不同烟草原料物理保润性能影响因素研究

    张峻松　李强　崔凯　霍现宽　侯鹏娟　马骥　李皓

    摘要：为研究不同烟草原料物理保润性能的差异性，以国内具有代表性的烤烟、薄片、膨胀梗丝、白肋烟、香料烟为研究对象，以含水率测试手套箱法为检测手段，以Weibull 模型拟合失水过程水分比随失水时间变化曲线、模型中特征时间参数α值大小，作为物理保润性能差异性的评价指标.结果表明：

    Weibull模型能够较好地用于表征烟草样品干燥动力学；

    不同部位烟草物理保润性能顺序为：中部>上部>下部；不同品种烟草物理保润性能顺序为：K326>红大>云烟87；不同类型烟草物理保润性能顺序为：云烟87 C3F>膨胀梗丝>香料烟>薄片>白肋烟；冻干后的烟草样品比平衡水分样品物理保润性能要好.

    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

    烟草是一种胶质毛细状多孔材料，多孔结构决定了烟草结构的孔隙率较高，这为水分凝聚提供了较大的物理空间，对水分有较高的吸附能力.另外，烟草内部还有较多的多糖、果胶、蛋白质等亲水基质，可以通过羟基等极性基团与水分子结合[1-4].烟草原料的物理保润性能是指在不同的环境条件下，烟草维持自身正常水分含量的能力[5-6].原料保润性能的优劣与卷烟水分散失的速度和多少有密切关系[7].近年来，文献报道的测试烟草物理保润性能的方法主要有常规烘箱法[8-10]、静态差量法[11]和硫酸干燥器取样法[12-13]等，但这些方法一般存在实验周期较长、步骤繁多、准确度不高等问题.本文拟利用操作简单、准确度高的烟草含水率测试手套箱法[14-16]测试不同烟草原料的含水率，基于Weibull模型研究失水过程中含水率的变化和失水的快慢程度，探究烟草原料物理保润性能的影响因素，为进一步提高烟草保润性能提供理论依据.

    1材料与方法

    1.1材料与仪器

    材料：2013年烤烟，云烟87 B2F，C3F，X2F；红大 C3F；K326 C3F；云南省农业科学院提供.造纸法薄片，河南许昌薄片有限公司产.CO2膨胀梗丝，江苏中烟工业有限责任公司产.2013年湖北恩施白肋烟B2F，C3F，X2F；重庆白肋烟C3F；新疆香料烟一级；中国烟草总公司郑州烟草研究院提供.

    仪器：HP22-A型温湿度电子测量仪，瑞士罗卓尼克上海分公司产；101-0型电热鼓风干燥箱，上海市浦东荣丰科学仪器有限公司产；FD-1A-50冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司产；BSA224/BSA124型分析天平，德国Sartorius公司产；QS-2A实验室烟叶切丝机，郑州嘉德机电科技有限公司产.

    1.2方法

    1.2.1样品制备不同烟草原料分别保存在湿度RH=（60±3）%，温度T=（22±1） ℃环境中，平衡48 h，切丝机切丝，宽度为1.0 mm.为制备物理结构差异较大的样品，将切后样品分成2等份作如下处理.

    1）平衡水分：将样品置于RH=（60±3）%，温度T=（22±1） ℃环境中平衡48 h以上，制得平衡水分样品a；

    2）冻干：调节样品湿基含水率，使烟草内部孔隙间充满水分.冷冻干燥前，低温冷冻样品，形成稳定的固体骨架，然后置于冷冻干燥机中， -50 ℃条件下处理24 h，样品呈现疏松、多孔的海绵状结构，制得冻干样品b.

    1.2.2烟草含水率的测试方法将1.2.1处理后的实验样品置于相对湿度RH=（60±3）%，温度T=（22±1） ℃的环境中[17]，平衡48 h；然后准确称取4 g（精确至0.000 1 g）实验样品置于烟草含水率测试手套箱中，测定实验样品在RH=30%的湿度环境中烟丝质量随失水时间的数值变化，每1 min记录1次，测试周期 4 000 min 以上.采用烘箱法[18]测定实验样品干基含水率，最后作出实验样品干基含水率随失水时间的变化曲线.

    1.2.3烟草样品物理保润性能评价方法

    在食品工业中，国内外研究者提出了水分比MR（Moisture Ratio）的概念[19-21]，用来描述在某一干燥条件下，物料水分残余量的相对比值，可反应样品失水的难易程度

    MR=Mt-MeMo-Me

    式中，Mt为t时刻对应的干基含水率/%，Me为样品最终干基含水率/%，Mo为样品初始干基含水率/%.

    近年来，基于统计学的 Weibull 分布函数已逐渐应用于建立水果、蔬菜等食品的干燥过程模型，Weibull 分布函数有较好的适用性和兼容性，在热力学等领域有广泛应用[22-25].该函数能较好地描述干燥过程中水分迁移过程，拟合精度较高，因此，采用该函数可对物料干燥过程进行动力学描述.Weibull 分布函数为

    MR=exp-tα

    β

    式中，t为失水时间/min；

    α为特征时间参数/min；β为失水过程中的形状参数，与样品在失水过程中开始阶段的速率有关，其值越小表示开始的干燥速率越大.

    烟草样品在t时刻的MR由α和β来进行确定.使用Weibull模型对t和MR进行拟合，得到Weibull模型的各参数值，α表示MR随失水时间变化的快慢，其值等于MR为e-1时所用的时间，对任意干燥条件，干燥时间t=α时样品MR约为定值 0.37.因此，Weibull 模型用于描述解湿过程时，其特征时间参数α即为脱除水分达到初始含水率 63%时所需的时间.α值越小，说明样品MR变化得越快，本研究中使用α值大小评价样品的物理保润性能.

    2结果与讨论

    2.1烟草样品物理保润性能评价方法的验证

    选取云烟87 C3F-a样品进行重复实验，样品编号为云烟87 C3F-1，云烟87 C3F-2，云烟87 C3F-3，云烟87 C3F-4.使用相对标准偏差RSD（Relative Standard Deviation）

    考察基于Weibull 模型对烟草样品物理保润性能评价方法的准确性，结果见表1.由表1可知：特征时间参数α值相对标准偏差为1.57%，说明该模型能够较好地用于表征烟草样品干燥动力学.

    2.2不同烟草原料的物理保润性能差异性分析

    2.2.1不同部位对样品物理保润性能的影响

    选取云烟87 B2F（上部）、云烟87 C3F（中部）、云烟87 X2F（下部），分析不同部位烟丝物理保润性能间的差异，烟丝的水分比变化曲线和解湿行为相关指标分别见图1和表2.

    由图1可知，烟草样品在失水过程中的前 1 000 min，MR变化范围较大，之后变化趋于平缓.失水初期，物理作用是水分散失的主要原因，并且烟草的多孔结构为水分的凝集提供了较大的物理空间，散失的几乎全为自由水，其保润性能由于物理结构的不同也会有较大的差异.

    由表2可知，在解湿过程中，云烟87上、中、下3个部位的烟丝初始干基含水率有较大区别，中部样品的初始干基含水率较高，干基含水率变化幅度也最大，平衡时云烟87中部位烟丝的最终干基含水率较大，上部和下部较为接近.由表2中α值对比分析可知：云烟87 C3F-a>云烟87 B2F-a>云烟87 X2F-a，说明烟丝部位不同对烟草物理保润性能有较大影响，中部烟物理保润性能较好，下部烟水分散失较快，物理保润性能较差.

    2.2.2不同品种对样品物理保润性能的影响

    选取曲靖地区烤烟云烟 87 C3F-a，红大C3F-a，K326 C3F-a烟丝样品，比较不同品种烟丝间物理保润性能的差异，解湿过程水分比变化曲线和解湿行为相关指标见图2和表3.

    由图2可知，烟草样品在失水过程的前1 000 min，水分比变化范围较大，在500 min左右时，水分散失程度出现较大差异，1 000 min后，水分散失程度差异较小.

    由表3可知，在失水过程中云烟 87，红大，K326中部烟丝初始干基含水率有较小差异，K326中部烟丝的初始干基含水率较高，干基含水率变化幅度也较大.

    对表3中α值大小对比分析可知，K326 C3F-a>红大 C3F-a>云烟87 C3F-a，表明K326 C3F-a样品失水所需时间较长，即烟丝水分扩散较慢，说明K326 C3F-a保润性能较好，其次是红大 C3F-a，云烟87 C3F-a物理保润性能较差，说明烟丝品种对烟草物理保润性能影响较大.因此，在改善卷烟产品保润性能时，可考虑通过使用不同品种的烟丝来适当调节卷烟产品的物理保润性能.

    2.2.3不同类型样品物理保润性能分析

    烤烟、造纸法薄片、膨胀梗丝、白肋烟、香料烟等不同类型烟草样品由于各自物理结构及内在化学成分明显不同[26-32]，其保润性能也有明显差异.选取烤烟云烟 87 C3F-a，河南许昌薄片-a，江苏CO2膨胀梗丝-a，恩施白肋烟C3F-a，新疆香料烟一级-a共5种样品，解湿过程水分比变化曲线和解湿行为相关指标见图3和表4.

    由图3可知：不同类型的烟草样品，其物理保润性差异较大.样品开始失水时，失水快慢程度出现较大差异；随着失水时间的增加，水分比差异增大，在500 min左右时，水分比差异达到最大.之后失水程度逐渐减缓，差异性较小，在2 500 min左右时，失水速率趋于一致.

    由表4可知：5种类型烟草样品的初始干基含水率差异比较明显，云烟87 C3F-a，江苏CO2膨胀梗丝-a的初始干基含水率明显高于其他3种样品；

    云烟87 C3F-a 的平衡干基含水率最大，河南许昌薄片-a最小；在失水过程中，云烟87 C3F-a，江苏CO2膨胀梗丝-a的干基含水率变化幅度也较大.对表4中α值大小对比分析可知：云烟87 C3F-a的α值最大，即烤烟水分扩散比较慢，具有较好的保润性能，其次是江苏CO2膨胀梗丝-a，新疆香料烟一级-a，河南许昌薄片-a，恩施白肋烟C3F-a保润性能较差.

    2.2.4物理结构对样品物理保润性能的影响

    考察烟草样品分别用平衡水分和冻干两种方式处理后保润性能的差异，处理条件不同，导致物理结构不同，其保润性能也有明显的差异.选取云烟87 C3F-a，云烟87 C3F-b，红大 C3F-a，红大 C3F-b，K326 C3F-a，K326 C3F-b，重庆白肋烟C3F-a，重庆白肋烟C3F-b，新疆香料烟一级-a，新疆香料烟一级-b样品，两种处理方式样品失水过程中水分比变化曲线见图4，解湿行为相关指标见表5.

    的多少影响较小，但是对失水快慢的影响较大.

    利用Weibull模型对失水过程的干燥曲线进行拟合，结果如表6所示.在相同的干燥条件下，冻干样品的α值均大于对应平衡水分样品，说明冻干后样品的水分散失较慢，物理保润性能有所改善.样品冻干后复水，由于是多孔疏松结构，毛细管间附着着较多水分，提高了毛细管水分吸附量，因此，冻干后样品持水能力较好，即物理保润性能较好.

    3结论

    本文采用烟草含水率测试手套箱法测试不同烟草样品物理保润性能，并分析其差异性，得出如下结论.

    1）考察基于Weibull 模型对烟草样品物理保润性能评价方法的准确性，特征时间参数α值相对标准偏差为1.57%，说明该模型能够较好地用于表征烟草样品干燥动力学.

    2）α值大小反映不同卷烟原料物理保润性能的差异，可得出相同品种的烟草以中部烟的保润性能最好；不同品种烟草的保润性能，其大小依次为：K326 >红大>云烟87；不同类型烟草样品物理保润性能大小依次为：烤烟云烟 87>CO2膨胀梗丝>香料烟一级>造纸法薄片>恩施白肋烟；冻干样品物理保润性能比平衡水分样品的物理保润性能好.参考文献：

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