鄭松錦，鐘 良，段海濤，周 博，劉玉斌，潘文亮，林 潔，李賢勇，朱 萌，劉柏松，張渝婕*，霍曉暉

1.河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，石家莊市維明南大街1 號(hào) 050051

2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市紅錦路367 號(hào) 650202

3.牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司，黑龍江省牡丹江市陽(yáng)明區(qū)恒豐路11 號(hào) 157013

水是煙草及其制品的重要組分之一，會(huì)直接影響煙草的彈性、韌性、填充性和燃燒性等物理特性，又會(huì)影響煙草的顏色、光澤、香氣、吃味等外觀和內(nèi)在質(zhì)量［1］。在卷煙加工過(guò)程中，主要是以水為載體改善卷煙原料物理特性，參與煙葉內(nèi)部的生物化學(xué)變化［1］，即水會(huì)直接影響卷煙的加工質(zhì)量。目前，卷煙生產(chǎn)過(guò)程中所用的水一般是軟化水，即由自來(lái)水經(jīng)過(guò)離子交換處理，僅水的硬度降低，而其離子總量不變，軟化后水中鈉離子的量增大幾十倍。軟化水是一種聚集大分子水，這是因?yàn)樗腛—H 鍵間的夾角約為105°，負(fù)極中心與正電荷中心不重合，水分子為極性分子。由于分子間氫鍵的作用，水不是以單個(gè)分子形式存在的，而是彼此可以聚集結(jié)合為大的水分子團(tuán)。這種大分子團(tuán)的水滲透力較弱，溶解力較差，不利于水在細(xì)胞間的進(jìn)出［2-3］。而聚集體小的水的溶解能力和滲透力均較高，研究表明通過(guò)改變料液稀釋用水分子的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，可改善料液的浸潤(rùn)性能，提升料液的溶解性［4-5］。通過(guò)改變水的性質(zhì)來(lái)改善卷煙的吸食品質(zhì)已引起行業(yè)相關(guān)研究人員的重視，但在對(duì)水與煙絲的締合程度評(píng)價(jià)及生產(chǎn)過(guò)程用水的替換方面則鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究中對(duì)現(xiàn)有的卷煙生產(chǎn)過(guò)程用水進(jìn)行分析，篩選出適用于卷煙生產(chǎn)的小分子水，并在前人研究的基礎(chǔ)上利用活化陶瓷球?qū)α舷闩渲七^(guò)程用水進(jìn)行活化處理，通過(guò)改變卷煙在線生產(chǎn)過(guò)程水的性質(zhì)，提升水及由活化水配制的料液的滲透吸收性能，探究水對(duì)卷煙品質(zhì)的影響，以期提高卷煙的感官舒適性。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

“鉆石”（荷花）牌卷煙葉組配方、配方料液和煙絲，純水（河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）；SY01、SY02、SY03 活化陶瓷球（平均直徑3 mm，河北唐山立雄峰匯材料科技有限公司）；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（平均直徑3 mm，濟(jì)南木齊科技有限公司）；自來(lái)水、軟化水（河北白沙煙草有限責(zé)任公司提供）；市售天然礦泉水1～3號(hào)；“屈臣氏”蒸餾水（4.5 L/桶，廣州屈臣氏食品飲料有限公司）。

Toledo XS204 電子天平（感量0.000 1 g）、SevenMulti S40 多功能測(cè)量?jī)x表（配有pH 模塊，精度±0.001 pH）（瑞士Mettler 公司）；KBF240 恒溫恒濕箱（德國(guó)Binder 公司）；Ascend 400 AVANCEⅢ核磁共振波譜儀（瑞士Bruker 公司）；NMI20-015V-I核磁共振分析儀（0.5 T，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司）；K100 型表面界面張力儀（德國(guó)Kruss 公司）；PN-COBB 可勃吸收性測(cè)定儀（杭州品享科技有限公司）；EST12 表面施膠度儀（德國(guó)Mutek公司）。

1.2 方法

1.2.1 用活化陶瓷球處理水樣

用純水將活化陶瓷球沖洗幾次，晾干。稱取一定質(zhì)量的活化陶瓷球（以100 mL 水質(zhì)量計(jì)），放入相應(yīng)的水樣中，室溫浸泡一定時(shí)間后將水倒出，即得到所需活化陶瓷球處理水?；罨沾汕蛲斗帕糠謩e為3、6、9 g·（100 mL）-1，并分別進(jìn)行0、5、60、240、1 440 min 的浸泡處理。

1.2.217O 核磁共振半幅寬的測(cè)定

17O 核磁共振半幅寬反映的是液態(tài)水分子聚集體結(jié)構(gòu)的平均相對(duì)大小，譜線越寬，聚集體越大；譜線越窄，聚集體越?。?］。采用核磁共振波譜儀測(cè)試各種水樣及處理水中自然豐度的17O 同位素核磁共振半幅寬（Full width at half maximum intensity，F(xiàn)WHMI）［7］。

1.2.3 水的表面張力測(cè)定

參考文獻(xiàn)［8］的方法，采用表面界面張力儀測(cè)定水的表面張力。

1.2.4 接裝紙可勃法吸收率的測(cè)定

參考GB/T 1540—2002［9］的方法，采用翻轉(zhuǎn)式測(cè)定煙用接裝紙?jiān)埖奈阅?。將煙用接裝紙?jiān)垬悠凡眉舫芍睆剑?25±5）mm 的圓形試樣，一共裁剪10 張（制備樣品時(shí)，做好正、反面標(biāo)識(shí)，取正、反面各5 張），測(cè)試前稱量；量取100 mL液體樣品，倒入可勃吸收性測(cè)定儀圓筒中，然后將煙用接裝紙?jiān)埛胖糜趫A筒的環(huán)形面上。將壓蓋蓋在煙用接裝紙?jiān)埳喜A緊，使之與圓筒固定在一起，翻轉(zhuǎn)圓筒180°，計(jì)時(shí)5 s；將圓筒翻正，松開(kāi)壓蓋夾緊裝置，取下煙用接裝紙?jiān)垼⒓词刮娉路旁陬A(yù)先鋪好的吸水紙上，再在上面放一張吸水紙；然后在不施加其他壓力條件下，立即用金屬壓輥在4 s 內(nèi)往返輥壓一次，將煙用接裝紙?jiān)埍砻媸Ｓ嗟乃?。將煙用接裝紙?jiān)埧焖偃〕觯瑢⑽鎸?duì)折，然后再對(duì)折一次后稱量。

每個(gè)樣品用10 張煙用接裝紙?jiān)垳y(cè)定，計(jì)算吸收率，取平均值。

1.2.5 EST 法動(dòng)態(tài)滲透性能的測(cè)定

采用表面施膠度儀測(cè)試動(dòng)態(tài)滲透性能，借助雙面膠帶將煙用接裝紙?jiān)埞潭ㄔ趦x器樣品架上。借助測(cè)量裝置將樣品架浸入裝有待測(cè)水樣（試驗(yàn)液）的測(cè)試容器里。在測(cè)試容器內(nèi)接收器對(duì)面裝有超聲波發(fā)射器，當(dāng)煙用接裝紙?jiān)埥佑|試驗(yàn)液時(shí)，發(fā)射器立刻發(fā)射穿過(guò)煙用接裝紙?jiān)埖某暡ㄐ盘?hào)，其固定頻率為1 或2 MHz，在液體滲透的過(guò)程中，信號(hào)被反射、散射及吸收。最終的信號(hào)變化記錄在接收器里，且由集成處理器計(jì)算煙用接裝紙?jiān)埖奈招阅?。以t95作為測(cè)試指標(biāo)，t95表示曲線在達(dá)到最高點(diǎn)后下降，至強(qiáng)度降到95%時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，即t（I=95%），液體滲透越快，t95值越小。

1.2.6 活化水與煙絲締合程度的測(cè)定

煙草中的水分為自由水、結(jié)合水和吸附水3種，不同的水在煙草中的分布狀態(tài)即與煙草的締合狀況亦可能不同。選取同一種煙絲，稱取4 份相同質(zhì)量的煙絲樣品，每份50 g，分別施加軟化水、純水、礦泉水1 號(hào)及其活化陶瓷處理水，密封存放48 h 后，利用核磁共振分析儀測(cè)定煙絲烘前、烘后（烘箱法）的弛豫時(shí)間T2分布，通過(guò)烘干前后樣品的核磁信號(hào)差值來(lái)評(píng)價(jià)不同水樣與煙絲的締合程度。

核磁共振分析選用CPMG 序列［10］，具體參數(shù)：90 度脈寬P1=6.6 μs，180 度脈寬P2=13.84 μs，完全恢復(fù)時(shí)間TW=1 000 ms，模擬增益RG1=20，數(shù)字增益DRG1=3，前置放大增益PRG=1，數(shù)據(jù)半徑DR=1，回波間隔TE=0.1 ms，采集回波個(gè)數(shù)NECH=800，采集掃描次數(shù)NS=16。

1.2.7 活化水的卷煙感官質(zhì)量評(píng)價(jià)

以正常生產(chǎn)的“鉆石”（荷花）牌卷煙為對(duì)照樣品，將該卷煙制絲生產(chǎn)過(guò)程中的軟化水全部替換為本研究中所確定的水，并卷接為卷煙樣品，其制絲及卷接加工技術(shù)參數(shù)與正常生產(chǎn)相同。聘請(qǐng)河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司有省級(jí)及以上評(píng)吸資質(zhì)的11 位評(píng)吸專家，參考YC/T 497—2014［11］和YC/T 496—2014［12］中卷煙風(fēng)格特征的評(píng)價(jià)方法，對(duì)卷煙樣品進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水的性質(zhì)分析

將現(xiàn)有卷煙生產(chǎn)過(guò)程用水（自來(lái)水、軟化水），及純水、蒸餾水和3 種礦泉水共7 種水樣依據(jù)文獻(xiàn)［13］的方法對(duì)水的pH 以及鈉、鈣和鎂離子的濃度等進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1 所示。

表1 7 種水的檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of seven water samples

從表1 可知，所測(cè)試的7 種水樣均為弱堿性，其中軟化水的pH 最高，這是由于軟化水中鈉離子濃度最大；純水、“屈臣氏”蒸餾水和礦泉水1 號(hào)的pH 相近且較低；純水、“屈臣氏”蒸餾水的半幅寬相近且較低，自來(lái)水和軟化水的半幅寬相近且較高，即卷煙生產(chǎn)過(guò)程所用的自來(lái)水和軟化水的分子團(tuán)簇較大。檢測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)［14］相符，即半幅寬低于70 Hz 的水樣一般均是經(jīng)過(guò)高能物理處理或者由純水配制的水樣；優(yōu)質(zhì)天然飲用水水樣，其半幅寬一般均在70～90 Hz 范圍內(nèi)。

2.2 活化處理后水樣的性質(zhì)分析

將所選取的7 種水樣進(jìn)行1 440 min 活化陶瓷球浸泡活化處理后，檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)變化情況，結(jié)果見(jiàn)表2?？芍?，經(jīng)過(guò)活化處理的自來(lái)水、軟化水和礦泉水1～3 號(hào)的半幅寬均有不同幅度的降低，活化后純水半幅寬無(wú)明顯差異，而“屈臣氏”蒸餾水的半幅寬略有增加；其中活化礦泉水1 號(hào)的半幅寬最小。因此，確定卷煙生產(chǎn)過(guò)程軟化水的替換水為活化礦泉水1 號(hào)。

表2 經(jīng)過(guò)活化處理的7 種水的性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Properties of seven activated water samples

2.3 活化陶瓷球篩選

活化陶瓷是一種具有活化水功能的陶瓷，經(jīng)活化陶瓷處理的水具有明顯的小分子團(tuán)特征，經(jīng)不同配方活化陶瓷處理后的水的半幅寬有所差異［15］，因此需對(duì)活化陶瓷進(jìn)行篩選，以便得到半幅寬較低的處理水。利用10 種活化陶瓷對(duì)所確定的礦泉水1 號(hào)進(jìn)行活化處理，考察處理后水的半幅寬變化，結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，所考察的10 種活化陶瓷中，除SY03 外，其余9 種活化陶瓷處理的活化水的半幅寬均有不同程度的降低，其中FQ02 陶瓷球和能量珠的處理水半幅寬相近且半幅寬降幅最大。綜合考慮成本等其他因素，確定采用FQ02 陶瓷球進(jìn)行活化。

表3 10 種活化陶瓷對(duì)水的17O 核磁共振半幅寬的影響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時(shí)間對(duì)水性質(zhì)的影響

FQ02 活化陶瓷球不同投放量及浸泡時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。在不同投放量及浸泡時(shí)間下活化陶瓷球處理后礦泉水1 號(hào)的半幅寬大都有不同程度的降低，最高降幅達(dá)37.27%。根據(jù)半幅寬的檢測(cè)結(jié)果，確定后續(xù)實(shí)驗(yàn)所用活化水均采用活化陶瓷球處理4 h以上，活化陶瓷球投放量為6 g/（100 mL）。

表4 不同活化陶瓷球投放量和浸泡時(shí)間條件下的水半幅寬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應(yīng)用評(píng)價(jià)

根據(jù)水性質(zhì)的分析及活化陶瓷球篩選結(jié)果，對(duì)比分析軟化水、純水、礦泉水1 號(hào)及由礦泉水1號(hào)經(jīng)活化陶瓷球處理后的活化水的浸潤(rùn)滲透性能，測(cè)定其表面張力、對(duì)接裝紙的可勃法吸收率、EST 法動(dòng)態(tài)滲透性能及其在煙絲中的締結(jié)程度；并用活化水替換配方料液配制過(guò)程中的軟化水進(jìn)行料液配制，對(duì)比分析軟化水和活化水配制料液的吸收率、動(dòng)態(tài)滲透性能。

2.5.1 表面張力測(cè)試結(jié)果

軟化水、純水、礦泉水1號(hào)及活化水的表面張力測(cè)試結(jié)果分別為73.35、72.55、72.32和69.89 mN/m。同一固體表面上，表面張力越小，液體的浸潤(rùn)性能越好［16］。因此4 種水的浸潤(rùn)性能為活化水＞礦泉水1 號(hào)＞純水＞軟化水。

2.5.2 可勃法吸收率測(cè)試結(jié)果

煙用接裝紙?jiān)垖?duì)軟化水、純水、礦泉水1 號(hào)及活化水的可勃法吸收率測(cè)定結(jié)果分別為71.7%、73.7%、76.5%和79.3%。對(duì)于同一種紙張，吸收率越高表明紙張對(duì)水的吸收效果越好［16］，也反映了水的滲透性能越好。結(jié)果表明，4 種水的滲透性能為活化水>礦泉水1 號(hào)>純水>軟化水。

2.5.3 EST 法動(dòng)態(tài)滲透性能測(cè)試結(jié)果

軟化水、純水、礦泉水1 號(hào)及活化水在煙用接裝紙?jiān)埳系腅ST 法動(dòng)態(tài)滲透性能（t95）測(cè)定結(jié)果分別為0.269、0.220、0.177 和0.265 s。t95越小表明液體滲透進(jìn)入紙張的速度越快［17］，因此紙張對(duì)4種水吸收性能的順序?yàn)榈V泉水1 號(hào)>純水>活化水>軟化水，即礦泉水1 號(hào)的滲透性能較好，軟化水較差。

2.5.4 締合程度測(cè)試結(jié)果

將分別施加純水、軟化水、礦泉水1 號(hào)及活化水的4 份煙絲樣品密封存放48 h 后，利用核磁共振分析儀測(cè)定在105 ℃烘箱中干燥2 h 前后煙絲中的水分分布情況和含水率。

通過(guò)分析烘干前后煙絲的弛豫時(shí)間T2反演譜圖（圖1）可知，煙絲的弛豫時(shí)間T2反演譜圖中位于0.1～1 ms 和10～100 ms 處有兩個(gè)波峰，其中位于0.1～1 ms 的波峰在烘干后消失，屬于煙草中水的峰；位于10～100 ms 的峰在烘干前后沒(méi)有顯著變化，屬于煙草中的油峰。鑒于油峰峰面積及峰位置變化很小，通過(guò)對(duì)比烘干前后水峰面積的變化值，可以測(cè)試水樣與煙絲的締合程度。由表5 可知，用軟化水處理的煙絲烘干前后峰面積變化最大，即軟化水與煙絲的締合程度較差，水分易散失；用活化水處理的煙絲烘干前后峰面積變化較小，說(shuō)明活化水與煙絲的締合程度較好。

圖1 煙絲干燥前后的T2反演譜圖Fig.1 Distribution curves of relaxation time（T2）of cut tobacco before and after drying

2.5.5 紙張對(duì)活化水+料液的滲透吸收性能測(cè)試結(jié)果

紙張對(duì)用活化水配制的料液的吸收率為87.88%，而對(duì)用軟化水配制的料液的吸收率為85.28%，表明料液對(duì)紙張的滲透性能為活化水+料液>軟化水+料液。用活化水和軟化水配制的料液的EST 法動(dòng)態(tài)滲透性能測(cè)試結(jié)果分別為0.095 s 和0.134 s，煙用接裝紙?jiān)垖?duì)料液吸收性能的順序?yàn)榛罨?料液>軟化水+料液。即煙用接裝紙?jiān)垖?duì)用活化水配制的料液的滲透吸收性能較好，對(duì)用軟化水配制的料液的滲透吸收性能較差。

2.6 活化水對(duì)卷煙感官質(zhì)量的影響

為探索用所確定的礦泉水1 號(hào)及其活化水配制的料液對(duì)卷煙抽吸品質(zhì)的影響，將“鉆石”（荷花）牌卷煙生產(chǎn)過(guò)程中的軟化水全部替換，對(duì)比評(píng)價(jià)替換前后生產(chǎn)的卷煙樣品感官質(zhì)量。結(jié)果（表6）表明：在感官舒適性方面，使用活化水的樣品在口腔刺激、鼻腔刺激和對(duì)喉部的沖擊感受方面有改善，煙氣的圓潤(rùn)度、柔和感好于使用軟化水的卷煙樣品。

表6 對(duì)照和實(shí)驗(yàn)卷煙感官質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Results of smoke sensory comfortability evaluation of cigarette sample and the control

3 結(jié)論

（1）自來(lái)水、軟化水、礦泉水、純水的半幅寬檢測(cè)結(jié)果存在較大差異，與文獻(xiàn)［11］的檢測(cè)結(jié)果相符，自來(lái)水和軟化水的17O 核磁共振半幅寬較大，純水和蒸餾水的較小，即卷煙生產(chǎn)過(guò)程中用的自來(lái)水和軟化水的分子團(tuán)簇較大。

（2）不同的活化陶瓷球處理后水的半幅寬大都有所降低，水的聚集狀態(tài)發(fā)生改變。用篩選確定的FQ02 活化陶瓷球處理礦泉水1 號(hào)后，活化水的半幅寬最高降低37.27%；活化陶瓷球處理水時(shí)間需4 h 以上，較優(yōu)投放量為6 g/（100 mL）。

（3）活化水的浸潤(rùn)、滲透、吸收性能及與煙絲的締合程度均優(yōu)于軟化水；且對(duì)用活化水配制的料液的滲透吸收性能較軟化水好。

（4）將活化水應(yīng)用于卷煙加工過(guò)程，卷煙樣品的感官評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，使用活化水的樣品煙氣在口腔刺激、鼻腔刺激和對(duì)喉部的沖擊感受方面有改善，煙氣的圓潤(rùn)度、柔和感上好于使用軟化水的樣品。