杜勃宏，史 霖，楊本剛，翟天瑗，蔡 持

(四川三聯(lián)新材料有限公司，四川 成都 610100)

爆珠卷煙，作為一種近年推出的新穎卷煙產(chǎn)品，由于多種多樣的口味和具有可玩性的特點(diǎn)，面市以來(lái)就廣受消費(fèi)大眾喜愛(ài)[1-2]。爆珠，就是嵌入在卷煙濾嘴中的包裹著液態(tài)物質(zhì)的膠囊[3]。卷煙抽吸時(shí)，消費(fèi)者可自主選擇釋放爆珠內(nèi)部物質(zhì)來(lái)豐富卷煙口感[4]。爆珠不僅可以提供香味，消除焦油量降低帶來(lái)的口味變淡的影響，還能夠在觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和味覺(jué)等方面給消費(fèi)者全新的體驗(yàn)[5-6]。

截至目前，爆珠主要應(yīng)用在以下方面[7-8]：①增香保香：調(diào)節(jié)煙氣、豐富煙香；②定向釋放：實(shí)現(xiàn)香味物質(zhì)、降害材料和保潤(rùn)物質(zhì)的定向釋放，達(dá)到改善抽吸質(zhì)量、降低危害的目的；③增加抽吸時(shí)的趣味性：捏破爆珠可以讓消費(fèi)者同時(shí)得到視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)上的沖擊；④熄滅煙支或降解濾棒。

現(xiàn)在，煙用爆珠的生產(chǎn)工藝以滴制法為主，膠液、香精通過(guò)同心流柱在循環(huán)油中實(shí)現(xiàn)包裹，然后憑借自身重力或者脈沖切割裝置進(jìn)行濕珠分離[9]。除此之外，還有銳孔-凝固浴法、壓制法、冷凍定型法和光固化法等等[7,10]。爆珠生產(chǎn)整體流程較為復(fù)雜，包含化膠、滴丸、水洗、干燥、去油、平衡、篩選、檢測(cè)等八大工序，各工序具有獨(dú)特要求。例如，干燥工序目前選用的多是轉(zhuǎn)籠干燥方式，要求濕爆珠必須具有足夠強(qiáng)度，強(qiáng)度不足的濕爆珠在干燥過(guò)程中會(huì)發(fā)生破裂，導(dǎo)致整體得率下降，異形產(chǎn)品增多。

本研究擬在滴丸與水洗工序之間增加強(qiáng)化工序，由于同等濃度下乳酸鈣對(duì)膠皮的提升效果較氯化鈣要更好[11]，我們采用乳酸鈣溶液對(duì)濕爆珠進(jìn)行強(qiáng)化。強(qiáng)化工序的添加有效提高了濕爆珠強(qiáng)度，減少了干燥工序破損率。為了取得最佳的強(qiáng)化效果，我們對(duì)強(qiáng)化工藝進(jìn)行了系列研究，通過(guò)設(shè)定不同的強(qiáng)化液濃度、強(qiáng)化時(shí)間，研究其強(qiáng)化效果的差異，從而篩選出最佳的強(qiáng)化工藝，為煙用爆珠工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

膠粉(混合物，主要成分為瓊脂、結(jié)冷膠)，武漢市昱宸峰科技有限公司；甘油(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5%)、乳酸鈣，云南巴菰生物科技有限公司產(chǎn)；芯材，四川三聯(lián)新材料有限公司產(chǎn)；色素(亮藍(lán))，四川祥榮物資有限公司；

304材質(zhì) 150 L 化膠罐、304材質(zhì)搖擺式干燥轉(zhuǎn)籠，云南巴菰生物科技有限公司產(chǎn)；脈沖式無(wú)縫滴丸機(jī)，武漢市昱宸峰科技有限公司產(chǎn)；ZL23煙用爆珠綜合測(cè)試儀，成都瑞拓科技股份有限公司產(chǎn)；場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，型號(hào)為Apreo S HiVac，ThermoFisherScientific(FEI)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 強(qiáng)化液的配制

將純水與乳酸鈣按照一定質(zhì)量比混合，制備強(qiáng)化液。每組稱取純水 40000 g，加入到不銹鋼桶內(nèi)，然后加入對(duì)應(yīng)量的乳酸鈣，充分?jǐn)嚢韬?，配制成乳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%、0.6%、0.8%的強(qiáng)化液。

1.2.2 濕爆珠的滴制

爆珠生產(chǎn)工序流程(如圖1所示)：將純水加入到化膠罐中，攪拌升溫至 75 ℃ 后，按照甘油、色素、膠粉的順序進(jìn)行投料，保持溫度為 80 ℃、攪拌速率 50 r/min，化膠 1.5 h，制備出適用膠液；在同一臺(tái)脈沖式無(wú)縫滴丸機(jī)上，將膠液和芯液按照一定比例滴制成濕爆珠。

圖1 煙用爆珠生產(chǎn)工序流程

1.2.3 煙用爆珠強(qiáng)化工藝中強(qiáng)化液濃度的確定

將滴制的濕爆珠均勻分組，每份 10 kg。將濕爆珠浸泡在純水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%、0.6%、0.8%的強(qiáng)化液中，強(qiáng)化時(shí)間為 60 s。然后經(jīng)水洗、干燥、平衡、篩分后獲得成品爆珠。每組隨機(jī)抽取100粒成品爆珠，使用爆珠綜合測(cè)試儀測(cè)定爆珠的粒徑和壓力值，施壓速度為 25 cm/min，所得數(shù)據(jù)通過(guò)origin軟件進(jìn)行分析處理。

1.2.4 煙用爆珠強(qiáng)化工藝中強(qiáng)化時(shí)間的確定

根據(jù)已確定的最佳強(qiáng)化液濃度，進(jìn)一步研究強(qiáng)化時(shí)間對(duì)爆珠性能的影響。將滴制的濕爆珠均勻分組，每份 10 kg。將濕爆珠浸泡在一定濃度的強(qiáng)化液中，強(qiáng)化時(shí)間為 30 s、60 s、180 s、600 s，然后經(jīng)水洗、干燥、平衡、篩分后獲得成品爆珠。每組隨機(jī)抽取100粒成品爆珠，使用爆珠綜合測(cè)試儀測(cè)定爆珠的粒徑和壓力值，施壓速度為 25 cm/min，所得數(shù)據(jù)通過(guò)origin軟件進(jìn)行分析處理。

1.2.5 掃描電鏡測(cè)試

利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)四組爆珠樣本進(jìn)行微觀表面觀測(cè)，分別為：①未強(qiáng)化；②0.4%強(qiáng)化液強(qiáng)化 60 s;③0.4%強(qiáng)化液強(qiáng)化 600 s;④0.8%強(qiáng)化液強(qiáng)化 60 s。每組樣本放大120倍、2000倍、10000倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 強(qiáng)化液不同濃度對(duì)煙用爆珠性能的影響

2.1.1 強(qiáng)化液不同濃度對(duì)煙用爆珠壓力值的影響

在抽吸時(shí)，煙用爆珠需要捏破釋香，其捏破的手感與壓力值直接相關(guān)。當(dāng)爆珠壓力值過(guò)高時(shí)，爆珠不易捏破，影響抽吸體驗(yàn)；當(dāng)爆珠壓力值較低時(shí)，加工性較差，容易在后續(xù)的干燥過(guò)程，濾棒、卷煙加工過(guò)程中破裂，并且在捏破時(shí)沒(méi)有清脆感。對(duì)于已滴制出來(lái)的強(qiáng)度較差的濕爆珠，已經(jīng)無(wú)法通過(guò)膠皮重量來(lái)調(diào)節(jié)壓力值，便需要對(duì)其強(qiáng)化。本實(shí)驗(yàn)選用純水、0.4%強(qiáng)化液、0.6%強(qiáng)化液、0.8%強(qiáng)化液對(duì)濕爆珠進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理，利用爆珠綜合測(cè)試儀測(cè)試相應(yīng)的壓力值。結(jié)果如圖2。使用強(qiáng)化液進(jìn)行強(qiáng)化后的爆珠壓力值(圖2中的b、c、d)明顯高于未進(jìn)行強(qiáng)化的爆珠壓力值，并且爆珠的壓力值隨強(qiáng)化液的濃度增加而先增大后略微減小，這與朱貝貝等人的研究結(jié)論相似[12]。這是由于乳酸鈣對(duì)爆珠進(jìn)行強(qiáng)化是通過(guò)對(duì)膠皮組分中的結(jié)冷膠強(qiáng)度提高而實(shí)現(xiàn)的。結(jié)冷膠和二價(jià)離子的凝膠理論認(rèn)為，結(jié)冷膠分子的梭基側(cè)鏈由于靜電相互作用而互相排斥，這阻礙了螺旋的緊密聚集，而陽(yáng)離子的介入能屏蔽靜電排斥作用，一個(gè)陽(yáng)離子連接一對(duì)梭基。因此隨著陽(yáng)離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，凝膠強(qiáng)度也隨之提高，但過(guò)多的陽(yáng)離子又會(huì)阻礙結(jié)冷膠雙螺旋結(jié)構(gòu)的有序聚集，減弱凝膠，所以當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)一定限度，又會(huì)使凝膠強(qiáng)度下降[13-15]。在四組數(shù)據(jù)中，0.4%強(qiáng)化液的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差最低(SD=1.733)，壓力均值(14.29N)相比于未強(qiáng)化對(duì)照組(13.98N)也有一定的提高。因此結(jié)合效果與成本綜合來(lái)看，0.4%應(yīng)該是最適合的強(qiáng)化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(a)未進(jìn)行強(qiáng)化；(b)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的強(qiáng)化水強(qiáng)化；(c)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的強(qiáng)化水強(qiáng)化；(d)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的強(qiáng)化水強(qiáng)化。圖2 強(qiáng)化液不同濃度對(duì)煙用爆珠壓力值的影響

2.1.2 強(qiáng)化液不同濃度對(duì)煙用爆珠粒徑的影響

如圖3顯示，當(dāng)對(duì)濕爆珠不采用強(qiáng)化工藝時(shí)，粒徑均值為 2.716 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.079，而使用不同濃度的強(qiáng)化液對(duì)濕爆珠進(jìn)行強(qiáng)化，成品爆珠的粒徑均值及標(biāo)準(zhǔn)差與不強(qiáng)化的對(duì)照組差別不大，分為為 2.69 mm(0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù))、2.70 mm(0.6%質(zhì)量分?jǐn)?shù))、2.69 mm(0.8%質(zhì)量分?jǐn)?shù))，并未呈現(xiàn)有明顯的隨強(qiáng)化液濃度變化的規(guī)律。

(a)未進(jìn)行強(qiáng)化；(b)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的強(qiáng)化水強(qiáng)化；(c)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的強(qiáng)化水強(qiáng)化；(d)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的強(qiáng)化水強(qiáng)化。圖3 強(qiáng)化液不同濃度對(duì)煙用爆珠粒徑的影響

2.2 強(qiáng)化時(shí)間對(duì)煙用爆珠性能的影響

2.2.1 強(qiáng)化時(shí)間對(duì)煙用爆珠壓力值的影響

結(jié)合2.1.1的試驗(yàn)結(jié)果，我們選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的強(qiáng)化液，對(duì)五批濕爆珠分別強(qiáng)化 0 s(未強(qiáng)化)、30 s、60 s、180 s、600 s，利用爆珠綜合測(cè)試儀測(cè)試對(duì)應(yīng)的壓力值。由于強(qiáng)化液為水溶液，所以浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，爆珠膠皮中的色素流失量越多，導(dǎo)致成品爆珠的顏色約淺，但經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)爆珠性能及使用并無(wú)影響。其次，如圖4的結(jié)果顯示，當(dāng)強(qiáng)化時(shí)間為 30 s，相比于未強(qiáng)化組(圖2，a)，壓力值已經(jīng)從 13.98 N 提高到 14.23 N，證明強(qiáng)化液確實(shí)可以有效提高爆珠壓力值。但是強(qiáng)化 30 s 組，壓力值SD值偏大(2.028)，甚至高于了未強(qiáng)化組(1.837)，這是由于 30 s 時(shí)間內(nèi)強(qiáng)化不充分，部分爆珠并未強(qiáng)化，導(dǎo)致壓力值SD值偏大。其次，強(qiáng)化 60 s 后的爆珠的壓力值為 14.29 N，而強(qiáng)化 180 s、強(qiáng)化 600 s 的爆珠壓力值僅略微提高，為 14.37 N、14.40 N。由此看來(lái)，在強(qiáng)化液濃度一定下，隨強(qiáng)化時(shí)間的增加，強(qiáng)化效果在短時(shí)間內(nèi)迅速提升然后趨于飽和。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，強(qiáng)化時(shí)間應(yīng)合理控制，以提高生產(chǎn)效率。

(a)強(qiáng)化 30 s；(b)強(qiáng)化 60 s；(c)強(qiáng)化 180 s；(d)強(qiáng)化 600 s。圖4 不同強(qiáng)化時(shí)間對(duì)煙用爆珠壓力值的影響(0.4%強(qiáng)化液)

2.2.2 強(qiáng)化時(shí)間對(duì)煙用爆珠粒徑的影響

如圖5顯示，強(qiáng)化時(shí)間的差異對(duì)于粒徑均值同樣沒(méi)有明顯的影響，更加證明強(qiáng)化工藝僅僅調(diào)節(jié)強(qiáng)度等性能，并不會(huì)影響爆珠的形態(tài)，不會(huì)在外觀形態(tài)上造成負(fù)面影響。

(a)強(qiáng)化30 s；(b)強(qiáng)化60 s；(c)強(qiáng)化180 s；(d)強(qiáng)化600 s。圖5 不同強(qiáng)化時(shí)間對(duì)煙用爆珠粒徑的影響(0.4%強(qiáng)化液)

2.3 強(qiáng)化對(duì)煙用爆珠微觀表面的影響

利用掃描電鏡(SEM)對(duì)四組爆珠樣本進(jìn)行觀測(cè)，探究強(qiáng)化工藝對(duì)爆珠微觀表面的影響。四組樣本分別為未強(qiáng)化爆珠(圖6，a)、0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)強(qiáng)化水強(qiáng)化 60 s 后的爆珠(圖6，b)、0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)強(qiáng)化水強(qiáng)化 600 s 后的爆珠(圖6，c)、0.8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)強(qiáng)化水強(qiáng)化 60 s 后的爆珠(圖6，d)。圖像顯示，未強(qiáng)化的爆珠表面粗糙不平整，有大量小突起和孔洞，其形成原因一方面應(yīng)該是膠皮凝固后發(fā)生的不規(guī)則形變，另一方面可能是爆珠在轉(zhuǎn)運(yùn)、干燥等過(guò)程中發(fā)生的破損。而使用0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的強(qiáng)化液強(qiáng)化 60 s 后的爆珠，表面開(kāi)始變得平整，表面的突起與孔洞明顯減少。當(dāng)延長(zhǎng)強(qiáng)化時(shí)間到 600 s 時(shí)(圖6，c)，我們發(fā)現(xiàn),表面的平整情況與強(qiáng)化 60 s 的樣本差別不大，證明時(shí)間的延長(zhǎng)并未使微觀表面進(jìn)一步變化。而增加強(qiáng)化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)到0.8%時(shí)(圖6，d)，同樣強(qiáng)化 60 s，高強(qiáng)化液濃度的爆珠表面更加平整、致密，這恰好驗(yàn)證了我們2.1.1中高濃度的強(qiáng)化液使得爆珠表面被過(guò)度強(qiáng)化成緊密結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化效果反而不如較低濃度徹底這一結(jié)論。因此，我們認(rèn)為，強(qiáng)化工藝使得爆珠膠皮強(qiáng)度提高，從而使微觀表面更加致密并不易受轉(zhuǎn)運(yùn)、干燥等過(guò)程影響而產(chǎn)生破損。表面情況也側(cè)面驗(yàn)證了強(qiáng)化時(shí)間存在飽和點(diǎn)，從 60 s 延長(zhǎng)到 600 s，對(duì)于強(qiáng)化效果影響不大，而選用高濃度強(qiáng)化液，則可能使表面過(guò)度致密而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，反而沒(méi)有較低濃度的強(qiáng)化液效果好。

(a)未進(jìn)行強(qiáng)化；(b)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的強(qiáng)化液強(qiáng)化 60 s；(c)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的強(qiáng)化液強(qiáng)化600 s；(d)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的強(qiáng)化液強(qiáng)化60 s圖6 不同強(qiáng)化工藝處理的爆珠的微觀表面

3 結(jié)論

本研究對(duì)煙用爆珠強(qiáng)化工藝進(jìn)行了系列的研究，結(jié)果顯示：①乳酸鈣溶液確實(shí)可以有效提高煙用爆珠的強(qiáng)度，減少因強(qiáng)度不夠?qū)е碌钠扑榍闆r，提高產(chǎn)品得率；②通過(guò)分別研究不同強(qiáng)化液濃度、不同強(qiáng)化時(shí)間對(duì)于強(qiáng)化效果影響，發(fā)現(xiàn)同一強(qiáng)化液濃度下，強(qiáng)化時(shí)間存在飽和點(diǎn)：在強(qiáng)化一定時(shí)間后強(qiáng)化效果不再隨時(shí)間延長(zhǎng)而繼續(xù)提高，并且當(dāng)強(qiáng)化時(shí)間過(guò)短時(shí)，反而會(huì)因?yàn)閺?qiáng)化不充分造成壓力值SD值變大，結(jié)果顯示 60 s 為較合適的強(qiáng)化時(shí)間；③增加強(qiáng)化液的濃度可以有效提高強(qiáng)化效果，但是當(dāng)強(qiáng)化液濃度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致表面過(guò)度強(qiáng)化而使強(qiáng)度降低，結(jié)果顯示0.4%為強(qiáng)化液最佳濃度；④當(dāng)通過(guò)掃描電鏡觀察爆珠的微觀表面，結(jié)果顯示相比于未強(qiáng)化的爆珠，強(qiáng)化有效減少了表面損傷，強(qiáng)化后爆珠表面更加致密、平整。