微波膨脹煙絲的微觀形貌與理化指標

成清校，任宏杰

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

0 引言

膨脹煙絲的使用，既可降低卷煙單箱煙絲消耗量，又可降低卷煙的焦油釋放量，一般摻入10%的膨脹煙絲的卷煙，它的煙氣焦油量比不摻膨脹煙絲的卷煙降低14.7%，如果全部使用膨脹煙絲，則可降低41%。因此，煙草膨脹技術一直是煙草行業的重要研究領域之一[1]。

國內有試驗研究表明，煙絲經過微波加熱后，致香成分比例增加，品質提升。微波加工過的煙絲在理化特征、香氣方面的品質提升已經有研究結論支撐。同時微波的殺蟲滅菌作用會大大降低煙葉醇化工藝過程中由于煙蟲滋生造成的損失，煙葉在通過微波設備時，蟲卵等生物團的水分被迅速充揮發造成局部高溫，而且由于微波的生物效應，造成通過微波的蟲卵大量死亡，避免了煙蟲后期的滋生，具有很好的殺蟲效果。

微波干燥還具有許多優點：首先是干燥速度快，干燥時間短。由于微波特殊的加熱方式使物料溫度短時間內快速升高，而加熱溫度梯度同水分蒸發方向一致，提高干燥推動力致使干燥時間非常短，一般可縮短50%左右或更多。其次，微波加熱溫度均勻，表里一致，可以使干燥物料的水分分布均勻。再者，微波還是節能環保無公害型能源。微波源可即開即用，功率連續可調，反應易于控制，能源利用率高，熱能幾乎全部作用在物料上，既不浪費又不污染環境[2]。

1 煙絲膨脹試驗

1.1 試驗原理和方法

在一定溫度和壓力條件下，用膨脹劑對煙絲進行浸漬，使其浸入煙絲細胞內。由于煙絲含有極性水分子，具有強烈吸收微波的介電特性，在微波輻射加熱時，隨微波頻率激烈碰撞摩擦，產生大量熱，并迅速傳遞給膨脹劑，從而使膨脹劑急劇揮發，產生蒸汽壓，在煙絲細胞中從內向外急劇壓出，使煙絲的細胞空間迅速擴大，宏觀上表現為煙絲膨脹變大。微波加熱過程中煙絲的溫度梯度、傳熱和蒸汽壓遷移方向均勻一致，由里向外，因此便于煙絲內部蒸汽的產生和積累，當煙絲內部蒸汽壓力超過細胞纖維組織結構強度的承受能力時，這種壓力促使煙絲膨脹。

1.2 試驗材料和設備

試驗材料：煙絲、自來水、膨脹劑。

試驗設備：煙絲浸漬裝置（自制）、DHS16-A 紅外水分儀（鄭州中谷）、電子天平（杭州其偉光電）、微波爐(普通型2450MHz，2kW)、JFC-1600 型離子濺射儀（日本電子株式會社）；SN-3400Ⅱ型掃描電子顯微鏡（日本HITACHI 公司）、化學連續流動分析儀（德國布朗盧比公司）。

1.3 試驗方法

（1）取一定量的煙絲，用紅外水分儀測其含水率并用自來水進行回潮調節，使煙絲的含水率保持在22%左右。

（2）采用如圖1 所示的煙絲浸漬裝置利用膨脹劑對煙絲進行浸漬。浸漬裝置由浸漬罐、介質儲罐、溫控電加熱裝置、真空泵等設備組成。將膨脹劑和浸漬罐均預熱至一定溫度，裝入煙絲并對浸漬罐進行抽空處理，然后向浸漬罐內加注一定量的膨脹劑，控制浸漬溫度為90～100℃，浸漬時間30min，排空膨脹劑，取出煙絲。

（3）將浸漬后的煙絲放入微波爐中，微波加熱60s，觀察膨脹效果。

（4）將微波膨脹后的煙絲樣品按照各相關煙草行業標準進行煙氣和化學指標的測定。

圖1 煙絲膨脹試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic illustration of cut tobacco expansion test device

2 結果分析

2.1 膨脹煙絲的外觀

圖2 所示的是煙絲在微波膨脹前后的對比照片，從照片中可以看出經微波加熱處理后，煙絲發生了明顯的膨脹，膨脹后的煙絲體態飽滿，色澤鮮亮，達到了完全膨脹的效果。這充分說明了微波加熱膨脹煙絲工藝的可行性。

2.2 膨脹煙絲的微觀形貌

為了進一步觀察煙絲在微波膨脹前后煙絲微觀結構的變化，對煙絲膨脹前后的樣品進行了掃描電鏡分析。

將葉絲樣品截成小段（約5 mm）后固定于樣品臺，經離子濺射儀上真空干燥、鉑噴鍍后，于掃描電子顯微鏡上觀察、拍攝取圖。電鏡工作電壓為15kV、放大2000 倍。

圖2 原絲及膨脹煙絲照片Fig.2 Photos of cut tobacco before and after expansion

結果如圖3 所示。從照片中可以直觀地看出，原絲的表面組織干癟、交織，褶皺較多，氣孔呈閉合狀態；而經微波膨脹后的煙絲表面組織明顯膨大，光滑飽滿，褶皺較少且氣孔打開，這一現象從根本上印證了微波膨脹煙絲的工藝原理。

圖3 原絲及膨脹煙絲的SEM 照片Fig.3 SEM picture of cut tobacco before and after expansion

2.3 膨脹煙絲的理化指標和煙氣檢測

原絲及微波膨脹后煙絲的理化指標對比影響見表1和圖4。從中可以看出，煙絲經微波膨脹處理后，主要化學成分中與膨脹前煙絲相比，氯化物、總氮、鉀和蛋白質的含量沒有顯著差異，而總糖和還原糖的含量得到提高，煙堿含量降低，糖堿比由8.77 提高到10.98，差異顯著，而糖堿比表征了煙絲的香味，其值越高，香味越好，這說明采用微波膨脹處理能明顯提高煙絲的香味。

在煙絲填充能力方面，依據同一類型、同一等級的煙草含水率與填充值之間的經驗公式將膨后煙絲折算到與原絲含水率一致時的填充值，該經驗公式為：

F=F0－0.169（ω－ω0）

式中：F—折算煙絲填充值（cm3/g）；F0—煙絲實際填充值（cm3/g）；ω—煙絲折算含水率（%）；ω0—煙絲實際含水率（%）。則：F=7.01－0.169×（18.09－12.09）=5.996。

因此，可以認為，煙絲經微波膨脹后，填充值由2.55cm3/g提高到5.996 cm3/g，膨脹率達到了235%，效果十分明顯。

原絲及微波膨脹后煙絲的煙氣檢測結果見表2 和圖5。從圖中可以看出，與膨前煙絲卷煙相比，微波膨脹處理后的煙絲中一氧化碳、總粒相物、煙堿和焦油的含量顯結構疏松，表皮細胞向外凸出，表面光滑，氣孔打開，褶皺減少。

表1 煙絲的理化指標Tab.1Physicochemicalindexofcuttobacco

圖4 原絲及膨脹煙絲的理化指標對比圖Fig.4 Physicochemical index comparison diagram of cut tobacco before and after expansion

（3）經微波膨脹后的煙絲中一氧化碳、總粒相物、煙堿和焦油等有害物質的含量顯著下降，而糖堿比得到顯著提高，這說明采用微波膨脹工藝有利于提高煙著下降，說明微波膨脹后煙絲在降焦降害方面效果顯著。

圖5 原絲及膨脹煙絲的煙氣檢測對比圖Fig.5 Cigarette smoke test comparison diagram of cut tobacco before and after expansion

表2 煙絲的煙氣檢測Tab.2Cigarettesmoketestofcuttobacco

3 結論

通過本試驗研究，可以得到以下結論：

（1）對膨脹劑浸漬后的煙絲，采用微波加熱工藝可以使煙絲得到很好的膨脹效果，膨脹率可達235%。

（2）煙絲的膨脹效果可以通過葉絲表面的SEM 照片直觀地反映出來，未膨脹的煙絲組織結構緊密，表皮細胞向內凹陷，氣孔閉合，呈褶皺狀；膨脹后的煙絲組織絲的香味。

[1]潘高偉．煙絲在線膨脹HXD 工藝研究[D]．陜西楊凌：西北農林科技大學，2008．

[2]楊洲，段潔利．微波干燥及其發展[J]．糧油加工與食品機械，2000，3．

[3]國家煙草專賣局．煙草和煙草制品總蛋白質含量的測定(YC/T 166-2003)[S].中國標準出版社，2003.

[4]國家煙草專賣局．煙草及煙草制品氯的測定.連續流動法(YC/T 162-2011)[S].中國標準出版社，2011.

[5]國家煙草專賣局．煙草及煙草制品總氮的測定.連續流動法(YC/T 161-2002)[S].中國標準出版社，2002.

[6]國家煙草專賣局． 煙草及煙草制品總植物堿的測定. 連續流動法(YC/T 160-2002)[S].中國標準出版社，2002.

[7]國家煙草專賣局． 煙草及煙草制品水溶性糖的測定. 連續流動法(YC/T 159-2002)[S].中國標準出版社，2002.