微波膨胀烟丝的微观形貌与理化指标

2015-01-27成清校任宏杰

机电产品开发与创新 2015年1期

成清校，任宏杰

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

0 引言

膨胀烟丝的使用，既可降低卷烟单箱烟丝消耗量，又可降低卷烟的焦油释放量，一般掺入10%的膨胀烟丝的卷烟，它的烟气焦油量比不掺膨胀烟丝的卷烟降低14.7%，如果全部使用膨胀烟丝，则可降低41%。因此，烟草膨胀技术一直是烟草行业的重要研究领域之一[1]。

国内有试验研究表明，烟丝经过微波加热后，致香成分比例增加，品质提升。微波加工过的烟丝在理化特征、香气方面的品质提升已经有研究结论支撑。同时微波的杀虫灭菌作用会大大降低烟叶醇化工艺过程中由于烟虫滋生造成的损失，烟叶在通过微波设备时，虫卵等生物团的水分被迅速充挥发造成局部高温，而且由于微波的生物效应，造成通过微波的虫卵大量死亡，避免了烟虫后期的滋生，具有很好的杀虫效果。

微波干燥还具有许多优点：首先是干燥速度快，干燥时间短。由于微波特殊的加热方式使物料温度短时间内快速升高，而加热温度梯度同水分蒸发方向一致，提高干燥推动力致使干燥时间非常短，一般可缩短50%左右或更多。其次，微波加热温度均匀，表里一致，可以使干燥物料的水分分布均匀。再者，微波还是节能环保无公害型能源。微波源可即开即用，功率连续可调，反应易于控制，能源利用率高，热能几乎全部作用在物料上，既不浪费又不污染环境[2]。

1 烟丝膨胀试验

1.1 试验原理和方法

在一定温度和压力条件下，用膨胀剂对烟丝进行浸渍，使其浸入烟丝细胞内。由于烟丝含有极性水分子，具有强烈吸收微波的介电特性，在微波辐射加热时，随微波频率激烈碰撞摩擦，产生大量热，并迅速传递给膨胀剂，从而使膨胀剂急剧挥发，产生蒸汽压，在烟丝细胞中从内向外急剧压出，使烟丝的细胞空间迅速扩大，宏观上表现为烟丝膨胀变大。微波加热过程中烟丝的温度梯度、传热和蒸汽压迁移方向均匀一致，由里向外，因此便于烟丝内部蒸汽的产生和积累，当烟丝内部蒸汽压力超过细胞纤维组织结构强度的承受能力时，这种压力促使烟丝膨胀。

1.2 试验材料和设备

试验材料：烟丝、自来水、膨胀剂。

试验设备：烟丝浸渍装置（自制）、DHS16-A 红外水分仪（郑州中谷）、电子天平（杭州其伟光电）、微波炉(普通型2450MHz，2kW)、JFC-1600 型离子溅射仪（日本电子株式会社）；SN-3400Ⅱ型扫描电子显微镜（日本HITACHI 公司）、化学连续流动分析仪（德国布朗卢比公司）。

1.3 试验方法

（1）取一定量的烟丝，用红外水分仪测其含水率并用自来水进行回潮调节，使烟丝的含水率保持在22%左右。

（2）采用如图1 所示的烟丝浸渍装置利用膨胀剂对烟丝进行浸渍。浸渍装置由浸渍罐、介质储罐、温控电加热装置、真空泵等设备组成。将膨胀剂和浸渍罐均预热至一定温度，装入烟丝并对浸渍罐进行抽空处理，然后向浸渍罐内加注一定量的膨胀剂，控制浸渍温度为90～100℃，浸渍时间30min，排空膨胀剂，取出烟丝。

（3）将浸渍后的烟丝放入微波炉中，微波加热60s，观察膨胀效果。

（4）将微波膨胀后的烟丝样品按照各相关烟草行业标准进行烟气和化学指标的测定。

图1 烟丝膨胀试验装置示意图Fig.1 Schematic illustration of cut tobacco expansion test device

2 结果分析

2.1 膨胀烟丝的外观

图2 所示的是烟丝在微波膨胀前后的对比照片，从照片中可以看出经微波加热处理后，烟丝发生了明显的膨胀，膨胀后的烟丝体态饱满，色泽鲜亮，达到了完全膨胀的效果。这充分说明了微波加热膨胀烟丝工艺的可行性。

2.2 膨胀烟丝的微观形貌

为了进一步观察烟丝在微波膨胀前后烟丝微观结构的变化，对烟丝膨胀前后的样品进行了扫描电镜分析。

将叶丝样品截成小段（约5 mm）后固定于样品台，经离子溅射仪上真空干燥、铂喷镀后，于扫描电子显微镜上观察、拍摄取图。电镜工作电压为15kV、放大2000 倍。

图2 原丝及膨胀烟丝照片Fig.2 Photos of cut tobacco before and after expansion

结果如图3 所示。从照片中可以直观地看出，原丝的表面组织干瘪、交织，褶皱较多，气孔呈闭合状态；而经微波膨胀后的烟丝表面组织明显膨大，光滑饱满，褶皱较少且气孔打开，这一现象从根本上印证了微波膨胀烟丝的工艺原理。

图3 原丝及膨胀烟丝的SEM 照片Fig.3 SEM picture of cut tobacco before and after expansion

2.3 膨胀烟丝的理化指标和烟气检测

原丝及微波膨胀后烟丝的理化指标对比影响见表1和图4。从中可以看出，烟丝经微波膨胀处理后，主要化学成分中与膨胀前烟丝相比，氯化物、总氮、钾和蛋白质的含量没有显著差异，而总糖和还原糖的含量得到提高，烟碱含量降低，糖碱比由8.77 提高到10.98，差异显著，而糖碱比表征了烟丝的香味，其值越高，香味越好，这说明采用微波膨胀处理能明显提高烟丝的香味。

在烟丝填充能力方面，依据同一类型、同一等级的烟草含水率与填充值之间的经验公式将膨后烟丝折算到与原丝含水率一致时的填充值，该经验公式为：

F=F0－0.169（ω－ω0）

式中：F—折算烟丝填充值（cm3/g）；F0—烟丝实际填充值（cm3/g）；ω—烟丝折算含水率（%）；ω0—烟丝实际含水率（%）。则：F=7.01－0.169×（18.09－12.09）=5.996。

因此，可以认为，烟丝经微波膨胀后，填充值由2.55cm3/g提高到5.996 cm3/g，膨胀率达到了235%，效果十分明显。

原丝及微波膨胀后烟丝的烟气检测结果见表2 和图5。从图中可以看出，与膨前烟丝卷烟相比，微波膨胀处理后的烟丝中一氧化碳、总粒相物、烟碱和焦油的含量显结构疏松，表皮细胞向外凸出，表面光滑，气孔打开，褶皱减少。