基于质构仪的烟梗回透程度定量表征方法及其应用

赵晴晴，韩明，纪晓楠，李晓，贺紫玺，张浩博，马雨佳

1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450001；2.河南中烟工业有限责任公司 安阳卷烟厂，河南 安阳 455000；3.河南中烟工业有限责任公司 技术中心，河南 郑州 450000

0 引言

烟梗是卷烟的主要原料之一，将其加工成高填充力梗丝用作卷烟的填充性原料，能够提高烟叶原料的利用率，降低生产成本，达到降低消耗、提高烟支燃烧性的目的[1-3]。烟梗预处理工艺作为制梗丝线的开端，对提高烟梗的柔软性、可塑性、耐加工性，以及改善梗丝品质[4]具有重要意义。烟梗预处理的回透效果直接影响后续的梗丝加工质量[5-6]。目前，回透效果的评价方法主要是通过感官和经验进行判断，评价标准[7]为：烟梗容易对折，对折后不出现断裂现象；烟梗容易纵向均匀撕开，剖面较平整；烟梗中心和四周颜色差异较小。但根据感官和经验得出的评价结果常带有主观性，无法准确、客观地评价烟梗的回透效果。

质构仪可以通过模拟人的触感分析样品的力学特性[8]，从而实现感官评价的客观化。随着卷烟加工工艺水平的提高，相关技术人员尝试了使用质构仪测定烟叶及再造烟叶的力学性能，如脆性、柔软性、黏附力[9-12]等，但关于烟梗力学特性测定的研究鲜见报道。鉴于此，本文拟依据烟梗的力学性质，建立基于质构仪的烟梗回透程度定量表征方法，并基于该方法考查不同规格及回潮参数对烟梗回透程度的影响，为准确、客观地评价烟梗的回透效果，进而提升烟梗耐加工性及梗丝质量稳定性提供参考与借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

主要材料：云南曲靖、贵州黔西南、河南三门峡、湖南郴州四地区的烟梗，由河南中烟工业有限责任公司安阳卷烟厂提供。

主要仪器：HH-S4型数显恒温水浴锅，金坛市医疗仪器厂产；TA.XT-plus质构仪，英国Stable Micro Systems公司产；KBF型恒温恒湿箱，德国Binder公司产。

1.2 实验方法

1.2.1 烟梗样品的制备挑选长度和直径分别为40 mm和4 mm的云南曲靖烟梗作为实验样品，依据梗丝生产线参数设置，在水温为60 ℃，时间为60 s的条件下进行洗梗处理，将洗后的烟梗置于(22±1) ℃、相对湿度(60±2)%条件下的恒温恒湿箱中贮梗4 h，使烟梗水分分布均匀，选取表面无裂痕、无破损的烟梗样品作为测试样品。

1.2.2 烟梗回透程度定量表征方法仪器校正：选用剪切测试模式，样品测试前对质构仪进行力量和高度校正。

样品测试：将样品放置在测试台上，启动仪器使其按照设定的测试参数运行，以探头刚开始接触烟梗样品至达到最大感应力时所做的功(W)来表示回透程度，每个样品重复测试6次，得到烟梗回透程度特征曲线。探头所做的功可表示为W=F·S=F·v·t，其中W表示功/(g·mm)，F表示感应力/g，S表示距离/mm，v表示测试速度/(mm·s-1)，t表示测试时间/s。

1.2.3 质构仪的参数选择为准确检测烟梗的回透程度，需要根据样品的种类及其基本特性选择形状、规格恰当的探头[13]和适宜的测试参数进行测试。本研究中将探头型号分别设定为P/2 N针型探头和HDP/BSK剪切型探头，测前速度分别设定为0.5 mm/s、1.0 mm/s、2.0 mm/s、3.0 mm/s、5.0 mm/s，测试速度分别设定为0.5 mm/s、1.0 mm/s、1.5 mm/s、2.0 mm/s、2.5 mm/s，触发力分别设定为10 g、15 g、20 g、25 g、30 g，应变分别设定为120%、130%、140%、150%、160%、170%、180%，进行单因素试验，以探究不同探头型号、测前速度、测试速度、触发力和应变对烟梗回透程度的影响。

采用日内、日间精密度对测试方法的重复性进行验证。日内精密度测定：在一天内不同时间对同一样品重复检测10次。日间精密度测定：连续测定5 d，每天安排不同的操作人员测定，每天测定10次，取平均值。

1.2.4 不同规格、回潮参数对烟梗回透程度的影响烟梗回潮效果直接影响压切后梗丝的品质，目前烟梗回潮效果主要通过测定含水率来判断，含水率在28%～38%为宜[14]。含水率过低，烟梗的湿胀作用和柔软性较差，易导致烟梗压切过程产生造碎；反之，含水率过高，切后梗丝易发生粘连，出现跑梗、烟梗表皮被切烂、铜排链表面粘水、打滑、粘刀严重等现象[15]。而烟梗规格(长度、直径)和回潮参数的设定是影响烟梗回透效果的关键。因此，本研究利用质构仪测定不同规格和不同回潮参数下烟梗的回透程度。将四地区烟梗按长度划分为小于20 mm、20～40 mm、40～60 mm和大于60 mm的4个梯度，按直径划分为2～4 mm、4～5 mm和5～7 mm的3个梯度，探究不同长度和直径对烟梗回透程度的影响，以确定最适烟梗规格。此外，采用单因素试验，探究洗梗时间(30 s、45 s、60 s、75 s、90 s)、水温(50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃)、贮梗时间(2 h、3h、4 h、5h、6 h)对烟梗回透程度的影响，以确定最优回潮参数。

2 结果与讨论

2.1 烟梗回透程度特征曲线

烟梗回透程度特征曲线如图1所示。回潮后的烟梗越硬，测试过程探头所做的功(W)越大，说明烟梗的回透程度越低；反之，说明烟梗的回透程度越高。

图1 烟梗回透程度特征曲线示意图Fig.1 Schematic diagram of characteristic curve of the degree of re-permeation of tobacco stem

2.2 质构仪最优参数的选择

2.2.1 探头与P/2 N针型探头相比，HDP/BSK剪切型探头及其测试附件与测试样品的接触面积大，能够更加准确地模拟人们掰折烟梗的过程，更符合回透程度测定的需求。因此，本研究选择的探头类型为HDP/BSK剪切型探头。

2.2.2 探头测前速度探头测前速度对烟梗回透程度测定结果的影响见图2。由图2可知，随着测前速度的增加，烟梗回透程度测试过程中探头所做的功呈现缓慢增加的趋势。测前速度对所做功的变异系数(CV)影响较大，当测前速度大于1.0 mm·s-1时，随着测前速度的增加，变异系数呈下降趋势。另外，当测前速度为0.5 mm·s-1和5.0 mm·s-1时，变异系数较小，分别为8.59%和7.77%。为避免测前速度与测试速度相差较大而导致设定的测试速度与实际值不符，测前速度设定值不宜太大，从缩短测试时间角度来看，测前速度越大，测试时间就越短。综合考虑，选择测前速度为5.0 mm·s-1。

图2 测前速度对烟梗回透程度测定结果的影响Fig.2 The effect of pre-test speed on the measurement results of the degree of the degree of re-permeation of tobacco stem

2.2.3 探头测试速度探头测试速度对烟梗回透程度测定结果的影响见图3。由图3可知，测试速度对烟梗回透程度测试过程中探头所做的功及其变异系数影响较大。随着测试速度的增大，测试过程中探头所做的功随之减小，主要是由于测试速度增加，烟梗形变程度一定时，测试时间变短，进而所做的功变小。当测试速度为1.0 mm·s-1时，变异系数最小，为10.05%，因此，最佳的测试速度为1.0 mm·s-1。

图3 测试速度对烟梗回透程度测定结果的影响Fig.3 The effect of test speed on the measurement results of the degree of the degree of re-permeation of tobacco stem

2.2.4 触发力触发力对烟梗回透程度测定结果的影响如图4所示。由图4可知，触发力对烟梗回透程度测试过程中探头所做的功影响较小，表明触发力对烟梗回透程度的影响较小。当触发力为10 g时，测试过程中探头所做功的变异系数最大，可能是由于烟梗的质地较硬，表面相对不平整，测试过程中触发力设置得较小，不适于测定烟梗的回透程度。当触发力大于15 g时，测试过程中所做功的变异系数呈上升趋势，表明随着触发力的增大，测定过程中所做功的波动随之增加。在触发力为15 g时，变异系数最小，为11.85%。因此，触发力选择15 g为宜。

图4 触发力对烟梗回透程度测定结果的影响Fig.4 The effect of trigger force on the measurement results of the degree of re-permeation of tobacco stem

2.2.5 应变应变表示样品在测试过程中受力的作用所产生的形变，应变对烟梗回透程度测定结果的影响如图5所示。由图5可知，应变对烟梗回透程度测试过程中探头所做的功及其变异系数影响较大。随着应变的增大，测试过程中的所做的功随之增加，主要是由于应变的增加导致烟梗形变增大，进而探头下压的位移也随之增加。测试过程中所做功的变异系数呈先减小后增加的趋势，当应变较小时，测试过程中所做的功波动较大，当应变为170%时，变异系数最小为3.58%，当应变为180%时，由于烟梗形变较大，探头回程过程中可能受到烟梗挤压的作用力，导致结果波动较大。因此，最佳的应变为170%。

图5 应变对烟梗回透程度测定结果的影响Fig.5 The effect of strain on the measurement results of the degree of re-permeation of tobacco stem

2.3 烟梗回透程度定量表征方法的重复性验证

为验证该烟梗回透程度定量表征方法的可重复性，在前述测试参数条件下，测定了烟梗回透程度的日内、日间精密度，结果如表1所示。由表1可知，日内精密度测定中烟梗回透程度的平均值为20 183.66 g·mm，日间精密度测定中烟梗回透程度的平均值为19 922.09 g·mm，烟梗回透程度的日内、日间精密度分别为6.44%和4.26%，表明该方法的精密度高、重复性好，可用于定量表征烟梗的回透程度。

表1 烟梗回透程度的日内、日间精密度测试结果Table 1 The results of the intra-day and inter-day precision experiment of the degree of re-transmission of tobacco stem

2.4 烟梗样品回透程度测定结果分析

2.4.1 不同规格烟梗的回透程度不同长度和直径对四地区烟梗回透程度的影响如图6—7所示。由图6—7可知，不同产地烟梗回透程度存在一定的差异，在相同的处理条件下，河南三门峡烟梗在测试过程中探头所做的功最大，烟梗回透程度最低，黔西南烟梗在测试过程中探头所做的功最小，烟梗回透程度最高，这主要是由于烟梗的吸水性与烟梗的髓腔、导管等结构有关[16]，不同产地烟梗的内在组织结构与化学成分存在差异，细胞壁物质含量差异及其总量差异均达到了显著水平[17]。另外，由于不同规格烟梗吸湿性能不同[18-20]，在烟梗回潮过程中其回透程度也会有所差异。随着烟梗长度、直径的增加，四地区烟梗回透程度测试过程中所做的功也随之增加，主要是由于烟梗的长度越长、直径越大，其吸湿性越差，烟梗的回透程度就越低。

图6 四地区不同长度烟梗的回透程度Fig.6 The degree of re-permeation of tobacco stem of different lengths in four regions

2.4.2 回潮参数对烟梗回透程度的影响不同回潮参数对烟梗回透程度的影响如图8—10所示。由图8可知，随着洗梗时间的增加，四地区烟梗在测试过程中所做的功均呈现降低趋势，说明洗梗时间越长，烟梗的回透程度越高。这主要是由于洗梗时间过短，烟梗表面水分扩散至内部程度不够，水分吸收不完全所致。

图7 四地区不同直径烟梗的回透程度Fig.7 The degree of re-permeation of tobacco stem of different diameters in four regions

图8 洗梗时间对烟梗回透程度的影响Fig.8 The effect of stem washing time on the degree of re-permeation of tobacco stem

由图9可知，随着洗梗水温的增加，四地区烟梗在测试过程中所做功均呈现降低趋势，说明水洗温度越高，烟梗的回透效果越好。主要是由于随着水温的升高，烟梗表面的一些亲水性物质的溶解度增大[21]，烟梗表面的“屏障作用”减弱，有利于水分子进入烟梗。同时，水温增加会使水分子热运动剧烈程度增加，水分子向烟梗内部扩散速度更快[22]，提高烟梗的回透程度。

图9 洗梗水温对烟梗回透程度的影响Fig.9 The effect of stem washing water temperature on the degree of re-permeation of tobacco stem

由图10可知，随着贮梗时间的增加，四地区烟梗在测试过程中所做功均呈现先降低后升高的趋势，说明烟梗的回透程度先增加后降低。主要是由于当贮梗时间较短时，水分未完全渗透进烟梗内部，烟梗表面与梗芯水分分布不均匀，而随着贮梗时间的增加，烟梗内的水分会向外界散失，使回透程度下降。另外，云南曲靖和河南三门峡的烟梗贮梗3 h时回透程度最高，黔西南和湖南郴州的烟梗贮梗4 h时回透程度最高。

图10 贮梗时间对烟梗回透程度的影响Fig.10 The effect of stem storage time on the degree of re-permeation of tobacco stem

对不同回潮参数下烟梗的回透程度测定结果进行方差分析，结果如表2所示。由表2可知，产地、洗梗时间、水温、贮梗时间，以及产地与贮梗时间的交互作用均对烟梗的回透程度有极显著影响，产地与洗梗时间、水温的交互作用不显著。

表2 不同回潮参数下四地区烟梗回透程度的方差分析表Table 2 Variance analysis table of the degree of tobacco stem re-permeation in the four regions under different moisture regain parameters

3 结论

本文通过对质构仪的探头及相关测试参数进行选择，建立了基于质构仪的烟梗回透程度定量表征方法。质构仪参数设置如下：探头型号为HDP/BSK剪切型探头，探头测试前速度为5.0 mm/s，测试速度为1.0 mm/s，触发力为15 g，应变为170%，探头回程速度为5.0 mm/s。该方法所测烟梗回透程度的日内和日间精密度分别为6.44%和4.26%，表明该方法的精密度高、重复性好。使用该方法对不同产地、不同规格及不同回潮参数下烟梗回透程度进行测定，结果表明：不同产地烟梗的回透程度存在一定的差异，河南三门峡烟梗回透程度最低，黔西南烟梗回透程度最高；四地区烟梗的回透程度均随烟梗长度、直径的增加呈降低趋势，随洗梗时间和洗梗水温的增加呈升高趋势，随贮梗时间的增加呈先升高后降低的趋势；另外，产地、洗梗时间、水温、贮梗时间，以及产地与贮梗时间的交互作用均对烟梗的回透程度有极显著影响，产地与洗梗时间、水温的交互作用不显著。