殷春燕，徐志強(qiáng)，汪 華，李 玥，徐菲菲，鐘 芳

(1 江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122； 2 安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230088)

煙葉的含水量是影響煙葉韌性、燃燒性、香氣、吸食舒適度等特性的重要因素，對(duì)煙葉從調(diào)制到最終產(chǎn)品的各個(gè)階段都至關(guān)重要。在一些空氣相對(duì)濕度較低的地區(qū)，煙絲水分將隨煙草貯存時(shí)間的增加而逐漸散失，從而導(dǎo)致卷煙加工過程中的造碎以及抽吸過程中干燥感和刺激性的增強(qiáng)[1]，因此卷煙加工過程中通常加入保潤(rùn)劑以增強(qiáng)煙絲持水力，減緩水分散失速率。評(píng)價(jià)保潤(rùn)劑對(duì)煙草保潤(rùn)性能的影響常以平衡含水率的變化為指標(biāo)[1-3]。平衡含水率代表的僅是煙絲在測(cè)試環(huán)境下的平衡狀態(tài)，而物料失水是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)過程，這一非穩(wěn)態(tài)過程不僅表現(xiàn)在物料含水率上，也體現(xiàn)在物料內(nèi)部水分的擴(kuò)散過程中[4-5]。建立煙絲水分動(dòng)力學(xué)模型，研究煙絲失水的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，通過分析保潤(rùn)劑對(duì)煙絲水分?jǐn)U散的影響, 了解保潤(rùn)劑對(duì)整個(gè)煙絲干燥過程的作用，有利于深入分析和理解保潤(rùn)劑對(duì)煙絲保潤(rùn)性能的影響機(jī)制，從而能夠?qū)Ρ?rùn)劑的性能進(jìn)行更為有效的評(píng)價(jià)。因此，從動(dòng)力學(xué)角度了解保潤(rùn)劑對(duì)煙絲水分?jǐn)U散過程的影響具有重要意義。

甘油為煙草中常用的傳統(tǒng)保潤(rùn)劑。乳酸鉀含有羥基和羧基兩類親水基團(tuán)，具有較強(qiáng)的保濕能力，有較高的食用安全性[6-8]，有望成為一種具有良好保潤(rùn)性能的新型煙草保潤(rùn)劑。本文以甘油和乳酸鉀為保潤(rùn)劑，采用薄層干燥模型以及基于Fick第二定律的擴(kuò)散模型，從動(dòng)力學(xué)角度分析了煙草失水過程中保潤(rùn)劑對(duì)煙絲水分?jǐn)U散的影響，從而對(duì)保潤(rùn)劑保潤(rùn)性能的研究提供了新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：甘油，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乳酸鉀，PURAC公司；白肋煙煙絲，安徽中煙工業(yè)公司。

儀器：KBF-240恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱，德國(guó)BINDER；AR2130電子精密天平，梅特勒-托利多；FD115鼓風(fēng)干燥箱，德國(guó)BINDER。

1.2 方 法

1.2.1 保潤(rùn)劑的保濕性 準(zhǔn)確稱量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的保潤(rùn)劑溶液(乳酸鉀和甘油)各1 g(精確到0.000 1 g)，每份樣品3個(gè)重復(fù)，同樣稱取1 g的純水作為空白對(duì)照，置于恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱中，實(shí)驗(yàn)箱中溫度為(22±1) ℃、相對(duì)濕度(RH)分別為(40±2)%及(70±2)%。在前10 h內(nèi)每隔2 h精確稱質(zhì)量，10 h后依次在24，48，72，96和120 h時(shí)稱質(zhì)量，計(jì)算樣品的保濕率。

保濕率=mt/m0×100%。

(1)

式中：mt為放置th后保潤(rùn)劑溶液的質(zhì)量；m0為放置前保潤(rùn)劑溶液的質(zhì)量。

1.2.2 保潤(rùn)劑在煙絲中的保潤(rùn)性能 樣品處理：將空白煙絲置于溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度(RH)(60±2)%的恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱中平衡48 h，平衡后的煙絲水分含量在12%左右。取平衡后的煙絲7份，100 g/份，采用喉頭噴霧器分別將0.05，0.1，0.2 g/mL的甘油和乳酸鉀溶液各10 mL均勻添加到煙絲中，使最終保潤(rùn)劑純物質(zhì)的用量為煙絲質(zhì)量的0.5%，1% 和2%，加入同等體積的純水作為空白對(duì)照。將煙絲置于40 ℃的烘箱中烘干2 h，然后再置于溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度(RH)為(60±2)%的恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱中平衡48 h，參照YC/T 31-1996[9]測(cè)定此時(shí)煙絲的水分含量。將每種煙絲樣品分成3份(每份精確稱取20 g)，置于溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度(RH)為(40±2)%的恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱中,分別在2，4，6，8，10，24和48 h時(shí)稱質(zhì)量，測(cè)定其水分含量隨時(shí)間的變化(水分含量的測(cè)定采用差量法：根據(jù)樣品起始含水率和各時(shí)間點(diǎn)樣品與起始樣品的質(zhì)量差計(jì)算樣品的即時(shí)含水率)。

1.2.3 保潤(rùn)劑對(duì)煙絲水分散失動(dòng)力學(xué)的影響 (1)煙絲干燥動(dòng)力學(xué)模型的建立。為了研究保潤(rùn)劑對(duì)煙絲水分散失動(dòng)力學(xué)的影響，利用Origin8.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立合適的煙絲干燥動(dòng)力學(xué)模型。常用的食品干燥動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦滤綶10-14]。

(2)

(3)

Two-term：

(4)

Henderson-Pabis：

(5)

式中：MR為水分比，表示一定干燥條件下物料中未被干燥去除的水分；t為干燥時(shí)間(h)；Me為平衡水分含量(kg/kg)；M0為初始水分含量(kg/kg)；Mt為t時(shí)刻的水分含量(kg/kg);k為干燥速率常數(shù)；a、b、n、k1、k2為待定系數(shù)。

對(duì)添加不同含量保潤(rùn)劑的煙絲，分別使用上述4種干燥模型(公式(2)～(5))進(jìn)行擬合求值，使用決定系數(shù)R2和χ2為統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)指標(biāo)。其中R2越接近1說明模型能更好地解釋變量的變異性；χ2越小說明模型越可靠。其計(jì)算公式分別為：

(6)

(7)

(2) 煙絲有效水分?jǐn)U散系數(shù)的測(cè)定。物料內(nèi)部水分?jǐn)U散主要有knudsen擴(kuò)散、液相擴(kuò)散或氣相擴(kuò)散等。常用有效擴(kuò)散系數(shù)Deff來表示物料內(nèi)部水分?jǐn)U散的快慢。因此為了研究保潤(rùn)劑對(duì)煙絲內(nèi)部水分?jǐn)U散的影響，本文采用基于Fick第二定律的擴(kuò)散模型來確定煙絲中的水分?jǐn)U散系數(shù)[15-17]。

擴(kuò)散模型表示為：

(8)

式中：M為物料的干基含水率(kg/kg)；t為干燥時(shí)間(s)；Deff為有效擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；x、y、z為空間坐標(biāo)的3個(gè)軸的方向。

本文中假設(shè)：物料初始水分均勻；可以忽略外部傳質(zhì)阻力，擴(kuò)散只發(fā)生在垂直煙葉的方向，則擴(kuò)散模型(Eq(8))經(jīng)過積分求解，化簡(jiǎn)為：

(9)

2 結(jié)果與分析

2.1 保潤(rùn)劑的保濕性測(cè)定結(jié)果

保潤(rùn)劑具有保濕特性主要是由于保潤(rùn)劑含有大量的親水基團(tuán)如羥基、羧基，這些基團(tuán)通過與水分子形成分子間氫鍵作用，從而抑制了水分子的逃逸。以傳統(tǒng)煙草保潤(rùn)劑甘油和新型煙草保潤(rùn)劑乳酸鉀為代表，本文分別研究了2種相對(duì)濕度環(huán)境中(RH=(40±2)%，(70±2)%)保潤(rùn)劑的保濕率，結(jié)果見圖1。由圖1可知，恒定溫度下，在低濕度環(huán)境(RH=(40±2)%)中保潤(rùn)劑溶液中的水分蒸發(fā)明顯慢于純水。同等質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳酸鉀溶液水分揮發(fā)速率低于甘油溶液，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，2種保潤(rùn)劑溶液間保濕率差異越大，由24 h時(shí)的14%增至120 h的36%。在120 h時(shí)，甘油溶液的保濕率僅為31%，乳酸鉀溶液的保濕率約為甘油溶液的2倍。

從圖1可以看出，在RH=(70±2)%的環(huán)境中，純水處于緩慢揮發(fā)狀態(tài)，其水分揮發(fā)速率高于2種保潤(rùn)劑溶液，而乳酸鉀溶液和甘油溶液對(duì)于水分的保持顯示出了不同的趨勢(shì)。隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的乳酸鉀溶液能夠從空氣中吸收水分，而同等質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甘油溶液由于其溶液表面水蒸氣分壓大于空氣中的水蒸氣分壓，呈現(xiàn)出略微失水狀態(tài)。因此可以推斷，保潤(rùn)劑能有效保持水分，與甘油相比，乳酸鉀對(duì)水分子結(jié)合作用力較大，能夠更為有效地減緩水分散失速率。

圖1 不同環(huán)境濕度下保潤(rùn)劑的保濕率

2.2 添加保潤(rùn)劑煙絲的水分變化分析

為了進(jìn)一步探討在低濕度環(huán)境中保潤(rùn)劑對(duì)煙絲水分含量變化的影響，分別按照煙絲質(zhì)量的0.5%，1% 和2%將甘油和乳酸鉀添加到煙絲中進(jìn)行保潤(rùn)性測(cè)試。由于噴灑保潤(rùn)劑后，樣品水分含量較高，故將樣品先置于T=(22±1) ℃、RH=(60±2)%的環(huán)境中平衡，然后再置于RH=(40±2)%的環(huán)境中進(jìn)行保潤(rùn)性能測(cè)試，結(jié)果見圖2。由圖2可知，在RH=(60±2)%的環(huán)境下平衡后，樣品的含水率在11.9%～14.2%。甘油和乳酸鉀都能夠提高煙絲的平衡含水率，且煙絲平衡含水率隨保潤(rùn)劑添加量的增加而增加。

圖2 保潤(rùn)劑對(duì)煙絲持水性的影響

如圖2所示，在低濕度環(huán)境中(RH=(40±2)%)，所有樣品在放置的前24 h內(nèi)水分含量迅速降低，24 h后水分散失開始變得緩慢。相對(duì)于純水對(duì)照，甘油和乳酸鉀都表現(xiàn)出了保濕作用，但乳酸鉀的保濕效果更為明顯，在試驗(yàn)的整個(gè)階段，添加乳酸鉀的樣品水分含量始終高于甘油樣品。這與2.1中保濕率測(cè)定的結(jié)果一致，說明乳酸鉀有效減緩了煙絲水分的散失，具有優(yōu)于甘油的保濕性能。

從圖2還可知，不同的保潤(rùn)劑添加量也將影響卷煙的保潤(rùn)性能。隨著乳酸鉀添加量的增加，乳酸鉀樣品的實(shí)時(shí)水分含量與空白對(duì)照水分含量之差也隨之增加。在放置48 h時(shí)，純水對(duì)照樣品的水分含量為6.61%，添加0.5%，1%，2%乳酸鉀的樣品較純水對(duì)照分別提高了8.32%，15.13%和19.06%。

2.3 保潤(rùn)劑對(duì)煙絲水分散失動(dòng)力學(xué)的影響

2.3.1 保潤(rùn)劑對(duì)煙絲干燥動(dòng)力學(xué)模型的影響 由于各樣品的初始含水率不同，因此在計(jì)算煙絲的干燥動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，首先將試驗(yàn)得到的干基含水率轉(zhuǎn)化成水分比MR。表1列出了不同干燥動(dòng)力學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬后所得到的擬合檢驗(yàn)指標(biāo)R2和χ2。由表1可知，對(duì)于所有樣品，Lewis模型表現(xiàn)出最低的R2值以及最大的χ2值，其次為Henderson-Pabis模型。Page模型和Two-terms模型的R2均高于0.99，相應(yīng)的χ2小于8.89×10-4，其中，Page模型具有最大的R2值和最小的χ2值。因此，Page模型能夠更好地描述煙絲在貯藏過程中水分散失的變化規(guī)律。

Page模型對(duì)各樣品試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的待定系數(shù)如表2所示。由表2可知，在相同的干燥環(huán)境下，添加純水的煙絲表現(xiàn)出了最高的干燥速率常數(shù)k。甘油和乳酸鉀能夠降低Page模型中的k值，且k值隨保潤(rùn)劑添加量的增加而降低。當(dāng)添加量相同時(shí)，乳酸鉀較甘油更為有效地降低了k值。說明k值不僅與環(huán)境中溫度、風(fēng)速相關(guān)[18]，也與樣品自身持水性能相關(guān)。

表 1 煙絲干燥動(dòng)力學(xué)模型擬合統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表 2 Page模型的擬合系數(shù)

2.3.2 保潤(rùn)劑對(duì)煙絲水分?jǐn)U散系數(shù)的影響 由圖2可知，煙絲在低濕環(huán)境下失水是降速干燥階段，說明在這一失水過程中，煙絲內(nèi)部的水分?jǐn)U散速率小于表面氣化速率，內(nèi)部的水分?jǐn)U散是控制水分散失速率的主導(dǎo)因素。基于Fick第二定律的擴(kuò)散模型可以用來描述食品的降速干燥特性。將空白樣品及添加保潤(rùn)劑樣品的實(shí)時(shí)水分含量帶入公式(9)，通過Origin 8.0非線性回歸分析，得到煙絲的水分有效擴(kuò)散系數(shù)，如表3所示。由表3可知，在測(cè)試環(huán)境下(T=(22±1) ℃、RH=(40±2)%)，樣品煙絲的水分有效擴(kuò)散系數(shù)為1.593 8×10-10～2.348 6×10-10m2/s，與Saravacos等[19]報(bào)道的食品物料干燥過程中有效擴(kuò)散系數(shù)為0.01×10-11～50×10-11m2/s吻合。

由表3可以看出，與添加純水的樣品相比，保潤(rùn)劑能不同程度降低煙絲內(nèi)部水分有效擴(kuò)散系數(shù)。對(duì)于添加同一種保潤(rùn)劑的樣品而言，水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨其添加量的增加而降低。在相同的添加量下，添加乳酸鉀樣品的水分有效擴(kuò)散系數(shù)低于甘油樣品，這與上述Page模型的結(jié)果一致。其中，添加2%乳酸鉀樣品的水分有效擴(kuò)散系數(shù)最低，較純水對(duì)照降低了32.14%。這可能是由于添加保潤(rùn)劑后，保潤(rùn)劑和煙絲內(nèi)部的水分結(jié)合，導(dǎo)致水分在樣品中的擴(kuò)散能力減弱，從而降低了水分的散失速率。

表 3 煙絲的水分有效擴(kuò)散系數(shù)

3 結(jié) 論

(1)保潤(rùn)試驗(yàn)結(jié)果表明，煙絲水分散失是降速干燥過程，內(nèi)部水分?jǐn)U散控制著煙絲干燥速率。

(2)從動(dòng)力學(xué)角度分析了保潤(rùn)劑對(duì)煙草持水性能的影響。通過對(duì)4種常見的食品干燥動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行非線性擬合，以決定系數(shù)R2和χ2為評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)Page模型為描述煙絲水分散失過程的最佳模型。Page模型中干燥速率常數(shù)隨保潤(rùn)劑添加量的增加而降低。

(3)依據(jù)Fick第二定律的擴(kuò)散模型，得到在干燥環(huán)境(T=(22±1) ℃、RH=(40±2)%)下煙絲內(nèi)部水分有效擴(kuò)散系數(shù)在1.593 8×10-10～2.348 6×10-10m2/s。保潤(rùn)劑能夠降低煙絲內(nèi)部水分的有效擴(kuò)散系數(shù)，且有效擴(kuò)散系數(shù)隨其添加量的增加而降低。

(4)與甘油相比，乳酸鉀具有更優(yōu)的吸濕性能及保潤(rùn)特性，能夠更為有效地降低煙絲的干燥速率常數(shù)和有效擴(kuò)散系數(shù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 郭國(guó)寧,嚴(yán) 恒,蔡 冰,等.KSAP-T的保潤(rùn)性能及其應(yīng)用研究 [J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(12)：6569-6572.

Guo G N,Yan H,Cai B,et al.Characteristics and application of novel humectant KSAP-T in tobacco [J].Journal of Anhui Agricultural Science,2010,38(12)：6569-6572.(in Chinese)

[2] 伍錦鳴,卓浩廉.淀粉改性煙草保潤(rùn)劑的制備 [J].現(xiàn)代食品科技,2012,28(1)：77-81,42.

Wu J M,Zhuo H L.Production of a modified-starch tobacco humectants additive [J].Modern Food Science and Technology,2012,28(1)：77-81,42.(in Chinese)

[3] 嚴(yán) 恒,郭國(guó)寧,程 艷,等.魔芋葡甘聚糖基吸水劑的保潤(rùn)性能研究 [J].食品工業(yè)科技,2010(3)：142-144.

Yan H,Guo G N,Cheng Y,et al.Study on moisture retention of konjac super absorbent polymer [J].Science and Technology of Food Industry,2010(3)：142-144.(in Chinese)

[4] 侯偉華.茶葉烘干機(jī)理與烘干機(jī)的節(jié)能改進(jìn) [D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

Hou W H.Drying mechanism of tea and improvement about dryer energy-saving [D].Wuhan：Huazhong Agricultural University,2009.(in Chinese)

[5] 范柳萍.低脂胡蘿卜脆片的加工及貯藏研究 [D].江蘇無錫：江南大學(xué),2005.

Fan L P.Study on proessing and storage of low-fat carrot chips [D].Wuxi,Jiangsu：Jiangnan University,2005.(in Chinese)

[6] Astruc T,Labas R,Vendeuvre J L,et al.Beef sausage structure affected by sodium chloride and potassium lactate [J].Meat Science,2008,80(4)：1092-1099.

[7] Weaver R A,Shelef L A.Antilisterial activity of sodium,potassium or calcium lactate in pork liver sausage [J].Journal of Food Safety,1993,13(2)：133-146.

[8] Knock R C,Seyfert M,Hunt M C,et al.Effects of potassium lactate,sodium chloride,sodium tripolyphosphate,and sodium acetate on colour,colour stability,and oxidative properties of injection-enhanced beef rib steaks [J].Meat Science,2006,74(2)：312-318.

[9] 國(guó)家煙草專賣局.YC/T 31-1996 煙草及煙草制品：試驗(yàn)的制備和水分的測(cè)定 烘箱法 [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

State Tobacco Monopoly Bureau.YC/T 31-1996 Tobacco and tobacco products：Preparation of test sample and determination of water content-oven method [S].Beijing:China Standard Press,1996.(in Chinese)

[11] Sacilik K,Unal G.Dehydration characteristics of kastamonu garlic slices [J].Biosystems Engineering,2005,92(2)：207-215.

[12] Madambaa P S,Robert H D,Ken A B.The thin-layer drying characteristics of garlic slices [J].Journal of Food Engineering,1996,29(1)：75-97.

[13] Roberts J S,Kidd D R,Padilla-Zakour O.Drying kinetics of grape seeds [J].Journal of Food Engineering,2008,89(4)：460-465.

[14] 何新益,程莉莉,劉金福,等.蘋果片變溫壓差膨化干燥特性與動(dòng)力學(xué)研究 [J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(5)：130-135.

He X Y,Cheng L L,Liu J F,et al.Drying characteristics and dynamics of apple slices by explosion puffing drying at variable temperatures and pressure difference [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2012,43(5)：130-135.(in Chinese)

[15] Walton L R,Henry Z A,Henson W H.Moisture diffusion in the cured burley tobacco leaf [J].Transactions of the ASABE,1976,19(4)：796-800.

[16] Walton L R,Casada M E,Henson W H.Diffusion of moisture from burley tobacco leaves during curing [J].Transactions of the ASABE,1982,25(4)：1099-1102.

[17] Fernando W J N,Low H C,Ahmad A L.Dependence of the effective diffusion coefficient of moisture with thickness and temperature in convective drying of sliced materials:A study on slices of banana,cassava and pumpkin [J].Journal of Food Engineering,2011,102(4)：310-316.

[18] 關(guān)志強(qiáng),王秀芝,李 敏,等.荔枝果肉熱風(fēng)干燥薄層模型 [J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(2)：151-158,191.

Guan Z Q,Wang X Z,Li M,et al.Mathematical modeling of hot air drying of thin layer litchi flesh [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2012,43(2)：151-158,191.(in Chinese)

[19] Saravacos G D,Maroulls Z B.Transport properties of foods [M].United States：Marcel Dekker,Inc,2001.