煙用爆珠強化工藝的研究

杜勃宏，史 霖，楊本剛，翟天瑗，蔡 持

(四川三聯(lián)新材料有限公司，四川 成都 610100)

爆珠卷煙，作為一種近年推出的新穎卷煙產(chǎn)品，由于多種多樣的口味和具有可玩性的特點，面市以來就廣受消費大眾喜愛[1-2]。爆珠，就是嵌入在卷煙濾嘴中的包裹著液態(tài)物質(zhì)的膠囊[3]。卷煙抽吸時，消費者可自主選擇釋放爆珠內(nèi)部物質(zhì)來豐富卷煙口感[4]。爆珠不僅可以提供香味，消除焦油量降低帶來的口味變淡的影響，還能夠在觸覺、視覺、聽覺和味覺等方面給消費者全新的體驗[5-6]。

截至目前，爆珠主要應用在以下方面[7-8]：①增香保香：調(diào)節(jié)煙氣、豐富煙香；②定向釋放：實現(xiàn)香味物質(zhì)、降害材料和保潤物質(zhì)的定向釋放，達到改善抽吸質(zhì)量、降低危害的目的；③增加抽吸時的趣味性：捏破爆珠可以讓消費者同時得到視覺、聽覺、嗅覺上的沖擊；④熄滅煙支或降解濾棒。

現(xiàn)在，煙用爆珠的生產(chǎn)工藝以滴制法為主，膠液、香精通過同心流柱在循環(huán)油中實現(xiàn)包裹，然后憑借自身重力或者脈沖切割裝置進行濕珠分離[9]。除此之外，還有銳孔-凝固浴法、壓制法、冷凍定型法和光固化法等等[7,10]。爆珠生產(chǎn)整體流程較為復雜，包含化膠、滴丸、水洗、干燥、去油、平衡、篩選、檢測等八大工序，各工序具有獨特要求。例如，干燥工序目前選用的多是轉(zhuǎn)籠干燥方式，要求濕爆珠必須具有足夠強度，強度不足的濕爆珠在干燥過程中會發(fā)生破裂，導致整體得率下降，異形產(chǎn)品增多。

本研究擬在滴丸與水洗工序之間增加強化工序，由于同等濃度下乳酸鈣對膠皮的提升效果較氯化鈣要更好[11]，我們采用乳酸鈣溶液對濕爆珠進行強化。強化工序的添加有效提高了濕爆珠強度，減少了干燥工序破損率。為了取得最佳的強化效果，我們對強化工藝進行了系列研究，通過設定不同的強化液濃度、強化時間，研究其強化效果的差異，從而篩選出最佳的強化工藝，為煙用爆珠工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

膠粉(混合物，主要成分為瓊脂、結冷膠)，武漢市昱宸峰科技有限公司；甘油(質(zhì)量分數(shù)99.5%)、乳酸鈣，云南巴菰生物科技有限公司產(chǎn)；芯材，四川三聯(lián)新材料有限公司產(chǎn)；色素(亮藍)，四川祥榮物資有限公司；

304材質(zhì) 150 L 化膠罐、304材質(zhì)搖擺式干燥轉(zhuǎn)籠，云南巴菰生物科技有限公司產(chǎn)；脈沖式無縫滴丸機，武漢市昱宸峰科技有限公司產(chǎn)；ZL23煙用爆珠綜合測試儀，成都瑞拓科技股份有限公司產(chǎn)；場發(fā)射掃描電子顯微鏡，型號為Apreo S HiVac，ThermoFisherScientific(FEI)。

1.2 實驗方法

1.2.1 強化液的配制

將純水與乳酸鈣按照一定質(zhì)量比混合，制備強化液。每組稱取純水 40000 g，加入到不銹鋼桶內(nèi)，然后加入對應量的乳酸鈣，充分攪拌后，配制成乳酸鈣質(zhì)量分數(shù)分別為0.4%、0.6%、0.8%的強化液。

1.2.2 濕爆珠的滴制

爆珠生產(chǎn)工序流程(如圖1所示)：將純水加入到化膠罐中，攪拌升溫至 75 ℃ 后，按照甘油、色素、膠粉的順序進行投料，保持溫度為 80 ℃、攪拌速率 50 r/min，化膠 1.5 h，制備出適用膠液；在同一臺脈沖式無縫滴丸機上，將膠液和芯液按照一定比例滴制成濕爆珠。

圖1 煙用爆珠生產(chǎn)工序流程

1.2.3 煙用爆珠強化工藝中強化液濃度的確定

將滴制的濕爆珠均勻分組，每份 10 kg。將濕爆珠浸泡在純水和質(zhì)量分數(shù)分別為0.4%、0.6%、0.8%的強化液中，強化時間為 60 s。然后經(jīng)水洗、干燥、平衡、篩分后獲得成品爆珠。每組隨機抽取100粒成品爆珠，使用爆珠綜合測試儀測定爆珠的粒徑和壓力值，施壓速度為 25 cm/min，所得數(shù)據(jù)通過origin軟件進行分析處理。

1.2.4 煙用爆珠強化工藝中強化時間的確定

根據(jù)已確定的最佳強化液濃度，進一步研究強化時間對爆珠性能的影響。將滴制的濕爆珠均勻分組，每份 10 kg。將濕爆珠浸泡在一定濃度的強化液中，強化時間為 30 s、60 s、180 s、600 s，然后經(jīng)水洗、干燥、平衡、篩分后獲得成品爆珠。每組隨機抽取100粒成品爆珠，使用爆珠綜合測試儀測定爆珠的粒徑和壓力值，施壓速度為 25 cm/min，所得數(shù)據(jù)通過origin軟件進行分析處理。

1.2.5 掃描電鏡測試

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對四組爆珠樣本進行微觀表面觀測，分別為：①未強化；②0.4%強化液強化 60 s;③0.4%強化液強化 600 s;④0.8%強化液強化 60 s。每組樣本放大120倍、2000倍、10000倍。

2 結果與討論

2.1 強化液不同濃度對煙用爆珠性能的影響

2.1.1 強化液不同濃度對煙用爆珠壓力值的影響

在抽吸時，煙用爆珠需要捏破釋香，其捏破的手感與壓力值直接相關。當爆珠壓力值過高時，爆珠不易捏破，影響抽吸體驗；當爆珠壓力值較低時，加工性較差，容易在后續(xù)的干燥過程，濾棒、卷煙加工過程中破裂，并且在捏破時沒有清脆感。對于已滴制出來的強度較差的濕爆珠，已經(jīng)無法通過膠皮重量來調(diào)節(jié)壓力值，便需要對其強化。本實驗選用純水、0.4%強化液、0.6%強化液、0.8%強化液對濕爆珠進行對應處理，利用爆珠綜合測試儀測試相應的壓力值。結果如圖2。使用強化液進行強化后的爆珠壓力值(圖2中的b、c、d)明顯高于未進行強化的爆珠壓力值，并且爆珠的壓力值隨強化液的濃度增加而先增大后略微減小，這與朱貝貝等人的研究結論相似[12]。這是由于乳酸鈣對爆珠進行強化是通過對膠皮組分中的結冷膠強度提高而實現(xiàn)的。結冷膠和二價離子的凝膠理論認為，結冷膠分子的梭基側鏈由于靜電相互作用而互相排斥，這阻礙了螺旋的緊密聚集，而陽離子的介入能屏蔽靜電排斥作用，一個陽離子連接一對梭基。因此隨著陽離子質(zhì)量分數(shù)的提高，凝膠強度也隨之提高，但過多的陽離子又會阻礙結冷膠雙螺旋結構的有序聚集，減弱凝膠，所以當質(zhì)量分數(shù)超過一定限度，又會使凝膠強度下降[13-15]。在四組數(shù)據(jù)中，0.4%強化液的結果標準差最低(SD=1.733)，壓力均值(14.29N)相比于未強化對照組(13.98N)也有一定的提高。因此結合效果與成本綜合來看，0.4%應該是最適合的強化液質(zhì)量分數(shù)。

(a)未進行強化；(b)使用質(zhì)量分數(shù)為0.4%的強化水強化；(c)使用質(zhì)量分數(shù)為0.6%的強化水強化；(d)使用質(zhì)量分數(shù)為0.8%的強化水強化。圖2 強化液不同濃度對煙用爆珠壓力值的影響

2.1.2 強化液不同濃度對煙用爆珠粒徑的影響

如圖3顯示，當對濕爆珠不采用強化工藝時，粒徑均值為 2.716 mm，標準差為0.079，而使用不同濃度的強化液對濕爆珠進行強化，成品爆珠的粒徑均值及標準差與不強化的對照組差別不大，分為為 2.69 mm(0.4%質(zhì)量分數(shù))、2.70 mm(0.6%質(zhì)量分數(shù))、2.69 mm(0.8%質(zhì)量分數(shù))，并未呈現(xiàn)有明顯的隨強化液濃度變化的規(guī)律。

(a)未進行強化；(b)使用質(zhì)量分數(shù)為0.4%的強化水強化；(c)使用質(zhì)量分數(shù)為0.6%的強化水強化；(d)使用質(zhì)量分數(shù)為0.8%的強化水強化。圖3 強化液不同濃度對煙用爆珠粒徑的影響

2.2 強化時間對煙用爆珠性能的影響

2.2.1 強化時間對煙用爆珠壓力值的影響

結合2.1.1的試驗結果，我們選用質(zhì)量分數(shù)為0.4%的強化液，對五批濕爆珠分別強化 0 s(未強化)、30 s、60 s、180 s、600 s，利用爆珠綜合測試儀測試對應的壓力值。由于強化液為水溶液，所以浸泡時間越長，爆珠膠皮中的色素流失量越多，導致成品爆珠的顏色約淺，但經(jīng)試驗驗證對爆珠性能及使用并無影響。其次，如圖4的結果顯示，當強化時間為 30 s，相比于未強化組(圖2，a)，壓力值已經(jīng)從 13.98 N 提高到 14.23 N，證明強化液確實可以有效提高爆珠壓力值。但是強化 30 s 組，壓力值SD值偏大(2.028)，甚至高于了未強化組(1.837)，這是由于 30 s 時間內(nèi)強化不充分，部分爆珠并未強化，導致壓力值SD值偏大。其次，強化 60 s 后的爆珠的壓力值為 14.29 N，而強化 180 s、強化 600 s 的爆珠壓力值僅略微提高，為 14.37 N、14.40 N。由此看來，在強化液濃度一定下，隨強化時間的增加，強化效果在短時間內(nèi)迅速提升然后趨于飽和。因此，在實際生產(chǎn)中，強化時間應合理控制，以提高生產(chǎn)效率。

(a)強化 30 s；(b)強化 60 s；(c)強化 180 s；(d)強化 600 s。圖4 不同強化時間對煙用爆珠壓力值的影響(0.4%強化液)

2.2.2 強化時間對煙用爆珠粒徑的影響

如圖5顯示，強化時間的差異對于粒徑均值同樣沒有明顯的影響，更加證明強化工藝僅僅調(diào)節(jié)強度等性能，并不會影響爆珠的形態(tài)，不會在外觀形態(tài)上造成負面影響。

(a)強化30 s；(b)強化60 s；(c)強化180 s；(d)強化600 s。圖5 不同強化時間對煙用爆珠粒徑的影響(0.4%強化液)

2.3 強化對煙用爆珠微觀表面的影響

利用掃描電鏡(SEM)對四組爆珠樣本進行觀測，探究強化工藝對爆珠微觀表面的影響。四組樣本分別為未強化爆珠(圖6，a)、0.4%質(zhì)量分數(shù)強化水強化 60 s 后的爆珠(圖6，b)、0.4%質(zhì)量分數(shù)強化水強化 600 s 后的爆珠(圖6，c)、0.8%質(zhì)量分數(shù)強化水強化 60 s 后的爆珠(圖6，d)。圖像顯示，未強化的爆珠表面粗糙不平整，有大量小突起和孔洞，其形成原因一方面應該是膠皮凝固后發(fā)生的不規(guī)則形變，另一方面可能是爆珠在轉(zhuǎn)運、干燥等過程中發(fā)生的破損。而使用0.4%質(zhì)量分數(shù)的強化液強化 60 s 后的爆珠，表面開始變得平整，表面的突起與孔洞明顯減少。當延長強化時間到 600 s 時(圖6，c)，我們發(fā)現(xiàn),表面的平整情況與強化 60 s 的樣本差別不大，證明時間的延長并未使微觀表面進一步變化。而增加強化液質(zhì)量分數(shù)到0.8%時(圖6，d)，同樣強化 60 s，高強化液濃度的爆珠表面更加平整、致密，這恰好驗證了我們2.1.1中高濃度的強化液使得爆珠表面被過度強化成緊密結構，強化效果反而不如較低濃度徹底這一結論。因此，我們認為，強化工藝使得爆珠膠皮強度提高，從而使微觀表面更加致密并不易受轉(zhuǎn)運、干燥等過程影響而產(chǎn)生破損。表面情況也側面驗證了強化時間存在飽和點，從 60 s 延長到 600 s，對于強化效果影響不大，而選用高濃度強化液，則可能使表面過度致密而導致強度降低，反而沒有較低濃度的強化液效果好。

(a)未進行強化；(b)使用質(zhì)量分數(shù)為0.4%的強化液強化 60 s；(c)使用質(zhì)量分數(shù)為0.4%的強化液強化600 s；(d)使用質(zhì)量分數(shù)為0.8%的強化液強化60 s圖6 不同強化工藝處理的爆珠的微觀表面

3 結論

本研究對煙用爆珠強化工藝進行了系列的研究，結果顯示：①乳酸鈣溶液確實可以有效提高煙用爆珠的強度，減少因強度不夠?qū)е碌钠扑榍闆r，提高產(chǎn)品得率；②通過分別研究不同強化液濃度、不同強化時間對于強化效果影響，發(fā)現(xiàn)同一強化液濃度下，強化時間存在飽和點：在強化一定時間后強化效果不再隨時間延長而繼續(xù)提高，并且當強化時間過短時，反而會因為強化不充分造成壓力值SD值變大，結果顯示 60 s 為較合適的強化時間；③增加強化液的濃度可以有效提高強化效果，但是當強化液濃度過高時會導致表面過度強化而使強度降低，結果顯示0.4%為強化液最佳濃度；④當通過掃描電鏡觀察爆珠的微觀表面，結果顯示相比于未強化的爆珠，強化有效減少了表面損傷，強化后爆珠表面更加致密、平整。