微波膨脹功率對煙梗質量的影響

李曉 景天 姚二民 劉強 丁美宙

摘要：為研究微波膨脹功率對煙梗質量的影響，采用單因素試驗方法，直觀分析不同微波功率處理前后煙梗外觀質量的變化，并測定煙梗膨脹率、常規化學成分的變化情況；利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，簡稱SEM）觀察不同微波功率處理后膨脹煙梗的切面結構，同時考察不同存放時間對膨脹煙梗膨脹率的影響。結果表明，隨著微波功率的增加，煙梗膨脹率呈線性提高，當微波功率為33 kW時，煙梗膨脹率可達到116%；當微波功率為[JP2]35 kW 時，煙梗膨脹率達到122%，膨脹率雖有所增加，但增加幅度不大，從直觀上看這時大部分煙梗顏色呈現棕黑色，甚至出現焦糊化現象；膨脹煙梗總糖和還原糖含量隨微波功率的增加逐漸降低，下降幅度約10%，煙堿、總氮含量變化不明顯；與原梗相比，經微波處理的煙梗組織結構疏松，間隙孔洞增多增大，髓腔部分出現斷裂破損，且隨微波功率增加，煙梗微觀結構形變程度增強；[JP]微波功率、存放時間對煙梗膨脹率的影響均達到極顯著水平，在外界環境條件基本不變的情況下，膨脹煙梗存放7～10 d膨脹率趨于穩定。綜合來看，當微波功率為30～33 kW時，膨脹煙梗綜合質量較好。

關鍵詞：煙梗；微波膨脹；膨脹率；微觀結構；掃描電子顯微鏡

中圖分類號： TS452文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）03-0141-03

收稿日期：2015-12-17

基金項目：河南中煙科技創新重大專項（編號：ZW2014034）。

作者簡介：李曉（1967—），女，河南南陽人，碩士，教授，主要從事煙草科學教學與研究。E-mail：lixiao6712@126.com。

通信作者：劉強，工程師，主要從事卷煙工藝研究。E-mail：xyhailang@163.com。

煙梗作為煙草植物的產物，來源廣泛，大約占煙草總質量的25%，因它具有改善煙支結構、降低成本和降焦的功能，而被作為卷煙原料的重要組分[1]。傳統工藝制成的梗絲與煙絲相比存在外觀差別大、木質氣味重和刺激性氣味較大等缺點，使煙梗在卷煙中的應用受到了限制[2]。近年來，新興的微波膨脹煙梗技術為煙梗的充分利用提供了新的研究方向，國內外主要是通過研究原料、設備參數和方法來提高膨脹煙梗的品質[3-12]。高銳等研究了煙梗含水率、膨脹時間、膨脹功率與煙梗膨脹率的關系，結果表明，煙梗微波膨脹的最佳條件為膨脹時間 45 s、煙梗含水率20%、微波功率630 W，煙梗膨脹率為 4.24%[6]。李軍等研究表明，煙梗經微波處理后，因具有較高的膨脹率和孔隙率，在陳化和補水回潮的過程中，容易出現體積變化現象，影響顆粒梗產品的物理特性[8]。楊威等分析了微波膨脹處理對煙梗化學成分、主要致香成分和顯微結構的影響[12]。然而，目前對微波膨脹煙梗質量的研究報道較少。為提高煙梗的應用效果，研究不同微波功率對膨脹煙梗膨脹率的影響，以及膨脹后煙梗在不同存放時間下膨脹率的變化情況，旨在優化膨脹煙梗預處理參數，并通過對不同功率處理后膨脹煙梗主要化學成分和顯微結構進行對比分析，為膨脹煙梗的加工處理提供科學依據。

1材料與方法

1.1材料

2014年云南麗江煙梗，由河南中煙許昌卷煙廠提供。

1.2儀器

PL3002電子天平[梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]、DHG-9145A型電熱鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司）；JSM-6490LV掃描電子顯微鏡、離子濺射儀（日本電子株式會社）；微波膨梗機（許昌煙草煙絲廠）；其他：500 mL量筒；500 mL燒杯、石英砂等。

1.3方法

1.3.1樣品的制備

取含水率為18%的云南煙梗，根據尺寸大小進行篩選并分組，對分組后的煙梗進行不同功率（27、30、33、35 kW）的微波處理，其他工序參數完全一致。工藝流程：篩分→定量喂料→2次篩分→增溫干燥→微波膨脹→3次篩分→取樣→測定膨脹率→存放→測定膨脹率。其中篩分為將物料預先分組，篩除梗徑3 mm以下的碎梗，2次、3次篩分為篩除膨脹后碎梗。

1.3.2煙梗膨脹率的測定方法

采用烘箱法測定不同微波功率處理后膨脹煙梗的含水率[13]，根據干物質質量相等的原理，用四分法隨機稱取一定質量的原梗和相應質量的膨脹煙梗。

采用石英砂測體積法測定原梗與不同功率處理后的膨脹煙梗的體積，根據公式：膨脹率=[SX（]V膨-V原V原[SX）]×100%（V膨、V原分別為膨脹后、膨脹前的體積），可得膨脹煙梗的膨脹率。以上方法重復3次取平均值。將處理后的膨脹煙梗在不同存放時間下貯存，重復利用上述方法測定煙梗膨脹率。

1.3.3常規化學成分的測定

總糖、還原糖、總植物堿和總氮含量的測定分別按照煙草行業標準[14-16]規定的方法進行。

1.3.4掃描電子顯微鏡分析

將不同微波功率處理前后的煙梗用刀片分別切取1 mm的薄片后用導電性膠帶固定于樣品臺，經離子濺射儀真空干燥、鉑噴鍍后，用掃描電子顯微鏡（JSM-6490LV）進行觀測，拍攝取圖。測定條件為加速電壓20 kV，二次電子發射距離為10 mm，放大倍數為30～500倍。

2結果與分析

2.1不同微波功率對煙梗膨脹率的影響

分別利用27、30、33、35 kW微波功率對含水率為18%的云南煙梗進行微波膨脹，觀察及測定不同微波功率處理前后煙梗的外觀質量和膨脹率，結果如圖1、圖2所示。

由圖1可見，對比原梗，隨著微波功率的增加，膨脹煙梗的體積明顯增大且顏色逐漸加深，其中微波功率為33 kW處理的煙梗膨脹效果較好，煙梗膨脹率達到116%；當微波功率達到35 kW時，煙梗膨脹率雖有所提高，但變化幅度不大且煙梗整體顏色呈現棕黑色，甚至出現焦糊化現象。這可能是因為隨著微波功率的增加，煙梗表皮組織內部物質發生化學反應，而髓腔部分結構疏松，在高溫條件下，易產生炭化現象。由圖2可知，隨著微波功率的增加，煙梗膨脹率呈現上升的趨勢。這是因為在相同時間內，隨著微波強度增加，煙梗內部自由水的失去速度加快，產生的水蒸氣壓力增加，增強了煙梗膨脹效果。因此，整體而言，當微波功率為30～33 kW時，煙梗膨脹率及外觀質量較好。

2.2不同微波功率對煙梗化學成分的影響

對不同微波功率處理下膨脹煙梗進行化學成分檢測分析，結果如表1所示，單因素方差分析結果見表2。

由表1可知，與原梗相比，膨脹煙梗總糖、還原糖、煙堿和總氮含量均有所下降，其中，膨脹煙梗總糖、還原糖含量隨微波功率的增加逐漸降低，下降幅度分別為9.09%～11.32%、8.56%～10.02%；煙堿和總氮含量之間差異不明顯，變化率差別不大，均低于2.5%。這可能是由于在微波膨脹過程中溫度迅速升高，煙梗內部糖類物質發生焦糖化反應，使糖類物質[CM（25]轉化為致香成分。由表2可知，微波功率對膨脹煙梗化學成分中的總糖和還原糖含量有極顯著影響（P<0.01），對總氮、煙堿影響不顯著。

2.3不同微波功率對煙梗顯微結構的影響

由圖3可以直觀地看出，在35倍電鏡圖片中，與原梗相比，經微波處理的煙梗組織結構疏松，間隙孔洞增多增大，髓腔部分出現斷裂破損，且隨微波功率增加，煙梗微觀結構形變程度增強。煙梗從外到內分別由表皮組織、薄壁組織、維管束組織和髓腔4個部分組成，在薄壁組織與維管束細胞之間還存在明顯的形成層。由此可見，隨著微波功率的增加，不同部位的膨脹程度也不相同。

由圖4～圖6看出，在500倍電鏡下，原梗薄壁組織和髓腔結構緊密，表面皺褶較多，維管束細胞較為分散，間距較大，細胞形狀多為圓形。當微波功率為27 kW時，膨脹煙梗薄壁組織和髓腔中細胞體積增大數倍，內部結構疏松，維管束細胞體積變化不明顯，細胞間隙變小，細胞排布更加整齊有序。當微波功率為30、33 kW時，膨脹煙梗薄壁組織和髓腔中細胞結構出現破損，且隨微波功率的增加，髓腔中細胞體積不斷增大；薄壁組織中細胞體積呈先增大后減小趨勢。這是由于微波膨脹是由內向外擴散的過程，髓腔位于煙梗中心部位，最先受到膨脹，故膨脹效果最明顯；薄壁組織細胞位于表皮細胞與維管束細胞之間，在膨脹過程中細胞間會產生相互擠壓，導致體[CM（25]積減小。維管束細胞體積并無較大改變，仍然保持明顯的空[JP2]洞結構，其中微波功率為30 kW時，維管束組織細胞膨脹效果最好；當微波功率為33 kW時，維管束細胞開始出現破損。

2.4不同存放時間對微波膨脹煙梗膨脹率的影響

將不同微波功率處理后的膨脹煙梗放在自然條件下存放，測定存放不同時間膨脹煙梗膨脹率。

由圖7可知，隨著存放時間的增加，煙梗膨脹率呈現波動趨勢，整體膨脹率有所下降，其中微波功率27 kW處理的煙梗膨脹率在存放過程中穩定性較差，可能是由于微波功率較低，造成煙梗吸收微波較少，煙梗膨脹不完全造成的。而微波功率為30、33 kW處理的煙梗膨脹效果好，在存放過程中穩定性較好，在存放1～6 d煙梗膨脹率波動較大，可能是因為煙梗經高溫膨脹后煙梗組織結構疏松未定型，到7 d之后，存放過程中膨脹煙梗溫度逐漸[CM（25]趨于穩定，膨脹煙梗內部結構逐漸穩定，體積變化波動較小。綜合來看，微波功率為30～33 kW處理的煙梗在存放過程中較為穩定，在外界環境條件基本不變的情況下，膨脹煙梗存放7～10 d以后膨脹率趨于穩定。

采用SPSS 21.0軟件對不同微波功率處理煙梗在不同存放時間下的膨脹率作方差分析，客觀分析各因素對試驗結果影響的重要程度。由表3可知，微波功率、存放時間對煙梗膨脹率的影響均達到極顯著水平，表明微波功率和存放時間對煙梗膨脹率的影響起到重要作用。

3結論

通過對比分析不同微波功率處理后膨脹煙梗的理化性質和顯微結構可知，隨著微波功率的增加，膨脹煙梗的體積明顯增大且顏色逐漸加深，煙梗膨脹率呈線性上升趨勢；由直觀分析可知，微波功率為33 kW時煙梗膨脹效果最好，膨脹率達116%；當微波功率達到35 kW時，煙梗膨脹率達到122%，膨脹率有所提高，但提高幅度不大，從直觀上看這時大部分煙梗顏色呈現棕黑色，甚至出現焦糊化現象，可見當微波功率為30～33kW時，煙梗膨脹率及外觀質量較好。

煙梗經微波膨脹處理后，煙梗中總糖、還原糖、煙堿和總氮含量均有所下降。其中，膨脹煙梗總糖、還原糖含量隨微波功率的增加逐漸降低，下降幅度分別為9.09%～11.32%、856%～10.02%；煙堿和總氮含量變化不明顯。

從煙梗的微觀結構上看，與原梗相比，經微波處理的煙梗組織結構疏松，間隙孔洞增多增大，髓腔部分出現斷裂破損，且隨微波功率增加，煙梗微觀結構形變程度逐漸增強。

微波功率、存放時間對煙梗膨脹率的影響均達到極顯著水平，微波功率為30、33 kW處理的煙梗膨脹效果好，故在存放過程中較為穩定；隨著存放時間的增加，煙梗膨脹率呈現波動趨勢且整體有所下降，在外界環境條件基本不變的情況下，膨脹煙梗存放7～10 d以后膨脹率趨于穩定。

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