不同煙草原料物理保潤性能影響因素研究

張峻松　李強　崔凱　霍現寬　侯鵬娟　馬驥　李皓

摘要：為研究不同煙草原料物理保潤性能的差異性，以國內具有代表性的烤煙、薄片、膨脹梗絲、白肋煙、香料煙為研究對象，以含水率測試手套箱法為檢測手段，以Weibull 模型擬合失水過程水分比隨失水時間變化曲線、模型中特征時間參數α值大小，作為物理保潤性能差異性的評價指標.結果表明：

Weibull模型能夠較好地用于表征煙草樣品干燥動力學；

不同部位煙草物理保潤性能順序為：中部>上部>下部；不同品種煙草物理保潤性能順序為：K326>紅大>云煙87；不同類型煙草物理保潤性能順序為：云煙87 C3F>膨脹梗絲>香料煙>薄片>白肋煙；凍干后的煙草樣品比平衡水分樣品物理保潤性能要好.

Abstract：In order to investigate moisture retention of different leaf tobacco materials，the moisture retention of flue＼|cured tobacco， tobacco sheet expanded stem burley tobacco and oriental tobacco were detected by the moisture content testing glove box.With water losing time fitting curve in water losing process by Weibull model and characterization time parameter α as indicators of material mositure retentivity.The results showed that： Weibull model could be well used for characterization of tobacco samples drying dynamics； The moisture retentivity in different stalk positions of tobacco： middle>upper>bottom；The moisture retentivity in different varieties were as follows： K326>Hongda>Yun87；The moisture retentivity in different types of tobacco were as follows： Yun87 C3F>expanded stem >oriental tobacco >tobacco stem >burley tobacco；The material moisture retentivity of freeze＼|dried sample was better than that of the equilibrium sample.

0引言

煙草是一種膠質毛細狀多孔材料，多孔結構決定了煙草結構的孔隙率較高，這為水分凝聚提供了較大的物理空間，對水分有較高的吸附能力.另外，煙草內部還有較多的多糖、果膠、蛋白質等親水基質，可以通過羥基等極性基團與水分子結合[1-4].煙草原料的物理保潤性能是指在不同的環(huán)境條件下，煙草維持自身正常水分含量的能力[5-6].原料保潤性能的優(yōu)劣與卷煙水分散失的速度和多少有密切關系[7].近年來，文獻報道的測試煙草物理保潤性能的方法主要有常規(guī)烘箱法[8-10]、靜態(tài)差量法[11]和硫酸干燥器取樣法[12-13]等，但這些方法一般存在實驗周期較長、步驟繁多、準確度不高等問題.本文擬利用操作簡單、準確度高的煙草含水率測試手套箱法[14-16]測試不同煙草原料的含水率，基于Weibull模型研究失水過程中含水率的變化和失水的快慢程度，探究煙草原料物理保潤性能的影響因素，為進一步提高煙草保潤性能提供理論依據.

1材料與方法

1.1材料與儀器

材料：2013年烤煙，云煙87 B2F，C3F，X2F；紅大 C3F；K326 C3F；云南省農業(yè)科學院提供.造紙法薄片，河南許昌薄片有限公司產.CO2膨脹梗絲，江蘇中煙工業(yè)有限責任公司產.2013年湖北恩施白肋煙B2F，C3F，X2F；重慶白肋煙C3F；新疆香料煙一級；中國煙草總公司鄭州煙草研究院提供.

儀器：HP22-A型溫濕度電子測量儀，瑞士羅卓尼克上海分公司產；101-0型電熱鼓風干燥箱，上海市浦東榮豐科學儀器有限公司產；FD-1A-50冷凍干燥機，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司產；BSA224/BSA124型分析天平，德國Sartorius公司產；QS-2A實驗室煙葉切絲機，鄭州嘉德機電科技有限公司產.

1.2方法

1.2.1樣品制備不同煙草原料分別保存在濕度RH=（60±3）%，溫度T=（22±1） ℃環(huán)境中，平衡48 h，切絲機切絲，寬度為1.0 mm.為制備物理結構差異較大的樣品，將切后樣品分成2等份作如下處理.

1）平衡水分：將樣品置于RH=（60±3）%，溫度T=（22±1） ℃環(huán)境中平衡48 h以上，制得平衡水分樣品a；

2）凍干：調節(jié)樣品濕基含水率，使煙草內部孔隙間充滿水分.冷凍干燥前，低溫冷凍樣品，形成穩(wěn)定的固體骨架，然后置于冷凍干燥機中， -50 ℃條件下處理24 h，樣品呈現疏松、多孔的海綿狀結構，制得凍干樣品b.

1.2.2煙草含水率的測試方法將1.2.1處理后的實驗樣品置于相對濕度RH=（60±3）%，溫度T=（22±1） ℃的環(huán)境中[17]，平衡48 h；然后準確稱取4 g（精確至0.000 1 g）實驗樣品置于煙草含水率測試手套箱中，測定實驗樣品在RH=30%的濕度環(huán)境中煙絲質量隨失水時間的數值變化，每1 min記錄1次，測試周期 4 000 min 以上.采用烘箱法[18]測定實驗樣品干基含水率，最后作出實驗樣品干基含水率隨失水時間的變化曲線.

1.2.3煙草樣品物理保潤性能評價方法

在食品工業(yè)中，國內外研究者提出了水分比MR（Moisture Ratio）的概念[19-21]，用來描述在某一干燥條件下，物料水分殘余量的相對比值，可反應樣品失水的難易程度

MR=Mt-MeMo-Me

式中，Mt為t時刻對應的干基含水率/%，Me為樣品最終干基含水率/%，Mo為樣品初始干基含水率/%.

近年來，基于統(tǒng)計學的 Weibull 分布函數已逐漸應用于建立水果、蔬菜等食品的干燥過程模型，Weibull 分布函數有較好的適用性和兼容性，在熱力學等領域有廣泛應用[22-25].該函數能較好地描述干燥過程中水分遷移過程，擬合精度較高，因此，采用該函數可對物料干燥過程進行動力學描述.Weibull 分布函數為

MR=exp-tα

β

式中，t為失水時間/min；

α為特征時間參數/min；β為失水過程中的形狀參數，與樣品在失水過程中開始階段的速率有關，其值越小表示開始的干燥速率越大.

煙草樣品在t時刻的MR由α和β來進行確定.使用Weibull模型對t和MR進行擬合，得到Weibull模型的各參數值，α表示MR隨失水時間變化的快慢，其值等于MR為e-1時所用的時間，對任意干燥條件，干燥時間t=α時樣品MR約為定值 0.37.因此，Weibull 模型用于描述解濕過程時，其特征時間參數α即為脫除水分達到初始含水率 63%時所需的時間.α值越小，說明樣品MR變化得越快，本研究中使用α值大小評價樣品的物理保潤性能.

2結果與討論

2.1煙草樣品物理保潤性能評價方法的驗證

選取云煙87 C3F-a樣品進行重復實驗，樣品編號為云煙87 C3F-1，云煙87 C3F-2，云煙87 C3F-3，云煙87 C3F-4.使用相對標準偏差RSD（Relative Standard Deviation）

考察基于Weibull 模型對煙草樣品物理保潤性能評價方法的準確性，結果見表1.由表1可知：特征時間參數α值相對標準偏差為1.57%，說明該模型能夠較好地用于表征煙草樣品干燥動力學.

2.2不同煙草原料的物理保潤性能差異性分析

2.2.1不同部位對樣品物理保潤性能的影響

選取云煙87 B2F（上部）、云煙87 C3F（中部）、云煙87 X2F（下部），分析不同部位煙絲物理保潤性能間的差異，煙絲的水分比變化曲線和解濕行為相關指標分別見圖1和表2.

由圖1可知，煙草樣品在失水過程中的前 1 000 min，MR變化范圍較大，之后變化趨于平緩.失水初期，物理作用是水分散失的主要原因，并且煙草的多孔結構為水分的凝集提供了較大的物理空間，散失的幾乎全為自由水，其保潤性能由于物理結構的不同也會有較大的差異.

由表2可知，在解濕過程中，云煙87上、中、下3個部位的煙絲初始干基含水率有較大區(qū)別，中部樣品的初始干基含水率較高，干基含水率變化幅度也最大，平衡時云煙87中部位煙絲的最終干基含水率較大，上部和下部較為接近.由表2中α值對比分析可知：云煙87 C3F-a>云煙87 B2F-a>云煙87 X2F-a，說明煙絲部位不同對煙草物理保潤性能有較大影響，中部煙物理保潤性能較好，下部煙水分散失較快，物理保潤性能較差.

2.2.2不同品種對樣品物理保潤性能的影響

選取曲靖地區(qū)烤煙云煙 87 C3F-a，紅大C3F-a，K326 C3F-a煙絲樣品，比較不同品種煙絲間物理保潤性能的差異，解濕過程水分比變化曲線和解濕行為相關指標見圖2和表3.

由圖2可知，煙草樣品在失水過程的前1 000 min，水分比變化范圍較大，在500 min左右時，水分散失程度出現較大差異，1 000 min后，水分散失程度差異較小.

由表3可知，在失水過程中云煙 87，紅大，K326中部煙絲初始干基含水率有較小差異，K326中部煙絲的初始干基含水率較高，干基含水率變化幅度也較大.

對表3中α值大小對比分析可知，K326 C3F-a>紅大 C3F-a>云煙87 C3F-a，表明K326 C3F-a樣品失水所需時間較長，即煙絲水分擴散較慢，說明K326 C3F-a保潤性能較好，其次是紅大 C3F-a，云煙87 C3F-a物理保潤性能較差，說明煙絲品種對煙草物理保潤性能影響較大.因此，在改善卷煙產品保潤性能時，可考慮通過使用不同品種的煙絲來適當調節(jié)卷煙產品的物理保潤性能.

2.2.3不同類型樣品物理保潤性能分析

烤煙、造紙法薄片、膨脹梗絲、白肋煙、香料煙等不同類型煙草樣品由于各自物理結構及內在化學成分明顯不同[26-32]，其保潤性能也有明顯差異.選取烤煙云煙 87 C3F-a，河南許昌薄片-a，江蘇CO2膨脹梗絲-a，恩施白肋煙C3F-a，新疆香料煙一級-a共5種樣品，解濕過程水分比變化曲線和解濕行為相關指標見圖3和表4.

由圖3可知：不同類型的煙草樣品，其物理保潤性差異較大.樣品開始失水時，失水快慢程度出現較大差異；隨著失水時間的增加，水分比差異增大，在500 min左右時，水分比差異達到最大.之后失水程度逐漸減緩，差異性較小，在2 500 min左右時，失水速率趨于一致.

由表4可知：5種類型煙草樣品的初始干基含水率差異比較明顯，云煙87 C3F-a，江蘇CO2膨脹梗絲-a的初始干基含水率明顯高于其他3種樣品；

云煙87 C3F-a 的平衡干基含水率最大，河南許昌薄片-a最小；在失水過程中，云煙87 C3F-a，江蘇CO2膨脹梗絲-a的干基含水率變化幅度也較大.對表4中α值大小對比分析可知：云煙87 C3F-a的α值最大，即烤煙水分擴散比較慢，具有較好的保潤性能，其次是江蘇CO2膨脹梗絲-a，新疆香料煙一級-a，河南許昌薄片-a，恩施白肋煙C3F-a保潤性能較差.

2.2.4物理結構對樣品物理保潤性能的影響

考察煙草樣品分別用平衡水分和凍干兩種方式處理后保潤性能的差異，處理條件不同，導致物理結構不同，其保潤性能也有明顯的差異.選取云煙87 C3F-a，云煙87 C3F-b，紅大 C3F-a，紅大 C3F-b，K326 C3F-a，K326 C3F-b，重慶白肋煙C3F-a，重慶白肋煙C3F-b，新疆香料煙一級-a，新疆香料煙一級-b樣品，兩種處理方式樣品失水過程中水分比變化曲線見圖4，解濕行為相關指標見表5.

的多少影響較小，但是對失水快慢的影響較大.

利用Weibull模型對失水過程的干燥曲線進行擬合，結果如表6所示.在相同的干燥條件下，凍干樣品的α值均大于對應平衡水分樣品，說明凍干后樣品的水分散失較慢，物理保潤性能有所改善.樣品凍干后復水，由于是多孔疏松結構，毛細管間附著著較多水分，提高了毛細管水分吸附量，因此，凍干后樣品持水能力較好，即物理保潤性能較好.

3結論

本文采用煙草含水率測試手套箱法測試不同煙草樣品物理保潤性能，并分析其差異性，得出如下結論.

1）考察基于Weibull 模型對煙草樣品物理保潤性能評價方法的準確性，特征時間參數α值相對標準偏差為1.57%，說明該模型能夠較好地用于表征煙草樣品干燥動力學.

2）α值大小反映不同卷煙原料物理保潤性能的差異，可得出相同品種的煙草以中部煙的保潤性能最好；不同品種煙草的保潤性能，其大小依次為：K326 >紅大>云煙87；不同類型煙草樣品物理保潤性能大小依次為：烤煙云煙 87>CO2膨脹梗絲>香料煙一級>造紙法薄片>恩施白肋煙；凍干樣品物理保潤性能比平衡水分樣品的物理保潤性能好.參考文獻：

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