基于植物膠的爆珠壁材配方設計及其工藝優(yōu)化

于浩，王艷梅，孫東亮，王志勇，袁霆，王琦琦，劉哲，李玉輝

1 將軍煙草集團有限公司，山東省濟南市歷城區(qū)將軍路1111號 250100；2 山東中煙工業(yè)有限責任公司濟南卷煙廠，山東省濟南市高新區(qū)科航路2006號 250104；3 山東中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，山東省青島市嶗山區(qū)株洲路137號 266101

爆珠添加作為一種卷煙賦香的新技術，實現(xiàn)了卷煙增香和豐富口感層次的作用[1]，為卷煙品類構建提供更為直接的感知支撐手段，成為當前推動卷煙產品供給側結構性改革的重要思路[2]。國內爆珠卷煙近些年雖發(fā)展迅速，且爆珠類型日漸豐富，但相關產品尤其是壁材的研究報道較少[1]。隨著爆珠煙在國際市場的拓展，為避免宗教禁忌、瘋牛病等客觀因素影響，爆珠壁材中的動物明膠應改用植物膠，同時爆珠壁材中的改性淀粉容易吸潮而導致爆珠滲漏、黏連、壓力值明顯改變，不利于爆珠或爆珠煙的長途海運，質量隱患較大。因此，以爆珠壁材的基料改進為基礎，相應調整其他組分的配方比例，并進一步優(yōu)化工藝參數(shù)，開發(fā)具有國際市場適應力的新型壁材爆珠非常必要。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

速溶瓊脂（珠海物美科技有限公司，食品級）；卡拉膠（鄭州四陽化工產品有限公司，食品級）；明膠（河北華峰膠粘劑有限公司，食品級）；改性淀粉（深圳百晟精細化工有限公司，食品級）；丙三醇（天津大茂化學試劑公司，分析純）；海藻酸鈉（青島南山生物科技有限公司，食品級）；普魯蘭糖（山東康納公司，食品級）；無水氯化鈣（國藥集團化學試劑有限公司，分析純）。

1.1.2 儀器

CHI440C電子天平（精度0.01 mg，上海辰華儀器公司）；ZNCL磁力攪拌加熱鍋（河南愛博特儀器）；NDJ-5S粘度計（上海方瑞儀器有限公司）；電動攪拌器（德國IKA）；電熱DHG-9070A恒溫水浴鍋（上海精宏試驗儀器設備有限公司）；CTS-I綜合指標檢測儀（成都瑞拓科技股份有限公司）；BZ-01爆珠滴制機（將軍煙草集團有限公司自主開發(fā)）。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

將試驗分為單因子粗篩試驗和平衡優(yōu)化試驗兩個部分。

1.2.1.1 試驗因子的選擇

煙用爆珠的生產過程，是將壁材成份（如速溶瓊脂、改性淀粉、明膠、卡拉膠等）與增塑劑（如丙三醇）進行混溶摻配、水浴攪拌、滴制成型、干燥固化的過程。其壁材可根據(jù)其成份的來源分為動物性和植物性兩種。明膠是爆珠壁材的重要組成材料，在35～40℃以下為凝膠狀，起到一定的爆珠骨架作用。其可吸收5～10倍的水而膨脹軟化，受熱則變?yōu)槟z體[3]，因此在出口海運和售賣過程中，高溫高濕環(huán)境下極易失去其骨架功能，導致爆珠質量下降。同時明膠屬于動物結締組織的膠原降解產物，伊斯蘭教、猶太教和素食協(xié)會的禁忌材料，且有瘋牛病病源攜帶體的嫌疑，因而不利于相關海外部分市場的開拓。海藻酸鈉是從褐藻類中提取碘和甘露醇之后的副產物，屬于食品級植物膠，可在溫和條件下與鈣離子快速形成凝膠，其凝膠具有熱不可逆性[4]，在高溫、冷凍和酸性介質中仍可維持原有的形體，不發(fā)生滲液或收縮，且可促進藥品片劑的崩解（即爆珠脆性），因而是明膠的理想替代物。普魯蘭多糖是國際穆斯林、猶太教和素食協(xié)會認可的明膠替代物，且可以有效解決改性淀粉吸濕問題，因此采用海藻酸鈉、普魯蘭多糖分別替代明膠和改性淀粉生產植物膠壁材爆珠，有利于爆珠煙出口海外部分國家和地區(qū)。

為制得高質量的海藻酸鈉爆珠壁材，可對其溶膠工藝及其配方進行優(yōu)化。有研究證明，溫度、攪拌速度是影響各種植物膠黏度、凝膠性能的重要因子[5-9]，這是因為溫度直接影響膠液所形成的混合相系的穩(wěn)定，如改性淀粉在75℃時糊化[10-11]而粘度增高，而在溶膠溫度達到85℃以上時，糊化加劇而粘度降低。攪拌速度對植物膠粘度的影響主要源于膠液的流變性與攪拌速度存在顯著的相關關系[12-13]。同時，考慮到不同材質對爆珠作用以及在滴制過程中適應性特殊要求，瓊脂作為固形物與海藻酸鈉無交聯(lián)作用，卡拉膠可與海藻酸鈉形成塑性流體凝膠，可將卡拉膠添加比例、丙三醇添加比例列為試驗因子[14-16]。

因此選定溶膠溫度、攪拌速度、卡拉膠添加比例、丙三醇添加比例為試驗因子。根據(jù)前期試驗的結果，確定了海藻酸鈉、普魯蘭多糖以及其他成分的施加比例，具體比例見表1。

表1 配方參數(shù)對比Tab.1 Comparison of formulation parameters

1.2.1.2 單因子粗篩試驗

單因子試驗的水平設計以動物膠壁材爆珠的配方參數(shù)為基礎，上下分別設2個水平，共5個水平（表2）。逐因子進行水平輪換試驗，制備樣品并檢測。通過單因子方差分析確定試驗各因子對爆珠質量影響的顯著性（P值法[17]），并用直觀分析法分別確定溶膠溫度、攪拌速度、卡拉膠比例、丙三醇比例的單因子優(yōu)選水平X、Y、Z和W。

表2 單因子試驗水平設計表Tab.2 Single factor test level design table

1.2.1.3 平衡優(yōu)化試驗

以單因子試驗確定顯著性因子及其優(yōu)選水平為基準，各因子上下各安排一個水平，設計三水平正交試驗，制備樣品并檢測，用以平衡優(yōu)選最佳因子的水平組合。各因子的具體水平設計原則見表3。

1.2.2 樣品平衡

將制備的爆珠樣品，在(22±2)℃，(55±5)% RH的環(huán)境下平衡48 h，待用。

表3 正交設計因子水平Tab.3 Factor levels for orthogonal experiment design

1.2.3 爆珠評分

每樣品隨機選取100粒爆珠，分別請15名有爆珠評定經驗的人員，根據(jù)表4對爆珠外觀（表面光潔、圓度、拖尾、偏心、氣泡）品質進行評分，取各指標15人的評分平均值的和為最終外觀得分（M1）。

每樣品隨機選取100粒爆珠，利用爆珠專用綜合測試儀對爆珠的抗壓力值、強度、壓陷量及粒徑四個關鍵物理指標進行檢測，計算其合格率，并按表5轉化為分數(shù)。共測量3次，取各指標得分平均值的和為最終物理指標得分（M2）。

最后計算每個樣品的綜合得分M = M1×0.2+M2×0.8。

表4 爆珠外觀評分表Tab.4 Appearance scoring criteria of cigarette breakable capsules

表5 爆珠物理指標評分表Tab.5 Physical index scoring criteria of cigarette breakable capsules

2 結果與分析

2.1 單因子粗篩試驗結果

2.1.1 方差分析

單因子方差分析的P值[17]檢驗結果表明，溶膠溫度、攪拌速度、卡拉膠添加比例以及丙三醇添加比例4個因子均對爆珠品質有極其顯著的影響（P<0.05），因此均應列入平衡優(yōu)化的試驗因子。

2.1.2 直觀分析

各因子不同水平下的爆珠綜合得分如圖1。

圖1表明，①膠液溫度、攪拌速度、卡拉膠添加比例對爆珠綜合得分的影響均存在明顯分界點。②在分界點兩側，膠液溫度、攪拌速度、卡拉膠添加比例對綜合質量得分的影響趨勢截然相反，且低于分界點時與綜合質量得分均表現(xiàn)為正相關，高于分界點時表現(xiàn)為負相關。③在分界點，爆珠品質綜合得分最高且膠液溫度、攪拌速度的分界點所對應的水平80℃、180 r·min-1均高于原水平參數(shù)，而卡拉膠添加比例分界點對應的水平即為原水平參數(shù)0.5%，沒有變化。④丙三醇添加比例對爆珠綜合得分的規(guī)律不明顯。但添加比例由0.7‰增加到0.8‰時，綜合質量得分最高。

因此將膠液溫度分界點80℃、攪拌速度分界點180 r·min-1、卡拉膠添加比例分界點0.5%、丙三醇添加比例0.8‰作為平衡優(yōu)化試驗的基準水平。

圖1 各因素不同水平下的爆珠綜合評分Fig.1 Comprehensive scores of cigarette breakable capsules at different levels of various factors

2.2 平衡優(yōu)化試驗結果與分析

2.2.1 平衡優(yōu)化試驗設計與實驗結果

考慮到試驗因子的顯著性檢驗均已通過，因此正交試驗僅需對各因子進行綜合得分直觀分析即可。所以從降低試驗量角度出發(fā)，可采用L9(34)設計表，將各因子排滿各列，不再安排空白列。

正交試驗所制造爆珠樣品，經檢測并轉換為表6中的綜合得分，計算每因子每水平綜合得分的均值（i為水平序號，分別取1，2，3），并計算每因子水平均值的極差R。

表6 L9 (34)正交試驗結果Tab.6 Test results of L9 (34)

表6結果表明，①根據(jù)R值的大小可確定因子對成品爆珠品質影響大小順序為：攪拌速度>丙三醇添加比例>卡拉膠添加比例>溶膠溫度；②溶膠溫度、攪拌速度、卡拉膠添加比例三個因子的基準水平均呈現(xiàn)出最高水平，這與單因子方粗篩試驗的結果相似；而丙三醇添加比例的最高得分對應的水平高于基準水平，證明其他三個因子中可能存在交互作用。③在所有的組合方案的試驗結果中，綜合得分最高值為92.87分，優(yōu)于原參數(shù)的綜合得分89.2分；④根據(jù)各因子Ki值的大小，確定最佳的參數(shù)組合為溶膠溫度為80℃、攪拌速度為180 r·min-1、卡拉膠添加比例為0.5%、丙三醇添加比例為0.9‰。

與原配方參數(shù)組合相比，溶膠溫度提升了10℃，攪拌速度提高了30 r·min-1，丙三醇添加比例提高了0.2‰，卡拉膠添加比例未變。這是因為海藻酸鈉的水溶液具有較高的粘度[4]，需要在高溶膠溫度、高攪拌速度、高比例增塑劑的情況下，才能保持更好的分散性、混溶性；同時還有利于海藻酸鈉迅速、均勻地與鈣離子形成穩(wěn)定的凝膠形態(tài)[18]。

2.3 生產驗證

由于試驗結果所確定的因子優(yōu)化組合方案不在正交試驗方案設計組合中，所以需要進行生產驗證。其驗證結果見表7。

表7 生產驗證結果Tab.7 Verification results of production

表7表明，使用改進后的海藻酸鈉爆珠壁材，外觀合格率明顯提高，抗壓力值在抗壓力值的通常范圍（5N～20N）內提高25%，粒徑更加均勻一致，綜合質量提高6.4分。其具體外觀優(yōu)勢則表現(xiàn)為：偏心爆珠比例減少、表面光潔程度增加。

將兩種不同壁材的爆珠在山東地區(qū)的室內條件（15～35℃）下貯存，每月進行外觀檢測。動物性壁材爆珠在第5個月時開始出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，第6個月時則迅速呈現(xiàn)嚴重粘連、滲漏現(xiàn)象，喪失物理指標檢測的意義；而植物性壁材爆珠貯存12個月后仍無軟化現(xiàn)象，物理指標無明顯改變。因此海藻酸鈉壁材爆珠表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，明顯優(yōu)于以明膠為原料的爆珠壁材，可更好地滿足爆珠煙走向國際市場的需要。

3 結論

（1）溶膠溫度、攪拌速度、卡拉膠添加比例以及丙三醇添加比例均對植物膠壁材爆珠品質有極顯著影響，其影響順序為：攪拌速度>丙三醇添加比例>卡拉膠添加比例>溶膠溫度。

（2）植物膠壁材爆珠溶膠工藝參數(shù)宜為：溶膠溫度80℃、攪拌速度180 r·min-1、卡拉膠添加比例0.5%、丙三醇添加比例0.9‰。

（3）通過提高溶膠溫度、攪拌速度、丙三醇添加比例，可使海藻酸鈉壁材爆珠的質量優(yōu)于明膠壁材爆珠，且可貯存周期至少延長在6個月以上。