超声洗梗工艺对烟梗理化特性及卷烟感官质量的影响.pdf
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1、2024 年 4 月第 57 卷第 4 期烟草科技Tobacco Science&TechnologyApr.2024Vol.57 No.4摘要:为改善烟梗品质,基于传统洗梗工艺条件,采用超声水洗工艺洗梗,并分析了不同水洗条件(水洗方式、水洗时间和温度)对烟梗物理性质、化学成分的影响,阐明了超声水洗对卷烟感官质量产生影响的机理。结果表明:40 kHz超声水洗后制成的卷烟样品感官质量评价结果较好。在相同的温度和水洗时间下,相较于传统水洗,28 kHz和40 kHz两种频率超声水洗后的烟梗含水率没有差别,洁净度得到明显改善,总色差值较小,导管的微观结构存在变形。与28 kHz相比,40 kHz超声
2、水洗后,烟梗的填充性能更优。烟梗中烟碱、总糖、还原糖的质量分数及糖碱比、氮碱比的变化是引起烟梗感官质量产生差异的原因。因此,40 kHz超声水洗可以提高烟梗洁净度,保持烟梗填充性能,改善烟梗化学成分,从而有效提高卷烟感官质量。关键词:超声水洗;烟梗;物理性质;化学成分;感官质量评价中图分类号:TS452.3文献标志码:A文章编号:1002-0861(2024)04-0078-07收稿日期:2023-09-26录用日期:2024-01-15基金项目:陕西中烟工业有限责任公司科技项目“烟梗超声水洗机制及在线系统研发”(BA000-ZB21015)。第一作者:南哲洙(1994),男,博士研究生,从事
3、植物活性成分与超声研究。E-mail:*通信作者:冯怡(1981),女,博士,教授,博士生导师,从事工业与医学超声研究。E-mail:fengyimail.xjtu.edu引用本文:南哲洙,仝智强,姚思愚,等.超声洗梗工艺对烟梗理化特性及卷烟感官质量的影响 J.烟草科技,2024,57(4):78-84,90.(NAN Zhezhu,TONG Zhiqiang,YAO Siyu,et al.Influences of ultrasonic stem washing process on physicochemicalproperties of tobacco stems and sensory
4、 quality of cigarettes J.Tobacco Science&Technology,2024,57(4):78-84,90.DOI:10.16135/j.issn1002-0861.2023.0598)超声洗梗工艺对烟梗理化特性及卷烟感官质量的影响南哲洙1,仝智强2,姚思愚2,刘振宇2,徐磊2,王永红2,张二强2,闫双辉2,张凤侠2,田云恒2,王宗英2,王芳2,李小斌2,左满兴2,郭斌2,冯怡*11.西安交通大学生命学院生物医学信息工程教育部重点实验室,西安市咸宁西路28号7100492.陕西中烟工业有限责任公司技术中心,西安市沣惠南路48号710061Influences
5、 of ultrasonic stem washing process on physicochemical properties oftobacco stems and sensory quality of cigarettesNAN Zhezhu1,TONG Zhiqiang2,YAO Siyu2,LIU Zhenyu2,XU Lei2,WANG Yonghong2,ZHANG Erqiang2,YAN Shuanghui2,ZHANG Fengxia2,TIAN Yunheng2,WANG Zongying2,WANG Fang2,LI Xiaobin2,ZUO Manxing2,GUO
6、 Bin2,FENG Yi*11.The Key Laboratory of Biomedical Information Engineering of Ministry of Education,School of Life Science andTechnology,Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,China2.Technology Center,China Tobacco Shaanxi Industrial Co.,Ltd.,Xi an 710061,ChinaAbstract:In order to improve the quality
7、 of tobacco stems,an online pilot test of ultrasonic stem washingbased on traditional stem washing technology was conducted to investigate the effects of differentultrasonic washing frequencies on the physical properties and chemical components of tobacco stems,andto analyze the mechanism of ultraso
8、nic washing on the sensory quality of cut stems.The results showedthat:1)The sensory quality of cigarette samples containing cut stems washed by 40 kHz ultrasonic wavewere better.2)At the same temperature and washing time,compared with traditional washing,themoisture content in tobacco stems after 2
9、8 kHz and 40 kHz ultrasonic washing was not different,thecleanliness was significantly improved,the overall color difference was smaller,and the microstructure ofthe ducts was deformed.Compared with 28 kHz ultrasonic washing,the filling value of tobacco stem wasbetter after 40 kHz washing.3)The vari
10、ations of nicotine,total sugar and reducing sugar mass fractions,第 57 卷第 4 期sugar/nicotine ratio and nitrogen/nicotine ratio in tobacco stems contributed to the difference in sensoryquality of cut stems in cigarettes.Therefore,40 kHz ultrasonic washing could be used to improve thecleanliness and che
11、mical composition of tobacco stems,maintaining their filling value,and effectivelypromoting their sensory quality.Keywords:Ultrasonic washing;Tobacco stem;Physical property;Chemical component;Sensory qualityevaluation梗丝是卷烟配方的重要组分之一,加工良好的梗丝具有较好的填充能力,能够提高卷烟的燃烧性,降低焦油、烟气、一氧化碳等有害气体的释放量。通过调整梗丝加工工艺可以改善梗丝质量
12、,优化低值梗丝与高值烟叶的比例,降低卷烟成本,取得较好的经济效益1-2。由于梗丝具有较强的木质气及灼热感,填充梗丝会使卷烟在燃吸过程中出现香气量被稀释、吸味平淡、刺激增加、杂气较重等问题,一般通过生物酶法、加香料法等进行改善3-4。传统工艺中将烟梗制备成梗丝需经洗梗-贮梗-蒸梗-压梗-切梗-加料-干燥的过程5,但传统的洗梗工艺固液比低、洗梗效率不高,且洗梗后烟梗表面仍存在杂质残留的现象,尤其是烟梗内表面的杂质(如金属、尘土、砂石等)会对切丝刀造成损害,并对烟梗的抽吸品质造成一定的影响6。超声处理技术常用于植物类原料的清洗、提取、制备等,与烟梗预处理需求的适配度较高7。在烟草工艺中,超声处理技术
13、一般与化学、生物酶法等结合用于提取烟梗中的果胶、烟碱等,或者通过超声辅助酶降解的方法水解烟梗中的木质素、纤维素等8-12,也可以单独用于处理烟梗,如李晓等13通过超声水洗技术,研究超声时间与温度对梗丝造碎和颜色的影响,并进行感官质量评定与化学成分分析。基于传统洗梗工艺参数,采用超声水洗工艺洗梗并分析超声洗梗后卷烟感官质量及感官质量提升机理的研究鲜有报道。因此,基于现有洗梗工艺提出了低频高强度(频率为20100 kHz,声强为101000 W/cm2)14超声洗梗技术,深入探究了超声水洗参数对烟梗物理性质、化学成分的影响,并阐明了超声水洗对卷烟感官质量的影响机理,旨在为烟梗处理工艺中超声洗梗机的
14、研发提供理论参考。1材料与方法1.1材料、试剂和仪器烟梗均采用陕西中烟工业有限责任公司2021年“好猫”牌系列卷烟配方烟梗。101-0 电热鼓风干燥箱(绍兴市易诚仪器制造有限公司);Futura连续流动分析仪(法国Alliance公司);7890B-5977A GC/MSD 气 相 色 谱 仪(美 国Agilent公司);316-1080P Max-see电子放大镜(深圳智达发电子有限公司);GeminiSEM 500扫描电子显微镜(德国Zeiss公司);NR10QC色差计(深圳三恩时科技有限公司);ZJ17型卷接机组(常德烟草机械有限责任公司);自制烟梗超声波清洗槽。1.2方法1.2.1感官
15、质量的评价在温度为50、固液比(烟梗与水质量的比值)为26.76的条件下,烟梗分别经过传统水洗、28 kHz和40 kHz两种频率超声水洗各50 s后,完成润梗、压梗、切梗、干燥工序制成梗丝。同时,将不同工艺制备的梗丝按8%的比例掺配到卷烟样品配方烟丝中,在卷烟机上按照同一标准卷制成烟支,包装为成品卷烟,并参照YC/T 138199815中的方法,进行感官质量评价。1.2.2物理指标的测定经过传统水洗和28 kHz、40 kHz两种频率超声水洗后的烟梗,用于测定物理指标。改变不同温度(40 和50)和水洗时间,参照YC/T 31199616中的方法计算烟梗含水率。洁净度的检测通过电子放大镜完成
16、。微观结构的测定由扫描电子显微镜完成。色差测定由色差计完成,随机位置测定9次,并通过公式(1)计算总色差值(E)。E=(L-L0)2+(a-a0)2+(b-b0)2(1)式中:L为明度值;a表示红度值;b表示黄度值;L0、a0和b0为对照组(未清洗样品)的色度值。1.2.3化学成分的测定对传统水洗和两种频率超声水洗下的烟梗进行化学成分的测定,所有试验重复 3 次。按照文献17-21 中的方法测定总糖、还原糖、烟碱、总氮、氯、钾的质量分数,并根据上述测定数据计算钾氯比、氮碱比和糖碱比。1.2.4数据处理分析和处理结果以平均值表示,通过GraphPadPrism 8.0 软件对数据进行方差分析,通
17、过 SPSSStatistics 24.0软件对数据进行皮尔逊相关分析22和主成分分析23。南哲洙,等:超声洗梗工艺对烟梗理化特性及卷烟感官质量的影响 792024 年烟草科技2结果与分析2.1不同频率超声水洗对卷烟感官质量评价结果的影响传统水洗及不同频率超声水洗条件下卷烟感官质量评价结果如表1所示。由表1可知,40 kHz超声水洗组的成品卷烟感官质量评价总分最高,其中香气、杂气和余味指标的得分均高于其他组,28 kHz超声水洗组的卷烟感官质量评价总分最低,余味指标的得分也低于其他组。整体而言,40 kHz超声水洗烟梗的质量优于传统水洗烟梗以及28 kHz超声水洗烟梗。2.2不同水洗方式对烟梗
18、物理指标的影响不同温度和水洗时间下,传统水洗与不同频率超声水洗处理后烟梗的含水率如图1所示。由图1可知,相同水洗时间下,不同温度和不同水洗方式对烟梗的含水率无明显影响,随着水洗时间的延长烟梗含水率呈增大的趋势,在水洗时间为60 s时,烟梗含水率达到30%左右,可以满足后续切梗工艺所需。因此,基于传统洗梗工艺参数,选择50、60 s作为超声水洗参数。不同水洗方式下烟梗洁净度及微观结构的扫描电镜图如图2所示。由图2a可知,经传统水洗后烟梗表面部分杂质得到清洁,内表面杂质残留明显,说明传统水洗对烟梗内表面的杂质颗粒和外表面的顽固杂质颗粒的清洁能力有限,原因可能是传统水洗产生的压力较小,无法作用到烟梗
19、内表面,而外表面黑色杂质与烟梗结合紧密无法通过传统水洗清除。28 kHz与40 kHz两种频率超声水洗均能较好地去除烟梗内、外表面的杂质,且不同频率超声水洗后烟梗的洁净度无明显差异。由图2b可知,烟梗横切面可见大量导管结构,传统水洗组的烟梗表面边缘处导管存在变形,向内延伸距离短,而 28 kHz 与 40kHz超声水洗组的烟梗表面导管变形且向内部延伸距离较长。与传统水洗相比,40 kHz超声水洗的烟梗内表面处导管结构虽有变形,但仍保留较完整的结构,而28 kHz超声水洗的烟梗内表面导管结构变形更加显著,这与 28 kHz 超声形成的空化气泡更大,空化效应更显著有关24-25。过度的导管变形可能
20、会影响梗丝的填充值,需要在超声水洗参数的设置上予以考虑。传统水洗与超声水洗工艺中梗丝干燥后的整丝率、碎丝率及填充值如表2所示。由表2可知,相比于传统水洗,超声水洗梗丝干燥后的整丝率均有所下降,碎丝率均有所上升,原因主要是超声水洗对烟梗结构造成了破坏。但与传统水洗相比,28 kHz超声水洗梗丝干燥后的填充值下降较明显,而40 kHz超声水洗梗丝干燥后的填充值与传统水洗接近。结合图2b中烟梗的微观结构推测,28 kHz超声水洗产生更强的空化效应对烟梗导管结构的破坏更显著,从而导致梗丝的填充值下降,而40 kHz超声产生的空化泡较小,空化效应较温和,其对烟梗导管结构的影响有限,因此使梗丝保持了较好的
21、填充性能。不同水洗处理条件下,烟梗的明度值、红度值、黄度值及总色差值如表3所示。由表3可知,传统水洗条件下烟梗的总色差值为7.72,不同频率超声水洗条件下烟梗的总色差值分别为4.68和3.57,说明超声水洗条件下烟梗的颜色与未处理烟梗的颜色更接近,超声作用能够减少水洗过程中带来的烟梗的色泽变化。2.3超声水洗对烟梗化学成分的影响2.3.1烟梗化学成分质量分数差异的分析为进一步研究超声水洗工艺对卷烟感官质量的影响机理,深入了解超声水洗引起卷烟感官质量差异的原因,对传统水洗和超声水洗处理后烟梗化学成分的质量分数进行了研究。传统水洗及不同频率超声水洗后烟梗中化学成分质量分数如图3所示。由图3可知,与
22、传统水洗相比,28 kHz和40 kHz超声水洗下烟梗中烟碱的质量分数下降约 16.4%和15.3%,总糖的质量分数均无明显变化(但与28 kHz超声水洗相比,40 kHz超声水洗后总糖的质量分数水洗方式传统水洗28 kHz超声水洗40 kHz超声水洗光泽555香气27.8627.8628.14协调555杂气10.3610.3610.43刺激性17.2817.2917.29余味21.8621.6422.00总分87.3687.1487.86表1不同水洗条件下卷烟感官质量评价得分Tab.1Evaluation scores of sensory quality of cigarettesunde
23、r different washing conditions(分)图1不同水洗方式对烟梗含水率的影响Fig.1Effects of different washing methods on moisturecontent in tobacco stems 80第 57 卷第 4 期下降3%),还原糖的质量分数均上升约8%。3种水洗方式下烟梗中总氮、钾、氯的质量分数以及钾氯比均无显著差别。与传统水洗相比,28 kHz与40 kHz超声水洗组的糖碱比分别上升17.7%和15.7%,氮碱比分别上升11.3%和13.0%。烟梗中烟碱、总糖、还原糖的质量分数及糖碱比、氮碱比发生变化是引起卷烟感官质量差异
24、的原因。烟碱质量分数下降的原因主要是超声产生的空化效应、机械效应以及热效应等促进了烟碱的流出26。还原糖质量分数上升的原因是超声机械效应产生的机械性断键导致烟梗中少量多糖降解成还原糖;此外,空化效应产生的自由基引发的氧化还原反应也会导致烟梗中少量多糖降解27。由于28 kHz超声水洗的空化效应强于40 kHz23-24,因此多糖的降解效率更高,导致28 kHz超声水洗组总糖的质量分数高于40 kHz超声水洗组,但总糖质量分数高会造成抽吸卷烟时烟气不顺、余味不足28,这与2.1节中的感官质量评价结果一致。传统水洗、28 kHz超声水洗及40 kHz超声水洗方式下烟梗糖碱比平均值分别为24.6、3
25、0.4和29.2,均高于烟叶标准区间 烟叶中优质烤烟的糖碱比在715之间,以812最为适宜(接近10 为最佳)28。40 kHz超声水洗组烟梗的氮碱比为2.9,高于烟叶化学指标中氮碱比为0.80.9的最宜标准28;烟梗的钾氯比为2.3,低于烟叶化学指标中钾氯比4的标准28。综上所述,烟梗的化学指标不同于烟叶,为准确评价烟梗相关处理对卷烟感官质量评价结果的影a.烟梗洁净度b.烟梗微观结构;图中结构为烟梗横切面。图2不同水洗方式对烟梗洁净度及微观结构的影响Fig.2Effects of different washing methods on cleanliness and microstruct
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