不同尺寸和结构的烟梗吸湿特性及其成因.pdf

引文格式：江威,郭中雅,卢浥良,等.不同尺寸和结构的烟梗吸湿特性及其成因J.云南农业大学学报(自然科学),2024,39(1):184190.DOI:10.12101/j.issn.1004-390X(n).202212004不同尺寸和结构的烟梗吸湿特性及其成因*江威1，郭中雅1，卢浥良1，陈然1*，徐培刚1，程棉昌1，王智润1，李斌2(1.广东中烟工业有限责任公司技术中心，广东广州510145；2.中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南郑州450001)摘要:【目的】研究细梗、中等梗、拐头的吸湿特性及其成因，以优化不同尺寸和结构的烟梗分组加工技术。【方法】采用自主研制的烟梗热湿特性分析装置考察 3 种烟梗的吸湿特性，使用扫描电镜观测样品表皮和梗横断面的微观结构，利用连续流动分析仪检测烟梗的化学组成。【结果】细梗、中等梗、拐头吸湿能力依次降低，随着空气湿度的增大，吸湿速率和平衡含水率增大，其吸湿曲线符合 Weibull模型。细梗、中等梗、拐头表皮的气孔数量依次减少；中等梗和细梗横断面的气孔明显大于拐头的气孔。细梗、中等梗、拐头的总糖、还原糖和总植物碱含量依次减少，蛋白质含量依次增加。【结论】细梗、中等梗、拐头的吸湿速率与其孔隙发达程度正相关，且吸湿速率随着空气湿度的增大而增大；拐头、中等梗、细梗的平衡含水率依次增大，原因是其总糖(或还原糖)含量依次增大，提供了更多的水分吸附位点。不同尺寸和结构烟梗的吸湿特性差异明显，有必要按照尺寸和结构对烟梗进行分组加工。关键词:烟梗；吸湿特性及成因；烟梗结构；化学组成；Weibull 模型中图分类号:S572.01文献标志码:A文章编号:1004390X(2024)01018407Moisture Absorption Characteristics and Causes of TobaccoStem with Different Sizes and StructuresJIANGWei1，GUOZhongya1，LUYiliang1，CHENRan1，XUPeigang1，CHENGMianchang1，WANGZhirun1，LIBin2(1.TechnologyCenter,ChinaTobaccoGuangdongIndustrialCo.,Ltd.,Guangzhou510145,China;2.ZhengzhouTobaccoResearchInstituteofChinaTobacco,Zhengzhou450001,China)Abstract:PurposeTostudythemoistureabsorptioncharacteristicsofslimstem,mediumstem,andstalkepidemisflap,soastooptimizethegroupingprocessingtechnologyoftobaccostemwithdifferentsizesandstructures.MethodsThemoistureabsorptioncharacteristicsofthreetypesofstemweretestedwithaself-madedeviceforanalyzingheatandmoisturecharacteristicsoftobaccostem,themicrostructureoftheepidermisandcross-sectionofthestemswereobservedwithascan-ningelectronmicroscope,andthechemicalcompositionoftobaccostemwasdetectedbycontinuousflowanalyzer.ResultsThemoistureabsorptioncapacityofslimstem,mediumstemandstalkepidemisflapdecreasedinturn.Withtheincreaseofairhumidity,themoistureabsorptionrateandtheequilibriummoisturecontentincreased.Themoistureabsorptioncurvecouldbeeffectivelyfittedby收稿日期：2022-12-06修回日期：2024-02-21网络首发日期：2024-03-22*基金项目：广东中烟工业有限责任公司科技项目(粤烟工科任 2017-22 号)。作者简介：江威(1981)，男，湖北武汉人，硕士，高级工程师，主要从事卷烟工艺研究。E-mail：*通信作者 Correspondingauthor：陈然(1988)，男，河北张家口人，硕士，工程师，主要从事卷烟工艺研究。E-mail：网络首发地址：https:/ stem;moisture adsorption characteristics and causes;tobacco stem structure;chemicalcomposition;Weibullmodel梗丝具有成本低和填充值高的优点，可显著降低卷烟产品烟气的焦油量，广泛应用于卷烟行业产品配方1-4。但目前成品梗丝的质量普遍存在梗粒和梗签多、梗丝形状尺寸不均匀等问题5-11，其原因与烟梗原料中含有大量拐头和细碎梗直接相关12-14。这些不同尺寸和结构的烟梗物理或化学特性不同，影响其吸湿行为，导致加工质量差异较大15-16。烟草原料吸湿特性的影响因素主要包括物理结构以及表面化学成分的分布。韩聃等17采用扫描电子显微镜表征烟丝微观结构，并对其吸湿机制进行了深入研究，结果表明：烟丝对水的吸附以毛细管吸附为主，不同烟丝吸水特性的差异主要与其表面气孔数量以及细胞间结合的紧密程度有关。戴明等18使用高倍显微镜观察了烟梗的横断面组织结构，认为烟梗的吸水性可能与髓腔、导管等结构有关。周冰等19利用 Weibull 模型的尺度参数()评价烟丝的物理保润性能，郭华诚等20也依据烟草失水行为分析了 Weibull 模型参数与烟草孔隙结构的相关性，研究表明：和形状参数()均与其微孔平均直径显著负相关，烟草样品的保润性能均与其微孔的平均直径显著负相关，此外，可以反映水分与吸附剂之间的结合作用力21-22，其与烟梗的表面化学成分也有一定关系。细碎梗是烟叶的叶脉部位，中等梗大部分来自烟叶的叶柄，拐头是烟叶与茎的连接部位，烟梗所属部位或位置差异是影响其化学成分的重要因素15。不同部位的烟梗总植物碱、木质素和果胶含量以及巴豆醛释放量存在极显著差异，蛋白质含量存在显著差异；同一烟叶的烟梗，从梗基到梗尖，其各单项挥发性化学物质含量均存在显著差异14。此外，不同地区、不同等级烟梗的化学成分(如总糖、总氮、烟碱等)分布也存在明显差异23。其中，糖类物质常作为保湿剂广泛用于护肤品24，其吸湿能力与甘油接近，因此，烟梗中糖类的分布差异或许是导致烟梗不同吸湿特性的主要因素之一。然而，化学组成差异影响的烟梗吸湿机制尚不明晰，其与拟合模型的相关性分析尚未见报道。烟梗吸湿特性是决定其耐加工性能的关键参数，本研究结合模型参数与烟梗物理结构、化学组成的相关性深入分析细梗、中等梗与拐头的吸湿特性及成因，以期为细梗、中等梗和拐头的分组加工提供技术支撑。1 材料与方法1.1材料与设备供试材料为 2017 年韶关烟梗；仪器与设备包括 HitachiS-3700N 台式扫描电镜、BT25S 电子天平(德国赛多利斯科学仪器有限公司)、自制实验型筛梗机和自制烟梗热湿特性分析装置。1.2试验方法1.2.1样品制备采用自主研制的实验型筛梗机(图 1)进行筛梗，该筛梗机通过控制插入固定圈的钢条数量来设置钢条间的间隙，滚筒转速可在 020r/min 范围内调节和设定。烟梗样品从料斗倒入转筒，先将钢条间隙设置为 16mm，分离出直径 16mm 以第1期江威，等：不同尺寸和结构的烟梗吸湿特性及其成因185上的拐头；再将钢条间隙设置为 3mm，分离出直径 3mm 以下的细梗和直径 316mm 的中等梗。样品经筛分后，得到细梗、中等梗和拐头的占比分别为 21.5%、68.3%和 10.2%。1.2.2不同尺寸和结构烟梗吸湿特性的检测采用自主研制的烟梗热湿特性分析装置(图 2)检测拐头、中等梗、细梗的吸湿能力。该装置的工作原理是25：空气通过风机进入送风管道，依次经过加热器加热和蒸汽混合后进入到钢筒；钢筒的筒壁有加热套进行加热保温，筒内装有温湿度计检测空气温度和湿度，空气温度通过筒壁的加热套和热风加热器联动调节，空气湿度通过控制空气流量和蒸汽流量的比例调节；烟梗样品放置在筛网式样品放置盒，样品放置盒与重量控制系统通过连杆连接，以实时测量烟梗样品的质量。该装置已成功应用于检测片烟增湿过程的水分迁移以及建立干燥薄层动力学模型的相关研究中，其结果准确可靠26。广州卷烟厂膨胀梗丝生产过程的第 1 步需将烟梗用回潮筒增温增湿，使烟梗干基含水率增加至约 8.6%，此过程中筒内的湿热气体温度设置至 80。为研究该增温增湿过程中不同尺寸和123456789注：1 和 8.料斗；2.钢条；3.固定圈；4.钢条插孔；5.转轴；6.皮带；7.电机；9.出料滑板。Note:1and8.hopper;2.steelbar;3.fixedring;4.steelbarjack;5.rotat-ingshaft;6.belt;7.motor;9.dischargeslidingplate.图 1 自制实验型筛梗机结构示意图Fig.1Diagramofstructureofself-madeexperimentalstemscreeningmachine231456872120181917161312119101415b)a)注：1.风机；2.蒸汽发生器；3.文丘里流量计；4.电加热器；5.蒸汽阀门；6.热风和蒸汽混合箱；7.混合气入口；8.筒夹持器；9.温湿度仪；10.钢筒；11.接触式温度仪；12.筛网式样品放置盒；13.电加热套；14.重量采集系统；15.计算机数据采集系统；16.混合气出口；17.导轨；18.气缸推进装置；19.滑块；20.固定座。Note:1.fan;2.steamgenerator;3.venturiflowmeter;4.electricheater;5.steamvalve;6.hotairandsteammixingbox;7.mixedgasinlet;8.cylinderhold-er;9.temperatureandhumiditymeter;10.steelcylinder;11.contactthermometer;12.sievetypesampleplacingbox;13.electricheatingjacket;14.weightacquisitionsystem;puterdataacquisitionsystem;16.mixedgasoutlet;17.guiderail;18.cylinderpropulsiondevice;19.slider;20.fixedbase.图 2 自制烟梗热湿特性分析装置实物图(a)和结构示意图(b)Fig.2Physicalpicture(a)andstructurediagram(b)ofself-madedeviceforanalyzingheatandmoisturecharacteristicsoftobaccostem186云南农业大学学报第39卷结构烟梗的吸湿特性，将自制的烟梗热湿特性分析装置设置为气体温度 80，气体湿度分别为70%、80%和 90%，分别用于测试拐头、中等梗和细梗在不同湿度下的质量变化，并折算为含水量；再采用 Weibull模型对细梗、中梗、拐头的吸湿曲线进行拟合，公式为：MtMeM0Me=exp(t)。式中：Mt为 t 时刻梗的干基含水率，%；Me为水分平衡时梗的干基含水率，%；M0为梗初始干基含水率，%；为尺度参数；为形状参数。可用于描述水分随时间变化的快慢程度，值越小，样品水分变化越快、吸湿速率越高20；则能反映水分与烟梗结合的强度，值越大，水分子与烟梗之间的作用力越强21-22。1.2.3扫描电镜检测在样品台上贴好导电胶带，将样品烟梗从中间断开，撕下导电胶的背纸，将烟梗样品的表皮和断面与胶带粘牢，喷镀处理待测。喷金的参数为真空度中等梗拐头，且随着湿度的增大，值02 000 4 000 6 000 8 000 10 00012141618202224干基含水率/%moisture content of dry base细梗 slim stem中等梗 medium stem拐头 stalk epidemis flap气体湿度 70%air humidity 70%02 000 4 000 6 000 8 000 10 00010152025303540时间/s time气体湿度 80%air humidity 80%02 000 4 000 6 000 8 000 10 0001015202530354045气体湿度 90%air humidity 90%图 3 不同气体湿度条件下细梗、中等梗和拐头的干基含水率(气体温度 80)Fig.3Drybasemoisturecontentofslimstem,mediumstem,andstalkepidemisflapunderdifferentairhumidityconditions(airtemperaturewas80)第1期江威，等：不同尺寸和结构的烟梗吸湿特性及其成因187减小、吸湿速率加快，与实际吸湿结果一致；同一湿度条件下，中等梗与细梗的 值较为接近，故排序可归纳为细梗中等梗拐头。2.2不同尺寸和结构烟梗的结构拐头、中等梗、细梗表皮是排列紧密的纤维状结构，拐头表皮几乎没有气孔，中等梗表皮有少许气孔，细梗表皮的气孔最多，孔径也最大；拐头、中等梗、细梗的横断面布满气孔，其中，中等梗和细梗的气孔孔径和单位面积内气孔数量均明显大于拐头的气孔，相较之下，拐头质地更加致密，中等梗较为疏松，细梗最为疏松(图 4)。由表 2 可知：细梗中每平方毫米的气孔数量以及孔径30m 的气孔占比均最大，中等梗次之，拐头最少。在烟草植物中，孔的数量越多、直径越大，对水分的传导能力越强20，这与上述烟梗的吸湿性能试验结果一致。2.3不同尺寸和结构烟梗的化学组成由表 3 可知：细梗、中等梗、拐头的总糖、还原糖、总植物碱含量依次减少，蛋白质含量依次增加。其中，糖类成分的亲水性官能团羟基或表 1 Weibull 模型对细梗、中梗、拐头的吸湿曲线拟合结果Tab.1Fittingresultsofslimstem,mediumstem,andstalkepidemisflapmoistureabsorptioncurvebasedonWeibullmodel梗类型stemtypes气体湿度/%airhumidity尺度参数scaleparameter形状参数shapeparameter残差平方和residualsumofsquares相关系数R2correlationcoefficient细梗slimstem701155.830000.280000.006560.99525中等梗mediumstem702138.660000.278000.033320.97501拐头stalkepidemisflap702849.020000.220000.070840.92967细梗slimstem80937.640000.296700.036020.97630中等梗mediumstem801867.980000.310000.071470.95480拐头stalkepidemisflap802049.566000.227200.040590.96198细梗slimstem90605.900000.304000.011600.99230中等梗mediumstem901431.005200.283200.050490.96431拐头stalkepidemisflap901818.599000.227000.013520.98714细梗slim stem中等梗medium stem拐头stalk epidemis flap图 4 不同尺寸和结构烟梗的表皮(上)和横断面中间位置(下)扫描电镜图像Fig.4Externallayer(above)andcross-section(below)SEMphotosoftobaccostemswithdifferentsizesandstructures188云南农业大学学报第39卷有助于提升烟梗的吸湿性能28-29，细梗与中等梗的总糖(或还原糖)含量较为接近，且 3 种烟梗的总糖(或还原糖)的含量与 值的变化表现出较高的一致性。3 讨论3.1烟梗吸湿特性与其物理孔隙结构及化学组成的相关性细梗、中等梗和拐头的物理孔隙结构以及化学组成与其吸湿速率、平衡含水率等吸湿特性参数之间存在一定的相关关系，两者均是不同尺寸和结构烟梗吸湿特性的关键影响因素。如不同地区、部位的烟梗吸湿特性不同，中上部烟梗的吸湿性能相对接近，下部烟梗吸湿性能强于中上部；此外，烟梗贮存年限越长，含水率增量越大30。不同尺寸和结构烟梗的吸湿过程与植物纤维、再造烟叶等的吸湿过程相似31，主要经历水分的扩散迁移、水分与烟梗表面相互作用 2 个阶段，其中烟梗的孔隙是水分扩散迁移的通道，细梗的表皮和横断面气孔最多、孔径最大，吸湿能力最强；拐头的表皮和横断面气孔最少、孔径最小，吸湿能力最差。孔隙较为发达的细梗在吸湿初期表现出比中等梗和拐头更快的吸湿速率，且细梗具有比中等梗和拐头更高的干基平衡含水率，与文献 32 报道规律一致。水分到达烟梗表面，主要通过与其上羟基和羧基类亲水官能团的相互作用结合29,31，因而总糖(或还原糖)含量较高的细梗其平衡含水率明显高于中等梗与拐头。3.2不同尺寸和结构烟梗的吸湿模型不同尺寸和结构烟梗的吸湿特性曲线均符合Weibull 模型，其中尺度参数()描述水分随时间变化的快慢程度19-20,33，反映烟梗的吸湿速率，随着环境湿度的增大，3 种烟梗的 值降低、吸湿速率加快，且细梗表现出比中等梗和拐头更小的 值和更快的吸湿速率，主要与其较发达的孔隙和疏松结构所形成的水分扩散迁移通道有关。3种烟梗在同一湿度条件的平衡含水率为细梗中等梗拐头，形状参数()能反映烟梗与水分的亲和程度，基本表现为细梗中等梗拐头，细梗、中等梗与水分的相互作用强于拐头，随着湿度的增大，值总体呈升高的趋势，表明水分与烟梗之间的亲和程度增强，与 3 种烟梗总糖和还原糖含量的变化趋势一致，进一步证实糖类分布对烟梗结合水分起主导作用。不同尺寸和结构烟梗的吸湿特性具有明显差异，在同一温度和湿度条件下，细梗的吸湿能力最强、吸湿速度最快，中等梗次之，拐头最差。烟梗吸湿特性是其耐加工性能的关键影响因素，结合 Weibull 模型分析烟梗物理结构、化学组成差异与其吸湿结果的相关关系，对于深入理解烟梗吸湿过程、掌握烟梗吸湿行为、指导不同尺寸和结构烟梗分组加工具有重要意义，但在实际生产过程中，还需进一步研究不同尺寸和结构烟梗的分组加工工艺条件。4 结论(1)细梗、中等梗、拐头吸湿能力依次降低；随着空气湿度的增大，3 种烟梗的吸湿速率和平衡含水率均增大，说明烟梗在加工过程中有必要表 2 不同尺寸和结构烟梗的横断面孔隙Tab.2Poreincross-sectionoftobaccostemswithdifferentsizesandstructures梗类型stemtypes数量/(个mm2)number不同孔径孔隙占比/%proportionofporeswithdifferentporesizes2030m30m细梗slimstem39814112352中等梗mediumstem35218202141拐头stalkepidemisflap21321241936表 3 细梗、中等梗和拐头的化学成分Tab.3Chemicalcomponentsofslimstem,mediumstem,andstalkepidemisflap%梗类型stemtypes总糖totalsugar还原糖reducingsugar总植物碱totalalkaloids总氮totalnitrogen蛋白质protein钾potassium氯chloride细梗slimstem16.4012.200.791.166.409.062.88中等梗mediumstem15.2011.800.701.216.819.242.75拐头stalkepidemisflap13.4010.300.681.569.027.993.61第1期江威，等：不同尺寸和结构的烟梗吸湿特性及其成因189按照尺寸和结构进行分组加工。(2)细梗的表皮和横断面气孔最多，孔径也最大，吸湿能力最强；拐头的表皮和横断面气孔最少，孔径也最小，吸湿能力最差。说明表面和内部孔隙结构的不同是导致烟梗吸湿特性不同的主要原因之一。(3)细梗、中等梗和拐头的吸湿曲线可以用Weibull模型有效拟合。依据 Weibull 模型验证了物理结构与化学组成，尤其是糖类对烟梗吸湿行为的主导作用，总糖(或还原糖)含量升高可提供更多的水分吸附位点。参考文献严浩然.改进梗丝的填充力J.烟草科技,1982(4):29.1陈良元.梗丝在线膨胀技术J.烟草科技,1996(5):8.2李晓,纪晓,姚二民,等.不同地区烟梗吸湿性能对加工分组的影响J.烟草科技,2014(6):5.DOI:10.3969/j.issn.1002-0861.2014.06.001.3丁美宙,熊安言,王海滨,等.微波膨胀条状梗丝应用效果评价J.烟草科技,2015(2):79.DOI:10.16135/j.issn-1002-0861.20150216.4陈景云,李东亮,夏莺莺,等.梗丝分布形态对其掺配均匀度的影响J.烟草科技,2004(8):8.DOI:10.3969/j.issn.1002-0861.2004.08.002.5丁美宙,刘欢,刘强,等.梗丝形态对细支卷烟加工及综合质量的影响J.食品与机械,2017,33(9):197.DOI:10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.041.6廖晓祥,赵云川,邹泉,等.梗丝形态对细支卷烟品质稳定性的影响J.烟草科技,2016,49(10):74.DOI:10.16135/j.issn1002-0861.2016.0160.7李晓,郑力文,何超,等.基于计算机视觉技术的梗丝形态表征方法J.烟草科技,2016,49(7):84.DOI:10.16135/j.issn1002-0861.20160712.8刘民昌,刘洋,文武,等.成丝工艺对梗丝物理质量的影响J.烟草科技,2019,52(10):79.DOI:10.16135/j.issn-1002-0861.2019.0046.9李晓,何超,郑力文,等.基于图像处理梗丝形态指数模型的建立J.烟草科技,2017,50(9):76.DOI:10.16135/j.issn1002-0861.2017.0101.10叶鸿宇,许峰,张建中,等.成丝工艺参数对梗丝结构和卷烟吸阻稳定性的影响J.烟草科技,2013(11):11.DOI:10.3969/j.issn.1002-0861.2013.11.003.11朱东华,李伟.烟梗筛分装置的改进与应用J.中国机械,2013(4):172.12郑茜,夏自龙,袁海霞,等.高频阶梯式烟梗分选筛的设计与应用J.食品与机械,2019,35(7):124.DOI:10.13652/j.issn.1003-5788.2019.07.023.13刘继辉,汪显国,刘静,等.烟叶主脉不同位置烟梗挥发性香味物质的变化J.中国烟草学报,2017,23(6):11.DOI:10.16472/j.chinatobacco.2017.181.14程向红,王培锋,彭玉富,等.烟梗主要化学成分特征及其与巴豆醛释放量的关系J.中国烟草科学,2018,1539(1):85.DOI:10.13496/j.issn.1007-5119.2018.01.012.梁淼,刘茂林,刘向真,等.基于片烟尺寸与烟梗间关系的定向去梗工艺J.烟草科技,2020,53(5):77.DOI:10.16135/j.issn1002-0861.2019.0113.16韩聃,田兆福,王宏生,等.基于低场核磁技术和环境扫描电镜的卷烟吸湿机制研究J.食品与机械,2015,31(4):14.DOI:10.13652/j.issn.1003-5788.2015.04.004.17戴明,李旭东,魏雅冬,等.烟梗组织结构与吸水性关系的研究J.安徽农业科学,2011,39(4):2309.DOI:10.13989/ki.0517-6611.2011.04.184.18周冰,何邦华,曹良,等.不同干燥方式下配方烟丝的保润性能J.烟草科技,2021,54(4):74.DOI:10.16135/j.issn1002-0861.2020.0172.19郭华诚,李强,孙雪平,等.烟草孔隙结构与其物理保润性能的关联性分析J.食品与机械,2019,35(8):44.DOI:10.13652/j.issn.1003-5788.2019.08.008.20TAKUO 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