魔芋葡甘聚糖保潤劑對煙絲吸濕特性的影響

梁 淼 張 果 劉翠美 李 斌 張 柯 呂 斌

(1.鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，河南 鄭州 450001；2.鄭州輕工業大學材料與化學工程學院，河南 鄭州 450001；3.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001；4.河南省口岸食品檢驗檢測所，河南 鄭州 450003)

作為一種膠體毛細管多孔薄層物料，煙草具有較強的吸濕和解濕特性，而煙草原料的含水率又是影響加工過程中耗損及煙草制品內在質量的重要因素[1]。為提高原料的耐加工性能及吸食品質，卷煙生產過程中常通過施加保潤劑(如甘油、丙二醇、多糖及糖衍生物等)來改善煙草制品的保潤性能[2-3]，保潤劑的施加能夠影響煙草原料化學物質的聚集狀態和表面微結構[4]，從而使原料樣品吸收和脫除水分的能力發生改變，達到增強原料持水能力，減緩原料中水分散失的目的。殷春燕等[5]從原料水分散失動力學的角度比較了甘油和乳酸鉀保潤劑對煙絲內部水分有效擴散系數的影響；郭俊成等[6]采用環境掃描電子顯微鏡技術和恒溫恒濕箱方法，考察了丙三醇、丙二醇、木糖醇、山梨醇等多種保潤劑對煙絲樣品表面微結構及平衡含水率的影響。

近年來，利用中國豐富的植物資源開展植物多糖提取及煙草保潤應用研究，已成為行業科研工作者關注的熱點[7]。本課題組[8]前期考察了金錢草多糖對片煙原料干燥過程的影響規律，提供了從動力學參數的角度理解保潤劑對片煙原料保潤效果的方法。此外，魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)是一種天然水溶性高分子，分子結構中富含羥基和羧基等親水性基團，已被證實具有良好的煙草保潤性能[9]。本試驗擬研究施加了KGM保潤劑煙絲的吸濕特性，采用煙草等溫吸脫附性能檢測裝置考察KGM對不同部位煙絲的水分散失動力學影響，比較部位和溫度對施加KGM煙絲的等溫吸濕—解濕行為的影響，以期為理解添加劑對煙草樣品吸濕特性影響提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

不同部位的復烤片煙：上桔三(B3F)、中桔二(C2F)、下桔三(X3F)，許昌襄縣2014年產，天昌國際煙草有限公司；

魔芋葡甘聚糖：純度≥98%，合肥博美生物科技有限責任公司。

1.2 儀器與設備

恒溫恒濕箱：KNF240型，德國Binder公司；

精密電子天平：AL294型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

鼓風干燥箱：DHG-9145A型，上海一恒科技有限公司；

煙草等溫吸脫附性能檢測裝置：MAD800A型，鄭州煙草研究院。

1.3 試驗方法

1.3.1 煙絲樣品準備 將各等級的復烤片煙回潮后切絲(切絲寬度為1.0 mm)，置于溫度(22±1)℃、相對濕度(60±2)%的恒溫恒濕箱中平衡48 h，取平衡后的煙絲6.0 g 平鋪，采用手持噴霧器向其均勻噴灑0.3 g魔芋葡甘聚糖溶液(質量濃度0.1%)，噴灑過程中及時翻動煙絲，以施加相等質量純水的煙絲樣品為對照。將煙絲樣品置于45 ℃烘箱中使保潤劑得以充分吸收，密封備用。

1.3.2 煙絲失水動力學試驗 設置等溫吸脫附性能檢測裝置腔體溫度(40 ℃)和濕度(RH=10%)，將煙絲放入樣品盤(其中C2F煙絲分別設置溫度25，40，55，70 ℃)，記錄樣品質量的間隔為5 s。樣品與腔體環境達到平衡后調整RH=0%以干燥樣品，得煙絲干基質量md，按式(1)計算煙絲在失水過程中干基含水率[10]。

(1)

式中：

M——干基含水率，%；

mt——t時刻樣品質量，g；

md——樣品干基質量，g。

將干基含水率數據換算為相對含水率(MR)，表征煙絲樣品的干燥狀態，按式(2)計算相對含水率。

(2)

式中：

MR——某一時刻原料中未被干燥去除的水分；

Mt——t時刻原料的干基含水率，%；

Me——平衡干基含水率，%；

M0——初始干基含水率，%。

通過相對含水率隨失水時間的變化曲線，采用食品干燥動力學經驗模型對相對含水率變化曲線進行擬合，計算干燥速率常數，考察魔芋葡甘聚糖保潤劑對不同煙絲樣品失水動力學影響，采用Henderson &Pabis經驗模型，按式(3)計算MR[11]。

(3)

式中：

k——干燥速率常數，s-1；

t——干燥時間，s。

a——干燥模型待定系數；

1.3.3 施加保潤劑煙絲的等溫吸濕—解濕試驗 稱取6.0 g 施加保潤劑的煙絲樣品置于等溫吸脫附裝置的樣品盤上(重復4個樣品，取平均值)，分別設置環境溫度25，40，55，70 ℃，設置增濕程序(RH10%～80%，增幅10%)、解濕程序(RH80%～10%，降幅10%)，記錄樣品質量隨環境溫濕度變化數據，繪制樣品含水率隨相對濕度變化曲線。進一步結合文獻[12-13]，選用DLP經驗模型對施加保潤劑的煙絲等溫吸濕行為進行非線性擬合，模型表達式為式(4)。

Xe=b3x3+b2x2+b1x+b0，

(4)

式中：

Xe——平衡含水率，%，

x=ln[-ln(Aw)]；

b0～b3——模型參數；

Aw——水分活度。

1.4 數據處理

使用Excel 2010和Origin 8.0軟件進行數據處理和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 KGM對不同部位煙絲水分散失動力學的影響

KGM是由葡萄糖和甘露糖聚合而成的雜多糖，具有高分子的網絡結構特征，有較強的吸濕持水能力，有望作為新型煙草保潤劑[9]。由圖1可知，水分比MR隨時間增加不斷降低，且對不同部位的煙絲而言，施加KGM保潤劑均能夠減緩水分散失過程，增強原料的持水能力。一般多糖類保潤劑作用于煙絲吸濕特性可通過兩種途徑：① 滲透進組織結構內部，利用豐富的羥基等基團與水分子形成氫鍵持水；② 在煙草表面成膜以封阻水分的散失。研究中通過對施加KGM前后煙絲的掃描電鏡分析，未見明顯的膜狀材料，且施加的KGM濃度較低，推測KGM主要是通過滲透作用進入煙絲組織內而起到保潤作用。由圖1(d)可知，隨著溫度的升高，煙絲中水分散失的速度加快，由于提高溫度一方面增加了煙草表面的水蒸氣分壓，從而增大了其與空氣中水蒸氣分壓的差值，另一方面升高溫度增加了煙絲與環境對流傳遞的熱量，最終使得煙絲內部水分擴散加快，失水速率增加。

圖1 煙絲樣品的MR隨時間變化曲線Figure 1 Variation curves for MR of cut tobacco samples

進一步采用Lewis、Page、Henderson &Pabis等干燥動力學經驗和半經驗模型對不同條件下的煙絲樣品失水曲線進行非線性擬合，以決定系數R2檢驗模型的適用性，并確定可較好描述煙絲樣品失水動力學的Henderson &Pabis模型。

由表1可知，較高的R2值(均>0.99)表明Henderson &Pabis模型能夠較好地描述不同部位煙絲樣品水分散失動力學行為。不同部位煙絲的干燥速率常數各異，在環境溫濕度相同的條件下，干燥速率常數大小反映了樣品自身的持水能力強弱[14-15]。對于均未添加保潤劑的樣品，X3F表現出最高的干燥速率常數(3.785 0×10-4)，C2F煙絲樣品次之，B3F煙絲最低，表明X3F持水能力最弱，而B3F煙絲樣品持水能力較好，與不同部位煙絲的內部化學成分及組織結構差異有關，下部煙疏松的組織結構及較薄的形態有助于水分的散失，而上部煙較為致密的組織結構和較高的石油醚提取物、總糖等成分是其持水能力強的原因[16]。添加KGM保潤劑后，各部位煙絲樣品的干燥速率常數均不同程度降低，對于B3F、C2F、X3F煙絲樣品，k值分別下降了17.71%，11.68%，7.21%，即等量的KGM對不同部位煙絲具有不同的保潤能力，說明外加保潤劑對煙絲持水能力的增強作用受煙絲樣品與保潤劑相互作用的影響。此外，溫度是影響物料失水動力學行為的重要因素，對于施加了KGM保潤劑的C2F煙絲，隨著環境溫度從25 ℃升高至70 ℃，干燥速率常數增加了1.33倍。

表1 煙絲樣品失水動力學的Henderson &Pabis模型擬合結果Table 1 Fitting results for Henderson &Pabis drying kinetic model of cut tobacco

2.2 施加KGM的C2F煙絲樣品的等溫吸濕—解濕行為

由圖2可知，當相對濕度<20%時，由于環境干燥，煙絲發生一定程度的失水現象，隨相對濕度增加到45%時，煙絲樣品質量緩慢增加，繼續增加相對濕度時，煙絲質量明顯增加。由圖3(a)可知，煙絲吸濕等溫曲線呈現下凹的上行曲線，為III型等溫吸濕線，吸收的水分隨相對濕度增加而遞增，表明存在多層吸附現象[17]。另外，煙絲樣品解濕過程中隨相對濕度不斷降低，含水率逐漸下降，且解吸附曲線與吸濕曲線不重合，存在吸濕滯后現象，為植物或食品等多孔介質吸濕行為的普遍現象。由圖3(b)可知，吸濕滯后程度與相對濕度有關，相對濕度在45%～70%時，吸濕滯后程度明顯，相對濕度較低(<20%)時吸濕滯后現象不明顯，與顧中鑄等[18]報道烤煙煙葉的吸濕現象一致；且保潤劑的添加整體上增強了吸濕滯后現象，根據“有效羥基說”，添加的保潤劑含有可與水分子形成氫鍵的親水性羥基，一方面增加了解濕阻力，另一方面，在吸濕過程中實際上降低了可吸附水分的有效羥基數目，從而使得吸濕滯后現象更加明顯[6]。

由圖4可知，在相同的相對濕度情況下，樣品的吸濕含水率和解濕含水率均隨環境溫度增加呈增加趨勢，尤其是吸濕含水率的增加趨勢更為明顯，說明溫度對吸濕過程的影響更大；同時，各溫度下的樣品均表現出吸濕滯后現象，但吸濕滯后的程度隨溫度增加有減弱趨勢，與木材等多孔植物材料吸濕解吸特性一致[19-20]。試驗結果表明，施加KGM的煙絲樣品隨溫度升高，發生吸濕滯后現象的相對濕度區間不斷減小，同時解濕和吸濕含水率的差值也有下降趨勢，如25 ℃時，在相對濕度為40%～70%時發生顯著的吸濕滯后現象，最大含水率差值超過5%，而溫度升高至70 ℃時，僅在相對濕度為65%～75%時發生一定程度的吸濕滯后現象，最大含水率差值為3%左右。

圖2 施加KGM的C2F煙絲樣品質量和相對濕度隨時間變化曲線Figure 2 Variation curves for the RH and C2F tobacco mass

圖3 KGM保潤劑對C2F煙絲樣品吸濕特性影響Figure 3 Effect of KGM addition on the hygroscopic characteristics of C2F tobacco

圖4 不同溫度下施加KGM的C2F煙絲樣品的等溫吸濕/解濕曲線Figure 4 Effect of temperature on the absorption and desorption behavior for the KGM added tobacco

進一步考察KGM對不同部位煙絲樣品的水分吸濕—解濕影響，由圖5可知，各部位煙絲均呈III型等溫吸濕曲線，表明水分為多層吸附，且解濕過程也都出現了不同程度的滯后現象。下部煙絲吸濕能力最強，其次為中部和上部煙絲，煙絲吸濕量與其組織結構和內部化學成分有關，下部煙絲疏松的組織結構是其吸濕量和解濕量都較大的原因，中部煙絲稍疏松的組織結構和較高的糖等化學成分使其吸濕量也較大，上部煙絲較致密的結構及表面豐富的蠟質成分使其吸濕及解濕速度較慢。另外，不同部位煙絲樣品吸濕滯后程度不一，B3F和C2F吸濕滯后均比X3F明顯。

進一步采用DLP模型對施加KGM的煙絲樣品的吸濕—解濕行為進行非線性擬合，由表2可知，除對施加KGM的上部煙絲擬合結果R2在0.99左右外，其他樣品擬合結果R2>0.995，表明DLP經驗模型在描繪煙草樣品等溫吸濕—解濕行為具有良好的適用性。

圖5 施加KGM的不同部位煙絲樣品的等溫吸濕/解濕行為曲線Figure 5 The isothermal absorption and desorption curves for cut tobacco from different parts of a tobacco plant in the presence of KGM

表2 煙絲樣品等溫吸濕—解濕的DLP經驗模型擬合參數Table 2 Fitting results for the isothermal absorption and desorption behavior by using DLP empirical model

3 結論

采用煙草等溫吸脫附性能檢測裝置考察了KGM對煙絲樣品吸濕—解濕行為的影響，結果表明，KGM可減緩煙絲的水分散失過程，對于B3F、C2F、X3F煙絲樣品，Henderson &Pabis模型的干燥速率常數k分別下降了17.71%，11.68%，7.21%；煙絲吸濕等溫曲線呈III型等溫吸濕—解濕曲線，且KGM保潤劑增強了煙絲的吸濕滯后現象，吸濕滯后行為隨溫度升高有減弱趨勢，下部煙絲吸濕滯后現象弱于中上部煙絲；DLP經驗模型可較好地描述煙絲樣品的等溫吸濕—解濕行為。本研究僅以KGM為例，考察了其對特定產地煙絲的吸濕—解濕行為影響，后續探索常用保潤劑對典型產區煙葉的吸濕—解濕影響規律可為卷煙制絲分組加工及精準加料提供指導。