基于响应面-主成分分析法优化再造烟叶表面改性膜材料的配方研究

王子维，陈一桢，舒灏，徐耀威，刘奔，何山，童宇星，晏群山，高颂，郭琼，贺靖鹏，赵德清*

烟草和烟气化学

基于响应面-主成分分析法优化再造烟叶表面改性膜材料的配方研究

王子维1,2,3，陈一桢1,2,3，舒灏1,2,3，徐耀威1,2,3，刘奔1,2,3，何山1，童宇星1,2,3，晏群山1,2,3，高颂1,2,3，郭琼4，贺靖鹏4，赵德清4*

1 湖北中烟工业有限责任公司，武汉市东西湖区海口二路2号 430040；2 湖北新业烟草薄片开发有限公司，武汉沌口经济开发区万家湖路126号 430056；3 重组烟叶应用技术研究湖北省重点实验室，武汉市东西湖区海口二路2号 430040；4 四川轻化工大学，宜宾市三江新区白塔路1号 644055

【背景和目的】针对加热卷烟用再造烟叶吸湿性过强的问题，克服其在制丝、卷包以及贮存过程中易吸潮的缺陷，确保其耐加工性以及感官质量的稳定性。【方法】以壳聚糖、石蜡、黄原胶为配方组分，在单因素实验的基础上，采用响应面-主成分分析法优化膜材料配方，开发出具有适中疏水性的膜材料涂布液，用于再造烟叶表面疏水改性。【结果】优化得到膜材料配方为：壳聚糖、石蜡和黄原胶的涂布量分别为0.6g/m2、1.5 g/m2、1.6 g/m2，在此条件下制得改性再造烟叶的接触角87.542°、吸湿率10.98%、放湿率2.16%、感官质量得分87分。相比于传统再造烟叶，改性后再造烟叶的吸湿率和放湿率均显著降低，感官质量基本保持，抗张强度有所提升，再造烟叶的综合性能得到明显改善。

再造烟叶；吸湿性；壳聚糖；石蜡；响应面；主成分分析

吸湿性是再造烟叶的基本物理特性，与再造烟叶及其制品的加工、贮藏以及卷烟的抽吸品质密切相关。加热卷烟专用再造烟叶因富含甘油等发烟剂（含量10%～30%）而导致其表面吸湿性过强，由此带来吸潮、粘连、霉斑等问题，进而影响加热卷烟在制丝、卷包过程中的耐加工性以及贮存过程中的感官质量稳定性。同天然烟叶类似，决定再造烟叶吸湿性能的内在因素是烟叶的化学成分和组织结构，外在因素是环境温湿度、烟叶实际水分与平衡水分的差值、空气流动速度和包装状况等[1-2]。通过再造烟叶表面改性技术，改善其吸湿性过强的缺陷，满足耐加工性和感官质量稳定性要求，是再造烟叶领域亟需解决的重要课题。

目前，再造烟叶吸湿性及表面改性的研究相对较少，相关文献主要集中在烟叶吸湿保润性能方面[3-7]。表征固体表面润湿性的基本理论主要是接触角，接触角可作为润湿程度的量度，接触角大小不仅与材料的固有性质亲水性和疏水性有关，还与材料表面的粗糙度、孔隙率、孔径大小及其分布等表面性状有关[8]。造纸法再造烟叶与天然烟叶表面润湿特性研究表明[9]，天然烟叶的前进接触角大于90°，表现出一定的疏液性，造纸法再造烟叶的前进接触角小于90°，表现出良好的润湿性。等温吸湿线和净等量吸附热可以用于表征烟草吸湿或放湿行为，GAB模型为拟合烟草等温吸湿线最优模型[10]。刘洋等[11]采用接触角法测量烟叶的表面自由能，认为白肋烟、烤烟和香料烟3种云南烟叶的表面自由能较低，属于低能表面材料，较难被水润湿，较易被一些特定表面张力的液体润湿，表面自由能还与烟叶表面多孔结构有关。利用接触角筛选粉体磷酸一铵包裹型防潮剂的研究表明[12]，有机物包裹粉状磷酸一铵后，接触角增加，吸湿速度降低，可以用接触角的大小来筛选防潮包裹剂。烟叶主要通过三种方式吸收水分[13-14]：烟叶上表面、下表面和切面。当烟丝宽度大于5.0mm时，主要靠上下表皮吸收水分。当烟丝宽度小于1.0mm时，吸收水分主要通过烟丝的切面。表面改性是利用物理或化学方法对固体表面进行处理使其表面性质发生变化，如表面疏水性或亲水性、表面原子层结构和官能团等。

烟叶表面化学成分通常是指附着在叶片表皮上的一层茸毛分泌物，主要为非极性或弱极性物质，包括双萜类、糖酯、表面蜡、挥发物及其它微量组分。其中，表面蜡质由角质、长链烷烃、蜡酯、脂肪醇等多种疏水有机物组成，形成具有疏水结构的保护层覆盖于表皮层，对烟草保润和吸湿性能具有重要影响[1-2,15]。石蜡是一种固态饱和碳氢物的提纯混合物，食品级石蜡是以含油蜡为原料，经发汗或溶剂脱油，再经加氢精制或白土精制所得的一种食品添加剂，广泛用于食品、医药和化妆品领域[16]。壳聚糖作为自然界中唯一的碱性阳离子多糖，具有优异的生物相容性、生物降解性、可再生性和天然抗菌性而受到广泛关注，壳聚糖的脱乙酰度主要通过影响分子中氨基与乙酰氨基的相对含量来影响疏水性与抗菌活性[17]，当脱乙酰度低时乙酰基含量高导致疏水性增强。黄原胶是性能优越的微生物多糖，集增稠稳定、悬浮乳化为一体，分子中稳定的双螺旋结构使其具有较强的悬浮特性。为改善加热卷烟用再造烟叶的吸湿性能，本研究选取壳聚糖、石蜡、黄原胶为配方组分，在单因素实验的基础上，采用响应面-主成分分析法优化膜材料配方，将膜材料涂布液通过喷涂方式转移至再造烟叶表面，赋予再造烟叶适合的疏水性。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

主要材料：干法再造烟叶，湖北新业烟草薄片开发有限公司；58号石蜡（食品级），荆门市维佳实业有限公司；壳聚糖（食品级），山东奥康生物科技有限公司；黄原胶（食品级），内蒙古阜丰生物科技有限公司；36%乙酸，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乳化剂，实验室自制。

主要仪器：SDC-350自动倾斜接触角测量仪，重庆晟鼎达因特科技有限公司；DF-101S集热式恒温磁力搅拌器，上海力辰邦西仪器科技有限公司；SN-FS400-ST数显高速分散机，上海尚普仪器设备有限公司；CFS-100恒温恒湿箱，康菲维斯设备（东莞）有限公司；GZX-9146MBE电热鼓风干燥箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；ABS-8866数显温湿度计，宁波得力工具有限公司；W-71气动喷枪，台州市彩田气动工具有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 再造烟叶表面改性工艺流程

工艺流程：石蜡乳液制备→壳聚糖溶解→黄原胶溶解→膜材料复配→涂布液均质→喷涂→干燥→改性后再造烟叶样品。

石蜡乳液制备：称取一定量的食品级58号石蜡和乳化剂ZTG，置于反应器中加热至60℃左右熔化，在100r/min的搅拌速度下，逐滴加入总水量30%左右的90℃热水，加热搅拌10min，将剩余的热水（总水量70%）分两次加入石蜡乳液中，继续搅拌30min后，冷却，制得石蜡乳液。

选取合适分子量和脱乙酰度的壳聚糖用稀醋酸溶液溶解，配制0.6%浓度的壳聚糖溶液。配制0.5%浓度的黄原胶溶液。裁取长宽大小为400mm×200mm的干法再造烟叶作为空白样品，平衡水分后待用，空白样品的定量为120g/m2，厚度为0.282mm，含水率为11.5%。根据涂布量分别称取三种膜材料组分溶液，混合、分散均匀后制得膜材料涂布液，采用喷涂方式将膜材料涂布液转移至再造烟叶表面（单面涂布），经烘箱干燥后制得改性后的再造烟叶样品，置于干燥器中平衡48h（温度22℃、相对湿度60%）后待测。

1.2.2 膜材料单因素实验

实验中干法再造烟叶试样的面积为0.08m2（400 mm×200 mm），选取的单因素有壳聚糖的涂布量（A）、石蜡的涂布量（B）和黄原胶的涂布量（C），以接触角、感官质量、吸湿率、放湿率为评价指标。根据预实验，分别选取不同的涂布量进行单因素实验，A的涂布量为：0.3、0.6、1.2、2.4、4.8；B的涂布量为：0.25、0.5、1.0、2.0、4.0；C的涂布量为：0.2、0.4、0.8、1.6、3.2，涂布量单位为g/m2（以再造烟叶的面积为基准计算）。

1.2.3 膜材料响应面-主成分分析法优化实验

在单因素实验的基础上，每个因素选取3个较好的水平进行响应面实验，同样以接触角、感官质量、吸湿率、放湿率作为指标，通过主成分分析法对4个指标进行降维，转化成规范化综合得分Z值作为总评价指标。利用Design-Expert 11软件，采用Box-Behnken设计方案进行实验，对实验结果进行分析得到膜材料涂布液的优化配方。

1.2.4 指标的测定

（1）再造烟叶疏水性的测定。利用接触角测量仪测定再造烟叶（1.2.1中的样品）表面接触角，以接触角大小表征再造烟叶疏水性强弱。所用液体为去离子水，滴液量为2 μL。调节仪器照相焦距，用微量进样器将液滴滴在样品表面，在液滴接触表面2s时拍摄图像，测量计算接触角，移动样品改变测试点位置，取3次测量结果平均值作为被测样品的接触角[9]。

（2）再造烟叶感官质量评价。再造烟叶经切丝、手工打烟、平衡水分后制成评吸样品，样品感官质量评价采用百分制评价法，由9位专业评委从烟气特性、香气特性、舒适性及持久性4个方面进行评分，评分标准与细则见表1。

表1 再造烟叶感官质量评分标准与细则

Tab.1 Sensory quality evaluation criteria and rules

（3）再造烟叶吸湿性能评价。吸湿性能采用吸湿率和放湿率进行评价。将平衡后的再造烟叶样品用标准定量取样器裁切成100cm2大小的圆形，精确称重后置于含有饱和硝酸钾溶液的干燥器中（温度25℃、湿度RH 82%±2%），干燥器内温湿度通过温湿度计实时监测显示，每隔一段时间记录样品重量变化，根据式（1）计算吸湿率。同样地，将样品放入含有饱和氯化锂溶液的干燥器中（温度25℃、湿度RH 31%±2%），每隔一段时间记录样品重量变化，根据式（2）计算放湿率。吸湿率和放湿率的测定结果是在固定时长72 h下测定的。

1.2.5 主成分提取与数据处理

对改性后再造烟叶品质的各指标进行主成分分析，得到原始数据的贡献率、累计贡献率及特征值，将大于1的特征值因子作为主成分提取标准[19]。按式（3）计算各实验组的综合得分F，按式（4）将得到的综合得分F进行规范化处理，得到规范化综合得分Z[20,21]。以规范化综合得分Z为响应值，确定表面膜材料的最优配方。

式中，为综合得分，1、2为主成分1、2的得分，1、2为主成分1、2的特征值，为累积特征值；为规范化综合得分，F为综合得分中最大值，F为综合得分中最小值。

采用origin 9.0进行基本数据处理并制图，利用SPSS 19.0软件进行主成分分析，利用Design Expert 11.0进行响应面实验设计及结果分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

从图1（a）可以看出，随着壳聚糖涂布量的逐渐增加，再造烟叶的接触角呈现先增后降的趋势，在涂布量为1.2 g/m2时接触角达到最大，为100.7°，相比涂布量0.3 g/m2时接触角增大了56.4%，相比未涂布的空白再造烟叶（38.3°）接触角增大了62.4°。此后，随着涂布量的继续增大，接触角反而开始下降，涂布量升高至4.8 g/m2时，接触角降至最低点，为44.7°，相比最高点下降了55.6%。由此可见，壳聚糖对于提高再造烟叶表面的接触角作用显著，在较低用量条件下即可赋予再造烟叶较好的疏水性，超过一定用量反而导致再造烟叶表面具有亲水性，导致接触角快速下降。再造烟叶表面的亲水性和疏水性大小是由膜材料本身的亲疏水性质以及再造烟叶表面的粗糙度、孔隙率、透气度及孔径分布等因素共同决定的[8]。当壳聚糖涂布量较低时，其分子内大量的乙酰基起主导作用体现出一定的疏水性，此时接触角增大；当壳聚糖涂布量超过一定量时，其分子内丰富的氨基和羟基形成的分子间氢键使其使其呈现亲水性，此时接触角下降[17]。且感官质量得分与壳聚糖的涂布量呈负相关，表明添加壳聚糖对再造烟叶的抽吸品质有负面影响，必须严格控制其涂布量的大小，不能片面追求增大接触角而忽略了感官质量。从图1（b）可以看出，再造烟叶的吸湿率和放湿率随壳聚糖涂布量的增大呈先下降而后升高的趋势，涂布量1.2 g/m2时吸湿率达到最低为6.57%，涂布量2.4 g/m2时放湿率达到最低为2.34%，接触角越大，疏水性越高，相应地吸湿率越低，放湿率也越低，表明再造烟叶表面疏水效果越好。

石蜡的主要成分与天然烟叶表面蜡质成分相似[18]，主要为起疏水作用的长链烷烃，因此可以利用食品级石蜡对再造烟叶进行表面改性。从图2（a）可以看出，接触角大小随石蜡涂布量的增大呈现先增大后减小的趋势，在涂布量1 g/m2时接触角接近最大值为83.8°，此后涂布量增大至2g/m2时接触角不再变化，保持84.3°，继续增大涂布量至4g/m2时，接触角反而下降至67.1°。即石蜡乳液在低用量时可以增加再造烟叶表面接触角，超过一定用量接触角反而会下降。接触角的测量值除了与石蜡本身的疏水性有关外，还与再造烟叶表面的粗糙度、孔隙率有关，对于接触角＜90°的亲水性表面，表面粗糙度的增大反而会使表观接触角变小，这与文献[8]的结论是一致的。且感官质量得分与石蜡涂布量也呈负相关，表明石蜡乳液对再造烟叶抽吸品质有不利影响，应最大程度地减少其涂布量。从图2（b）可以看出，吸湿率和放湿率随石蜡乳液涂布量的增大也呈现先降低后增大的趋势，这与接触角的趋势刚好相反，表明增大接触角时吸湿率和放湿率降低，接触角减少时吸湿率和放湿率增大。

黄原胶具有增稠稳定、悬浮乳化的功能，是一种较好的成膜材料。图3（a）可得，接触角随黄原胶涂布量的增加呈现先下降后有所升高的趋势，在涂布量仅为0.2 g/m2时接触角达到最高值为49.3℃，此后降至最低点33.5°，而后当涂布量增加至3.2 g/m2时接触角略微升高至41.4℃。图3（b）显示吸湿率和放湿率呈现出先增大后降低的趋势，且降低的幅度不大，即黄原胶的疏水改性效果较差，这可能与其本身固有的亲水性有关。从感官质量变化来看，在涂布量为0.4 g/m2时感官质量得分增加了0.5分，表明低用量的黄原胶在某种程度上可以改善抽吸品质，但用量再高感官质量反而下降。总体来看，黄原胶在膜材料涂布液中主要起稳定剂和分散剂的作用。

单因素实验结果表明，膜材料疏水改性效果排序为：壳聚糖＞石蜡乳液＞黄原胶，壳聚糖涂布量为1.2 g/m2时接触角达到100.7°，感官质量得分为7.5分，吸湿率和放湿率分别为6.57%、2.75%。再造烟叶的接触角、吸湿率和放湿率是表征其吸湿性能的重要指标，同时，感官质量是再造烟叶的内涵价值所在，综合考虑膜材料对吸湿性能和感官品质的影响，有必要对膜材料进行复配并优化其配方，以满足实际生产需求。

(a)对接触角和感官质量的影响 (b)对吸湿率和放湿率的影响

图1 壳聚糖涂布量对再造烟叶表面性能的影响

Fig.1 Effect of the coating content of chitosan on surface characteristic of reconstituted tobacco

（a）对接触角和感官质量的影响 （b）对吸湿率和放湿率的影响

图2 石蜡乳液涂布量对再造烟叶表面性能的影响

Fig.2 Effect of the coating content of paraffin on surface characteristic of reconstituted tobacco

（a）对接触角和感官质量的影响 （b）对吸湿率和放湿率的影响

图3 黄原胶涂布量对再造烟叶表面性能的影响

Fig.3 Effect of the coating content of xanthan gum on surface characteristic of reconstituted tobacco

2.2 响应面实验结果

根据单因素实验结果，以壳聚糖的涂布量（A）、石蜡乳液的涂布量（B）和黄原胶的涂布量（C）作为响应面实验的3个影响因素，研究其对改性后再造烟叶表面接触角、感官质量、吸湿率、放湿率的影响。响应面实验因素水平见表2，实验设计及结果见表3。

表2 响应面实验因素与水平

Tab.2 Factors and levels of response surface method （g/m2）

表3 响应面实验设计及结果

Tab.3 Response surface design scheme and results

2.2.1 主成分分析

采用SPSS对表3中再造烟叶品质的4个指标进行主成分分析，通过KMO检验和Bartlett球形度检验可知，KMO值为0.609＞0.6，Bartlett检验显著性结果为0.000＜0.01，说明各指标之间具有相关性，表3数据适用主成分分析。主成分的特征值、贡献率和累积贡献率见表4。前2个主成分的特征值均＞1，当提取前2个主成分时，累积贡献率为95.573%，根据大于85%累积贡献率的原则[19-21]，提取前2个主成分可以反映改性后再造烟叶品质的主要信息。主成分中指标的特征向量值见表5，决定第1主成分的指标为吸湿率、接触角和放湿率；决定第2主成分的指标为感官评分，可见提取的2个主成分能够全面反映再造烟叶的品质信息。

表4 改性再造烟叶主成分的特征值及贡献率

Tab.4 Characteristic values and contribution rate of principal components in modified reconstituted tobacco

表5 改性再造烟叶指标的特征向量值

Tab.5 Index characteristic vectorial values of modified tobacco

为消除各个指标间存在的量纲和数量级的差异，利用SPSS软件对表3中的数据X1、X2、X3、X4从相关性矩阵出发进行标准化处理（Z-socre法），转化为无量纲的标准化数值ZX1、ZX2、ZX3、ZX4，根据各指标在主成分上的载荷量，计算出各指标在不同主成分上的线性组合系数，得到主成分的得分F1、F2。

F1=-0.583*ZX1+0.012*ZX2+0.591*ZX3+0.558*ZX4

F2=0.103ZX1+0.962*ZX2-0.125*ZX3+0.219*ZX4

利用方差贡献率权重得到综合得分F值，由于各指标间存在单位和变异程度的差异，因此对综合得分F进行规范化处理后得到规范化综合得分Z，结果见表6。

表6 主成分综合得分及规范化综合得分

Tab.6 Principal component score and standardized comprehensive score

2.2.2 响应面分析

以规范化综合得分Z值为响应值，利用Design- Expert 11.0软件进行多元回归拟合，得到多元回归模型，回归方程如下：

回归模型方差分析见表7。该模型的=0.0002＜0.01，表明该模型极显著。失拟项=0.1075＞0.05，表示失拟项不显著，表明建模成功。该模型的决定系数为2=0.9678，校正决定系数2adj为0.9265，说明该回归模型实际值与预测值之间拟合度较高，可用于规范化综合得分的预测。

表7 回归模型方差分析

Tab.7 Variance analysis of regression model

注：*表示差异显著（<0.05）；**表示差异极显著（<0.01）。

从表7中还可以看出，各因素中，一次项B为极显著（＜0.01），A显著（＜0.05），C为不显著，表明B石蜡乳液的用量变化对Z值影响最大，其次为A壳聚糖用量影响较大，而C黄原胶用量影响不大。二次项中AC和C2为极显著，BC为显著；交互项显著性的排序为：AC＞BC＞AB。统计学上F值越大、值越小，表明该因素对结果的影响越大[19-21]，通过F值和值大小，可以判定各因素对规范化得分Z值影响的重要性，各因素对改性后再造烟叶吸湿性能影响排序为：石蜡乳液的涂布量（B）>壳聚糖的涂布量（A）>黄原胶的涂布量（C）。

2.2.3 各因素交互作用分析

响应面3D曲面图能够直观反映出三因素与规范化综合得分Z值之间的关系和相互作用[20]，各因素之间的交互作用和等高线见图4，曲面越弯曲说明因素对结果的影响越大，等高线呈椭圆形且越密集说明各因素间交互作用越显著。各因素之间对于规范化综合得分的影响不是简单的线性关系。

（a）壳聚糖与石蜡的交互作用 （b）壳聚糖与石蜡的等高线

（c）壳聚糖与黄原胶的交互作用 （d）壳聚糖与黄原胶的等高线

（e）石蜡与黄原胶的交互作用 （f）石蜡与黄原胶的等高线

图4 各因素间的交互作用

Fig.4 Interaction between factors

从图4（a）、（b）可看出，壳聚糖（A）和石蜡乳液（B）的Z值其响应面曲线均比较陡峭，说明壳聚糖A和石蜡乳液B对Z值的影响十分显著。根据图4（b）可知，壳聚糖与石蜡交互作用的等高线图近似于圆形，表明两因素间的交互作用对改性再造烟叶规范化综合得分Z值的影响为不显著。

从图4（c）、（d）可以看出，随黄原胶（C）涂布量的增加，改性再造烟叶规范化得分Z值变化幅度不明显，C对应的曲面图较平直，A对应的曲面图弯曲程度大于C，表明壳聚糖（A）对改性再造烟叶的影响大于黄原胶（C）的影响。随着壳聚糖（A）涂布量的增加Z值呈现先上升后下降的趋势，有拐点出现，这可能是由于在一定的涂布量区间内，增加壳聚糖的用量可以提高改性再造烟叶的疏水性，但过多的涂布量又会抑制改性后的再造烟叶吸湿性能，导致规范化综合得分下降。

从图4（e）、（f）可以看出，石蜡的曲面弯曲程度远远大于黄原胶，表明石蜡对Z值的作用显著性大于黄原胶，从等高线的疏密程度来看，石蜡与黄原胶之间的交互作用显著性较强。这与表7中回归模型方差分析的结果是一致的。

2.2.4 模型验证

以规范化综合得分为响应值，通过响应面分析，优化得到的表面膜材料涂布液配方为：壳聚糖（A）涂布量为0.633 g/m2，石蜡乳液（B）涂布量为1.498 g/m2，黄原胶（C）涂布量为1.637 g/m2，在此条件下规范化综合得分为1.007。考虑到实际生产需求，调整参数得到膜材料涂布液的优化配方为：壳聚糖（A）涂布量为0.6 g/m2，石蜡乳液（B）涂布量为1.5 g/m2，黄原胶（C）涂布量为1.6 g/m2，在此条件下得到改性后再造烟叶的规范化综合得分为1.005，与预测值基本一致，因此该模型准确可靠，表明响应面分析结合主成分分析法得到的膜材料涂布液配方具有一定的可靠性，有实用价值。

2.3 改性后再造烟叶的物理性能和感官质量

应用响应面实验优化配方制得表面改性再造烟叶，测量其接触角、吸湿率、放湿率、抗张强度等物理指标，评价感官质量，观察表面形貌，并与未改性再造烟叶进行对比，实验结果见表8和图5。从表8可以看出，相对于空白样，改性样的接触角增加了101%，感官质量略有下降，吸湿率和放湿率分别下降了23.3%、52.7%，表明再造烟叶经表面改性后，其表面的疏水性能得到显著提高，吸湿性能和放湿性能均有所下降。应指出的是，本文吸湿率和放湿率的测试结果都是对圆形大片样品进行的，对切丝后样品的吸湿率和放湿率结果应当另作探讨。其次，改性样的抗张强度增加了42%，这可能与黄原胶和壳聚糖组分具有黏结作用有关。图5为改性前后再造烟叶的表面形貌图，相对于空白样，改性样的表面平整度提高了，孔隙率和粗糙度有所下降，说明膜材料对再造烟叶表面的孔结构具有一定的整饰作用。总体来看，表面改性后再造烟叶的综合性能得到了改善。利用主成分分析与响应面相结合的方法优化再造烟叶表面改性膜材料配方的综合评价方法是可行的。

表8 再造烟叶表面性能的对比

Tab.8 Comparison of surface properties of reconstituted tobacco

图5 再造烟叶表面改性前后表面微观结构图

3 结论

以壳聚糖、石蜡乳液和黄原胶的涂布量为变量，以接触角、感官质量、吸湿率和放湿率为评价指标，利用单因素实验和响应面-主成分分析实验优化确定表面改性膜材料的配方为：壳聚糖、石蜡乳液、黄原胶的涂布量分别为：0.6 g/m2、1.5 g/m2、1.6 g/m2，在此条件下得到改性后再造烟叶的规范化综合得分最高，改性再造烟叶的接触角为87.542°、吸湿率为10.98%，放湿率为2.16%，感官质量得分为87分。相对于未改性再造烟叶，改性再造烟叶的疏水性能得到显著提高，吸湿率和放湿率均明显下降，吸湿性过强的问题得到改善，同时，抗张强度有所升高，感官质量基本保持，再造烟叶的综合品质得到提升。利用表面改性技术解决再造烟叶吸湿性过强问题的关键是优化膜材料涂布液的配方，本研究基于响应面-主成分分析法优化表面膜材料涂布液的配方，开发出具有适中疏水性的膜材料涂布液，用于再造烟叶表面疏水改性，为解决再造烟叶领域吸湿性过强的共性问题，提供了新的思路和方案。开发新的表面改性膜材料配方应用于生产实际值得进一步深入研究。

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Optimization of formula of reconstituted tobacco surface modified membrane material by response surface and principal component analysis method

WANG Ziwei1,2,3, CHEN Yizhen1,2,3, SHU Hao1,2,3, XU Yaowei1,2,3, LIU Ben1,2,3, HE Shan1, TONG Yuxing1,2,3, YAN Qunshan1,2,3, GAO Song1,2,3, GUO Qiong4, HE Jingpeng4,ZHAO Deqing4*

1 China Tobacco Hubei Industrial Co., Ltd., Wuhan 430040, China;2 Hubei Xinye Reconstituted Tobacco Development Co., Ltd., Wuhan 430056, China;3 Applied Technology Research of Reconstituted Tobacco Hubei Province Key Laboratory, Wuhan 430040, China;4 Sichuan University of Science and Engineering, Yibin 644055, China

Targeting the problem of high moisture absorption characteristic of reconstituted tobacco used for heated cigarette, aiming at overcoming the defects of easy moisture absorption in cigarette making, packaging and storage, ensuring processing resistance and stability of sensory quality, chitosan, paraffin and xanthan gum were used as the formulation components to develop one membrane material coating with moderate hydrophobicity used in the surface hydrophobic modification of reconstituted tobacco. Based on the single factor experimental, the response surface and principal component analysis method were carried out to optimize the coating formula. The results indicated that: the optimized coating mass of chitosan, paraffin and xanthan gum were 0.6g/m2, 1.5 g/m2, 1.6 g/m2, respectively. Under this condition, the contact angle, moisture absorption rate, moisture release rate and sensory score of modified reconstituted tobacco were 87.542°, 10.98%, 2.16%, and 87, respectively. compared to the conventional sample, the moisture absorption rate and the release rate of modified reconstituted tobacco decreased significantly, while the sensory quality remained and the tensile strength rose greatly, indicating that the comprehensive characteristic was enhanced significantly.

Reconstituted Tobacco; moisture absorption; chitosan; paraffin; response surface; principal component analysis

. Email：dqzdq2013@qq.com

王子维（1993—），工程师，主要从事新型烟草产品和工艺研究，Email：wangziwei@hbtobacco.cn

赵德清（1973—），博士，副教授，主要从事新型烟草与再造烟叶研究，Email：dqzdq2013@qq.com

2022-11-22；

2023-08-23

王子维，陈一桢，舒灏，等. 基于响应面-主成分分析法优化再造烟叶表面改性膜材料的配方研究[J]. 中国烟草学报，2024，30（1）. WANG Ziwei, CHEN Yizhen, SHU Hao, et al. Optimization of formula of reconstituted tobacco surface modified membrane material by response surface and principal component analysis method[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2024,30(1). doi:10.16472/j.chinatobacco.2022.T0315