微波膨胀梗丝理化特性及烟气质量分析

孔 臻，邹 泉，陈 冉，赵云川，乔晓辉，李 新，金玉波，何 锐

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001 2.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南省玉溪市红塔大道118号 653100 3.红塔烟草（集团）有限责任公司玉溪卷烟厂，云南省玉溪市红塔大道118号 653100

梗丝是卷烟配方的重要成分，与烟丝相比，梗丝具有填充值高、焦油释放量低、燃烧性能好等特点［1］。传统的烟梗膨胀方法烟梗膨胀率低、工艺流程长、梗丝可用性较差。微波具有穿透能力强、加热均匀、热惯性小、加热速度快等特点，能够使烟梗在短时间内体积迅速膨胀［2-4］。采用微波膨胀技术制成的梗丝填充值高，燃烧性好，可以明显改善卷烟的杂气、刺激性等不良气息，提高卷烟感官质量［5-7］。相比于传统梗丝，微波膨胀梗丝最大的特点是经过微波膨胀后，其物理性能发生较大改变，从而使其填充能力、吸湿解湿性能、形态结构及梗丝尺寸比例发生较大改变，同时其燃烧性能的改善也会带来烟气质量的提升。对微波膨胀梗丝质量的研究多集中在微波膨胀工艺、膨胀参数优化及卷烟产品应用研究方面［8-13］，对微波膨胀梗丝的结构分布、吸湿解湿性能及烟气质量等方面研究较少。因此，分析微波膨胀梗丝的综合物理性能及燃烧后的烟气质量，旨在为微波膨胀梗丝的应用提供技术支撑，更好地发挥其在降本降耗、降焦减害等方面的作用。

1 材料与方法

1.1 材料、设备与仪器

2010年玉溪K326中部长梗；“红梅（黄）”烟用材料：滤棒（长度144 mm）、木浆卷烟纸（定量26 g/m2）、接装纸：（定量35 g/m2、不通风）。

HERAUS-UT12烘箱（德国Thermo Fisher公司）；Portix-B便捷式红外测温仪（德国Keller公司）；DVS动态水分吸附分析仪（英国SMS公司）；PH-YC152烟丝填充值测定仪（广州润湖仪器有限公司）；YQ-2烟丝振动分选筛、YQ-32碎丝机（郑州烟草研究院）；CH888精密恒温恒湿箱（澳大利亚Thermoline公司）；AV5170烟支重量分选仪（中国电子科技集团公司第四十一研究所）；RM200A转盘式吸烟机（德国Borgwaldt KC公司）；HP6890气相色谱/HP5973质谱联用仪（美国Agilent公司）；NexION300X型电感耦合等离子质谱仪（美国PE公司）；刮膜式分子蒸馏设备（美国POPE公司）。

微波膨胀梗丝生产线（自建）、传统梗丝生产线（自建）、Protos70卷接机组（德国HAUNI公司）。

1.2 方法

1.2.1 梗丝样品制备使用2010年玉溪K326中部长梗，分别利用微波膨胀梗丝生产线和传统梗丝生产线制备梗丝，梗丝不施加料液与表香，生产线关键技术指标见表1、表2。在贮梗丝柜出口等时间间隔进行取样（样本量n=8），作为梗丝样品，用于填充值差异分析。

表1 微波膨胀梗丝生产线关键技术指标Tab.1 Key technical parameters for the production line of microwave expanded stem

表2 传统梗丝生产线关键技术指标Tab.2 Key technical parameters for the production line of traditional stem

1.2.2 卷制样品制备

分别使用传统梗丝、微波膨胀梗丝及“红梅（黄）”烟用材料按（620±5）mg/支的质量标准在PROTOS-70卷接机组进行卷制，制备两种样品。

1.2.3测试方法

1.2.3 .1标准填充值回归分析

从两种梗丝中分别随机取出4 000 g物料并均分为两个样本，将1个样本（2 000 g）物料自然晾干至含水率为8%～9%时，均分为15份，采用人工加水设置含水率梯度，密封平衡24 h后测量梗丝的填充值、含水率；将另一个样本（2 000 g）置入恒温恒湿箱中，均分为15份，通过调节温湿度将物料含水率平衡至12.0%±0.2%范围，测量标准填充值；使用Δ填充值（标准填充值与不同含水率梯度下实测填充值的差值）和Δ含水率（实测含水率-12%）进行回归分析，并对回归方程进行显著性分析。

1.2.3 .2吸湿保湿性能

从两种梗丝的1个批次中随机取出50 g物料，固定温度25℃，相对湿度由0增加到90%，然后再降低到0的条件下，分析两种梗丝质量变化。

1.2.3 .3梗丝结构

梗丝结构：按照YC/T 178—2003［14］进行检测。

抗造碎性能测试：先利用碎丝机对微波膨胀梗丝和传统梗丝进行模拟造碎，再按照YC/T 178—2003［14］进行梗丝结构检测，对比分析两种梗丝的抗造碎性能。

1.2.3 .4致香成分

分别从两种梗丝中（不施加料液和表香）随机取出200 g物料，利用文献［15］中的方法进行致香成分检测。

1.2.3 .5感官质量

将微波膨胀梗丝和传统梗丝的卷制样品，置入恒温恒湿箱中，采用22℃、相对湿度60%条件平衡48 h，按（620±5）mg/支进行单支质量分选，由11名评吸人员进行感官质量评价。

1.2.3 .6主流烟气

将微波膨胀梗丝和传统梗丝卷制样品，随机分为8组，按GB 5606.5—2005［16］的方法进行主流烟气检测。

2 结果与分析

2.1 微波梗丝与传统梗丝填充性能分析

2.1.1 回归分析

两种类型梗丝12%含水率下的标准填充值测试结果见表3。不同含水率梯度下两种类型梗丝的实测含水率及其与标准含水率的差值（Δ含水率）、实测填充值及其与标准填充值差值（Δ填充值）见表4。

由表4可知，微波梗丝Δ填充值y与Δ含水率x的回归方程为y=0.328 9x-0.336 8，相关系数R2=0.983 7，判断为极显著；传统梗丝Δ填充值y与Δ含水率x的回归方程：y=0.516 9x-0.469 9，相关系数R2=0.986 3，判定为极显著。

2.1.2 传统梗丝、微波膨胀梗丝填充值差异分析

对微波膨胀梗丝和传统梗丝的含水率进行检测，并进行回归分析，计算两种梗丝的标准填充值，结果见表5。结果表明，微波膨胀梗丝平均标准填充值为6.06 cm3/g，传统梗丝平均标准填充值为5.08 cm3/g，填充值提高19.3%，较传统梗丝，微波膨胀梗丝的填充性能明显提高。较高的填充性能有利于卷烟配方烟丝的总体填充性，降低烟支质量，减少原料消耗。

表3 12%含水率下的标准填充值测试结果Tab.3 Test results of standard filling value at moisture content of 12%

表4 不同含水率下实测填充值Tab.4 Tested filling values at different moisture contents

表5 梗丝填充值和含水率实测值与标准填充值计算结果Tab.5 Measured moisture content and filling value and calculated results of standard filling value of stems

2.2 吸湿保湿能力

传统梗丝和微波膨胀梗丝吸湿、解湿过程动态曲线见图1、图2。试验结果表明：①相对湿度在10%～30%区间，微波膨胀梗丝的吸湿性能优于传统梗丝；相对湿度在30%～70%区间，两种梗丝吸湿性能接近；相对湿度70%以上时，传统梗丝吸湿性能优于微波膨胀梗丝。②传统梗丝的解湿性能优于微波膨胀梗丝，相对湿度在0～90%区间，微波膨胀梗丝解湿状态下质量变化较传统梗丝低，说明微波膨胀梗丝保湿性能优于传统梗丝，在相同的保湿要求下，微波膨胀梗丝的环境湿度设定值要低于传统梗丝，有利于能源的节约和掺配质量的控制。

2.3 梗丝结构分析

两种梗丝在大于3.35 mm、2.50～3.35 mm、1.00～2.50 mm、小于1.00 mm 4个尺寸规格的占比见图3。由图3可知，与传统梗丝相比，微波膨胀梗丝的结构均匀性较好，主要分布在1.00～2.50 mm区间（61.4%）和2.50～3.35 mm区间（33.2%），说明微波膨胀梗丝更有利于混配均匀性的提高。

图1 梗丝吸湿过程动态曲线图Fig.1 Dynamic moisture absorption curve of stems

图2 梗丝解湿过程动态曲线图Fig.2 Dynamic dehumidification curve of stems

图3 微波膨胀梗丝、传统梗丝结构分布Fig.3 Structural distribution of microwave expanded stem and traditional stem

两种梗丝通过碎丝机后的整丝率、碎丝率变化率测试结果见表6。由表6可知，经碎丝设备造碎后，微波膨胀梗丝的整丝率下降2.28%，传统梗丝整丝率下降6.06%；微波膨胀梗丝的碎丝率增加0.26%，传统梗丝的碎丝率增加0.70%。说明微波膨胀梗丝的耐加工性优于传统梗丝，采用微波膨胀梗丝更有助于降低加工过程中的损耗，提高产品利用率。

表6 两种梗丝整丝率变化率、碎丝率变化率测试结果Tab.6 Change rates of long strand percentage and broken strand percentage of microwave expanded stem and traditional stem （%）

2.4 致香成分

微波膨胀梗丝主要致香成分Pareto图分析见图4，传统梗丝主要致香成分Pareto图分析见图5。试验结果表明：两种梗丝主要致香成分存在一定差异，微波膨胀梗丝致香成分总量高于传统梗丝（微波膨胀梗丝108.03 μg/g，传统梗丝71.95 μg/g），微波膨胀加工方式更有利于烟梗中重要致香成分的保留。

图4 微波膨胀梗丝主要致香成分Pareto图Fig.4 Pareto diagram of main aroma components in microwave expanded stem

图5 传统梗丝主要致香成分Pareto图Fig.5 Pareto diagram of main aroma components in traditional stem

2.5 感官特性

传统梗丝感官评价结果见表7、微波膨胀梗丝感官评价结果见表8。由表7和表8可知，传统梗丝香气主要是烤香、焦香，木质杂气较重，带有明显枯焦气息，口腔残留较明显，有明显的口腔灼热感和喉部热刺感。微波膨胀梗丝香气以烤甜香、焦甜香、木香为主，一定的清甜香气为辅，稍带枯焦气息和木质气，口腔较干净，口腔灼热感和喉部热刺感较轻。

表7 传统梗丝感官评价结果Tab.7 Sensory evaluation results of cigarette smoke with traditional stem （分）

表8 微波膨胀梗丝感官评价结果Tab.8 Sensory evaluation results of cigarette smoke with microwave expanded stem （分）

感官评价结果表明，微波膨胀梗丝的总体质量水平优于传统梗丝，主要体现在香气特征与口感特征上，烟气特征指标与传统梗丝无显著差异。相较传统梗丝，微波膨胀梗丝的木质杂气较低，甜韵较突出，口腔干净程度改善较明显，刺激较轻，与清甜韵风格产品的配伍性较好。

2.6 主流烟气

传统梗丝主流烟气检测结果见表9，微波膨胀梗丝主流烟气检测结果见表10。对两种梗丝卷制样品的各项主流烟气指标进行单因素方差分析，抽吸口数、焦油量、烟碱量、一氧化碳量P值均小于0.05，说明在相同原料以及卷制技术条件一致的前提下，微波膨胀梗丝的抽吸口数、焦油、烟碱量、一氧化碳量均与传统梗丝有显著差异。相较传统梗丝，微波膨胀梗丝的抽吸口数增加约0.91口/支、焦油量降低0.90 mg/支、烟碱量降低0.016 mg/支、一氧化碳量降低2.36 mg/支。

表9 传统梗丝主流烟气检测结果Tab.9 Routine chemical results of mainstream cigarette smoke of traditional stem

表10 微波膨胀梗丝主流烟气检测结果Tab.10 Routine chemical results of mainstream cigarette smoke of microwave expansion stem

3 结论

（1）微波膨胀梗丝平均标准填充值为6.06 cm3/g，传统梗丝平均标准填充值为5.08 cm3/g，填充值提高19.3%。

（2）相对湿度在0～90%区间，微波膨胀梗丝解湿状态下质量变化较传统梗丝低，说明微波膨胀梗丝保湿性能优于传统梗丝，在相同的保湿要求下，微波膨胀梗丝的环境湿度设定值要低于传统梗丝，有利于能源的节约和掺配质量的控制。

（3）微波膨胀梗丝结构主要分布在1.00～2.50 mm区间（61.4%）和2.50～3.35 mm区间（33.2%），结构均匀性较好，有利于提高梗丝在卷烟中的分布均匀性。微波膨胀梗丝的耐加工性优于传统梗丝，有利于降低加工过程中的损耗，提高利用率。

（4）微波膨胀梗丝感官质量与主要致香成分优于传统梗丝，感官质量主要体现在香气特征与口感特征，微波膨胀梗丝的降焦减害效应优于传统梗丝，焦油量降低0.90 mg/支、一氧化碳量降低2.36 mg/支，证明微波膨胀梗丝具有降焦减害、提高感官品质的作用。