低場(chǎng)核磁共振技術(shù)分析不同來源水分在煙絲中的分布狀態(tài)及含水率的研究

郭 磊，蘇加坤，羅娟敏，徐 達(dá)，邵燈寅，蔡繼寶

(江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，江西 南昌 330096)

實(shí)驗(yàn)技術(shù)

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)分析不同來源水分在煙絲中的分布狀態(tài)及含水率的研究

郭 磊，蘇加坤，羅娟敏，徐 達(dá)，邵燈寅，蔡繼寶*

(江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，江西 南昌 330096)

采用低場(chǎng)核磁共振分析技術(shù)(LF-NMR)對(duì)不同來源水處理后的煙絲進(jìn)行分析，研究了不同處理工藝樣品的含水率及水分分布狀態(tài)的變化。結(jié)果表明：水的種類對(duì)烘絲關(guān)鍵工序煙絲水分含量及分布狀態(tài)具有明顯影響。其中反滲透水和磁化水處理的樣品含水率高于自來水處理后的樣品，分別高0.43%和0.72%。得到薄板適宜的加工溫度為140～150 ℃，氣流干燥適宜的加工溫度為180～210 ℃。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)；煙草；水分分布；薄板干燥；氣流干燥

煙草中的水分為自由水、結(jié)合水和吸附水3種，其中自由水主要是毛細(xì)管凝結(jié)水，凝結(jié)在毛細(xì)管和大孔隙中，主要結(jié)合力是毛細(xì)管凝結(jié)力(表面張力)[1]。結(jié)合水主要是在煙葉中與蛋白質(zhì)、纖維素、果膠質(zhì)等成分通過氫鍵結(jié)合的水分，包括膠體滲透作用和晶體潮解作用結(jié)合的水，其主要結(jié)合力是氫鍵。由于主要水(自由水)在位置上遠(yuǎn)離非水組分，可自由移動(dòng)，因而易從煙草中散失；而結(jié)合水則存在于蛋白質(zhì)、纖維素、果膠質(zhì)等成分中，靠氫鍵作用結(jié)合，不易自由移動(dòng)，不易散失。次要水1(吸附水)處于主要水(自由水)和次要水2(結(jié)合水)之間，受加工工藝的影響較大，高強(qiáng)度的加工(如高溫氣流干燥)較易使該部分水逸失。

利用傳統(tǒng)烘箱法得到的煙草含水率，僅能表征出煙草總的含水率，無法對(duì)煙草中不同狀態(tài)的水進(jìn)行測(cè)定，此外，烘箱法耗時(shí)較長(zhǎng)，一般需要2 h以上才能完成含水率的測(cè)定[2]。近年來，隨著核磁共振技術(shù)(NMR)，尤其是低場(chǎng)核磁技術(shù)(LF-NMR)的不斷發(fā)展和成熟，以自身具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如對(duì)樣品具有非破壞性和非侵入性，無污染，測(cè)量迅速、準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，使其在食品等諸多科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-9]。目前，低場(chǎng)核磁技術(shù)(LF-NMR)測(cè)定煙草中的水分含量及其分布狀態(tài)的研究還處于起步階段，相關(guān)的研究多依據(jù)T2弛豫時(shí)間來反映煙絲中水分的分布狀態(tài)[10-12]。

烘絲是卷煙加工過程中的一道關(guān)鍵工序[13]，烘絲前后煙絲的含水率變化約為10%，是卷煙加工過程中水分含量變化最大的工序[14]。目前在烘絲過程中，卷煙加工企業(yè)普遍使用薄板干燥和氣流干燥兩種烘絲方法來干燥煙絲，使煙絲滿足相關(guān)工藝的要求[15]。本研究對(duì)分別添加自來水、礦泉水、蒸餾水、磁化水、反滲透水共5種水的煙絲，在烘絲關(guān)鍵工序中，經(jīng)不同溫度下薄板干燥和氣流干燥兩種烘絲方法處理后，采用低場(chǎng)核磁技術(shù)分析煙絲的水分含量及其分布狀態(tài)的變化，得到更適合用于烘絲工序的水以及分別較適合用于薄板干燥和氣流干燥兩種烘絲方法的烘絲溫度，為烘絲關(guān)鍵加工工序提供了一定的技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑與儀器

煙絲(云南宣威把選C2F，2014)，礦泉水(廣東鼎湖山泉)，蒸餾水(廣州屈臣氏)，自來水，磁化水4600GS，反滲透水(美國(guó)陶氏TW30-1812-50，過濾精度0.000 1 μm)。 標(biāo)準(zhǔn)水樣(瑞士羅卓尼克)。

PQ001，紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)，探頭直徑25 mm，共振頻率21 MHz，磁體溫度為32±0.01 ℃；實(shí)驗(yàn)型滾筒烘絲機(jī)(廣州秘理普植物技術(shù)開發(fā)有限公司)；實(shí)驗(yàn)室小型高溫氣流葉絲干燥機(jī)(廣州秘理普植物技術(shù)開發(fā)有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品處理 選取同一品種等級(jí)煙絲，稱量5份煙絲樣品，每份500 g，分別噴加自來水(Tap.)、礦泉水(Min.)、蒸餾水(Dis.)、磁化水(Mag.)、反滲透水(Rev.)。每個(gè)樣品施加的水量為樣品重量的4%。2 h后，利用實(shí)驗(yàn)型滾筒烘絲機(jī)和實(shí)驗(yàn)室小型高溫氣流葉絲干燥機(jī)來模擬煙絲的薄板干燥和高溫氣流干燥兩種烘絲方法，通過調(diào)節(jié)風(fēng)速、加熱溫度、蒸汽大小和產(chǎn)生蒸汽的不同種類的水得到煙絲樣品。實(shí)驗(yàn)型滾筒烘絲機(jī)(KLK)分別以120，130，140，150，160 ℃干燥處理，氣流干燥(HXD)分別以160，170，180，190，200，210，220 ℃干燥處理。

1.2.2 測(cè)試方法 稱量3 g左右處理后的煙絲，放入25 mm探頭線圈內(nèi)，采用弛豫時(shí)間(CPMG)脈沖序列測(cè)定煙絲的橫向弛豫時(shí)間T2信號(hào)，通過T2反演數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果，得到煙絲中水分分布狀態(tài)。測(cè)試條件：P90(μs)=5.6，P180(μs)=10.6，SW(kHz)=200，RFD(ms)=0.02，TR(ms)=1 000，RG1=30，RG2=3，NS=32，TE(μs)=200，NECH=4 000。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙絲水分分布狀態(tài)測(cè)試結(jié)果

經(jīng)不同系列的各個(gè)煙草樣品T2譜如圖1所示，結(jié)果表明：不同系列的煙草水分含量差別較大，同系列不同工藝條件處理后煙絲的水分含量也有明顯差異；添加不同種類水的樣品，經(jīng)過工藝處理后，其弛豫時(shí)間差別不明顯；不同工藝處理后樣品的主要水信號(hào)幅度均呈現(xiàn)出較大變化，次要水1和次要水2的信號(hào)幅度波動(dòng)區(qū)間較小；通過對(duì)比，反滲透水和磁化水的樣品，其A21峰的比例普遍大于添加其他種類水的樣品。

利用低場(chǎng)核磁共振CPMG脈沖序列的方法對(duì)煙絲中水的質(zhì)子的T2分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)煙絲中的水分以3種狀態(tài)存在：自由水的T2值介于0.1～1 ms之間，該部分水對(duì)樣品含水率的變化最為敏感，可能是吸附在煙絲中毛細(xì)管或煙絲孔隙中的水分；吸附水的T2值在1～10 ms之間，該部分水的含量基本不受樣品含水率的影響，可能是與煙絲中糖類、果膠等大分子化合物通過分子間氫鍵緊密結(jié)合的水；結(jié)合水的T2值在10～100 ms之間，該部分水的量隨樣品含水率的增加而呈小幅度的增加，它可能與煙絲中糖類、果膠等大分子化合物之間存在比較弱的相互作用。煙草中的T2波譜大致可分為3個(gè)范圍：將弛豫時(shí)間在0.01～1 ms的峰定義為T21,即煙草中主要水；弛豫時(shí)間在1～10 ms的峰定義為T22，為煙草中次要水1；次要水2的出峰時(shí)間在10～100 ms之間，因此該區(qū)域的峰為T23。

2.2 煙絲水分含量測(cè)試結(jié)果

2.2.1 含水率標(biāo)線的繪制 使用核磁共振分析軟件對(duì)配制的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行含水率的定標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)樣品的含水率分別為10%,35%,50%,65%和80%，得到水質(zhì)量與相應(yīng)水信號(hào)量的關(guān)系曲線，以水的質(zhì)量(x)為橫坐標(biāo)，水的信號(hào)面積幅度(y)為縱坐標(biāo)，得到方程：y=529 884x+166 396,r2=0.981；為了防止樣品在空氣中的吸潮問題，用聚四氟乙烯密閉保存樣本，均取樣品的第一次測(cè)試結(jié)果。

圖1 添加不同種類水的煙絲水分分布狀態(tài)圖Fig.1 Diagram of pipe tobacco moisture distribution with different kinds of water

2.2.2 測(cè)試結(jié)果 采集自來水(Tap)、礦泉水(Min)、蒸餾水(Dis)、磁化水(Mag)、反滲透水(Rev)5種樣品的信號(hào)量，代入已知標(biāo)線，計(jì)算出“1.2.1”樣品處理中所述各樣品的含水率，包括：總含水率(Total water content)、主要水含水率(Main water content)、次要水1含水率(Secondary water 1#)、次要水2含水率(Secondary water 2#)。結(jié)果如表1～2所示。

表1 煙絲含水率變化表Table 1 Changes of tobacco moisture content

表2 煙絲含水率變化表Table 2 Changes of tobacco moisture content

結(jié)果表明：①不同工藝的總含水率變化如圖1所示，可以看出，添加不同種類水處理后的樣品，其含水率均不同程度地呈現(xiàn)出優(yōu)于自來水的情況，其中以添加反滲透水和磁化水后總含水率的表現(xiàn)最為明顯。樣品的自來水含水率為14.97%，反滲透水的含水率為15.54%，磁化水的含水率為15.69%；②通過對(duì)比總含水率和主要水含水率變化(表1)，可以看出兩者之間的變化趨勢(shì)較為一致，主要水的含量是影響樣品的主要因素；③通過與添加自來水的樣品對(duì)比可以看出，薄板干燥工藝溫度在120～150 ℃之間，添加磁化水和反滲透水較為適宜；④通過與添加自來水的樣品對(duì)比可以看出，氣流干燥工藝溫度在180～210 ℃之間，氣流干燥工藝經(jīng)過磁化水和反滲透水處理的樣品均不同程度地優(yōu)于自來水。

3 結(jié) 論

本文通過使用不同的水對(duì)煙絲進(jìn)行關(guān)鍵工藝處理，并采用低場(chǎng)核磁共振(LF-NMR)技術(shù)檢測(cè)了煙草中的水分含量及分布狀態(tài)，研究了水分在煙草中存在狀態(tài)的調(diào)節(jié)手段，以尋找提高卷煙持水能力的途徑。通過研究發(fā)現(xiàn)，工藝處理后樣品的主要水信號(hào)幅度均呈現(xiàn)出較大的變化，次要水1和次要水2的信號(hào)幅度波動(dòng)區(qū)間較小，其中主要水的含量是影響樣品總含水量的主要因素；添加不同種類水處理后的樣品，其含水率均不同程度地呈現(xiàn)出優(yōu)于自來水的情況，其中以添加反滲透水和磁化水后總含水率最為明顯；通過與添加自來水的樣品對(duì)比可以看出，薄板干燥工藝溫度在120～150 ℃之間，添加磁化水和反滲透水較為適宜；氣流干燥工藝溫度在180～210 ℃之間且經(jīng)過磁化水和反滲透水處理的樣品,其主要水含水率優(yōu)于自來水處理的樣品。

研究顯示，樣品的平均含水率為14.97%，反滲透水的含水率為15.54%，磁化水的含水率為15.69%，表明使用磁化水和反滲透水可以一定程度地提高樣品的含水率。水在煙草加工過程中有著至關(guān)重要的影響，對(duì)于增香保潤(rùn)、中式卷煙的特色加工工藝起著關(guān)鍵性的基礎(chǔ)作用。綜上所述，本文研究了添加不同種類水后經(jīng)工藝處理，煙絲樣品水分含量及分布的變化規(guī)律，從而為煙草工藝加工、保潤(rùn)等提供了理論參考。

[1] Han F G.TobaccoChemistry.2nded.Beijing：China Agriculture Press(韓富根.煙草化學(xué).2版.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社)，2010：45.

[2] Liang G H，Liu B Z，Zhu Z L，Kong J L，Qu Y S.ActaTabacariaSin.(梁國(guó)海，劉百戰(zhàn)，朱仲良，孔繼烈，瞿永生.中國(guó)煙草學(xué)報(bào))，2014,20(5):6-11.

[3] Wu Y Z，Liu B L，F(xiàn)an H T.FoodSci.(吳酉芝，劉寶林，樊海濤.食品科學(xué))，2012,33(13):21-25.

[4] Merela M，Oven P，Ser?a I .Holzforschung，2009，63(3):348-351.

[5] Zhou N，Liu B L，Wang X.Sci.Technol.FoodInd.(周凝，劉寶林，王欣.食品工業(yè)科技)，2011，32(1)：325-329.[6] Damez J L，Clerjon S.MeatSci.，2013，95(4)：879-896.

[7] Xu J G，Xu G，Zhang X K.Trans.Chin.Agric.Eng.(徐建國(guó)，徐剛，張緒坤.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào))，2013，29(12):271-276.[8] Xia T L，Liu D Y，Xu X L.FoodSci.(夏天蘭，劉登勇，徐幸蓮.食品科學(xué))，2011,21(32):253-256.

[9] Wang X L，Wu J，Tan M Q.J.Instrum.Anal.(王曉玲，吳晶，譚明乾.分析測(cè)試學(xué)報(bào))，2015,34(7):789-794.[10] Han D.StudyofTheMoistureAdsorptionMechanismofTobacco.Wuxi：Jiangnan University( 韓聃.卷煙吸濕規(guī)律及機(jī)制研究.無錫：江南大學(xué))，2014：11-15.

[11] Han D，Tian Z F，Wang H S，Zhang X M.FoodandMachinery(韓聃，田兆福，王宏生，張曉鳴.食品與機(jī)械),2015,31(4):14-18.

[12] Zhengzhou Tobacco Research Institute，Henan ZhongYan Industrial Co.，Ltd..China Patent，201410083463.9.

[13] Wang Y H，Han G S.J.BeijingUniv.Technol.(王艷紅，韓光勝．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào))，2000，26(4):90-95.

[14] Ye C W，Dai Y S，Peng L M.Yunnan Tobacco Institute of 2005 Academic Essays(葉春文，戴永生，彭黎明.云南省煙草學(xué)會(huì)2005年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集)，2005:118-122.

[15] Ren Z Y，Yan X P，F(xiàn)ang W G，Xia M D，Hu R G.TobaccoSci.Technol.(任正云，晏小平，方維崗,夏明東，胡如高．煙草科技)，2005，(6)：10-15.

Study on Different Kinds of Water Distribution and Moisture Content in Tobacco by LF-NMR Technique

GUO Lei，SU Jia-kun，LUO Juan-min，XU Da，SHAO Deng-yin，CAI Ji-bao*

(Research and Development Centre of China Tobacco Jiangxi Industrial Co.Ltd.，Nanchang 330096，China)

The pipe tobacco processed with different kinds of water was analysed by low field nuclear magnetic resonance(LF-NMR) technique.The moisture content and changes of water distribution in the samples treated by different processes were studied in detail.The study result showed that the water species has a significant influence on the pipe tobacco processed by moisture content and its distribution.The total moisture contents of the samples treated with reverse osmosis water and magnetized water are generally 0.43% and 0.72% higher than that with tap water,respectively.The appropriate KLK processing temperature is in the range of 140-150 ℃，and the appropriate HXD processing temperature is 180-210 ℃.

LF-NMR；tobacco；water distribution；KLK；HXD

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.03.020

2016-09-27；

2016-11-21

江西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(“贛煙工科技2013-08”)

O482.532；F768.29

A

1004-4957(2017)03-0409-05

*通訊作者：蔡繼寶，博士，研究員，研究方向：煙草化學(xué)，Tel:0791-8350276，E-mail：jbcai@ustc.edu.cn