基于低场核磁技术和环境扫描电镜的卷烟吸湿机制研究

韩 聃 田兆福 王宏生 张晓鸣（.江南大学食品学院，江苏 无锡 4；.广西中烟工业有限责任公司，广西 南宁 53000）

烟草是一种胶质毛细多孔物质，它的组织结构由毛细管和多孔体构成，含有果胶、蛋白质等胶体物质和水溶性糖等亲水性物质，具有极其敏感的吸湿性能［1，2］。

近年来，低场核磁共振技术（LF—NMR）广泛应用于生物体系中结合水的研究。通过分析T2弛豫时间的不同，较容易区分出易流动损失和通过物理、化学作用紧密结合的水分［3］。Li Rong－rong等［4］通过测定水中氢核的横向弛豫时间研究面团中水分子的流动性和结合情况，进而研究水分含量对面团流变性质的影响，试验表明通过低场核磁技术可以有效区分样品中水分的不同状态，为进一步研究水分状态对流变性质的影响提供了参考。

环境扫描电镜（environmental scanning electron microscope，ESEM）的出现使观察新鲜含水生物样品表观结构成为现实［5，6］。朱银凤等［7］利用扫描电镜技术直观检测烟草细胞表面细微结构变化，从而研究其生长发育机理。

本研究拟利用低场核磁技术，对弛豫时间以及弛豫面积进行分析，区分卷烟吸湿过程中不同水分结合状态，利用环境扫描电镜对卷烟吸湿过程中表面微观结构变化进行观察，总结其吸湿规律，探究不同添加剂对吸湿机制的影响，旨为烟草制品吸湿机制的探索与分析提供相关依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

卷烟及其原料烟丝：中国某中烟公司；包括空白样品、加香样品（加香剂按卷烟重量0.1%添加）、加糖样品（混合液按卷烟重量0.1%添加）、加料样品（丙二醇、丙三醇混合液，按卷烟重量1.0%添加）、加酸样品（按卷烟重量0.15%添加），所有化学物质添加比例及方法按照卷烟生产工艺标准；

丙二醇、丙三醇：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

核磁共振成像分析仪：NMI20型，上海纽迈电子科技有限公司；

环境扫描电镜：ESEM－2020型，美国Philips公司；

水分活度仪：Fast－lab－GB型，法国 GBA 公司；

恒温培养箱：DHP－9052型，上海市欣荣有限科技公司。

1.2 试验方法

1.2.1 水分活度的测定 在室温18～25℃，湿度50%～80%的条件下，用饱和盐溶液校正水分活度仪。取约0.1g试样，迅速放入样品皿中，封闭测量仓，进行测定，每间隔5min记录水分活度仪的响应值，当相邻两次响应值之间误差小于0.005时的Aw为测定值。仪器平衡后，重复3次。

1.2.2 烟丝含水率的测定

（1）样品前处理：将烟丝在温度（25±1）℃，硅胶干燥器中平衡24h。

（2）初始水分含量的测定：按YC/T 31—1996执行。

1.2.3 吸附等温线的测定 取2～3g预处理后的样品，置于设定的环境下，前12h每2h测定一次含水率及水分活度，12h后每4h测定一次含水率及水分活度，直至稳定。根据所得数据绘制水分活度、水分含量变化曲线以及吸附等温线。

1.2.4 核磁共振测定 取约1g预处理的样品置于磁场中心位置的射频线圈中心，利用FID信号调节共振中心频率，进行CPMG脉冲序列扫描试验。试验参数为采样点TD＝8 192，重复扫描次数NS＝16，弛豫衰减时间D0＝1 000ms。扫描结束后，利用T2Fit软件反演拟合出T2值分布及弛豫积分面积。

1.2.5 ESEM图像采集 将待测样品烟叶分别于RH＝30、RH＝60、RH＝80及温度22℃下放置48h，平衡后取出，选取形态特征较好、无明显破损与虫害、约为5mm×5mm大小的样品直接置于样品台上观察拍照。电镜样品室选择环境真空模式，采用气体二次电子信号成像；工作电压15～20kV，工作距离10mm，表面图放大倍数200倍，横切面放大倍数400倍。

2 结果与讨论

2.1 烟草增湿过程

吸湿增重曲线可从直观上反映不同样品吸湿性能的差异性，通过吸湿曲线可以分析不同化学物质的添加对烟草吸湿特性的影响。由图1（a）可知，糖类物质的添加对烟草吸湿起到促进作用，吸湿量较空白样明显增多，其作用机制与样品内糖类物质添加，造成羧基等易与水分子结合的极性基团增加有关。料液物质（主要是丙二醇）易通过羟基与水分结合，对烟草吸湿也起到了促进作用，但效果不及糖类物质的作用。酸类物质添加后其吸湿曲线与空白样基本重合，表明其对吸湿增重无明显影响。加香剂添加后其吸湿曲线低于空白样，表明其对烟草吸湿能力起到了抑制作用，这可能与其油溶特性有关。成品卷烟吸湿增重曲线高于空白样，但受到加香剂对吸湿的负面影响，吸湿低于单独添加糖、料液的样品。

吸附等温线不仅能够反映样品在不同湿度下的水分含量，也可以表示在相同水分含量下，样品与水分结合能力的强弱。吸附等温线可以为进一步判断样品吸湿特性提供依据。由图1（b）可知，加香剂添加后，吸附等温线较空白样有明显下降趋势。无论在高、低湿度环境下其水分含量均少于空白样，与吸湿增重曲线相符。在相同水分含量下，加香样品水分活度高于空白样，与水分结合强度较低。加香剂对烟草吸湿特性的抑制作用可能是由于加香剂的油溶特性，易在烟草表面成膜，一方面减少了易与水分子结合的极性基团数量，另一方面易形成油膜阻碍了表面吸附水分，从而减弱了烟草本身的吸湿能力。

图1 烟草吸湿规律曲线Figure 1 Hygroscopic law curve of different taboo samples

2.2 基于低场核磁技术应用的分析

2.2.1 弛豫时间分析 体系中不同水分所处状态的不同与物料本身结合水分能力的大小相关，因此，可以将体系中的水分为三部分：近似纯水的自由水，与物料通过一定物理、化学力作用的结合水，与物料结合极为紧密的“结构水”。这三部分水分都有各自驰豫率以及弛豫时间T2。大多数物料属于多组分体系，所以体系的T2值不止一个。T2的大小代表了水分流动性的强弱，可以表示物料中水分的自由度，T2值越小，代表水分与非水组分结合得越紧密，越不容易排出；T2越大，代表水分的自由度越大，越容易排出［8］。通过NMR所得到的驰豫时间与横向弛豫总积分面积的关系曲线可以间接反映出物料中水分的含量和存在状态。

通过低场核磁共振对卷烟吸附过程中横向弛豫时间T2进行测定，得到不同吸附时间、不同原材料的T2时间分布，见表1。结果表明无论是成品卷烟还是空白样都存在3个T2区间，分别是T21（0～2ms）、T22（2～10ms）、T23（10～150ms），其中T21表示的可能是与水分子通过极性基团紧密结合的不易分离的结构水分子层，T22表示的可能主要是以微毛细管结合得较为紧密的结合水分子层，T23表示的可能是存在于孔隙以及表面的自由水。

表1 不同样品吸湿过程的T2值变化情况Table 1 T2values during the moisture adsorption of different samples

观察弛豫时间及横向弛豫总积分面积可以发现卷烟材料中结构水分子层与结合水分子层超过90%，占水分吸附绝大多数，可见烟草中的水分主要是以这两种形式存在的。T23对应的自由水在卷烟水分含量中所占比例少，含量较低。

空白样品吸附初始阶段（2～12h）内，T21值不断减小，表明水分与卷烟内部化学物质结合越来越牢固。可以推断在这一阶段T21值的减少与化学结合水在一定程度上的重排有关。空白样在吸湿初始阶段毛细管吸附起主要作用，吸附水和烟丝内部亲水物质的化学结合相对较少，随着吸湿过程的不断进行，毛细管吸附水逐渐迁移到烟丝亲水物质表面，水分子和亲水大分子的氢键作用不断加强，其动力学过程由单个水分子和一个极性基团的单个氢键作用不断地演化为一个水分子和邻近的多个亲水基团（最多4个）的氢键作用，因此最终表现为T21值不断减小。当吸附水增加到一定程度，亲水基团表面的单分子层结合水饱和，结合水逐渐以多层水为主，随着多层水比例的不断增加，虽然结合水的总比例是增加的，但其整体结合强度不如未饱和时的单层水结合强，因而T21值又开始变大。

其他样品的T21起始值都小于空白样品，是因为烟丝中加入的亲水物质，如加香剂、糖、料液物质等，增强了形成氢键的结合水能力。随着吸水量不断增加，加香样品同空白样品的吸湿过程类似，单层水比例减小，多层水比例增加，整体表现为T21值又开始变大。而加糖和加保润剂的成品卷烟情况更为复杂，吸湿后期T21值都有所减小，但T21值的持续减少，与这些样品吸湿48h时样品中结构水含量的继续增加是完全一致的，由此说明T21值是反映水结合强度的最敏感指标，可以作为卷烟控湿研究的重要技术参数。

T22是指烟草吸附水中次为牢固的吸附水，一般可以认为这部分水主要是通过毛细管凝集吸附（微毛细管为主）构成的水分子层。其变化过程与毛细管的种类、粗细和含量有关，因而其吸附动力学比较复杂，不同样品的T22变化无明显规律可循。

T23可以认为是指烟草表面的自由水，主要是孔隙水与表面吸附水，其数值远大于T21和T22，表明这部分水和烟丝结合很弱。

2.2.2 基于弛豫积分面积的结合水性质分析 测定自旋—自旋弛豫时间可以得到不同弛豫时间对应的质子信号强度，以峰面积表示的这类信号强度在一定程度上可以反映体系内部不同水分含量之间的关系（见图2）。

横向弛豫总积分面积与烟丝中水分含量有着较好的线性关系，相关系数R2均值大于0.9（0.915 8，0.921 1，0.988 4，0.891 4，0.974 7），这表明通过 NMR 检测烟丝中氢质子信号绝大部分是水分子中的氢质子，利用NMR测定弛豫时间可以较为准确的表示烟丝中水分分布状态及含量的实际情况。

图2 不同样品吸附等温线图Figure 2 Water content－relaxation integral area

空白样品不同吸湿时间水分组成比例图见图3，通过卷烟不同时刻总含水量以及其对应不同状态水分比例图可以得到各个时刻不同状态水分含量的具体值见表2。

图3 空白样不同吸湿时间水分组成比例图Figure 3 Water composition ratio in different adsorption time

表2 空白样不同时刻不同状态水分含量Table 2 Moisture content of different water status in different adsorption time %

由表2可知，烟草中水分存在的主要状态是不易移动的化学吸附水，包括晶体细胞中的水分、大分子内部结合水以及化学结合水等［9］。烟草制品中另外一种结合力较强的水分是以微毛细管凝结水为主的结合水，这部分水分结合能力略弱，但是明显强于自由水。自由水含量较少，主要为表面物理吸附水以及润湿水等。吸湿初始阶段0～12h，空白样品化学吸附水比例减少，毛细管吸附水所占比例增加，从吸附水分含量中也可以发现，毛细管吸附水量占主要部分。据此可以认为未添加保润剂的原材料系列，卷烟水分吸附以毛细管吸附为主，化学结合水吸附含量较少。随着水分吸附的增加，自由水比例上升，吸附量不断增多。这可能是因为吸附水分增多，毛细管吸附以及化学吸附在一定程度上饱和，表面吸附水向内部扩散速率减慢，造成自由水含量提升。在12～48h阶段，吸附机制的转移，由化学吸附、毛细管凝结吸附转向通过胶体渗透作用与烟草内部大分子亲水胶体物质结合吸附，这使得化学吸附结合水比例上升，毛细管凝结吸附水比例下降。

由表3可知，空白＋香样品水分比例图与空白样趋势基本一致，其吸附机制无明显变化。值得注意的是香气物质的添加一方面少量增加了羟基、羧基等极性基团，使得化学吸附仍然不断增加，同时香气物质的添加并没有对毛细管吸附起抑制作用，使得这类样品水分吸附由两方面共同作用完成。

表3 空白＋香样不同时刻不同状态水分含量Table 3 Moisture content of different water status of spice sample in different adsorption time %

由表4可知，这类样品毛细管吸附水含量已经明显受到抑制，在整个吸附阶段以化学结合水吸附为主要吸附手段，与空白样品吸附明显不同。这也证明了糖类等易溶于水的极性基团在一定程度上改变卷烟本身的吸附机制，是不同卷烟吸附量明显不同的重要原因之一。

表4 空白＋糖样不同时刻不同状态水分含量Table 4 Moisture content of different water status of sugar sample in different adsorption time%

由表5可知，成品卷烟由于保润剂的添加，烟草水分吸附主要以化学结合吸附为主，化学结合水的比例不断增加。从具体含量上看，毛细管在初期几乎无吸附，水分含量的增加主要集中在结合水部分。卷烟吸附最后阶段吸附机制转移，毛细管凝结吸附、化学吸附转向与烟草内部亲水性物质的结合。

表5 成品烟丝不同时刻不同状态水分含量Table 5 Moisture content of different water status of end product sample in different adsorption time%

2.2.3 基于表观特征对烟草吸湿规律的分析 卷烟样品中不同添加物质一方面因其不同的化学基团对烟草吸湿机制产生作用，另一方面由于其溶解性等物理性质差异，在一定程度上对其表观特征产生改变，影响其吸湿机制。分析不同水分含量下不同样品表观形态差别有利于对吸湿机制的全面了解，不同样品RH＝30环境扫描电镜观察图见图4。

图4 不同样品在RH＝30环境扫描电镜观察图Figure 4 ESEM micrographs of tobacco transection in RH＝30

由图4可知，空白样品叶片表面气孔分布较多，表皮细胞中部平滑向上突起，褶皱感较强，成品烟丝气孔结构相对较少，且气孔外表皮细胞平滑，结合松散，细胞轮廓相对清晰。从图4（c）中可以观察到样品中存在的栅栏组织与海绵组织。烟草中海绵组织薄壁细胞大小和形状不规则，形成短臂突起并相互连接形成较大的细胞空隙，多呈网状。观察成品样品可以发现，较空白样，其横切面存在空隙结构较少，组织之间结合较为紧密。

图5 不同烟草样品在RH＝60环境下扫描电镜观察Figure 5 ESEM micrographs of tobacco in RH＝60

由图5可知，RH＝60环境湿度下样品表皮细胞结构与干燥样区别不大。空白样以不规则的表面排列结构以及较强的褶皱感区分于成品卷烟。值得注意的是空白样气孔数量呈减少的趋势，成品烟丝并没有这种情况。从图5（c）中可以发现空白样原来较大的细胞间空隙减小，海绵结构与栅栏结构间结合紧密程度有所增加。这种结构上的变化与二者不同的吸附机制有关。空白样品吸附以毛细管吸附为主，其吸附水分集中在表面，表面水分含量较高，使得烟丝叶片表面气孔数量减少，而金韵吸附以化学吸附为主，水分更快地从表面结构向内部转移，对气孔的影响不明显。同时空白样毛细管大量吸附水后，海绵组织膨胀作用使得其栅栏组织细胞之间间距减小，细胞结合紧密，空隙结构减小。金韵烟丝水分增加以化学吸附为主，水分较多存在于烟丝内部，这使得海绵组织膨胀增大与栅栏组织结合加强的同时，其结构在一定程度上重新排列，使得空隙结构重新分布。

3 结论

卷烟烟丝吸湿过程中不同化学物质的添加对卷烟吸湿有着较大的影响，糖类（葡糖糖等小分子糖类混合物）及料液物质（丙二醇为主）的添加对吸湿起促进作用，而加香剂的添加一定程度上阻碍了卷烟吸附过程。应用低场核磁技术可以较为准确地反映烟草内部水分状态及含量，成品卷烟烟丝一般都存在3个T2区间分别是T21（0～2ms）、T22（2～10ms）、T23（10～150ms），分别代表体系中的化学结合水、毛细管结合水以及自由水。其中T21大小变化与烟丝内单层水、多层水转化排列有关，其值是反映水结合强度的最敏感指标，可以作为卷烟控湿研究的重要技术参数。卷烟内部结合能力强的化学吸附水含量最多，是烟草内部水分的主要构成。烟草自身水分吸湿的过程中以毛细管吸附为主，化学结合吸附较少。羟基等极性基团物质大量添加后，改变了烟丝水分吸湿机制，化学吸附起主要吸附作用，毛细管吸附受到抑制。不同卷烟样品其表皮结构区别主要集中于表面气孔数量的多少以及细胞间结合的紧密程度。海绵组织与栅栏组织以及其形成的空隙结构是烟草内结构的主要组成部分，其组成结构与状态一方面受到烟丝水分含量的影响，另一方面与烟草内添加不同的化学物质有关。

1 黄嘉礽.卷烟工艺［M］.第2版.北京：北京出版社，2000：25～29，31.

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