tobacco

由圖3（a）可知，在高濕環境條件下，煙絲含水率隨時間增加而增長，與空白煙絲相比，3種復配添加劑都能有效降低煙絲在對應時段的含水率，即添加復配保潤劑的煙絲吸濕量較小。其中以多糖B/類脂GY（0.1%/1.0%）阻水效果最佳，72h后平衡含水率為35.08%，比空白煙絲的含水率38.83%降低3.75%（P＜0.05），同時，煙絲水分含量達到35%的時間延遲了30h，為空白煙絲所需時間的200%，有效延緩了煙絲吸濕時間。

由圖3（b）可知，煙絲處于低濕環境條件，48h后煙絲含水率趨于平衡，其平衡含水率大小排序為：多糖B/類脂GY（0.1%/1.0%）＞多糖B′/類脂 GY（0.1%/1.0%）＞多糖 A/類脂GY（0.2%/1%）＞空白。

不同阻濕劑對煙絲樣品吸濕速率、解吸速率的影響分別見表1、2。比較復配添加劑煙絲與空白煙絲的吸濕、解吸速率，在表1吸濕階段的0～12h、表2解吸階段的0～8h，可以看出復配添加劑煙絲比空白煙絲的吸濕、解吸速率低，即在復配添加劑的影響下，煙絲表面的水分擴散進展得較慢，復配添加劑有效地延緩了煙絲水分變化的速度，并影響最終平衡含水量，將煙絲的水分變化控制在較小范圍，達到有效的雙向阻濕。

表1 阻濕劑對煙絲樣品吸濕速率的影響Table 1 Effect of different humectants on rate of water absorption of tobacco mg/（g·h）

表2 阻濕劑對煙絲樣品解吸速率的影響Table 2 Effect of different humectants on rate of water desorption of tobacco mg/（g·h）

2.2 煙絲的表面形態比較

利用環境掃描電鏡，可以觀察含水分的煙絲表面結構。通過對比煙絲表面結構的不同，分析阻濕劑雙向阻水的原因。在RH＝60%的環境下，樣品煙絲表面的環境掃描電鏡觀測圖見圖4，在相對濕度60%的環境中平衡72h后的空白樣品、添加類脂GY樣品、復配添加多糖B/類脂GY樣品的表面組織結構有明顯不同。

空白樣品表面很多褶皺，煙葉細胞組織直接暴露在環境中，褶皺細密；添加類脂GY樣品表面能看到細密的類脂GY涂層，表面褶皺相比空白樣品明顯較少，且被類脂GY覆被的表面因為其疏水作用，吸濕過程受阻，從而整體上吸濕速率較空白樣小；從復配添加多糖B/類脂GY樣品表面可以看到較為均勻的阻濕劑，覆蓋面比添加類脂GY樣品更加多且連續，阻濕劑填補了煙絲褶皺的溝壑部位，減少了暴露在環境中的表面積。多糖B的黏度及其三維空間結構增強了阻濕膜連續性，煙絲通過毛細管解吸的幾率下降，此外，在復配添加多糖B/類脂GY樣品中暴露的煙葉組織的氣孔最少，大大減少了煙絲內部水分通過氣孔散失的比例。

3 結論

圖4 樣品煙絲和參照煙絲在RH＝60%的表面環境掃描電鏡觀測圖Figure 4 ESEM micrographs of tobacco surface in RH＝60%

與傳統保潤劑甘油、丙二醇和其他天然保潤劑相比，多糖B/類脂GY復配添加劑具有良好、穩定的雙向阻濕性能，能夠延緩煙絲中水分的散失速度。對比空白組，在相對濕度RH＝84%的環境下，能使煙絲從12%的初始含水率達到35%的時間延緩2倍；在相對濕度RH＝32%的環境下，能使煙絲含水率從12%降到8%的時間延緩2倍。

通過觀察添加復配阻濕劑后煙絲表面的環境掃描電鏡圖，可以直觀地看到在高濕或低濕的環境中，復配阻濕劑都能通過覆被在煙絲表面，減少暴露的表面積，達到有效延緩煙絲表面的水分變化，將煙絲表面較長時間地維持在一個相對穩定的狀態。即添加劑以化學吸附等方式將水分鎖定在阻濕膜兩側，從而達到控制煙絲中水分的目的。

1 孫雯，李雪梅，曾曉鷹.煙絲含水率對卷煙燃吸品質、煙氣水分及粒相物揮發性成分的影響［J］.煙草科技，2009（11）：34～39.

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7 何保江，劉強，趙明月.煙草保潤性能測試方法［J］.煙草科技，2009（2）：25～28，45.

8 易錦滿，文俊，楊慶.幾種保潤劑的性能比較［J］煙草科技，2006（4）：9～12.