不同尺寸和結構的煙梗吸濕特性及其成因*

江 威，郭中雅，盧浥良，陳 然**，徐培剛，程棉昌，王智潤，李 斌

(1.廣東中煙工業有限責任公司 技術中心，廣東 廣州 510145；2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001)

梗絲具有成本低和填充值高的優點，可顯著降低卷煙產品煙氣的焦油量，廣泛應用于卷煙行業產品配方[1-4]。但目前成品梗絲的質量普遍存在梗粒和梗簽多、梗絲形狀尺寸不均勻等問題[5-11]，其原因與煙梗原料中含有大量拐頭和細碎梗直接相關[12-14]。這些不同尺寸和結構的煙梗物理或化學特性不同，影響其吸濕行為，導致加工質量差異較大[15-16]。

煙草原料吸濕特性的影響因素主要包括物理結構以及表面化學成分的分布。韓聃等[17]采用掃描電子顯微鏡表征煙絲微觀結構，并對其吸濕機制進行了深入研究，結果表明：煙絲對水的吸附以毛細管吸附為主，不同煙絲吸水特性的差異主要與其表面氣孔數量以及細胞間結合的緊密程度有關。戴明等[18]使用高倍顯微鏡觀察了煙梗的橫斷面組織結構，認為煙梗的吸水性可能與髓腔、導管等結構有關。周冰等[19]利用Weibull 模型的尺度參數(α)評價煙絲的物理保潤性能，郭華誠等[20]也依據煙草失水行為分析了Weibull 模型參數與煙草孔隙結構的相關性，研究表明：α 和形狀參數(β)均與其微孔平均直徑顯著負相關，煙草樣品的保潤性能均與其微孔的平均直徑顯著負相關，此外，β 可以反映水分與吸附劑之間的結合作用力[21-22]，其與煙梗的表面化學成分也有一定關系。

細碎梗是煙葉的葉脈部位，中等梗大部分來自煙葉的葉柄，拐頭是煙葉與莖的連接部位，煙梗所屬部位或位置差異是影響其化學成分的重要因素[15]。不同部位的煙?？傊参飰A、木質素和果膠含量以及巴豆醛釋放量存在極顯著差異，蛋白質含量存在顯著差異；同一煙葉的煙梗，從?；焦＜?，其各單項揮發性化學物質含量均存在顯著差異[14]。此外，不同地區、不同等級煙梗的化學成分(如總糖、總氮、煙堿等)分布也存在明顯差異[23]。其中，糖類物質常作為保濕劑廣泛用于護膚品[24]，其吸濕能力與甘油接近，因此，煙梗中糖類的分布差異或許是導致煙梗不同吸濕特性的主要因素之一。然而，化學組成差異影響的煙梗吸濕機制尚不明晰，其與擬合模型的相關性分析尚未見報道。煙梗吸濕特性是決定其耐加工性能的關鍵參數，本研究結合模型參數與煙梗物理結構、化學組成的相關性深入分析細梗、中等梗與拐頭的吸濕特性及成因，以期為細梗、中等梗和拐頭的分組加工提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

供試材料為2017 年韶關煙梗；儀器與設備包括Hitachi S-3700N 臺式掃描電鏡、BT25S 電子天平(德國賽多利斯科學儀器有限公司)、自制實驗型篩梗機和自制煙梗熱濕特性分析裝置。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品制備

采用自主研制的實驗型篩梗機(圖1)進行篩梗，該篩梗機通過控制插入固定圈的鋼條數量來設置鋼條間的間隙，滾筒轉速可在0～20 r/min 范圍內調節和設定。煙梗樣品從料斗倒入轉筒，先將鋼條間隙設置為16 mm，分離出直徑16 mm 以上的拐頭；再將鋼條間隙設置為3 mm，分離出直徑3 mm 以下的細梗和直徑3～16 mm 的中等梗。樣品經篩分后，得到細梗、中等梗和拐頭的占比分別為21.5%、68.3%和10.2%。

圖1 自制實驗型篩梗機結構示意圖Fig.1 Diagram of structure of self-made experimental stem screening machine

1.2.2 不同尺寸和結構煙梗吸濕特性的檢測

采用自主研制的煙梗熱濕特性分析裝置(圖2)檢測拐頭、中等梗、細梗的吸濕能力。該裝置的工作原理是[25]：空氣通過風機進入送風管道，依次經過加熱器加熱和蒸汽混合后進入到鋼筒；鋼筒的筒壁有加熱套進行加熱保溫，筒內裝有溫濕度計檢測空氣溫度和濕度，空氣溫度通過筒壁的加熱套和熱風加熱器聯動調節，空氣濕度通過控制空氣流量和蒸汽流量的比例調節；煙梗樣品放置在篩網式樣品放置盒，樣品放置盒與重量控制系統通過連桿連接，以實時測量煙梗樣品的質量。該裝置已成功應用于檢測片煙增濕過程的水分遷移以及建立干燥薄層動力學模型的相關研究中，其結果準確可靠[26]。

圖2 自制煙梗熱濕特性分析裝置實物圖(a)和結構示意圖(b)Fig.2 Physical picture (a) and structure diagram (b) of self-made device for analyzing heat and moisture characteristics of tobacco stem

廣州卷煙廠膨脹梗絲生產過程的第1 步需將煙梗用回潮筒增溫增濕，使煙梗干基含水率增加至約8.6%，此過程中筒內的濕熱氣體溫度設置至80 ℃。為研究該增溫增濕過程中不同尺寸和結構煙梗的吸濕特性，將自制的煙梗熱濕特性分析裝置設置為氣體溫度80 ℃，氣體濕度分別為70%、80%和90%，分別用于測試拐頭、中等梗和細梗在不同濕度下的質量變化，并折算為含水量；再采用Weibull 模型對細梗、中梗、拐頭的吸濕曲線進行擬合，公式為：

式中：Mt為t時刻梗的干基含水率，%；Me為水分平衡時梗的干基含水率，%；M0為梗初始干基含水率，%；α 為尺度參數；β 為形狀參數。α 可用于描述水分隨時間變化的快慢程度，α 值越小，樣品水分變化越快、吸濕速率越高[20]；β 則能反映水分與煙梗結合的強度，β 值越大，水分子與煙梗之間的作用力越強[21-22]。

1.2.3 掃描電鏡檢測

在樣品臺上貼好導電膠帶，將樣品煙梗從中間斷開，撕下導電膠的背紙，將煙梗樣品的表皮和斷面與膠帶粘牢，噴鍍處理待測。噴金的參數為真空度＜10 Pa，電流15 mA，噴金50 s。

利用Image-Proplus 軟件對掃描電鏡采集的圖像進行分析[27]，并計算圖像中的孔隙數量及每個孔隙的面積。為了便于統計，取每個孔隙等效面積的圓直徑作為孔隙的孔徑。

1.2.4 煙梗的化學成分檢測

依據行業標準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，采用流動分析儀分別檢測煙梗樣品中總糖、還原糖、總植物堿、總氮、蛋白質、鉀和氯含量。

2 結果與分析

2.1 不同尺寸和結構煙梗的吸濕性能

由圖3 可知：在氣體溫度80 ℃，氣體濕度分別為70%、80%、90%條件下，拐頭、中等梗和細梗表現出明顯的吸濕行為差異。隨著吸附時間的延長，3 種煙梗的干基含水率均經歷快速升高—緩慢升高—平衡的過程；同一吸附時間，拐頭、中等梗、細梗的干基含水率依次增大，說明拐頭、中等梗、細梗的吸濕速率和吸濕能力依次增強。此外，拐頭、中等梗、細梗的吸濕速率和平衡含水率隨著吸附環境濕度的升高而逐漸增大。溫度80 ℃、濕度70%條件下，拐頭、中等梗、細梗的快速吸濕速率分別為0.045 9‰/s、0.096 8‰/s 和0.128 2‰/s，干基平衡含水率分別為19.74%、21.36%和23.17%；溫度80 ℃、濕度80%時，拐頭、中等梗、細梗的快速吸濕速率分別為0.143 6‰/s、0.186 6‰/s 和0.301 0‰/s，干基平衡含水率分別為24.79%、29.59%和37.15%；溫度80 ℃、濕度90%時，拐頭、中等梗、細梗的快速吸濕速率分別為0.207 8‰/s、0.265 2‰/s和0.369 2‰/s，干基平衡含水率分別為29.39%、34.66%和43.89%。其中，溫度80 ℃、濕度70%條件下，細梗的快速吸濕速率顯著高于拐頭；溫度80 ℃、濕度90%條件下，細梗的平衡含水率顯著高于拐頭。

圖3 不同氣體濕度條件下細梗、中等梗和拐頭的干基含水率(氣體溫度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 ℃)

經擬合，細梗、中梗、拐頭的吸濕曲線均符合Weibull 模型[19]，擬合結果(表1)顯示：同一濕度條件下，α 值由小到大依次為細梗、中等梗、拐頭，故依據Weibull 模型將吸濕速率排序為細梗＞中等梗＞拐頭，且隨著濕度的增大，α 值減小、吸濕速率加快，與實際吸濕結果一致；同一濕度條件下，中等梗與細梗的β 值較為接近，故排序可歸納為細?！种械裙＃竟疹^。

表1 Weibull 模型對細梗、中梗、拐頭的吸濕曲線擬合結果Tab.1 Fitting results of slim stem,medium stem,and stalk epidemis flap moisture absorption curve based on Weibull model

2.2 不同尺寸和結構煙梗的結構

拐頭、中等梗、細梗表皮是排列緊密的纖維狀結構，拐頭表皮幾乎沒有氣孔，中等梗表皮有少許氣孔，細梗表皮的氣孔最多，孔徑也最大；拐頭、中等梗、細梗的橫斷面布滿氣孔，其中，中等梗和細梗的氣孔孔徑和單位面積內氣孔數量均明顯大于拐頭的氣孔，相較之下，拐頭質地更加致密，中等梗較為疏松，細梗最為疏松(圖4)。由表2 可知：細梗中每平方毫米的氣孔數量以及孔徑＞30 μm 的氣孔占比均最大，中等梗次之，拐頭最少。在煙草植物中，孔的數量越多、直徑越大，對水分的傳導能力越強[20]，這與上述煙梗的吸濕性能試驗結果一致。

表2 不同尺寸和結構煙梗的橫斷面孔隙Tab.2 Pore in cross-section of tobacco stems with different sizes and structures

圖4 不同尺寸和結構煙梗的表皮(上)和橫斷面中間位置(下)掃描電鏡圖像Fig.4 External layer (above) and cross-section (below) SEM photos of tobacco stems with different sizes and structures

2.3 不同尺寸和結構煙梗的化學組成

由表3 可知：細梗、中等梗、拐頭的總糖、還原糖、總植物堿含量依次減少，蛋白質含量依次增加。其中，糖類成分的親水性官能團羥基或有助于提升煙梗的吸濕性能[28-29]，細梗與中等梗的總糖(或還原糖)含量較為接近，且3 種煙梗的總糖(或還原糖)的含量與β 值的變化表現出較高的一致性。

表3 細梗、中等梗和拐頭的化學成分Tab.3 Chemical components of slim stem,medium stem,and stalk epidemis flap %

3 討論

3.1 煙梗吸濕特性與其物理孔隙結構及化學組成的相關性

細梗、中等梗和拐頭的物理孔隙結構以及化學組成與其吸濕速率、平衡含水率等吸濕特性參數之間存在一定的相關關系，兩者均是不同尺寸和結構煙梗吸濕特性的關鍵影響因素。如不同地區、部位的煙梗吸濕特性不同，中上部煙梗的吸濕性能相對接近，下部煙梗吸濕性能強于中上部；此外，煙梗貯存年限越長，含水率增量越大[30]。不同尺寸和結構煙梗的吸濕過程與植物纖維、再造煙葉等的吸濕過程相似[31]，主要經歷水分的擴散遷移、水分與煙梗表面相互作用2 個階段，其中煙梗的孔隙是水分擴散遷移的通道，細梗的表皮和橫斷面氣孔最多、孔徑最大，吸濕能力最強；拐頭的表皮和橫斷面氣孔最少、孔徑最小，吸濕能力最差?？紫遁^為發達的細梗在吸濕初期表現出比中等梗和拐頭更快的吸濕速率，且細梗具有比中等梗和拐頭更高的干基平衡含水率，與文獻[32]報道規律一致。水分到達煙梗表面，主要通過與其上羥基和羧基類親水官能團的相互作用結合[29,31]，因而總糖(或還原糖)含量較高的細梗其平衡含水率明顯高于中等梗與拐頭。

3.2 不同尺寸和結構煙梗的吸濕模型

不同尺寸和結構煙梗的吸濕特性曲線均符合Weibull 模型，其中尺度參數(α)描述水分隨時間變化的快慢程度[19-20,33]，反映煙梗的吸濕速率，隨著環境濕度的增大，3 種煙梗的α 值降低、吸濕速率加快，且細梗表現出比中等梗和拐頭更小的α 值和更快的吸濕速率，主要與其較發達的孔隙和疏松結構所形成的水分擴散遷移通道有關。3種煙梗在同一濕度條件的平衡含水率為細梗＞中等梗＞拐頭，形狀參數(β)能反映煙梗與水分的親和程度，基本表現為細?！种械裙＃竟疹^，細梗、中等梗與水分的相互作用強于拐頭，隨著濕度的增大，β 值總體呈升高的趨勢，表明水分與煙梗之間的親和程度增強，與3 種煙?？偺呛瓦€原糖含量的變化趨勢一致，進一步證實糖類分布對煙梗結合水分起主導作用。

不同尺寸和結構煙梗的吸濕特性具有明顯差異，在同一溫度和濕度條件下，細梗的吸濕能力最強、吸濕速度最快，中等梗次之，拐頭最差。煙梗吸濕特性是其耐加工性能的關鍵影響因素，結合Weibull 模型分析煙梗物理結構、化學組成差異與其吸濕結果的相關關系，對于深入理解煙梗吸濕過程、掌握煙梗吸濕行為、指導不同尺寸和結構煙梗分組加工具有重要意義，但在實際生產過程中，還需進一步研究不同尺寸和結構煙梗的分組加工工藝條件。

4 結論

(1)細梗、中等梗、拐頭吸濕能力依次降低；隨著空氣濕度的增大，3 種煙梗的吸濕速率和平衡含水率均增大，說明煙梗在加工過程中有必要按照尺寸和結構進行分組加工。

(2)細梗的表皮和橫斷面氣孔最多，孔徑也最大，吸濕能力最強；拐頭的表皮和橫斷面氣孔最少，孔徑也最小，吸濕能力最差。說明表面和內部孔隙結構的不同是導致煙梗吸濕特性不同的主要原因之一。

(3)細梗、中等梗和拐頭的吸濕曲線可以用Weibull 模型有效擬合。依據Weibull 模型驗證了物理結構與化學組成，尤其是糖類對煙梗吸濕行為的主導作用，總糖(或還原糖)含量升高可提供更多的水分吸附位點。