魔芋葡甘聚糖基吸水剂的保润性能研究

严 恒,郭国宁,程 艳,蔡 冰,姜发堂,＊

(1.湖北工业大学生物工程学院,湖北武汉 430068; 2.湖北中烟工业有限责任公司技术研发中心,湖北武汉 430051)

魔芋葡甘聚糖基吸水剂的保润性能研究

严 恒1,郭国宁2,＊,程 艳1,蔡 冰2,姜发堂1,＊

(1.湖北工业大学生物工程学院,湖北武汉 430068; 2.湖北中烟工业有限责任公司技术研发中心,湖北武汉 430051)

以魔芋葡甘聚糖(KG M)及其衍生物魔芋超强吸水剂 (KSAP)为对象,考察在烟草薄片中的保润效果,并与甘油、丙二醇进行了对比。同时采用回归方程建立 KSAP在烟草薄片中的保润模型。结果表明：KG M、KSAP的保润效果优于甘油和丙二醇,且 KSAP的保润效果最好。烟草薄片的水分比率(MR)与 KSAP浓度(c)和保润时间(t)的相关性模型为MR=exp[(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

魔芋葡甘聚糖,魔芋超强吸水剂,烟草薄片,保润

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

KG M 湖北清诚咸丰绿色食品有限公司;KSAP湖北工业大学魔芋生物材料研究室制备;B类烟草薄片 湖北中烟工业公司;其余试剂 均为国产分析纯。

HZ WS-3智能恒温恒湿实验箱 无锡华泽科技有限公司;AR2130电子精密天平 梅特勒-托利多仪器 (上海)有限公司;HygroPa lm-AW1水分活度仪瑞士罗卓尼克公司;GZX-9140 MBE数显鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 烟草薄片预处理 取 120mm×120mm大小的烟草薄片 100±1℃干燥脱水 2h,取出放入密封袋中快速封口,置于硅胶干燥器中。

1.2.2 测试环境平衡 设定温度 22℃,相对湿度40%的恒温恒湿实验箱测试环境,将电子精密天平置于实验箱体内,天平托盘上放置样品支架,箱体内温湿度稳定后开始实验。

1.2.3 保润效果对比 取精确称重的预处理烟草薄片,均匀喷晒 1.5g蒸馏水,迅速置于天平的样品支架上,每隔 10min记录一次天平读数,直到读数恒定,即烟草薄片失水达到平衡,使用 HygroPa lm-AW1水分活度仪测试失水平衡后的烟草薄片水分活度。按上述方法分别均匀喷晒 1.5g浓度(w/w)为 1%甘油、1%丙二醇、1%KG M、1%KSAP,并测试水分活度。重复三次实验,取平均值。

1.2.4 KSAP在烟草薄片中保润模型的建立 按1.2.3方法分别往预处理烟草薄片均匀喷晒浓度(w/w)为 0.2%、0.4%、0.6%和 0.8%的 KSAP溶液,研究不同浓度 KSAP的烟草薄片保润性能,建立其保润模型。

1.3 数据处理

1.3.1 烟草薄片失水曲线 以烟草薄片干基含水率为纵坐标、失水时间为横坐标,绘制添加不同保润剂烟草薄片失水曲线。烟草薄片干基含水率按式 (1)计算：

式中：W为干基含水率,%;Mt为 t时刻重量,g; M0为干基重,g。

1.3.2 烟草薄片失水速率曲线 以烟草薄片失水速率为纵坐标、烟草薄片干基含水率为横坐标,绘制添加不同保润剂烟草薄片失水速率曲线。烟草薄片失水速率按式(2)计算：

式中：V为失水速率,g/(m2·min);△M为△t时间间隔内散失的水分量,g;△t为时间间隔,min; S为失水面积,m2。

1.3.3 烟草薄片水分比率曲线 根据对应于不同失水时间的烟草薄片干基含水率和平衡干基含水率,计算对应于不同失水时间的烟草薄片的水分比率。以烟草薄片水分比率为纵坐标、失水时间为横坐标绘制曲线。水分比率按式(3)计算：

式中：MR为水分比率;We为平衡干基含水率,%;W为失水过程中任意时刻干基含水率,%; W0为初始干基含水率,%。

2 结果与分析

2.1 添加不同保润剂的烟草薄片失水动力学曲线

影响烟草薄片失水过程的主要因素是温度、相对湿度及其组成成分,添加不同保润剂对烟草薄片失水过程的影响见图 1。

图 1 添加不同保润剂的烟草薄片失水曲线

在22℃、相对湿度40%环境中,烟草薄片的含水率随着时间的延长而递减,直至平衡。添加了保润剂的样品含水率下降程度均低于空白对照,表明保润剂的添加有助于延缓烟草薄片的水分散失,这是因为保润剂均是多羟基化合物,能够结合水分子并形成氢键。与传统烟草保润剂甘油和丙二醇相比, KG M和 KSAP的保润效果更明显,其中 KSAP的水分散失最慢,这可以从 KSAP的分子结构来解释。K S A P分子链上除了羟基外还富含强亲水基团-羧基,与水的结合能力更强,KSAP分子链之间形成三维网络结构,阻碍了水分的散失。KSAP还具有良好的成膜性,能在烟草薄片表面形成了一层稳定封闭的被膜,阻止了水分散失。表 1是烟草薄片的平衡含水率和与之相对应的水分活度,从平衡含水率的数值可以看出,保润剂在不同程度上提高了烟草薄片的平衡含水率,其中添加了 KSAP的最高,相比于空白、甘油和丙二醇分别提高了 55.6%、44.3%和36.0%。这是由于在失水后期,保润剂吸附在烟草薄片上,仍有部分水没能挣脱保润剂的束缚而结合在一起,从而提高了烟草薄片的平衡含水率。从水分活度的数据可以看出,添加不同保润剂的烟草薄片的水分活度大约为 0.4,与实验相对湿度一致,表明了失水达到了终点,水分不再丢失。此时水分活度相同,添加了 KSAP的含水率最高,表明了 KSAP降低了烟草薄片水分的逃逸能力,阻止了水分的散失。

表 1 添加不同保润剂的烟草薄片的平衡含水率及水分活度

图 2是添加不同保润剂的烟草薄片失水速率曲线。在失水初期失水速率恒定,这是由于此时烟草薄片表面完全湿润,与自由液面水的气化没什么差别。随着时间的延长,失水速率开始下降,这是烟草薄片含水率的降低导致失水动力差减小的结果,失水速率呈递减趋势。在相同的含水率下,涂抹保润剂的烟草薄片失水速率均低于空白样,且 KSAP的失水速率最低。说明保润剂与水分子之间的结合,改变了水分的微观分布状态,使原本逃逸能力较强的水分子受到了保润剂的束缚,从而降低了水分的散失速率。

图 2 添加不同保润剂的烟草薄片失水速率曲线

2.2 KSAP在烟草薄片中保润模型建立

物料失水是一个复杂的非稳态传质过程,不仅受到失水条件的影响,且随着物料种类、内部结构、物理化学性质及外部形状的不同存在明显差异,关于烟草的失水模型鲜见报道。图 3是不同浓度KSAP的烟草薄片水分比率对应失水时间的曲线,参考食品的薄层干燥模型[17-18],使用指数模型 MR= exp(-At)拟合,式中MR是水分比率,t是失水时间, A是与 KSAP添加量有关的常数。回归方程系数 A和拟合度 R2列于表 2。

图 3 添加不同浓度 KSAP的烟草薄片含水率比率曲线

表2 回归方程系数A拟合度R2

根据表2的系数A和相应的 KSAP浓度 c,绘制A-c曲线,采用不同函数模型拟合得到 A-c回归方程和拟合度 R2列于表 3。对数模型的回归拟合度为0.9951,高于其他模型的拟合度,采用对数模型回归所得的回归A-c曲线绘于图 4,从回归曲线的走势上看,随着 KSAP浓度增加,系数 A逐渐变小,表明烟草薄片的保润性能增强。系数 A的减小幅度递减,说明烟草薄片保润性能提高的程度递减,这是因为 KSAP为高分子链状化合物,浓度较低时,分子间相互影响较小,链伸展情况较好,亲水基团与水充分接触,浓度递增后,分子聚集程度递增,部分亲水基团由于位阻作用与水结合能力变弱。

表 3 不同模型的回归A-c方程和拟合度R2

图4 回归A-c曲线方程

根据MR-t回归模型MR=exp(-At)和回归A-c方程A=-0.0036Ln(c)+0.0199,烟草薄片的保润模型为：MR=exp[(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

3 结论

3.1 保润剂能够延缓烟草薄片中水分的散失,维持烟草薄片较高的含水量,提高烟草薄片的保润性能。KG M和 KSAP的保润性能优于传统保润剂甘油和丙二醇,其中 KSAP最优,是一种值得深开发的环境友好型新型烟草保润剂。

3.2 首次建立了烟草保润剂的保润模型,在 22℃、40%相对湿度下,KSAP添加浓度在 0.2%～1%范围内,烟草薄片的水分比率(MR)-失水时间 (t)方程为MR=exp[(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

3.3 在相同的含水率情况下,KSAP降低了水分活度(即逃逸能力),改变了烟草薄片中水的分布和结合状态,有关水分在烟草薄片中的分布情况以及KSAP成膜状态等保润机理有待进一步探讨。

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Study on moisture retention of konjac superabsorbent polym er

YAN Heng1,GUO Guo-n ing2,＊,Cheng Yan1,CA I Bing2,JI ANG Fa-tang1,＊
(1.College ofBiological Engineering,HubeiUniversity of Technology,Wuhan 430068,China; 2.Technology Center of Hubei Tobacco(Group)Co.Ltd,Wuhan 430051,China)

The effec t of konjac g lucom annan and its de riva tive konjac sup e rabsorbent p olym e r on m ois ture re tention of tobacco shee ts we reinves tiga ted by contras ting w ith g lyce rin and p rop ylene g lycol.The m ois turere tention m ode l of KSAP in tobacco shee ts was es tab lished by fitting reg ress ion ana lys is.It was found tha t the m ois ture re tention effec t of KGM,KSAP we re be tte r than those of g lyce rin and p rop ylene g lycol,and KSAP was the bes t.The equa tion of tobacco shee t m ois ture ra tio w ith KSAP concentra tion and m ois ture re tention t im e was MR=exp [(0.0036Ln(c)-0.0199)t]。

KGM;KSAP;tobacco shee t;m ois ture re tention

TS201.2

A

1002-0306(2010)03-0142-04

卷烟生产过程中,通常需要添加甘油、丙二醇等保润剂[1-2],其作用是延缓卷烟水分的散失,维持烟丝的含水率,从而降低卷烟抽吸时的干燥感和刺激性,提升抽吸品质。从实际情况看,这些保润剂的效果并不理想,甘油的裂解产物丙烯醛[3]还对主流烟气产生不良气味。目前新型烟草保润剂的报道较少[4-6],且多以烟丝为研究载体,因烟丝尺寸与加料均匀性显著影响其水分散失率[7-8],致使结果不稳定,重复性差。烟草薄片[9]又称为再造烟叶,是利用烟末、烟梗、碎烟片等废弃原料制成的片状再生产品,保留了烟丝的重要特性。由此采用烟草薄片模拟烟丝样本,在取样和加料均匀性上容易控制。魔芋葡甘聚糖(KG M)是一种天然水溶性高分子,具有良好的成膜性、吸水性和保水性[10],其衍生物魔芋超强吸水剂 (KSAP)安全无害,具有可生物降解性[11-12],因其分子富含羟基和羧基等亲水性基团,吸水倍率、保水效果显著提高[13-16]。本文旨在开发一种安全高效的新型烟草保润剂 KSAP,以烟草薄片为载体,研究 KSAP的保润效果并建立模型,为其在卷烟中的应用提供理论依据,同时为烟草保润剂的研究提供新的思路。

2009-10-12 ＊通讯联系人

严恒(1982-),男,硕士研究生,研究方向：食品化学。

国家烟草专卖局资助项目(110200701003)。