不同尺寸和结构的烟梗吸湿特性及其成因*

江 威，郭中雅，卢浥良，陈 然**，徐培刚，程棉昌，王智润，李 斌

(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)

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(α)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：α 和形状参数(β)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，β 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。

1.1 材料与设备

供试材料为2017 年韶关烟梗；
仪器与设备包括Hitachi S-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0～20 r/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16 mm，分离出直径16 mm 以上的拐头；
再将钢条间隙设置为3 mm，分离出直径3 mm 以下的细梗和直径3～16 mm 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%。

图1 自制实验型筛梗机结构示意图Fig.1 Diagram of structure of self-made experimental stem screening machine

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]。

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.2 Physical picture (a) and structure diagram (b) of self-made device for analyzing heat and moisture characteristics of tobacco stem

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：

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，%；
α 为尺度参数；
β 为形状参数。α 可用于描述水分随时间变化的快慢程度，α 值越小，样品水分变化越快、吸湿速率越高[20]；
β 则能反映水分与烟梗结合的强度，β 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＜10 Pa，电流15 mA，喷金50 s。

利用Image-Proplus 软件对扫描电镜采集的图像进行分析[27]，并计算图像中的孔隙数量及每个孔隙的面积。为了便于统计，取每个孔隙等效面积的圆直径作为孔隙的孔径。

1.2.4 烟梗的化学成分检测

依据行业标准YC/T 159—2019、YC/T 468—2021、YC/T 166—2003、YC/T 161—2002、YC/T 217—2007 和YC/T 162—2011，采用流动分析仪分别检测烟梗样品中总糖、还原糖、总植物碱、总氮、蛋白质、钾和氯含量。

2.1 不同尺寸和结构烟梗的吸湿性能

由图3 可知：在气体温度80 ℃，气体湿度分别为70%、80%、90%条件下，拐头、中等梗和细梗表现出明显的吸湿行为差异。随着吸附时间的延长，3 种烟梗的干基含水率均经历快速升高—缓慢升高—平衡的过程；
同一吸附时间，拐头、中等梗、细梗的干基含水率依次增大，说明拐头、中等梗、细梗的吸湿速率和吸湿能力依次增强。此外，拐头、中等梗、细梗的吸湿速率和平衡含水率随着吸附环境湿度的升高而逐渐增大。温度80 ℃、湿度70%条件下，拐头、中等梗、细梗的快速吸湿速率分别为0.045 9‰/s、0.096 8‰/s 和0.128 2‰/s，干基平衡含水率分别为19.74%、21.36%和23.17%；
温度80 ℃、湿度80%时，拐头、中等梗、细梗的快速吸湿速率分别为0.143 6‰/s、0.186 6‰/s 和0.301 0‰/s，干基平衡含水率分别为24.79%、29.59%和37.15%；
温度80 ℃、湿度90%时，拐头、中等梗、细梗的快速吸湿速率分别为0.207 8‰/s、0.265 2‰/s和0.369 2‰/s，干基平衡含水率分别为29.39%、34.66%和43.89%。其中，温度80 ℃、湿度70%条件下，细梗的快速吸湿速率显著高于拐头；
温度80 ℃、湿度90%条件下，细梗的平衡含水率显著高于拐头。

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.3 Dry base moisture content of slim stem,medium stem,and stalk epidemis flap under different air humidity conditions (air temperature was 80 ℃)

经拟合，细梗、中梗、拐头的吸湿曲线均符合Weibull 模型[19]，拟合结果(表1)显示：同一湿度条件下，α 值由小到大依次为细梗、中等梗、拐头，故依据Weibull 模型将吸湿速率排序为细梗＞中等梗＞拐头，且随着湿度的增大，α 值减小、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β 值较为接近，故排序可归纳为细梗≈中等梗＞拐头。

表1 Weibull 模型对细梗、中梗、拐头的吸湿曲线拟合结果Tab.1 Fitting results of slim stem,medium stem,and stalk epidemis flap moisture absorption curve based on Weibull model

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＞30 μm 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。

表2 不同尺寸和结构烟梗的横断面孔隙Tab.2 Pore in cross-section of tobacco stems with different sizes and structures

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.4 External layer (above) and cross-section (below) SEM photos of tobacco stems with different sizes and structures

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β 值的变化表现出较高的一致性。

表3 细梗、中等梗和拐头的化学成分Tab.3 Chemical components of slim stem,medium stem,and stalk epidemis flap %

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(α)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α 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α 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(β)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，β 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。

(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。

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