贮藏过程中不同保润剂对烟丝保润效果及水分散失动力学的影响

殷春燕，徐志强，汪 华，李 玥，徐菲菲，钟 芳

(1 江南大学 食品学院，江苏 无锡 214122； 2 安徽中烟工业有限责任公司技术中心，安徽 合肥 230088)

烟叶的含水量是影响烟叶韧性、燃烧性、香气、吸食舒适度等特性的重要因素，对烟叶从调制到最终产品的各个阶段都至关重要。在一些空气相对湿度较低的地区，烟丝水分将随烟草贮存时间的增加而逐渐散失，从而导致卷烟加工过程中的造碎以及抽吸过程中干燥感和刺激性的增强[1]，因此卷烟加工过程中通常加入保润剂以增强烟丝持水力，减缓水分散失速率。评价保润剂对烟草保润性能的影响常以平衡含水率的变化为指标[1-3]。平衡含水率代表的仅是烟丝在测试环境下的平衡状态，而物料失水是一个非稳态传质过程，这一非稳态过程不仅表现在物料含水率上，也体现在物料内部水分的扩散过程中[4-5]。建立烟丝水分动力学模型，研究烟丝失水的动力学规律，通过分析保润剂对烟丝水分扩散的影响, 了解保润剂对整个烟丝干燥过程的作用，有利于深入分析和理解保润剂对烟丝保润性能的影响机制，从而能够对保润剂的性能进行更为有效的评价。因此，从动力学角度了解保润剂对烟丝水分扩散过程的影响具有重要意义。

甘油为烟草中常用的传统保润剂。乳酸钾含有羟基和羧基两类亲水基团，具有较强的保湿能力，有较高的食用安全性[6-8]，有望成为一种具有良好保润性能的新型烟草保润剂。本文以甘油和乳酸钾为保润剂，采用薄层干燥模型以及基于Fick第二定律的扩散模型，从动力学角度分析了烟草失水过程中保润剂对烟丝水分扩散的影响，从而对保润剂保润性能的研究提供了新的思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：甘油，国药集团化学试剂有限公司；乳酸钾，PURAC公司；白肋烟烟丝，安徽中烟工业公司。

仪器：KBF-240恒温恒湿实验箱，德国BINDER；AR2130电子精密天平，梅特勒-托利多；FD115鼓风干燥箱，德国BINDER。

1.2 方 法

1.2.1 保润剂的保湿性 准确称量质量分数为60%的保润剂溶液(乳酸钾和甘油)各1 g(精确到0.000 1 g)，每份样品3个重复，同样称取1 g的纯水作为空白对照，置于恒温恒湿实验箱中，实验箱中温度为(22±1) ℃、相对湿度(RH)分别为(40±2)%及(70±2)%。在前10 h内每隔2 h精确称质量，10 h后依次在24，48，72，96和120 h时称质量，计算样品的保湿率。

保湿率=mt/m0×100%。

(1)

式中：mt为放置th后保润剂溶液的质量；m0为放置前保润剂溶液的质量。

1.2.2 保润剂在烟丝中的保润性能 样品处理：将空白烟丝置于温度(22±1) ℃、相对湿度(RH)(60±2)%的恒温恒湿实验箱中平衡48 h，平衡后的烟丝水分含量在12%左右。取平衡后的烟丝7份，100 g/份，采用喉头喷雾器分别将0.05，0.1，0.2 g/mL的甘油和乳酸钾溶液各10 mL均匀添加到烟丝中，使最终保润剂纯物质的用量为烟丝质量的0.5%，1% 和2%，加入同等体积的纯水作为空白对照。将烟丝置于40 ℃的烘箱中烘干2 h，然后再置于温度(22±1) ℃、相对湿度(RH)为(60±2)%的恒温恒湿实验箱中平衡48 h，参照YC/T 31-1996[9]测定此时烟丝的水分含量。将每种烟丝样品分成3份(每份精确称取20 g)，置于温度(22±1) ℃、相对湿度(RH)为(40±2)%的恒温恒湿实验箱中,分别在2，4，6，8，10，24和48 h时称质量，测定其水分含量随时间的变化(水分含量的测定采用差量法：根据样品起始含水率和各时间点样品与起始样品的质量差计算样品的即时含水率)。

1.2.3 保润剂对烟丝水分散失动力学的影响 (1)烟丝干燥动力学模型的建立。为了研究保润剂对烟丝水分散失动力学的影响，利用Origin8.0对试验数据进行拟合，建立合适的烟丝干燥动力学模型。常用的食品干燥动力学经验和半经验模型如下所示[10-14]。

(2)

(3)

Two-term：

(4)

Henderson-Pabis：

(5)

式中：MR为水分比，表示一定干燥条件下物料中未被干燥去除的水分；t为干燥时间(h)；Me为平衡水分含量(kg/kg)；M0为初始水分含量(kg/kg)；Mt为t时刻的水分含量(kg/kg);k为干燥速率常数；a、b、n、k1、k2为待定系数。

对添加不同含量保润剂的烟丝，分别使用上述4种干燥模型(公式(2)～(5))进行拟合求值，使用决定系数R2和χ2为统计检验指标。其中R2越接近1说明模型能更好地解释变量的变异性；χ2越小说明模型越可靠。其计算公式分别为：

(6)

(7)

(2) 烟丝有效水分扩散系数的测定。物料内部水分扩散主要有knudsen扩散、液相扩散或气相扩散等。常用有效扩散系数Deff来表示物料内部水分扩散的快慢。因此为了研究保润剂对烟丝内部水分扩散的影响，本文采用基于Fick第二定律的扩散模型来确定烟丝中的水分扩散系数[15-17]。

扩散模型表示为：

(8)

式中：M为物料的干基含水率(kg/kg)；t为干燥时间(s)；Deff为有效扩散系数(m2/s)；x、y、z为空间坐标的3个轴的方向。

本文中假设：物料初始水分均匀；可以忽略外部传质阻力，扩散只发生在垂直烟叶的方向，则扩散模型(Eq(8))经过积分求解，化简为：

(9)

2 结果与分析

2.1 保润剂的保湿性测定结果

保润剂具有保湿特性主要是由于保润剂含有大量的亲水基团如羟基、羧基，这些基团通过与水分子形成分子间氢键作用，从而抑制了水分子的逃逸。以传统烟草保润剂甘油和新型烟草保润剂乳酸钾为代表，本文分别研究了2种相对湿度环境中(RH=(40±2)%，(70±2)%)保润剂的保湿率，结果见图1。由图1可知，恒定温度下，在低湿度环境(RH=(40±2)%)中保润剂溶液中的水分蒸发明显慢于纯水。同等质量分数的乳酸钾溶液水分挥发速率低于甘油溶液，随着放置时间的延长，2种保润剂溶液间保湿率差异越大，由24 h时的14%增至120 h的36%。在120 h时，甘油溶液的保湿率仅为31%，乳酸钾溶液的保湿率约为甘油溶液的2倍。

从图1可以看出，在RH=(70±2)%的环境中，纯水处于缓慢挥发状态，其水分挥发速率高于2种保润剂溶液，而乳酸钾溶液和甘油溶液对于水分的保持显示出了不同的趋势。随放置时间的延长，质量分数为60%的乳酸钾溶液能够从空气中吸收水分，而同等质量分数的甘油溶液由于其溶液表面水蒸气分压大于空气中的水蒸气分压，呈现出略微失水状态。因此可以推断，保润剂能有效保持水分，与甘油相比，乳酸钾对水分子结合作用力较大，能够更为有效地减缓水分散失速率。

图1 不同环境湿度下保润剂的保湿率

2.2 添加保润剂烟丝的水分变化分析

为了进一步探讨在低湿度环境中保润剂对烟丝水分含量变化的影响，分别按照烟丝质量的0.5%，1% 和2%将甘油和乳酸钾添加到烟丝中进行保润性测试。由于喷洒保润剂后，样品水分含量较高，故将样品先置于T=(22±1) ℃、RH=(60±2)%的环境中平衡，然后再置于RH=(40±2)%的环境中进行保润性能测试，结果见图2。由图2可知，在RH=(60±2)%的环境下平衡后，样品的含水率在11.9%～14.2%。甘油和乳酸钾都能够提高烟丝的平衡含水率，且烟丝平衡含水率随保润剂添加量的增加而增加。

图2 保润剂对烟丝持水性的影响

如图2所示，在低湿度环境中(RH=(40±2)%)，所有样品在放置的前24 h内水分含量迅速降低，24 h后水分散失开始变得缓慢。相对于纯水对照，甘油和乳酸钾都表现出了保湿作用，但乳酸钾的保湿效果更为明显，在试验的整个阶段，添加乳酸钾的样品水分含量始终高于甘油样品。这与2.1中保湿率测定的结果一致，说明乳酸钾有效减缓了烟丝水分的散失，具有优于甘油的保湿性能。

从图2还可知，不同的保润剂添加量也将影响卷烟的保润性能。随着乳酸钾添加量的增加，乳酸钾样品的实时水分含量与空白对照水分含量之差也随之增加。在放置48 h时，纯水对照样品的水分含量为6.61%，添加0.5%，1%，2%乳酸钾的样品较纯水对照分别提高了8.32%，15.13%和19.06%。

2.3 保润剂对烟丝水分散失动力学的影响

2.3.1 保润剂对烟丝干燥动力学模型的影响 由于各样品的初始含水率不同，因此在计算烟丝的干燥动力学模型时，首先将试验得到的干基含水率转化成水分比MR。表1列出了不同干燥动力学模型对试验数据模拟后所得到的拟合检验指标R2和χ2。由表1可知，对于所有样品，Lewis模型表现出最低的R2值以及最大的χ2值，其次为Henderson-Pabis模型。Page模型和Two-terms模型的R2均高于0.99，相应的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模型能够更好地描述烟丝在贮藏过程中水分散失的变化规律。

Page模型对各样品试验数据拟合得到的待定系数如表2所示。由表2可知，在相同的干燥环境下，添加纯水的烟丝表现出了最高的干燥速率常数k。甘油和乳酸钾能够降低Page模型中的k值，且k值随保润剂添加量的增加而降低。当添加量相同时，乳酸钾较甘油更为有效地降低了k值。说明k值不仅与环境中温度、风速相关[18]，也与样品自身持水性能相关。

表 1 烟丝干燥动力学模型拟合统计结果

表 2 Page模型的拟合系数

2.3.2 保润剂对烟丝水分扩散系数的影响 由图2可知，烟丝在低湿环境下失水是降速干燥阶段，说明在这一失水过程中，烟丝内部的水分扩散速率小于表面气化速率，内部的水分扩散是控制水分散失速率的主导因素。基于Fick第二定律的扩散模型可以用来描述食品的降速干燥特性。将空白样品及添加保润剂样品的实时水分含量带入公式(9)，通过Origin 8.0非线性回归分析，得到烟丝的水分有效扩散系数，如表3所示。由表3可知，在测试环境下(T=(22±1) ℃、RH=(40±2)%)，样品烟丝的水分有效扩散系数为1.593 8×10-10～2.348 6×10-10m2/s，与Saravacos等[19]报道的食品物料干燥过程中有效扩散系数为0.01×10-11～50×10-11m2/s吻合。

由表3可以看出，与添加纯水的样品相比，保润剂能不同程度降低烟丝内部水分有效扩散系数。对于添加同一种保润剂的样品而言，水分有效扩散系数随其添加量的增加而降低。在相同的添加量下，添加乳酸钾样品的水分有效扩散系数低于甘油样品，这与上述Page模型的结果一致。其中，添加2%乳酸钾样品的水分有效扩散系数最低，较纯水对照降低了32.14%。这可能是由于添加保润剂后，保润剂和烟丝内部的水分结合，导致水分在样品中的扩散能力减弱，从而降低了水分的散失速率。

表 3 烟丝的水分有效扩散系数

3 结 论

(1)保润试验结果表明，烟丝水分散失是降速干燥过程，内部水分扩散控制着烟丝干燥速率。

(2)从动力学角度分析了保润剂对烟草持水性能的影响。通过对4种常见的食品干燥动力学经验和半经验模型进行非线性拟合，以决定系数R2和χ2为评价指标，发现Page模型为描述烟丝水分散失过程的最佳模型。Page模型中干燥速率常数随保润剂添加量的增加而降低。

(3)依据Fick第二定律的扩散模型，得到在干燥环境(T=(22±1) ℃、RH=(40±2)%)下烟丝内部水分有效扩散系数在1.593 8×10-10～2.348 6×10-10m2/s。保润剂能够降低烟丝内部水分的有效扩散系数，且有效扩散系数随其添加量的增加而降低。

(4)与甘油相比，乳酸钾具有更优的吸湿性能及保润特性，能够更为有效地降低烟丝的干燥速率常数和有效扩散系数。

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