杜勃宏，史 霖，楊本剛，翟天瑗，蔡 持

(四川三聯(lián)新材料有限公司，四川 成都 610100)

爆珠卷煙，作為一種近年推出的新穎卷煙產(chǎn)品，由于多種多樣的口味和具有可玩性的特點，面市以來就廣受消費大眾喜愛[1-2]。爆珠，就是嵌入在卷煙濾嘴中的包裹著液態(tài)物質(zhì)的膠囊[3]。卷煙抽吸時，消費者可自主選擇釋放爆珠內(nèi)部物質(zhì)來豐富卷煙口感[4]。爆珠不僅可以提供香味，消除焦油量降低帶來的口味變淡的影響，還能夠在觸覺、視覺、聽覺和味覺等方面給消費者全新的體驗[5-6]。

截至目前，爆珠主要應(yīng)用在以下方面[7-8]：①增香保香：調(diào)節(jié)煙氣、豐富煙香；②定向釋放：實現(xiàn)香味物質(zhì)、降害材料和保潤物質(zhì)的定向釋放，達(dá)到改善抽吸質(zhì)量、降低危害的目的；③增加抽吸時的趣味性：捏破爆珠可以讓消費者同時得到視覺、聽覺、嗅覺上的沖擊；④熄滅煙支或降解濾棒。

現(xiàn)在，煙用爆珠的生產(chǎn)工藝以滴制法為主，膠液、香精通過同心流柱在循環(huán)油中實現(xiàn)包裹，然后憑借自身重力或者脈沖切割裝置進(jìn)行濕珠分離[9]。除此之外，還有銳孔-凝固浴法、壓制法、冷凍定型法和光固化法等等[7,10]。爆珠生產(chǎn)整體流程較為復(fù)雜，包含化膠、滴丸、水洗、干燥、去油、平衡、篩選、檢測等八大工序，各工序具有獨特要求。例如，干燥工序目前選用的多是轉(zhuǎn)籠干燥方式，要求濕爆珠必須具有足夠強度，強度不足的濕爆珠在干燥過程中會發(fā)生破裂，導(dǎo)致整體得率下降，異形產(chǎn)品增多。

本研究擬在滴丸與水洗工序之間增加強化工序，由于同等濃度下乳酸鈣對膠皮的提升效果較氯化鈣要更好[11]，我們采用乳酸鈣溶液對濕爆珠進(jìn)行強化。強化工序的添加有效提高了濕爆珠強度，減少了干燥工序破損率。為了取得最佳的強化效果，我們對強化工藝進(jìn)行了系列研究，通過設(shè)定不同的強化液濃度、強化時間，研究其強化效果的差異，從而篩選出最佳的強化工藝，為煙用爆珠工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

膠粉(混合物，主要成分為瓊脂、結(jié)冷膠)，武漢市昱宸峰科技有限公司；甘油(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5%)、乳酸鈣，云南巴菰生物科技有限公司產(chǎn)；芯材，四川三聯(lián)新材料有限公司產(chǎn)；色素(亮藍(lán))，四川祥榮物資有限公司；

304材質(zhì) 150 L 化膠罐、304材質(zhì)搖擺式干燥轉(zhuǎn)籠，云南巴菰生物科技有限公司產(chǎn)；脈沖式無縫滴丸機(jī)，武漢市昱宸峰科技有限公司產(chǎn)；ZL23煙用爆珠綜合測試儀，成都瑞拓科技股份有限公司產(chǎn)；場發(fā)射掃描電子顯微鏡，型號為Apreo S HiVac，ThermoFisherScientific(FEI)。

1.2 實驗方法

1.2.1 強化液的配制

將純水與乳酸鈣按照一定質(zhì)量比混合，制備強化液。每組稱取純水 40000 g，加入到不銹鋼桶內(nèi)，然后加入對應(yīng)量的乳酸鈣，充分?jǐn)嚢韬?，配制成乳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%、0.6%、0.8%的強化液。

1.2.2 濕爆珠的滴制

爆珠生產(chǎn)工序流程(如圖1所示)：將純水加入到化膠罐中，攪拌升溫至 75 ℃ 后，按照甘油、色素、膠粉的順序進(jìn)行投料，保持溫度為 80 ℃、攪拌速率 50 r/min，化膠 1.5 h，制備出適用膠液；在同一臺脈沖式無縫滴丸機(jī)上，將膠液和芯液按照一定比例滴制成濕爆珠。

圖1 煙用爆珠生產(chǎn)工序流程

1.2.3 煙用爆珠強化工藝中強化液濃度的確定

將滴制的濕爆珠均勻分組，每份 10 kg。將濕爆珠浸泡在純水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4%、0.6%、0.8%的強化液中，強化時間為 60 s。然后經(jīng)水洗、干燥、平衡、篩分后獲得成品爆珠。每組隨機(jī)抽取100粒成品爆珠，使用爆珠綜合測試儀測定爆珠的粒徑和壓力值，施壓速度為 25 cm/min，所得數(shù)據(jù)通過origin軟件進(jìn)行分析處理。

1.2.4 煙用爆珠強化工藝中強化時間的確定

根據(jù)已確定的最佳強化液濃度，進(jìn)一步研究強化時間對爆珠性能的影響。將滴制的濕爆珠均勻分組，每份 10 kg。將濕爆珠浸泡在一定濃度的強化液中，強化時間為 30 s、60 s、180 s、600 s，然后經(jīng)水洗、干燥、平衡、篩分后獲得成品爆珠。每組隨機(jī)抽取100粒成品爆珠，使用爆珠綜合測試儀測定爆珠的粒徑和壓力值，施壓速度為 25 cm/min，所得數(shù)據(jù)通過origin軟件進(jìn)行分析處理。

1.2.5 掃描電鏡測試

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對四組爆珠樣本進(jìn)行微觀表面觀測，分別為：①未強化；②0.4%強化液強化 60 s;③0.4%強化液強化 600 s;④0.8%強化液強化 60 s。每組樣本放大120倍、2000倍、10000倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 強化液不同濃度對煙用爆珠性能的影響

2.1.1 強化液不同濃度對煙用爆珠壓力值的影響

在抽吸時，煙用爆珠需要捏破釋香，其捏破的手感與壓力值直接相關(guān)。當(dāng)爆珠壓力值過高時，爆珠不易捏破，影響抽吸體驗；當(dāng)爆珠壓力值較低時，加工性較差，容易在后續(xù)的干燥過程，濾棒、卷煙加工過程中破裂，并且在捏破時沒有清脆感。對于已滴制出來的強度較差的濕爆珠，已經(jīng)無法通過膠皮重量來調(diào)節(jié)壓力值，便需要對其強化。本實驗選用純水、0.4%強化液、0.6%強化液、0.8%強化液對濕爆珠進(jìn)行對應(yīng)處理，利用爆珠綜合測試儀測試相應(yīng)的壓力值。結(jié)果如圖2。使用強化液進(jìn)行強化后的爆珠壓力值(圖2中的b、c、d)明顯高于未進(jìn)行強化的爆珠壓力值，并且爆珠的壓力值隨強化液的濃度增加而先增大后略微減小，這與朱貝貝等人的研究結(jié)論相似[12]。這是由于乳酸鈣對爆珠進(jìn)行強化是通過對膠皮組分中的結(jié)冷膠強度提高而實現(xiàn)的。結(jié)冷膠和二價離子的凝膠理論認(rèn)為，結(jié)冷膠分子的梭基側(cè)鏈由于靜電相互作用而互相排斥，這阻礙了螺旋的緊密聚集，而陽離子的介入能屏蔽靜電排斥作用，一個陽離子連接一對梭基。因此隨著陽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，凝膠強度也隨之提高，但過多的陽離子又會阻礙結(jié)冷膠雙螺旋結(jié)構(gòu)的有序聚集，減弱凝膠，所以當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定限度，又會使凝膠強度下降[13-15]。在四組數(shù)據(jù)中，0.4%強化液的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差最低(SD=1.733)，壓力均值(14.29N)相比于未強化對照組(13.98N)也有一定的提高。因此結(jié)合效果與成本綜合來看，0.4%應(yīng)該是最適合的強化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(a)未進(jìn)行強化；(b)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的強化水強化；(c)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的強化水強化；(d)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的強化水強化。圖2 強化液不同濃度對煙用爆珠壓力值的影響

2.1.2 強化液不同濃度對煙用爆珠粒徑的影響

如圖3顯示，當(dāng)對濕爆珠不采用強化工藝時，粒徑均值為 2.716 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.079，而使用不同濃度的強化液對濕爆珠進(jìn)行強化，成品爆珠的粒徑均值及標(biāo)準(zhǔn)差與不強化的對照組差別不大，分為為 2.69 mm(0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù))、2.70 mm(0.6%質(zhì)量分?jǐn)?shù))、2.69 mm(0.8%質(zhì)量分?jǐn)?shù))，并未呈現(xiàn)有明顯的隨強化液濃度變化的規(guī)律。

(a)未進(jìn)行強化；(b)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的強化水強化；(c)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的強化水強化；(d)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的強化水強化。圖3 強化液不同濃度對煙用爆珠粒徑的影響

2.2 強化時間對煙用爆珠性能的影響

2.2.1 強化時間對煙用爆珠壓力值的影響

結(jié)合2.1.1的試驗結(jié)果，我們選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的強化液，對五批濕爆珠分別強化 0 s(未強化)、30 s、60 s、180 s、600 s，利用爆珠綜合測試儀測試對應(yīng)的壓力值。由于強化液為水溶液，所以浸泡時間越長，爆珠膠皮中的色素流失量越多，導(dǎo)致成品爆珠的顏色約淺，但經(jīng)試驗驗證對爆珠性能及使用并無影響。其次，如圖4的結(jié)果顯示，當(dāng)強化時間為 30 s，相比于未強化組(圖2，a)，壓力值已經(jīng)從 13.98 N 提高到 14.23 N，證明強化液確實可以有效提高爆珠壓力值。但是強化 30 s 組，壓力值SD值偏大(2.028)，甚至高于了未強化組(1.837)，這是由于 30 s 時間內(nèi)強化不充分，部分爆珠并未強化，導(dǎo)致壓力值SD值偏大。其次，強化 60 s 后的爆珠的壓力值為 14.29 N，而強化 180 s、強化 600 s 的爆珠壓力值僅略微提高，為 14.37 N、14.40 N。由此看來，在強化液濃度一定下，隨強化時間的增加，強化效果在短時間內(nèi)迅速提升然后趨于飽和。因此，在實際生產(chǎn)中，強化時間應(yīng)合理控制，以提高生產(chǎn)效率。

(a)強化 30 s；(b)強化 60 s；(c)強化 180 s；(d)強化 600 s。圖4 不同強化時間對煙用爆珠壓力值的影響(0.4%強化液)

2.2.2 強化時間對煙用爆珠粒徑的影響

如圖5顯示，強化時間的差異對于粒徑均值同樣沒有明顯的影響，更加證明強化工藝僅僅調(diào)節(jié)強度等性能，并不會影響爆珠的形態(tài)，不會在外觀形態(tài)上造成負(fù)面影響。

(a)強化30 s；(b)強化60 s；(c)強化180 s；(d)強化600 s。圖5 不同強化時間對煙用爆珠粒徑的影響(0.4%強化液)

2.3 強化對煙用爆珠微觀表面的影響

利用掃描電鏡(SEM)對四組爆珠樣本進(jìn)行觀測，探究強化工藝對爆珠微觀表面的影響。四組樣本分別為未強化爆珠(圖6，a)、0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)強化水強化 60 s 后的爆珠(圖6，b)、0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)強化水強化 600 s 后的爆珠(圖6，c)、0.8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)強化水強化 60 s 后的爆珠(圖6，d)。圖像顯示，未強化的爆珠表面粗糙不平整，有大量小突起和孔洞，其形成原因一方面應(yīng)該是膠皮凝固后發(fā)生的不規(guī)則形變，另一方面可能是爆珠在轉(zhuǎn)運、干燥等過程中發(fā)生的破損。而使用0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的強化液強化 60 s 后的爆珠，表面開始變得平整，表面的突起與孔洞明顯減少。當(dāng)延長強化時間到 600 s 時(圖6，c)，我們發(fā)現(xiàn),表面的平整情況與強化 60 s 的樣本差別不大，證明時間的延長并未使微觀表面進(jìn)一步變化。而增加強化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)到0.8%時(圖6，d)，同樣強化 60 s，高強化液濃度的爆珠表面更加平整、致密，這恰好驗證了我們2.1.1中高濃度的強化液使得爆珠表面被過度強化成緊密結(jié)構(gòu)，強化效果反而不如較低濃度徹底這一結(jié)論。因此，我們認(rèn)為，強化工藝使得爆珠膠皮強度提高，從而使微觀表面更加致密并不易受轉(zhuǎn)運、干燥等過程影響而產(chǎn)生破損。表面情況也側(cè)面驗證了強化時間存在飽和點，從 60 s 延長到 600 s，對于強化效果影響不大，而選用高濃度強化液，則可能使表面過度致密而導(dǎo)致強度降低，反而沒有較低濃度的強化液效果好。

(a)未進(jìn)行強化；(b)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的強化液強化 60 s；(c)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的強化液強化600 s；(d)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的強化液強化60 s圖6 不同強化工藝處理的爆珠的微觀表面

3 結(jié)論

本研究對煙用爆珠強化工藝進(jìn)行了系列的研究，結(jié)果顯示：①乳酸鈣溶液確實可以有效提高煙用爆珠的強度，減少因強度不夠?qū)е碌钠扑榍闆r，提高產(chǎn)品得率；②通過分別研究不同強化液濃度、不同強化時間對于強化效果影響，發(fā)現(xiàn)同一強化液濃度下，強化時間存在飽和點：在強化一定時間后強化效果不再隨時間延長而繼續(xù)提高，并且當(dāng)強化時間過短時，反而會因為強化不充分造成壓力值SD值變大，結(jié)果顯示 60 s 為較合適的強化時間；③增加強化液的濃度可以有效提高強化效果，但是當(dāng)強化液濃度過高時會導(dǎo)致表面過度強化而使強度降低，結(jié)果顯示0.4%為強化液最佳濃度；④當(dāng)通過掃描電鏡觀察爆珠的微觀表面，結(jié)果顯示相比于未強化的爆珠，強化有效減少了表面損傷，強化后爆珠表面更加致密、平整。