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）有限責任公司玉溪卷煙廠，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［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、加熱均勻、熱慣性小、加熱速度快等特點，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、刺激性等不良氣息，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）。

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（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（中國電子科技集團公司第四十一研究所）；RM200A轉(zhuǎn)盤式吸煙機（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)指標見表1、表2。在貯梗絲柜出口等時間間隔進行取樣（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)量標準在PROTOS-70卷接機組進行卷制，制備兩種樣品。

1.2.3測試方法

1.2.3 .1標準填充值回歸分析

從兩種梗絲中分別隨機取出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，測量標準填充值；使用Δ填充值（標準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%）進行回歸分析，并對回歸方程進行顯著性分析。

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］進行檢測。

抗造碎性能測試：先利用碎絲機對微波膨脹梗絲和傳統(tǒng)梗絲進行模擬造碎，再按照YC/T 178—2003［14］進行梗絲結(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）隨機取出200 g物料，利用文獻［15］中的方法進行致香成分檢測。

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/支進行單支質(zhì)量分選，由11名評吸人員進行感官質(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，隨機分為8組，按GB 5606.5—2005［16］的方法進行主流煙氣檢測。

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%含水率下的標準填充值測試結(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準含水率的差值（Δ含水率）、實測填充值及其與標準填充值差值（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)梗絲的含水率進行檢測，并進行回歸分析，計算兩種梗絲的標準填充值，結(jié)果見表5。結(jié)果表明，微波膨脹梗絲平均標準填充值為6.06 cm3/g，傳統(tǒng)梗絲平均標準填充值為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%含水率下的標準填充值測試結(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準填充值計算結(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進行單因素方差分析，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準填充值為6.06 cm3/g，傳統(tǒng)梗絲平均標準填充值為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。