煙草孔隙結構與其物理保潤性能的關聯性分析

郭華誠 李 強 孫雪平 侯鵬娟

(1. 河南中煙工業有限責任公司，河南 鄭州 450016；2. 紅云紅河煙草〔集團〕有限責任公司紅河卷煙廠，云南 彌勒 652300)

煙草原料的保潤性能對其耐加工性乃至卷煙產品的吸味都有重要影響[1-2]。為減少加工過程中煙草原料的造碎，改善卷煙產品的吸味，國內外學者對煙草原料和卷煙產品的保潤性能進行了大量研究，并取得了較大的進展。Tso等[3]研究發現，煙草中多孔體構成的膠質毛細管以及蛋白質、果膠、水溶性糖、有機鹽類等親水性化合物較多，其吸濕性也較強；康文功等[4]研究發現，煙絲失水量與烷烴含量呈顯著負相關，烷烴含量越高，煙絲水分散失越少，保潤性能越好；樓佳穎等[5]研究發現，膨脹煙絲和薄片經工藝處理后，對水分子的吸附量以及保持力都劣于葉絲；張相輝等[6]研究發現，煙絲石油醚提取物含量與其吸濕、解濕平衡含水率均呈負相關；然而，有關煙草原料保潤性能與其孔隙結構之間的關系研究甚少，試驗旨在通過煙草原料的保潤性能與其微觀孔結構的關聯性分析研究，為降低加工過程中煙草原料造碎提供相關理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

烤煙、香料煙、白肋煙、再造煙葉、膨脹梗絲共計26個試驗樣品：河南中煙工業有限責任公司；

煙草動態含水率監測裝置：INFRALAB710E型，英國NDC公司；

電熱鼓風干燥箱：DHG-9145A型，上海一恒科技有限公司；

電子天平：EL204型，感量0.000 1 g，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

實驗室煙葉切絲機：QS-2A型，鄭州嘉德機電科技有限公司；

壓汞儀：AutoPore IV 9500型，美國麥克儀器公司。

1.2 方法

1.2.1 試驗樣品制備 根據文獻[7]，對26個試驗樣品進行平衡水分處理，經切絲機切絲后(寬度1.0 mm)，再次置于相對濕度(60±3)%，溫度(22±1) ℃恒溫恒濕室中，平衡水分處理48 h。

1.2.2 試驗樣品保潤性能測試 準確稱取4 g(精確至0.000 1 g)煙草樣品于70 mm×40 mm稱量瓶，置于溫度(22±1) ℃、相對濕度為30%的煙草動態含水率監測裝置中，稱量瓶放置在對應編號電子天平上，每60 s記錄1次樣品質量，測試時間4 000 min以上。根據文獻[8]采用烘箱法測定樣品干基含水率，使用水分比(干燥條件下，物料水分殘余量的相對比值)描述失水過程[9-11]，并通過熱力學Weibull模型擬合樣品水分比隨失水時間的變化曲線[12-14]。Weibull模型中α值大小可作為評價樣品物理保潤性能指標[15-16]。水分比按式(1) 計算：

(1)

式中：

MR——水分比；

Mo——初始干基含水率，%；

Me——最終干基含水率，%；

Mt——t時刻干基含水率，%。

Weibull模型公式見式(2)。

(2)

式中：

α——尺度參數；

β——形狀參數；

t——失水時間，min。

Weibull模型中，α值可用于描述水分比隨失水時間變化的快慢程度，取水分比為e-1時所用時間為α值(min)。α值即樣品散失水分過程中，水分散失達到初始含水率63%時所需時間[17-19]，α值越大，樣品水分比變化緩慢，物理保潤性能越好。β值可用來反映失水過程前期水分散失速率的大小，其值越大表示初始干燥速率越小。

1.2.3 試驗樣品孔隙結構測定 采用壓汞儀在137.9～34 475.0 Pa壓力范圍內，提供34.5 Pa的壓力增量，浸潤角為130°，汞表面張力0.48 N/m對試驗樣品孔隙結構進行測定，步驟如下。

(1) 樣品預處理：稱取0.4 g樣品(精確至0.000 1 g)置于樣品室中，通入氬氣進行真空脫氣處理，去除影響測試結果的吸附物質(水分、雜質)，保證汞能有效填充樣品中的微孔。

(2) 膨脹計加載裝樣：樣品預處理后，分析天平稱重，然后置入潔凈、干燥的樣品膨脹計中。

(3) 低壓分析：保持測試環境(20±1) ℃，將載有待測樣品的膨脹計裝載到低壓站上，在0.689 5～137.900 0 Pa壓力范圍內，逐步增加壓力，汞壓入待測樣品孔隙中，壓汞儀實時記錄施壓數值和相應注汞體積，然后進行高壓分析。

(4) 高壓分析：保持測試環境(20±1) ℃，將膨脹計裝載到高壓站，在137.9～413 700.0 Pa壓力范圍內，實時記錄施壓數值和相應的注汞量。

(5) 軟件導出試驗數據，采用PoroWin軟件進行孔隙結構數據的處理。

2 結果與分析

2.1 樣品保潤性能測定結果

由表1可知，除24號樣品的R2最低為0.929，其余25個樣品的決定系數R2>0.980，表明Weibull模型對26個樣品干燥曲線擬合效果良好，能較好地描述干燥過程中水分散失過程。

對不同類型煙草樣品(烤煙、薄片、梗絲、白肋煙、香料煙)的物理保潤性能指標進行方差分析，結果見表2。由表2可知，5類煙草樣品之間，尺度參數和形狀參數均達到極顯著差異，說明不同類型的煙草樣品之間物理保潤性能差異顯著。對不同煙葉樣品Weibull模型的α值和β值進行統計分析發現(表3)，烤煙、白肋煙與香料煙樣品Weibull模型中α值的平均值分別為376，289，288 min，說明白肋煙與香料煙樣品的失水速率要快于烤煙，烤煙的物理保潤性能優于白肋煙和香料煙；烤煙、白肋煙與香料煙樣品Weibull模型中β值的平均值分別為0.935，0.816，0.836，說明白肋煙與香料煙樣品在失水過程前期的失水速率也要高于烤煙樣品。再造煙葉、膨脹梗絲樣品Weibull模型中α值的平均值分別為258，395 min，表明再造煙葉樣品的失水速率高于膨脹梗絲，且再造煙葉樣品的β值小于膨脹梗絲，表明在失水過程前期，再造煙葉樣品的失水速率高于膨脹梗絲。

2.2 孔隙結構測定結果

煙草是毛細管狀的多孔體，通過壓汞法，測定26個煙草樣品的孔隙結構，通過軟件計算，相關孔隙結構物理量測定結果見圖1。以面積基準計算得出的中值孔直徑可用來描述50%孔容積對應的孔徑大小。

表1 煙草樣品的Weibull模型擬合結果Table 1 Weibull model fitting results of tobacco samples

表2 不同類型煙草物理保潤性能的方差分析Table 2 Variance analysis of physical moisture retention property of different types of tobacco

由圖1可知，不同煙草原料間各孔隙結構指標表現出一定的差異性，其中中值孔直徑、平均孔直徑均呈現為：為：薄片>白肋煙>香料煙>膨脹梗絲>烤煙的規律；孔容積呈現：香料煙>膨脹梗絲>白肋煙>薄片>烤煙，且這一趨勢與骨架密度變化呈相反的關系，主要與香料煙、白肋煙組織結構疏松，而烤煙組織結構較為緊密有關。

2.3 煙草的保潤性能與其孔隙結構的相關性

對煙草樣品物理保潤性能與孔隙結構進行相關性分析(表4)，α值與中值孔直徑、平均孔直徑在0.01水平(雙側)上顯著負相關，β值與中值孔直徑在0.01水平(雙側)上顯著負相關，而與平均孔直徑在0.05水平(雙側)上顯著負相關。結果表明煙草中值孔直徑與平均孔直徑較大時，不利于煙葉水分的保持。進一步利用回歸分析探討煙草空隙結構對物理保潤性能的影響(圖2)，發現平均孔直徑與Weibull模型的α值和β值均呈線性負相關，R2分別達到了0.70和0.74，說明隨著煙葉平均孔直徑的增大，煙葉物理保潤性能逐漸減弱，煙草組織結構中富含多孔，平均孔直徑較大，水分子在細胞內、細胞間流動性較高，影響煙草原料對水分的持有能力，其保潤性能較差。

表3 物理保潤性能描述性統計分析Table 3 Descriptive statistical analysis of physical moisture retention property

圖1 不同煙草原料孔隙結構對比Figure 1 Comparison of pore structure of different tobacco raw materials

參數相關性孔容積孔表面積中值孔直徑平均孔直徑容積密度骨架密度孔隙率αPearson相關性-0.418?0.452?-0.647??-0.670??0.431?-0.212-0.472?顯著性(雙側)0.0340.0200.0000.0000.0280.2980.015βPearson相關性-0.127 -0.043 -0.501??-0.439? 0.100 -0.236-0.240 顯著性(雙側)0.5370.8340.0090.0250.6260.2460.238

? **表示在0.01 水平(雙側)上顯著相關；*表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

方形黑點表示測量值，圓形紅色點表示預測值

3 結論

利用煙草動態含水率監測裝置測定煙草物理保潤性能，壓汞法測定煙草孔隙結構，并對物理保潤性能與煙葉孔隙結構的相關性進行分析，得出如下結論：

(1) 白肋煙與香料煙樣品的失水速率要快于烤煙，再造煙葉樣品的失水速率高于膨脹梗絲，梗絲的保潤性能最好，其次是烤煙，而再造煙葉樣品的保潤性能最差；在失水過程前期，白肋煙與香料煙樣品失水速率高于烤煙樣品，再造煙葉樣品的失水速率也要高于膨脹梗絲。

(2) 煙草中值孔直徑與平均孔直徑較大時，不利于水分的保持，并且隨著平均孔直徑的增加，煙葉物理保潤性能逐漸減弱，因此可以考慮在卷煙葉組配方設計和維護時，合理配伍，在不降低卷煙感官品質的基礎上，合理控制煙葉原料中值孔直徑與平均孔直徑的比例，提高煙葉保潤性能，進一步降低卷煙加工過程中的原料造碎。

后續將開展煙草中細胞內自由水和結合水的相互轉化，及轉化后水分散失速率的研究。