微波膨脹梗絲理化特性及煙氣質(zhì)量分析

孔 臻，鄒 泉，陳 冉，趙云川，喬曉輝，李 新，金玉波，何 銳

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001 2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南省玉溪市紅塔大道118號 653100 3.紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠，云南省玉溪市紅塔大道118號 653100

梗絲是卷煙配方的重要成分，與煙絲相比，梗絲具有填充值高、焦油釋放量低、燃燒性能好等特點(diǎn)［1］。傳統(tǒng)的煙梗膨脹方法煙梗膨脹率低、工藝流程長、梗絲可用性較差。微波具有穿透能力強(qiáng)、加熱均勻、熱慣性小、加熱速度快等特點(diǎn)，能夠使煙梗在短時間內(nèi)體積迅速膨脹［2-4］。采用微波膨脹技術(shù)制成的梗絲填充值高，燃燒性好，可以明顯改善卷煙的雜氣、刺激性等不良?xì)庀?，提高卷煙感官質(zhì)量［5-7］。相比于傳統(tǒng)梗絲，微波膨脹梗絲最大的特點(diǎn)是經(jīng)過微波膨脹后，其物理性能發(fā)生較大改變，從而使其填充能力、吸濕解濕性能、形態(tài)結(jié)構(gòu)及梗絲尺寸比例發(fā)生較大改變，同時其燃燒性能的改善也會帶來煙氣質(zhì)量的提升。對微波膨脹梗絲質(zhì)量的研究多集中在微波膨脹工藝、膨脹參數(shù)優(yōu)化及卷煙產(chǎn)品應(yīng)用研究方面［8-13］，對微波膨脹梗絲的結(jié)構(gòu)分布、吸濕解濕性能及煙氣質(zhì)量等方面研究較少。因此，分析微波膨脹梗絲的綜合物理性能及燃燒后的煙氣質(zhì)量，旨在為微波膨脹梗絲的應(yīng)用提供技術(shù)支撐，更好地發(fā)揮其在降本降耗、降焦減害等方面的作用。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備與儀器

2010年玉溪K326中部長梗；“紅梅（黃）”煙用材料：濾棒（長度144 mm）、木漿卷煙紙（定量26 g/m2）、接裝紙：（定量35 g/m2、不通風(fēng)）。

HERAUS-UT12烘箱（德國Thermo Fisher公司）；Portix-B便捷式紅外測溫儀（德國Keller公司）；DVS動態(tài)水分吸附分析儀（英國SMS公司）；PH-YC152煙絲填充值測定儀（廣州潤湖儀器有限公司）；YQ-2煙絲振動分選篩、YQ-32碎絲機(jī)（鄭州煙草研究院）；CH888精密恒溫恒濕箱（澳大利亞Thermoline公司）；AV5170煙支重量分選儀（中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所）；RM200A轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)（德國Borgwaldt KC公司）；HP6890氣相色譜/HP5973質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國Agilent公司）；NexION300X型電感耦合等離子質(zhì)譜儀（美國PE公司）；刮膜式分子蒸餾設(shè)備（美國POPE公司）。

微波膨脹梗絲生產(chǎn)線（自建）、傳統(tǒng)梗絲生產(chǎn)線（自建）、Protos70卷接機(jī)組（德國HAUNI公司）。

1.2 方法

1.2.1 梗絲樣品制備使用2010年玉溪K326中部長梗，分別利用微波膨脹梗絲生產(chǎn)線和傳統(tǒng)梗絲生產(chǎn)線制備梗絲，梗絲不施加料液與表香，生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)見表1、表2。在貯梗絲柜出口等時間間隔進(jìn)行取樣（樣本量n=8），作為梗絲樣品，用于填充值差異分析。

表1 微波膨脹梗絲生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Key technical parameters for the production line of microwave expanded stem

表2 傳統(tǒng)梗絲生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Key technical parameters for the production line of traditional stem

1.2.2 卷制樣品制備

分別使用傳統(tǒng)梗絲、微波膨脹梗絲及“紅梅（黃）”煙用材料按（620±5）mg/支的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在PROTOS-70卷接機(jī)組進(jìn)行卷制，制備兩種樣品。

1.2.3測試方法

1.2.3 .1標(biāo)準(zhǔn)填充值回歸分析

從兩種梗絲中分別隨機(jī)取出4 000 g物料并均分為兩個樣本，將1個樣本（2 000 g）物料自然晾干至含水率為8%～9%時，均分為15份，采用人工加水設(shè)置含水率梯度，密封平衡24 h后測量梗絲的填充值、含水率；將另一個樣本（2 000 g）置入恒溫恒濕箱中，均分為15份，通過調(diào)節(jié)溫濕度將物料含水率平衡至12.0%±0.2%范圍，測量標(biāo)準(zhǔn)填充值；使用Δ填充值（標(biāo)準(zhǔn)填充值與不同含水率梯度下實測填充值的差值）和Δ含水率（實測含水率-12%）進(jìn)行回歸分析，并對回歸方程進(jìn)行顯著性分析。

1.2.3 .2吸濕保濕性能

從兩種梗絲的1個批次中隨機(jī)取出50 g物料，固定溫度25℃，相對濕度由0增加到90%，然后再降低到0的條件下，分析兩種梗絲質(zhì)量變化。

1.2.3 .3梗絲結(jié)構(gòu)

梗絲結(jié)構(gòu)：按照YC/T 178—2003［14］進(jìn)行檢測。

抗造碎性能測試：先利用碎絲機(jī)對微波膨脹梗絲和傳統(tǒng)梗絲進(jìn)行模擬造碎，再按照YC/T 178—2003［14］進(jìn)行梗絲結(jié)構(gòu)檢測，對比分析兩種梗絲的抗造碎性能。

1.2.3 .4致香成分

分別從兩種梗絲中（不施加料液和表香）隨機(jī)取出200 g物料，利用文獻(xiàn)［15］中的方法進(jìn)行致香成分檢測。

1.2.3 .5感官質(zhì)量

將微波膨脹梗絲和傳統(tǒng)梗絲的卷制樣品，置入恒溫恒濕箱中，采用22℃、相對濕度60%條件平衡48 h，按（620±5）mg/支進(jìn)行單支質(zhì)量分選，由11名評吸人員進(jìn)行感官質(zhì)量評價。

1.2.3 .6主流煙氣

將微波膨脹梗絲和傳統(tǒng)梗絲卷制樣品，隨機(jī)分為8組，按GB 5606.5—2005［16］的方法進(jìn)行主流煙氣檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波梗絲與傳統(tǒng)梗絲填充性能分析

2.1.1 回歸分析

兩種類型梗絲12%含水率下的標(biāo)準(zhǔn)填充值測試結(jié)果見表3。不同含水率梯度下兩種類型梗絲的實測含水率及其與標(biāo)準(zhǔn)含水率的差值（Δ含水率）、實測填充值及其與標(biāo)準(zhǔn)填充值差值（Δ填充值）見表4。

由表4可知，微波梗絲Δ填充值y與Δ含水率x的回歸方程為y=0.328 9x-0.336 8，相關(guān)系數(shù)R2=0.983 7，判斷為極顯著；傳統(tǒng)梗絲Δ填充值y與Δ含水率x的回歸方程：y=0.516 9x-0.469 9，相關(guān)系數(shù)R2=0.986 3，判定為極顯著。

2.1.2 傳統(tǒng)梗絲、微波膨脹梗絲填充值差異分析

對微波膨脹梗絲和傳統(tǒng)梗絲的含水率進(jìn)行檢測，并進(jìn)行回歸分析，計算兩種梗絲的標(biāo)準(zhǔn)填充值，結(jié)果見表5。結(jié)果表明，微波膨脹梗絲平均標(biāo)準(zhǔn)填充值為6.06 cm3/g，傳統(tǒng)梗絲平均標(biāo)準(zhǔn)填充值為5.08 cm3/g，填充值提高19.3%，較傳統(tǒng)梗絲，微波膨脹梗絲的填充性能明顯提高。較高的填充性能有利于卷煙配方煙絲的總體填充性，降低煙支質(zhì)量，減少原料消耗。

表3 12%含水率下的標(biāo)準(zhǔn)填充值測試結(jié)果Tab.3 Test results of standard filling value at moisture content of 12%

表4 不同含水率下實測填充值Tab.4 Tested filling values at different moisture contents

表5 梗絲填充值和含水率實測值與標(biāo)準(zhǔn)填充值計算結(jié)果Tab.5 Measured moisture content and filling value and calculated results of standard filling value of stems

2.2 吸濕保濕能力

傳統(tǒng)梗絲和微波膨脹梗絲吸濕、解濕過程動態(tài)曲線見圖1、圖2。試驗結(jié)果表明：①相對濕度在10%～30%區(qū)間，微波膨脹梗絲的吸濕性能優(yōu)于傳統(tǒng)梗絲；相對濕度在30%～70%區(qū)間，兩種梗絲吸濕性能接近；相對濕度70%以上時，傳統(tǒng)梗絲吸濕性能優(yōu)于微波膨脹梗絲。②傳統(tǒng)梗絲的解濕性能優(yōu)于微波膨脹梗絲，相對濕度在0～90%區(qū)間，微波膨脹梗絲解濕狀態(tài)下質(zhì)量變化較傳統(tǒng)梗絲低，說明微波膨脹梗絲保濕性能優(yōu)于傳統(tǒng)梗絲，在相同的保濕要求下，微波膨脹梗絲的環(huán)境濕度設(shè)定值要低于傳統(tǒng)梗絲，有利于能源的節(jié)約和摻配質(zhì)量的控制。

2.3 梗絲結(jié)構(gòu)分析

兩種梗絲在大于3.35 mm、2.50～3.35 mm、1.00～2.50 mm、小于1.00 mm 4個尺寸規(guī)格的占比見圖3。由圖3可知，與傳統(tǒng)梗絲相比，微波膨脹梗絲的結(jié)構(gòu)均勻性較好，主要分布在1.00～2.50 mm區(qū)間（61.4%）和2.50～3.35 mm區(qū)間（33.2%），說明微波膨脹梗絲更有利于混配均勻性的提高。

圖1 梗絲吸濕過程動態(tài)曲線圖Fig.1 Dynamic moisture absorption curve of stems

圖2 梗絲解濕過程動態(tài)曲線圖Fig.2 Dynamic dehumidification curve of stems

圖3 微波膨脹梗絲、傳統(tǒng)梗絲結(jié)構(gòu)分布Fig.3 Structural distribution of microwave expanded stem and traditional stem

兩種梗絲通過碎絲機(jī)后的整絲率、碎絲率變化率測試結(jié)果見表6。由表6可知，經(jīng)碎絲設(shè)備造碎后，微波膨脹梗絲的整絲率下降2.28%，傳統(tǒng)梗絲整絲率下降6.06%；微波膨脹梗絲的碎絲率增加0.26%，傳統(tǒng)梗絲的碎絲率增加0.70%。說明微波膨脹梗絲的耐加工性優(yōu)于傳統(tǒng)梗絲，采用微波膨脹梗絲更有助于降低加工過程中的損耗，提高產(chǎn)品利用率。

表6 兩種梗絲整絲率變化率、碎絲率變化率測試結(jié)果Tab.6 Change rates of long strand percentage and broken strand percentage of microwave expanded stem and traditional stem （%）

2.4 致香成分

微波膨脹梗絲主要致香成分Pareto圖分析見圖4，傳統(tǒng)梗絲主要致香成分Pareto圖分析見圖5。試驗結(jié)果表明：兩種梗絲主要致香成分存在一定差異，微波膨脹梗絲致香成分總量高于傳統(tǒng)梗絲（微波膨脹梗絲108.03 μg/g，傳統(tǒng)梗絲71.95 μg/g），微波膨脹加工方式更有利于煙梗中重要致香成分的保留。

圖4 微波膨脹梗絲主要致香成分Pareto圖Fig.4 Pareto diagram of main aroma components in microwave expanded stem

圖5 傳統(tǒng)梗絲主要致香成分Pareto圖Fig.5 Pareto diagram of main aroma components in traditional stem

2.5 感官特性

傳統(tǒng)梗絲感官評價結(jié)果見表7、微波膨脹梗絲感官評價結(jié)果見表8。由表7和表8可知，傳統(tǒng)梗絲香氣主要是烤香、焦香，木質(zhì)雜氣較重，帶有明顯枯焦氣息，口腔殘留較明顯，有明顯的口腔灼熱感和喉部熱刺感。微波膨脹梗絲香氣以烤甜香、焦甜香、木香為主，一定的清甜香氣為輔，稍帶枯焦氣息和木質(zhì)氣，口腔較干凈，口腔灼熱感和喉部熱刺感較輕。

表7 傳統(tǒng)梗絲感官評價結(jié)果Tab.7 Sensory evaluation results of cigarette smoke with traditional stem （分）

表8 微波膨脹梗絲感官評價結(jié)果Tab.8 Sensory evaluation results of cigarette smoke with microwave expanded stem （分）

感官評價結(jié)果表明，微波膨脹梗絲的總體質(zhì)量水平優(yōu)于傳統(tǒng)梗絲，主要體現(xiàn)在香氣特征與口感特征上，煙氣特征指標(biāo)與傳統(tǒng)梗絲無顯著差異。相較傳統(tǒng)梗絲，微波膨脹梗絲的木質(zhì)雜氣較低，甜韻較突出，口腔干凈程度改善較明顯，刺激較輕，與清甜韻風(fēng)格產(chǎn)品的配伍性較好。

2.6 主流煙氣

傳統(tǒng)梗絲主流煙氣檢測結(jié)果見表9，微波膨脹梗絲主流煙氣檢測結(jié)果見表10。對兩種梗絲卷制樣品的各項主流煙氣指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，抽吸口數(shù)、焦油量、煙堿量、一氧化碳量P值均小于0.05，說明在相同原料以及卷制技術(shù)條件一致的前提下，微波膨脹梗絲的抽吸口數(shù)、焦油、煙堿量、一氧化碳量均與傳統(tǒng)梗絲有顯著差異。相較傳統(tǒng)梗絲，微波膨脹梗絲的抽吸口數(shù)增加約0.91口/支、焦油量降低0.90 mg/支、煙堿量降低0.016 mg/支、一氧化碳量降低2.36 mg/支。

表9 傳統(tǒng)梗絲主流煙氣檢測結(jié)果Tab.9 Routine chemical results of mainstream cigarette smoke of traditional stem

表10 微波膨脹梗絲主流煙氣檢測結(jié)果Tab.10 Routine chemical results of mainstream cigarette smoke of microwave expansion stem

3 結(jié)論

（1）微波膨脹梗絲平均標(biāo)準(zhǔn)填充值為6.06 cm3/g，傳統(tǒng)梗絲平均標(biāo)準(zhǔn)填充值為5.08 cm3/g，填充值提高19.3%。

（2）相對濕度在0～90%區(qū)間，微波膨脹梗絲解濕狀態(tài)下質(zhì)量變化較傳統(tǒng)梗絲低，說明微波膨脹梗絲保濕性能優(yōu)于傳統(tǒng)梗絲，在相同的保濕要求下，微波膨脹梗絲的環(huán)境濕度設(shè)定值要低于傳統(tǒng)梗絲，有利于能源的節(jié)約和摻配質(zhì)量的控制。

（3）微波膨脹梗絲結(jié)構(gòu)主要分布在1.00～2.50 mm區(qū)間（61.4%）和2.50～3.35 mm區(qū)間（33.2%），結(jié)構(gòu)均勻性較好，有利于提高梗絲在卷煙中的分布均勻性。微波膨脹梗絲的耐加工性優(yōu)于傳統(tǒng)梗絲，有利于降低加工過程中的損耗，提高利用率。

（4）微波膨脹梗絲感官質(zhì)量與主要致香成分優(yōu)于傳統(tǒng)梗絲，感官質(zhì)量主要體現(xiàn)在香氣特征與口感特征，微波膨脹梗絲的降焦減害效應(yīng)優(yōu)于傳統(tǒng)梗絲，焦油量降低0.90 mg/支、一氧化碳量降低2.36 mg/支，證明微波膨脹梗絲具有降焦減害、提高感官品質(zhì)的作用。