保润剂对烟草吸湿特性的影响研究

郭俊成，吴达，程晓蕾，田杰，沙云菲，刘百战

1 上海烟草集团有限责任公司，上海市长阳路717号 200082；

2 中国科学技术大学烟草与健康中心，合肥市徽州大道卫塘 230052

烟叶的表面凹凸不平，形成大量的不规则的角质纹理结构，同时烟叶还是一种毛细多孔体物料，这种性质使得烟草具有吸湿和解湿的特性。目前在卷烟和食品行业生产中,所采用的保润剂大都是多元醇类化合物,这类化合物都具有多个羟基，能和水分子能形成化学键,因而具有一定的吸湿性。芦荟多糖为芦荟植物的天然提取物，在医药和食品保健等各个领域应用广泛，新鲜凝胶中芦荟多糖含量约为0.27%～0.5%，是一大类具有不同生理功能的大分子化合物，主要由甘露糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、鼠李糖等组成，具有胶体物质的吸湿特性[1]。试验比较了丙三醇、丙二醇、木糖醇和山梨醇四种多元醇，以及芦荟多糖物质对烟叶表面孔隙纹理结构和吸湿特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

云南宜良烤烟烟叶B2F和C2F(2011年)；库拉索芦荟（A.vera L.）。

1.2 主要试剂和仪器

试剂：1,2-丙二醇和丙三醇（化学纯，上海试剂一厂)、硫酸(98%优级纯，上海试剂一厂)、木糖醇和D-山梨醇（生物试剂，天津博迪化工）、硅胶(青岛海洋)。

仪器：XL30-ESEM环境扫描电子显微镜(PHILIPS-FEI,荷兰)、Avantij20高速冷冻离心机(BECKMAN,美国)、Genesis冷冻干燥机（VIRTIS，美国）、302A型恒温恒湿箱(±1℃、±5%RH，上海实验仪器)、101-1型烘箱(±1℃，上海实验仪器)、VICTOR231高精度温湿度仪（±2%RH 深圳胜利）。

1.3 实验方法

1.3.1 芦荟多糖提取

用水为浸提剂, 把多糖从芦荟叶中提取出来,再加人乙醇沉淀多糖, 经过离心分离沉淀, 然后再经溶解、超滤和冷冻干燥, 即可得到芦荟多糖[2]。

1.3.2 样品制备和保润性测定：

将切丝后烟丝分别添加1%的丙二醇、丙三醇、山梨醇、木糖醇和芦荟多糖，对照烟丝添加等量纯净水制成6个烟样。处理和对照样品放入硫酸干燥器内，并将硫酸干燥器放入相同湿度下的恒温恒湿箱中进行烟草保润性测定，水分变化情况采用“差量法”测定[3]。实验温度选择为(22±1)℃，相对湿度精度±2%RH[4]。

1.3.3 烟丝表面微结构表征

将烟样在温度（22±1）℃、相对湿度（60±2）%条件下平衡水分48 h后，密封送中国科学技术大学工程与材料实验中心检测，样品烟丝的正面朝上固定在载物台上,真空喷金，用XL30-ESEM型环境扫描电子显微镜观察拍照[5]。每个烟样在300倍下，设置5次重复用于数据统计，另外在2000倍下，对气孔放大拍照用于分析。叶面气孔的孔径由Nano Measurer 1.2软件分析；叶面不规则的沟槽纹理阴影部分所占比例采用Image Tool 2.0软件阈值分析。数据采用spss13.0统计分析软件处理。

表1 保润剂对烟草叶表面气孔和沟槽纹理的影响

2 结果与分析

2.1 对烟叶表面孔隙纹理结构影响

表1中，采用两个独立样本T检验方法进行显著性分析，结果显示：添加保润剂对气孔长度的影响较小，只有山梨醇B2F处理达到5%显著差异；烟样B2F气孔的平均宽度在4.33 ～7.22μm ，最小为丙二醇， C2F烟样在3.23 ～4.21μm，最小为丙三醇，和对照相比保润剂处理烟样气宽度均有减少，达到5%和1%的显著差异，影响程度B2F＞C2F；处理烟样保卫细胞宽度均有不同程度的增加，除木糖醇和山梨醇处理的B2F不显著外，其他均有5%以上的显著差异；B2F和C2F处理烟样气孔的平均面积均显著的小于对照；保润剂处理烟丝截面宽度均有增加，除山梨醇处理的B2F不显著外，其他均有5%以上的显著差异；采用Image Tool 2.0软件对叶面不规则的沟槽纹理阴影部分所占的面积百分比进行阈值分析，和对照相比除山梨醇处理的B2F不显著外，其他处理均有显著和极显著的增加，影响较大的是丙二醇和丙三醇，其次是木糖醇和芦荟多糖。保润剂处理的所有样品含水率均极显著的高于对照。

气孔是由两个肾形保卫细胞围绕而成的缝隙，是烟叶表面最主要的孔隙，田间生长时，气孔的大小和密度直接影响到烟草体内水分代谢[6-7]。马林等[8]认为，烟叶表面、内部微观结构和化学成分决定了烟草具有吸湿性。本实验观察到，保润剂使烟样的水分含量增加，气孔的保卫细胞有一定程度的吸水膨大，使得气孔变窄和气孔面积减少，孔隙面积的变小有利于保湿，5种保润剂处理和对照的气孔变化见图1。烟草通过叶表面和断面吸收水分[9]，沟槽纹理所占的面积百分比和烟丝截面宽度增加（烟丝增厚），可能也与细胞吸水膨大有关。

图1 添加保润剂样品和对照的气孔微结构扫描电镜图（Bar=10μm）

2.2 对烟草解湿和吸湿平衡含水率的影响

2.2.1 对烟草解湿平衡含水率的影响

表2为B2F和C2F处理和对照烟样解湿平衡含水率，从表2数据可见：B2F和C2F两组样品表现相同的是，在相对湿度100%～95%区间，下降缓慢；95%～70%区间解湿速度较快，70%～10%区间解湿速度逐渐减缓，10%～5%区间变化较小。用“配对样本T检验”方法，分别将保润剂处理烟样和对照样进行显著性差异分析，结果表明都达到1%的显著水平，说明5种保润剂的保润效果明显。就保润剂的影响而言，在相对湿度100% 时，烟样B2F含水率最高的是丙三醇处理，为29.63%，其他依次是，丙二醇、木糖醇、山梨醇和芦荟多糖，而烟样C2F含水率最高的是丙二醇处理，为30.92%，其他依次是，丙三醇、木糖醇、芦荟多糖和山梨醇；在相对湿度95%～50%，烟样含水率最高的是丙二醇，其次是丙三醇，木糖醇和芦荟多糖互有高低，最低的是山梨醇；在相对湿度40%～30%，丙二醇和芦荟多糖互有高低，其他排序是丙三醇、木糖醇和山梨醇；在相对湿度20%～10%，芦荟多糖保润性能较好，其他排序基本没变。

康跃进等[10]对丙二醇、丙三醇和山梨醇保润性能进行实验，认为丙二醇最好，其次是丙三醇。从烟草解湿平衡含水率变化来看，丙二醇和丙三醇总体表现较好，其次是木糖醇和芦荟多糖。芦荟多糖在低相对湿度下表现较好的保润性[11]，可能和芦荟多糖的复杂的成分，以及胶体物理特性有关。

表2 烟丝解湿平衡含水率

2.2.2 对烟草吸湿平衡含水率的影响

表3为B2F和C2F处理和对照烟样吸湿平衡含水率，从表3数据可见：B2F和C2F两组样品表现相同的是，在相对湿度5%～10%区间，烟样含水率变化不大，20%～70%吸湿速度逐渐加快，70%～95%区间吸湿速度迅速上升，95%～100%区间吸湿速度变化较小。配对样本T检验，5种保润剂烟样的含水率极显著的高于对照。就保润剂的影响而言，在相对湿度5%～20%，烟样含水率较高的是芦荟多糖，其次是丙二醇和丙三醇，木糖醇和山梨醇互有高低；在相对湿度30%～40%，丙二醇、丙三醇和芦荟多糖互有高低，木糖醇稍高于山梨醇；相对湿度50%～100%，处理烟样吸湿平衡含水率上升最快的是丙二醇和丙三醇，木糖醇和芦荟多糖处理含水率互有高低，但多高于山梨醇。

在吸湿过程中，保润剂的影响和解湿过程类似，丙二醇和丙三醇吸湿平衡含水率上升较快，芦荟多糖只是在低相对湿度下平衡含水率较高。

表3 烟丝吸湿平衡含水率

表4 烟丝吸湿滞后比较表

2.2.3 吸湿滞后的变化

表4列出了22℃时，烟样吸湿滞后的数据，湿滞值△W为相对湿度相同，烟样的解湿和吸湿平衡含水率的差值。分别将各个烟样的解湿平衡含水率和吸湿平衡含水率配对样本T检验，差异都是极显著，可见处理和对照都存在吸湿滞后现象，亦即如果湿烟草被干燥之后重新吸湿，为了得到同样的平衡水分，必须具有更高的空气湿度。由表4可以看出：不同的相对湿度下，吸湿滞后的程度不尽相同，对照烟样△W＞1的值，B2F发生在相对湿度40%～90%，C2F发生在相对湿度40%～80%，相对湿度过高(≥95%)或过低(≤20%)，B2F和C2F的湿滞值△都较小。保润剂处理烟样△W＞1的值：B2F处理烟样，除丙三醇出现在相对湿度20%～100%外，其他都是在20%～95%；C2F处理烟样，丙二醇和丙三醇△W＞1的值出现在相对湿度40%～100%，芦荟多糖在50%～100%，木糖醇和山梨醇在40%～90%。由此可见,和对照相比，除C2F的木糖醇和山梨醇处理外，其他处理都出现使吸湿滞后向95%～100%%高相对湿度区上移的现象。此外，在相对湿度40%～90%，除C2F的山梨醇和芦荟多糖处理外，其余处理都有△W＞2的值出现。部位比较，B2F吸湿滞后比C2F明显。

顾中柱等[12]认为，烟草存在吸湿滞后现象，在相对湿度50%～70%吸湿滞后非常明显（1.8≥△W≥1.6），当相对湿度较高(＞90%)或较低(＜10%)时，吸湿滞后现象不明显。对照烟样和顾中铸的报道基本一致，但添加保润剂的烟样吸湿滞后现象更明显，其原因借鉴Urquhart提出的“有效羟基说”[13-14]，5种保润剂都含有能和水分子形成氢键的亲水基团羟基,增加了解湿的阻力，而吸湿过程中，相对较干燥的烟草内物质，部分羟基和羟基之间形成相互间的氢键结合，当开始吸着水分时，一些氢键结合分离，但是另外一部分仍然保持相互间氢键结合的状态，因此能吸着水分的“有效的”羟基数目减少，从而吸湿滞后现象更明显。B2F吸湿滞后比C2F明显，可能与上部烟较厚有关（表1）。吸湿滞后现象有多种解释，机理复杂[15]值得探讨。

3 结论

（1）添加保润剂的烟样含水率增加，叶表面气孔的保卫细胞有一定程度的膨大，气孔的宽度变窄，孔隙的面积缩小，叶表面沟槽纹理所占的面积百分比和烟丝截面宽度增加，影响程度排序是丙二醇、丙三醇、木糖醇、芦荟和山梨醇。

（2）丙二醇和丙三醇的解湿和吸湿平衡含水率都比较高，芦荟多糖在相对湿度30%以下保润性能较好；添加保润剂会加剧烟草的吸湿滞后现象，并且对上部烟B2F的影响要大于中部烟C2F；保润剂处理的烟样持水性强，不易干燥。保润剂对烟草吸湿特性的影响值得进一步深入研究。

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