储叶过程中片烟吸收料液效果的评价方法

刘泽，朱勇，邱昌桂，向成明，汪显国，何邦华

1 云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南省昆明市五华区红锦路367号 650231；

2 云南瑞升烟草技术（集团）有限公司，云南省昆明市高新开发区海源北路1699号 650106

储叶过程中片烟吸收料液效果的评价方法

刘泽1，朱勇1，邱昌桂2，向成明1，汪显国1，何邦华1

1 云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南省昆明市五华区红锦路367号 650231；

2 云南瑞升烟草技术（集团）有限公司，云南省昆明市高新开发区海源北路1699号 650106

为评价储叶过程中片烟吸收料液的效果，选取料液中特有的1,2-丙二醇为特征标记物，利用甲醇浸提方法检测加料后片烟1,2-丙二醇含量来表征烟叶吸收料液的动力学特性，研究不同储存时间条件下片烟表面料液含量、片烟料液总量的变化规律。结果表明：(1) 片烟表面料液溶出时间平衡点为40～60 s；(2) 片烟吸收料液速率方程为；(3) 在加料工序出口，片烟有效吸收率为57.35 %；在储叶时间24 h后，片烟有效吸收率增加到88.26%；(4)方法量化了储叶工序片烟吸收料液过程，确定了储存时间应大于24 h。

储叶时间；有效吸收率；片烟表面料液；1,2-丙二醇

片烟加料是卷烟制丝加工过程中的重要工序之一，其工艺任务是按产品配方设计要求准确、均匀地将配制好的料液施加到片烟上[1-2]，达到改善原料品质、调和烟气、增强余味舒适性的作用；通过储叶工序使片烟充分吸收料液，满足烟叶所需要的生化反应时间、条件[3-4]；烟叶是一种胶质毛细管多孔物质，施加到片烟表面的料液经历附着、展布过程，部分料液仅能通过片烟叶面（气孔）和截面渗透到烟叶其组织内部的过程[5]，片烟料液迁移过程复杂。

目前，烟草行业研究热点主要集中在加料均匀性检测、加料设备以及控制系统改进、加料及储叶工序工艺参数优化等方面[6-11]；对加料、储叶工序烟叶吸收料液过程方面，乔学义等[5]用滤纸法去除片烟表面粘附料液后，利用片烟在料液中浸没不同时间的重量变化表征了片烟吸收料液过程，但去除片烟表面粘附料液量受滤纸施压、滞留时间以及滤纸吸附性能影响较大；王宗英等[12]利用荧光显微镜观察葡萄糖标记物（AEC）在切片烟叶组织中的浸透情况，而荧光强度定量分析受不同烟叶自发荧光等干扰因素影响，总体均不太成熟，定量检测效果不佳。

本研究以料液中特有物质1,2-丙二醇（保润剂）为特征标记物，利用甲醇浸提加料后片烟中1,2-丙二醇的方法来表征烟叶吸收料液的吸收渗透情况，旨在为卷烟加料工序、储叶工序工艺参数优化提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器和设备

1.1.1 材料

片烟样品：某一类卷烟叶组配方一次加料出口片烟及储叶片烟（红云红河烟草集团昆明卷烟厂提供）。

料液：试验叶组配方所用糖料（红云红河烟草集团昆明卷烟厂提供，编号为KQRZPL-334），主要成分为1,2-丙二醇、丙三醇、乙醇、薄荷酮、山梨酸、苯甲酸、麦芽酚等。

试剂：甲醇（色谱纯,纯度≥99.5%，DikmaPure）、1,2-丙二醇（标准物质，纯度≥99.5%，SIGMA-ALDRICH）、1,3-丁二醇（标准物质，纯度≥99.5%，SIGMA-ALDRICH）。

1.1.2 仪器及设备

加 料 机 型 号：CC.HBD/2.15/5.0（COMAS公司）；自制橡木箱子（箱体内腔尺寸约为：1300 mm（长）×1300 mm（宽）×1300 mm（高））；6890 N / 5973 N气相色谱/质谱联用仪(美国Agilent公司)（包括7683B自动液体进样器、DB-WAΧ色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25μm）极性弹性石英毛细管柱）；调速振荡器（常州国华电器有限公司）；ABS204–S电子天平（感量：0.0001 g，瑞士Mettler Toledo公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 一次加料出口片烟取样方法

在制丝线一次加料工序出口3 m处取样，间隔10 s取样约1 kg/次，共取样160次；将160 kg片烟人工混配均匀后，分装成2个试验箱（80 kg/箱），并放置于温度为26±2 ℃，湿度为58±5 %环境中储存。

1.2.2 不同储叶时间片烟取样方法

取试验烟箱中不同储叶时间的片烟样品时，采用九点取样法在试验箱1/3高度平面上取样200 g，共9个样品（约1800 g）。将9个样品混合均匀后，密封，待用。

1.2.3 片烟中1,2-丙二醇的提取方法

（1）片烟表面料液中1,2-丙二醇浸提方法

浸提方法参照Severson等[13]建立的方法进行改良，具体步骤为：称取15 g（精确到0.0001 g）片烟样品，置于500 mL烧杯中，用300 mL甲醇浸没片烟样品，浸提时间控制为设定值±2 s；滤出片烟，摇匀滤液，取20.0μL浓度为30.0 g/L的1,3-丁二醇（内标）的甲醇溶液，并用滤液的上清液定容至1 mL，摇匀，用GC-MS进行定量分析[13]，测定片烟表面料液中1,2-丙二醇的含量。

（2）片烟料液总量中1,2-丙二醇萃取方法

按气相色谱法[14]测定片烟料液中1,2-丙二醇的含量，为片烟料液总量中1,2-丙二醇的含量。

1.2.4 气质分析条件

用美国Agilent7890A-5973 GC-MS气质联用仪定量分析。（1）色谱柱：DB-WAΧ色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25μm）极性弹性石英毛细管柱。（2）气相色谱条件：进样口温度：200 ℃；进样量：2μL；不分流；载气：He，恒流流速：1.0 mL/min；程序升温：初始温度50 ℃，保持1min，升温速率5℃/min至200℃，保持3 min；扫描方式：Scan模式。（3）质谱条件：电离方式：EI；离子源温度：230 ℃；传输线温度：230 ℃；扫描范围：33 -450 amu。

1.3 数据分析

采用Origin 8.0软件进行数据建模分析。

2 结果与分析

2.1 片烟表面料液检测方法的准确度分析

为评价片烟表面料液含量检测结果的准确度[16]以及片烟料液总量检测方法的回收率，按照1.2.2节取样方法，固定浸提时间为50 s±2 s，测定储存0h的9个片烟样品表面料液中1,2-丙二醇的含量。表面料液检测后的片烟样品，按照气相色谱法[14]萃取、进一步检测片烟内部料液含量，在片烟料液总量稳定的前提下，可计算出片烟表面料液检测值理论含量，即指片烟料液总量检测值与片烟内部料液检测量之差值；片烟料液总量、表面料液、内部料液检测结果见表1。

表1 片烟表面料液含量重复性及片烟料液总量回收率Tab.1 Repeatability for external casing materials content and recovery rate for total casing materials content of strips

由表1可知，浸提处理和检测方法的RSD小于5%，1,2-丙二醇总量的回收率大于95%，表明该方法的准确度较高，甲醇浸提法能较为准确的表征片烟表面料液中的1,2-丙二醇含量。

2.2 不同浸提时间对片烟表面料液溶出量的影响

取储叶时间为120 h后的片烟样品（假设为片烟充分吸收料液状态），开展不同浸提时间对片烟表面料液溶出量的影响研究，设置甲醇浸提时间为5 s～600 s，每个浸提时间检测两个平行片烟样品，结果见表2。

表2 不同浸提时间对片烟表面料液溶出量的影响Tab.2 Effect of different extraction time on external casing material content of strips

从表2可知，随着浸提时间的延长，片烟中1,2-丙二醇的溶出量逐渐增加，表明浸提时间是影响片烟表面料液检测精度的重要因素之一。为明确不同浸提时间对片烟表面料液溶出量的影响，采用片烟表面料液溶出速率（即单位浸提时间内片烟表面料液中1,2-丙二醇溶出量）进行分析，不同浸提时间下溶出速率见图1。

由烤烟烟叶植物学解剖结构[5]可知，片烟叶面主要为疏水的蜡质层和角质层，片烟表面料液仅能通过烟片叶面和截面孔隙迁移至上下表皮组织、栅栏组织与海绵组织，因此片烟表面料液迁移可用扩散理论进行解释。

图1 在不同浸提时间处理下片烟表面料液溶出速率变化图Fig.1 Changes of extraction velocity for external casing materials content of strips at different extraction time

由图1可知，片烟样品表面1,2-丙二醇溶出速率变化呈现先显著减少后缓慢减少的趋势；片烟表面料液增量变化均在浸提时间点40 s～60 s过程中出现拐点，表明片烟表面料液的溶出过程中存在一个显著速率变化点，此过程与物料干燥理论[15]一致，在浸提时间小于40 s时，片烟表面料液传递过程为外扩散控制，即1,2-丙二醇溶出量主要为片烟表面料液中1,2-丙二醇，其传质阻力较小，溶出速率较快；而浸提时间大于60 s时，片烟表面料液传递过程为内扩散控制，即1,2-丙二醇溶出量主要为片烟内部料液中1,2-丙二醇，其传质阻力较大，溶出速率较慢。在后续的研究中，选取甲醇浸提时间为50 s±2 s，即在有效保留片烟内部料液含量的前提下，充分溶出片烟表面料液。

2.3 片烟表面料液变化特性研究

为考察片烟表面料液含量的变化特性，对不同储叶时间样品片烟表面料液含量进行作图分析，结果见图2。

图2 片烟表面料液含量随储叶时间的变化特性图Fig.2 Changes of external casing materials content of strips at different storage time

由图2可知：在储叶时间小于24 h时，片烟表面料液中1,2-丙二醇含量显著减少，而储叶时间大于24 h后，片烟表面料液中1,2-丙二醇含量变化不显著，据此初步推断储叶时间大于24 h后，片烟已充分吸收料液。

2.4 片烟吸收料液特性研究

片烟内部料液含量可定义为片烟料液总量与片烟表面料液含量之差值，即在储叶时间点t条件下，片烟内部料液量表达式为：

式中：t代表储叶不同时间点；

pi为在储叶时间点t条件下，片烟表面料液含量，mg/g；

Qi为在储叶时间点t条件下，片烟料液总量，mg/g；

qi为在储叶时间点t条件下，片烟内部料液含量，mg/g。

以不同储叶时间点t为横坐标、对应的片烟内部料液含量qi为纵坐标作图，此图即为片烟吸收料液特性图（见图3），利用origin 8.0中的指数模型对图3数据进行回归分析，回归显著性系数为0.98，指数模型参数值见表3。

其中，指数模型回归分析的表达式为：

式(2)中，a为片烟充分吸收料液时，对应片烟内部料液含量，mg/g；b为片烟料液吸收特性参数，mg/g；c为片烟样品表面料液迁移速率常数，无量纲。

图3 片烟内部料液含量随储叶时间的变化特性图Fig.3 Changes of internal casing materials content of strips at different storage time

表3 片烟内部料液与储叶时间回归模型参数及检验Tab.3 Signi fi cance analysis for the regression equation of extraction external casing materials content of strips and storage time

将回归模型参数值代入回归方程，整理后表征片烟内部料液含量随储叶时间变化关系式为：

2.5 片烟吸收料液速率的表征方法研究

片烟吸收料液速率可定义为单位时间内片烟内部料液的增量。因此，对式(3)进行一阶求导，即为片烟吸收料液速率表达式：

式中：υi为储叶时间点为t时片烟吸收料液速率，即单位时间单位重量片烟内部料液的增量，mg/(g,h)。

利用式(4)，对表2中不同储叶时间点片烟内部料液含量、片烟吸收料液速率进行计算，计算结果见表4。

表4 不同储叶时间梯度片烟吸收料液速率表Tab.4 Results of absorption velocity of internal casing materials of strips at different storage time

由表4可知，片烟吸收料液过程随着储叶时间延长，片烟吸收料液速率呈现先显著减小后缓慢下降的过程；在储叶时间0 h～24 h 范围内，片烟吸收料液速率较快，当储叶时间为24 h时，片烟吸收料液速率υi接近0mg/g·h ，储叶时间大于24 h后，可认为片烟达到充分吸收料液状态。此结果与储叶24 h后片烟充分吸收料液的结论[17]较吻合。

2.6 片烟有效吸收率的表征方法研究

片烟有效吸收率的物理意义为：片烟内部料液含量（qi）与片烟料液总量（Qi）之比值。片烟有效吸收率（ηi）表达式为：

将式(1)代入式(5)，进一步推导出片烟有效吸收率（ηi）表达式为：

式(6)中，t为储叶不同时间点；

pi为在储叶时间点t条件下，片烟表面料液含量，mg/g；

Qi为在储叶时间点t条件下，片烟料液总量，mg/g；

qi为在储叶时间点t条件下，片烟内部料液含量，mg/g。

利用式(6)，对加料工序出口片烟（即储存0 h）进行片烟有效吸收率计算，片烟有效吸收率为57.35%，此表明：在加料过程中，片烟表面料液迁移至片烟内部量较显著。

结合表4，利用片烟有效吸收率表达式(6)，计算出储叶24 h后片烟有效吸收率（η∞）为88.26 %。在储存时间24 h内，30.91 %片烟表面料液迁移至片烟内部组织中。

3 结论

针对昆明卷烟厂在线生产某品牌模块，基于控制加料后片烟中1,2-丙二醇溶出时间平衡点（为40s～60s）的方法，建立了储叶工序片烟吸收料液的动力学方程，方程为；储叶24 h后，片烟有效吸收率达到88.26 %，可认为片烟已充分吸收料液。

片烟表面料液含量验证方法以及不同加料比例、储叶环境温湿度条件、片烟物理指标等对片烟吸收料液过程的影响还待进一步深入研究。

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Method of evaluating casing absorption by tobacco strips during storing

LIU Ze1，ZHU Yong1,QIU Changgui2,XIANG Chengming1,WANG Xianguo1,HE Banghua1
1 Technology Center,China Tobacco Yunnan Industrial Co.,Ltd.,Kunming,650231,China;
2 Yunnan Reascend Tobacco Technology(Group) Co.,Ltd,Kunming 650106,China

In order to evaluate absorption effect of strips during storage,1,2-propylene glycol of casing material was chosen as a characteristic marker.Based on the determination of 1,2-propylene glycol content of strips after casing by method of washing and extraction,changes of external and total casing materials content of strips after casing during different storage times were investigated.Results showed:(1) The equilibrium point of dissolution time in external casing materials of strips after casing was 40 s -60 s;(2) The equation of absorption velocity in internal casing of strips wasυi=0. 6377×0.6208t;(3) The effective absorption rate of internal casing strips was 57.35 % at the outlet of casing process,then increased to 88.26 % after 24-hour storage;(4) Through this method,absorption process of casing materials was quanti fi ed during storage,and storage time of strips after casing was set to ＞ 24 h.

storage time for strips; effective absorption rate; external casing materials of strips; 1,2-propylene glycol

刘泽，朱勇，丘昌桂，等.储叶过程中片烟吸收料液效果的评价方法[J].中国烟草学报，2015,21（1）

云南中烟工业有限责任公司技术中心资助项目“多级加料技术在云烟系列品牌中的应用研究”（HYHH2012CP05）、“卷烟生产工艺质量评价体系的建立”（HYHH2012GY02）

刘泽（1982—），硕士，工程师，主要从事烟草工艺技术研究，Tel：0871-65869578，Email:liuze82@126.com

何邦华(1976—)，本科，工程师，主要从事烟草加工工艺方向研究，Email：hehua76@tom.com

2013-10-24

:LIU Ze,ZHU Yong,QIU Changgui,et al.Method of evaluating casing absorption by tobacco strips during storing [J].Acta Tabacaria Sinica,2015,21(1)