活化陶瓷球处理水的分析评价及在卷烟生产中的应用

郑松锦，钟 良，段海涛，周 博，刘玉斌，潘文亮，林 洁，李贤勇，朱 萌，刘柏松，张渝婕*，霍晓晖

1.河北中烟工业有限责任公司，石家庄市维明南大街1 号 050051

2.云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市红锦路367 号 650202

3.牡丹江恒丰纸业股份有限公司，黑龙江省牡丹江市阳明区恒丰路11 号 157013

水是烟草及其制品的重要组分之一，会直接影响烟草的弹性、韧性、填充性和燃烧性等物理特性，又会影响烟草的颜色、光泽、香气、吃味等外观和内在质量［1］。在卷烟加工过程中，主要是以水为载体改善卷烟原料物理特性，参与烟叶内部的生物化学变化［1］，即水会直接影响卷烟的加工质量。目前，卷烟生产过程中所用的水一般是软化水，即由自来水经过离子交换处理，仅水的硬度降低，而其离子总量不变，软化后水中钠离子的量增大几十倍。软化水是一种聚集大分子水，这是因为水的O—H 键间的夹角约为105°，负极中心与正电荷中心不重合，水分子为极性分子。由于分子间氢键的作用，水不是以单个分子形式存在的，而是彼此可以聚集结合为大的水分子团。这种大分子团的水渗透力较弱，溶解力较差，不利于水在细胞间的进出［2-3］。而聚集体小的水的溶解能力和渗透力均较高，研究表明通过改变料液稀释用水分子的团簇结构，可改善料液的浸润性能，提升料液的溶解性［4-5］。通过改变水的性质来改善卷烟的吸食品质已引起行业相关研究人员的重视，但在对水与烟丝的缔合程度评价及生产过程用水的替换方面则鲜见报道。因此，本研究中对现有的卷烟生产过程用水进行分析，筛选出适用于卷烟生产的小分子水，并在前人研究的基础上利用活化陶瓷球对料香配制过程用水进行活化处理，通过改变卷烟在线生产过程水的性质，提升水及由活化水配制的料液的渗透吸收性能，探究水对卷烟品质的影响，以期提高卷烟的感官舒适性。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

“钻石”（荷花）牌卷烟叶组配方、配方料液和烟丝，纯水（河北中烟工业有限责任公司提供）；SY01、SY02、SY03 活化陶瓷球（平均直径3 mm，河北唐山立雄峰汇材料科技有限公司）；ZY 活化陶瓷球、高活性陶瓷球、FQ01 陶瓷球、FQ02 陶瓷球、FLZ 陶瓷球、磁球、能量珠（平均直径3 mm，济南木齐科技有限公司）；自来水、软化水（河北白沙烟草有限责任公司提供）；市售天然矿泉水1～3号；“屈臣氏”蒸馏水（4.5 L/桶，广州屈臣氏食品饮料有限公司）。

Toledo XS204 电子天平（感量0.000 1 g）、SevenMulti S40 多功能测量仪表（配有pH 模块，精度±0.001 pH）（瑞士Mettler 公司）；KBF240 恒温恒湿箱（德国Binder 公司）；Ascend 400 AVANCEⅢ核磁共振波谱仪（瑞士Bruker 公司）；NMI20-015V-I核磁共振分析仪（0.5 T，苏州纽迈分析仪器股份有限公司）；K100 型表面界面张力仪（德国Kruss 公司）；PN-COBB 可勃吸收性测定仪（杭州品享科技有限公司）；EST12 表面施胶度仪（德国Mutek公司）。

1.2 方法

1.2.1 用活化陶瓷球处理水样

用纯水将活化陶瓷球冲洗几次，晾干。称取一定质量的活化陶瓷球（以100 mL 水质量计），放入相应的水样中，室温浸泡一定时间后将水倒出，即得到所需活化陶瓷球处理水。活化陶瓷球投放量分别为3、6、9 g·（100 mL）-1，并分别进行0、5、60、240、1 440 min 的浸泡处理。

1.2.217O 核磁共振半幅宽的测定

17O 核磁共振半幅宽反映的是液态水分子聚集体结构的平均相对大小，谱线越宽，聚集体越大；谱线越窄，聚集体越小［6］。采用核磁共振波谱仪测试各种水样及处理水中自然丰度的17O 同位素核磁共振半幅宽（Full width at half maximum intensity，FWHMI）［7］。

1.2.3 水的表面张力测定

参考文献［8］的方法，采用表面界面张力仪测定水的表面张力。

1.2.4 接装纸可勃法吸收率的测定

参考GB/T 1540—2002［9］的方法，采用翻转式测定烟用接装纸原纸的吸水性能。将烟用接装纸原纸样品裁剪成直径（125±5）mm 的圆形试样，一共裁剪10 张（制备样品时，做好正、反面标识，取正、反面各5 张），测试前称量；量取100 mL液体样品，倒入可勃吸收性测定仪圆筒中，然后将烟用接装纸原纸放置于圆筒的环形面上。将压盖盖在烟用接装纸原纸上并夹紧，使之与圆筒固定在一起，翻转圆筒180°，计时5 s；将圆筒翻正，松开压盖夹紧装置，取下烟用接装纸原纸，立即使吸水面朝下放在预先铺好的吸水纸上，再在上面放一张吸水纸；然后在不施加其他压力条件下，立即用金属压辊在4 s 内往返辊压一次，将烟用接装纸原纸表面剩余的水吸干。将烟用接装纸原纸快速取出，将吸水面对折，然后再对折一次后称量。

每个样品用10 张烟用接装纸原纸测定，计算吸收率，取平均值。

1.2.5 EST 法动态渗透性能的测定

采用表面施胶度仪测试动态渗透性能，借助双面胶带将烟用接装纸原纸固定在仪器样品架上。借助测量装置将样品架浸入装有待测水样（试验液）的测试容器里。在测试容器内接收器对面装有超声波发射器，当烟用接装纸原纸接触试验液时，发射器立刻发射穿过烟用接装纸原纸的超声波信号，其固定频率为1 或2 MHz，在液体渗透的过程中，信号被反射、散射及吸收。最终的信号变化记录在接收器里，且由集成处理器计算烟用接装纸原纸的吸收性能。以t95作为测试指标，t95表示曲线在达到最高点后下降，至强度降到95%时对应的时间，即t（I=95%），液体渗透越快，t95值越小。

1.2.6 活化水与烟丝缔合程度的测定

烟草中的水分为自由水、结合水和吸附水3种，不同的水在烟草中的分布状态即与烟草的缔合状况亦可能不同。选取同一种烟丝，称取4 份相同质量的烟丝样品，每份50 g，分别施加软化水、纯水、矿泉水1 号及其活化陶瓷处理水，密封存放48 h 后，利用核磁共振分析仪测定烟丝烘前、烘后（烘箱法）的弛豫时间T2分布，通过烘干前后样品的核磁信号差值来评价不同水样与烟丝的缔合程度。

核磁共振分析选用CPMG 序列［10］，具体参数：90 度脉宽P1=6.6 μs，180 度脉宽P2=13.84 μs，完全恢复时间TW=1 000 ms，模拟增益RG1=20，数字增益DRG1=3，前置放大增益PRG=1，数据半径DR=1，回波间隔TE=0.1 ms，采集回波个数NECH=800，采集扫描次数NS=16。

1.2.7 活化水的卷烟感官质量评价

以正常生产的“钻石”（荷花）牌卷烟为对照样品，将该卷烟制丝生产过程中的软化水全部替换为本研究中所确定的水，并卷接为卷烟样品，其制丝及卷接加工技术参数与正常生产相同。聘请河北中烟工业有限责任公司有省级及以上评吸资质的11 位评吸专家，参考YC/T 497—2014［11］和YC/T 496—2014［12］中卷烟风格特征的评价方法，对卷烟样品进行感官评价。

2 结果与分析

2.1 水的性质分析

将现有卷烟生产过程用水（自来水、软化水），及纯水、蒸馏水和3 种矿泉水共7 种水样依据文献［13］的方法对水的pH 以及钠、钙和镁离子的浓度等进行检测，结果如表1 所示。

表1 7 种水的检测结果Tab.1 Test results of seven water samples

从表1 可知，所测试的7 种水样均为弱碱性，其中软化水的pH 最高，这是由于软化水中钠离子浓度最大；纯水、“屈臣氏”蒸馏水和矿泉水1 号的pH 相近且较低；纯水、“屈臣氏”蒸馏水的半幅宽相近且较低，自来水和软化水的半幅宽相近且较高，即卷烟生产过程所用的自来水和软化水的分子团簇较大。检测结果与文献［14］相符，即半幅宽低于70 Hz 的水样一般均是经过高能物理处理或者由纯水配制的水样；优质天然饮用水水样，其半幅宽一般均在70～90 Hz 范围内。

2.2 活化处理后水样的性质分析

将所选取的7 种水样进行1 440 min 活化陶瓷球浸泡活化处理后，检测各项指标变化情况，结果见表2。可知，经过活化处理的自来水、软化水和矿泉水1～3 号的半幅宽均有不同幅度的降低，活化后纯水半幅宽无明显差异，而“屈臣氏”蒸馏水的半幅宽略有增加；其中活化矿泉水1 号的半幅宽最小。因此，确定卷烟生产过程软化水的替换水为活化矿泉水1 号。

表2 经过活化处理的7 种水的性质检测结果Tab.2 Properties of seven activated water samples

2.3 活化陶瓷球筛选

活化陶瓷是一种具有活化水功能的陶瓷，经活化陶瓷处理的水具有明显的小分子团特征，经不同配方活化陶瓷处理后的水的半幅宽有所差异［15］，因此需对活化陶瓷进行筛选，以便得到半幅宽较低的处理水。利用10 种活化陶瓷对所确定的矿泉水1 号进行活化处理，考察处理后水的半幅宽变化，结果见表3。可以看出，所考察的10 种活化陶瓷中，除SY03 外，其余9 种活化陶瓷处理的活化水的半幅宽均有不同程度的降低，其中FQ02 陶瓷球和能量珠的处理水半幅宽相近且半幅宽降幅最大。综合考虑成本等其他因素，确定采用FQ02 陶瓷球进行活化。

表3 10 种活化陶瓷对水的17O 核磁共振半幅宽的影响Tab.3 Effects of ten activated ceramic balls on FWHMI of17O NMR of water

2.4 活化陶瓷球投放量及浸泡时间对水性质的影响

FQ02 活化陶瓷球不同投放量及浸泡时间的实验结果见表4。在不同投放量及浸泡时间下活化陶瓷球处理后矿泉水1 号的半幅宽大都有不同程度的降低，最高降幅达37.27%。根据半幅宽的检测结果，确定后续实验所用活化水均采用活化陶瓷球处理4 h以上，活化陶瓷球投放量为6 g/（100 mL）。

表4 不同活化陶瓷球投放量和浸泡时间条件下的水半幅宽Tab.4 FWHMIs of water under different quantities of activated ceramic balls and soaking time（Hz）

2.5 活化水的物理性能及应用评价

根据水性质的分析及活化陶瓷球筛选结果，对比分析软化水、纯水、矿泉水1 号及由矿泉水1号经活化陶瓷球处理后的活化水的浸润渗透性能，测定其表面张力、对接装纸的可勃法吸收率、EST 法动态渗透性能及其在烟丝中的缔结程度；并用活化水替换配方料液配制过程中的软化水进行料液配制，对比分析软化水和活化水配制料液的吸收率、动态渗透性能。

2.5.1 表面张力测试结果

软化水、纯水、矿泉水1号及活化水的表面张力测试结果分别为73.35、72.55、72.32和69.89 mN/m。同一固体表面上，表面张力越小，液体的浸润性能越好［16］。因此4 种水的浸润性能为活化水＞矿泉水1 号＞纯水＞软化水。

2.5.2 可勃法吸收率测试结果

烟用接装纸原纸对软化水、纯水、矿泉水1 号及活化水的可勃法吸收率测定结果分别为71.7%、73.7%、76.5%和79.3%。对于同一种纸张，吸收率越高表明纸张对水的吸收效果越好［16］，也反映了水的渗透性能越好。结果表明，4 种水的渗透性能为活化水>矿泉水1 号>纯水>软化水。

2.5.3 EST 法动态渗透性能测试结果

软化水、纯水、矿泉水1 号及活化水在烟用接装纸原纸上的EST 法动态渗透性能（t95）测定结果分别为0.269、0.220、0.177 和0.265 s。t95越小表明液体渗透进入纸张的速度越快［17］，因此纸张对4种水吸收性能的顺序为矿泉水1 号>纯水>活化水>软化水，即矿泉水1 号的渗透性能较好，软化水较差。

2.5.4 缔合程度测试结果

将分别施加纯水、软化水、矿泉水1 号及活化水的4 份烟丝样品密封存放48 h 后，利用核磁共振分析仪测定在105 ℃烘箱中干燥2 h 前后烟丝中的水分分布情况和含水率。

通过分析烘干前后烟丝的弛豫时间T2反演谱图（图1）可知，烟丝的弛豫时间T2反演谱图中位于0.1～1 ms 和10～100 ms 处有两个波峰，其中位于0.1～1 ms 的波峰在烘干后消失，属于烟草中水的峰；位于10～100 ms 的峰在烘干前后没有显著变化，属于烟草中的油峰。鉴于油峰峰面积及峰位置变化很小，通过对比烘干前后水峰面积的变化值，可以测试水样与烟丝的缔合程度。由表5 可知，用软化水处理的烟丝烘干前后峰面积变化最大，即软化水与烟丝的缔合程度较差，水分易散失；用活化水处理的烟丝烘干前后峰面积变化较小，说明活化水与烟丝的缔合程度较好。

图1 烟丝干燥前后的T2反演谱图Fig.1 Distribution curves of relaxation time（T2）of cut tobacco before and after drying

2.5.5 纸张对活化水+料液的渗透吸收性能测试结果

纸张对用活化水配制的料液的吸收率为87.88%，而对用软化水配制的料液的吸收率为85.28%，表明料液对纸张的渗透性能为活化水+料液>软化水+料液。用活化水和软化水配制的料液的EST 法动态渗透性能测试结果分别为0.095 s 和0.134 s，烟用接装纸原纸对料液吸收性能的顺序为活化水+料液>软化水+料液。即烟用接装纸原纸对用活化水配制的料液的渗透吸收性能较好，对用软化水配制的料液的渗透吸收性能较差。

2.6 活化水对卷烟感官质量的影响

为探索用所确定的矿泉水1 号及其活化水配制的料液对卷烟抽吸品质的影响，将“钻石”（荷花）牌卷烟生产过程中的软化水全部替换，对比评价替换前后生产的卷烟样品感官质量。结果（表6）表明：在感官舒适性方面，使用活化水的样品在口腔刺激、鼻腔刺激和对喉部的冲击感受方面有改善，烟气的圆润度、柔和感好于使用软化水的卷烟样品。

表6 对照和实验卷烟感官质量评价结果Tab.6 Results of smoke sensory comfortability evaluation of cigarette sample and the control

3 结论

（1）自来水、软化水、矿泉水、纯水的半幅宽检测结果存在较大差异，与文献［11］的检测结果相符，自来水和软化水的17O 核磁共振半幅宽较大，纯水和蒸馏水的较小，即卷烟生产过程中用的自来水和软化水的分子团簇较大。

（2）不同的活化陶瓷球处理后水的半幅宽大都有所降低，水的聚集状态发生改变。用筛选确定的FQ02 活化陶瓷球处理矿泉水1 号后，活化水的半幅宽最高降低37.27%；活化陶瓷球处理水时间需4 h 以上，较优投放量为6 g/（100 mL）。

（3）活化水的浸润、渗透、吸收性能及与烟丝的缔合程度均优于软化水；且对用活化水配制的料液的渗透吸收性能较软化水好。

（4）将活化水应用于卷烟加工过程，卷烟样品的感官评价结果显示，使用活化水的样品烟气在口腔刺激、鼻腔刺激和对喉部的冲击感受方面有改善，烟气的圆润度、柔和感上好于使用软化水的样品。