基于植物胶的爆珠壁材配方设计及其工艺优化

于浩，王艳梅，孙东亮，王志勇，袁霆，王琦琦，刘哲，李玉辉

1 将军烟草集团有限公司，山东省济南市历城区将军路1111号 250100；2 山东中烟工业有限责任公司济南卷烟厂，山东省济南市高新区科航路2006号 250104；3 山东中烟工业有限责任公司技术中心，山东省青岛市崂山区株洲路137号 266101

爆珠添加作为一种卷烟赋香的新技术，实现了卷烟增香和丰富口感层次的作用[1]，为卷烟品类构建提供更为直接的感知支撑手段，成为当前推动卷烟产品供给侧结构性改革的重要思路[2]。国内爆珠卷烟近些年虽发展迅速，且爆珠类型日渐丰富，但相关产品尤其是壁材的研究报道较少[1]。随着爆珠烟在国际市场的拓展，为避免宗教禁忌、疯牛病等客观因素影响，爆珠壁材中的动物明胶应改用植物胶，同时爆珠壁材中的改性淀粉容易吸潮而导致爆珠渗漏、黏连、压力值明显改变，不利于爆珠或爆珠烟的长途海运，质量隐患较大。因此，以爆珠壁材的基料改进为基础，相应调整其他组分的配方比例，并进一步优化工艺参数，开发具有国际市场适应力的新型壁材爆珠非常必要。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

速溶琼脂（珠海物美科技有限公司，食品级）；卡拉胶（郑州四阳化工产品有限公司，食品级）；明胶（河北华峰胶粘剂有限公司，食品级）；改性淀粉（深圳百晟精细化工有限公司，食品级）；丙三醇（天津大茂化学试剂公司，分析纯）；海藻酸钠（青岛南山生物科技有限公司，食品级）；普鲁兰糖（山东康纳公司，食品级）；无水氯化钙（国药集团化学试剂有限公司，分析纯）。

1.1.2 仪器

CHI440C电子天平（精度0.01 mg，上海辰华仪器公司）；ZNCL磁力搅拌加热锅（河南爱博特仪器）；NDJ-5S粘度计（上海方瑞仪器有限公司）；电动搅拌器（德国IKA）；电热DHG-9070A恒温水浴锅（上海精宏试验仪器设备有限公司）；CTS-I综合指标检测仪（成都瑞拓科技股份有限公司）；BZ-01爆珠滴制机（将军烟草集团有限公司自主开发）。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

将试验分为单因子粗筛试验和平衡优化试验两个部分。

1.2.1.1 试验因子的选择

烟用爆珠的生产过程，是将壁材成份（如速溶琼脂、改性淀粉、明胶、卡拉胶等）与增塑剂（如丙三醇）进行混溶掺配、水浴搅拌、滴制成型、干燥固化的过程。其壁材可根据其成份的来源分为动物性和植物性两种。明胶是爆珠壁材的重要组成材料，在35～40℃以下为凝胶状，起到一定的爆珠骨架作用。其可吸收5～10倍的水而膨胀软化，受热则变为胶体[3]，因此在出口海运和售卖过程中，高温高湿环境下极易失去其骨架功能，导致爆珠质量下降。同时明胶属于动物结缔组织的胶原降解产物，伊斯兰教、犹太教和素食协会的禁忌材料，且有疯牛病病源携带体的嫌疑，因而不利于相关海外部分市场的开拓。海藻酸钠是从褐藻类中提取碘和甘露醇之后的副产物，属于食品级植物胶，可在温和条件下与钙离子快速形成凝胶，其凝胶具有热不可逆性[4]，在高温、冷冻和酸性介质中仍可维持原有的形体，不发生渗液或收缩，且可促进药品片剂的崩解（即爆珠脆性），因而是明胶的理想替代物。普鲁兰多糖是国际穆斯林、犹太教和素食协会认可的明胶替代物，且可以有效解决改性淀粉吸湿问题，因此采用海藻酸钠、普鲁兰多糖分别替代明胶和改性淀粉生产植物胶壁材爆珠，有利于爆珠烟出口海外部分国家和地区。

为制得高质量的海藻酸钠爆珠壁材，可对其溶胶工艺及其配方进行优化。有研究证明，温度、搅拌速度是影响各种植物胶黏度、凝胶性能的重要因子[5-9]，这是因为温度直接影响胶液所形成的混合相系的稳定，如改性淀粉在75℃时糊化[10-11]而粘度增高，而在溶胶温度达到85℃以上时，糊化加剧而粘度降低。搅拌速度对植物胶粘度的影响主要源于胶液的流变性与搅拌速度存在显著的相关关系[12-13]。同时，考虑到不同材质对爆珠作用以及在滴制过程中适应性特殊要求，琼脂作为固形物与海藻酸钠无交联作用，卡拉胶可与海藻酸钠形成塑性流体凝胶，可将卡拉胶添加比例、丙三醇添加比例列为试验因子[14-16]。

因此选定溶胶温度、搅拌速度、卡拉胶添加比例、丙三醇添加比例为试验因子。根据前期试验的结果，确定了海藻酸钠、普鲁兰多糖以及其他成分的施加比例，具体比例见表1。

表1 配方参数对比Tab.1 Comparison of formulation parameters

1.2.1.2 单因子粗筛试验

单因子试验的水平设计以动物胶壁材爆珠的配方参数为基础，上下分别设2个水平，共5个水平（表2）。逐因子进行水平轮换试验，制备样品并检测。通过单因子方差分析确定试验各因子对爆珠质量影响的显著性（P值法[17]），并用直观分析法分别确定溶胶温度、搅拌速度、卡拉胶比例、丙三醇比例的单因子优选水平X、Y、Z和W。

表2 单因子试验水平设计表Tab.2 Single factor test level design table

1.2.1.3 平衡优化试验

以单因子试验确定显著性因子及其优选水平为基准，各因子上下各安排一个水平，设计三水平正交试验，制备样品并检测，用以平衡优选最佳因子的水平组合。各因子的具体水平设计原则见表3。

1.2.2 样品平衡

将制备的爆珠样品，在(22±2)℃，(55±5)% RH的环境下平衡48 h，待用。

表3 正交设计因子水平Tab.3 Factor levels for orthogonal experiment design

1.2.3 爆珠评分

每样品随机选取100粒爆珠，分别请15名有爆珠评定经验的人员，根据表4对爆珠外观（表面光洁、圆度、拖尾、偏心、气泡）品质进行评分，取各指标15人的评分平均值的和为最终外观得分（M1）。

每样品随机选取100粒爆珠，利用爆珠专用综合测试仪对爆珠的抗压力值、强度、压陷量及粒径四个关键物理指标进行检测，计算其合格率，并按表5转化为分数。共测量3次，取各指标得分平均值的和为最终物理指标得分（M2）。

最后计算每个样品的综合得分M = M1×0.2+M2×0.8。

表4 爆珠外观评分表Tab.4 Appearance scoring criteria of cigarette breakable capsules

表5 爆珠物理指标评分表Tab.5 Physical index scoring criteria of cigarette breakable capsules

2 结果与分析

2.1 单因子粗筛试验结果

2.1.1 方差分析

单因子方差分析的P值[17]检验结果表明，溶胶温度、搅拌速度、卡拉胶添加比例以及丙三醇添加比例4个因子均对爆珠品质有极其显著的影响（P<0.05），因此均应列入平衡优化的试验因子。

2.1.2 直观分析

各因子不同水平下的爆珠综合得分如图1。

图1表明，①胶液温度、搅拌速度、卡拉胶添加比例对爆珠综合得分的影响均存在明显分界点。②在分界点两侧，胶液温度、搅拌速度、卡拉胶添加比例对综合质量得分的影响趋势截然相反，且低于分界点时与综合质量得分均表现为正相关，高于分界点时表现为负相关。③在分界点，爆珠品质综合得分最高且胶液温度、搅拌速度的分界点所对应的水平80℃、180 r·min-1均高于原水平参数，而卡拉胶添加比例分界点对应的水平即为原水平参数0.5%，没有变化。④丙三醇添加比例对爆珠综合得分的规律不明显。但添加比例由0.7‰增加到0.8‰时，综合质量得分最高。

因此将胶液温度分界点80℃、搅拌速度分界点180 r·min-1、卡拉胶添加比例分界点0.5%、丙三醇添加比例0.8‰作为平衡优化试验的基准水平。

图1 各因素不同水平下的爆珠综合评分Fig.1 Comprehensive scores of cigarette breakable capsules at different levels of various factors

2.2 平衡优化试验结果与分析

2.2.1 平衡优化试验设计与实验结果

考虑到试验因子的显著性检验均已通过，因此正交试验仅需对各因子进行综合得分直观分析即可。所以从降低试验量角度出发，可采用L9(34)设计表，将各因子排满各列，不再安排空白列。

正交试验所制造爆珠样品，经检测并转换为表6中的综合得分，计算每因子每水平综合得分的均值（i为水平序号，分别取1，2，3），并计算每因子水平均值的极差R。

表6 L9 (34)正交试验结果Tab.6 Test results of L9 (34)

表6结果表明，①根据R值的大小可确定因子对成品爆珠品质影响大小顺序为：搅拌速度>丙三醇添加比例>卡拉胶添加比例>溶胶温度；②溶胶温度、搅拌速度、卡拉胶添加比例三个因子的基准水平均呈现出最高水平，这与单因子方粗筛试验的结果相似；而丙三醇添加比例的最高得分对应的水平高于基准水平，证明其他三个因子中可能存在交互作用。③在所有的组合方案的试验结果中，综合得分最高值为92.87分，优于原参数的综合得分89.2分；④根据各因子Ki值的大小，确定最佳的参数组合为溶胶温度为80℃、搅拌速度为180 r·min-1、卡拉胶添加比例为0.5%、丙三醇添加比例为0.9‰。

与原配方参数组合相比，溶胶温度提升了10℃，搅拌速度提高了30 r·min-1，丙三醇添加比例提高了0.2‰，卡拉胶添加比例未变。这是因为海藻酸钠的水溶液具有较高的粘度[4]，需要在高溶胶温度、高搅拌速度、高比例增塑剂的情况下，才能保持更好的分散性、混溶性；同时还有利于海藻酸钠迅速、均匀地与钙离子形成稳定的凝胶形态[18]。

2.3 生产验证

由于试验结果所确定的因子优化组合方案不在正交试验方案设计组合中，所以需要进行生产验证。其验证结果见表7。

表7 生产验证结果Tab.7 Verification results of production

表7表明，使用改进后的海藻酸钠爆珠壁材，外观合格率明显提高，抗压力值在抗压力值的通常范围（5N～20N）内提高25%，粒径更加均匀一致，综合质量提高6.4分。其具体外观优势则表现为：偏心爆珠比例减少、表面光洁程度增加。

将两种不同壁材的爆珠在山东地区的室内条件（15～35℃）下贮存，每月进行外观检测。动物性壁材爆珠在第5个月时开始出现软化现象，第6个月时则迅速呈现严重粘连、渗漏现象，丧失物理指标检测的意义；而植物性壁材爆珠贮存12个月后仍无软化现象，物理指标无明显改变。因此海藻酸钠壁材爆珠表现出良好的稳定性，明显优于以明胶为原料的爆珠壁材，可更好地满足爆珠烟走向国际市场的需要。

3 结论

（1）溶胶温度、搅拌速度、卡拉胶添加比例以及丙三醇添加比例均对植物胶壁材爆珠品质有极显著影响，其影响顺序为：搅拌速度>丙三醇添加比例>卡拉胶添加比例>溶胶温度。

（2）植物胶壁材爆珠溶胶工艺参数宜为：溶胶温度80℃、搅拌速度180 r·min-1、卡拉胶添加比例0.5%、丙三醇添加比例0.9‰。

（3）通过提高溶胶温度、搅拌速度、丙三醇添加比例，可使海藻酸钠壁材爆珠的质量优于明胶壁材爆珠，且可贮存周期至少延长在6个月以上。