王子維，陳一楨，舒灝，徐耀威，劉奔，何山，童宇星，晏群山，高頌，郭瓊，賀靖鵬，趙德清*

煙草和煙氣化學

基于響應面-主成分分析法優(yōu)化再造煙葉表面改性膜材料的配方研究

王子維1,2,3，陳一楨1,2,3，舒灝1,2,3，徐耀威1,2,3，劉奔1,2,3，何山1，童宇星1,2,3，晏群山1,2,3，高頌1,2,3，郭瓊4，賀靖鵬4，趙德清4*

1 湖北中煙工業(yè)有限責任公司，武漢市東西湖區(qū)海口二路2號 430040；2 湖北新業(yè)煙草薄片開發(fā)有限公司，武漢沌口經濟開發(fā)區(qū)萬家湖路126號 430056；3 重組煙葉應用技術研究湖北省重點實驗室，武漢市東西湖區(qū)?？诙?號 430040；4 四川輕化工大學，宜賓市三江新區(qū)白塔路1號 644055

【背景和目的】針對加熱卷煙用再造煙葉吸濕性過強的問題，克服其在制絲、卷包以及貯存過程中易吸潮的缺陷，確保其耐加工性以及感官質量的穩(wěn)定性。【方法】以殼聚糖、石蠟、黃原膠為配方組分，在單因素實驗的基礎上，采用響應面-主成分分析法優(yōu)化膜材料配方，開發(fā)出具有適中疏水性的膜材料涂布液，用于再造煙葉表面疏水改性?！窘Y果】優(yōu)化得到膜材料配方為：殼聚糖、石蠟和黃原膠的涂布量分別為0.6g/m2、1.5 g/m2、1.6 g/m2，在此條件下制得改性再造煙葉的接觸角87.542°、吸濕率10.98%、放濕率2.16%、感官質量得分87分。相比于傳統(tǒng)再造煙葉，改性后再造煙葉的吸濕率和放濕率均顯著降低，感官質量基本保持，抗張強度有所提升，再造煙葉的綜合性能得到明顯改善。

再造煙葉；吸濕性；殼聚糖；石蠟；響應面；主成分分析

吸濕性是再造煙葉的基本物理特性，與再造煙葉及其制品的加工、貯藏以及卷煙的抽吸品質密切相關。加熱卷煙專用再造煙葉因富含甘油等發(fā)煙劑（含量10%～30%）而導致其表面吸濕性過強，由此帶來吸潮、粘連、霉斑等問題，進而影響加熱卷煙在制絲、卷包過程中的耐加工性以及貯存過程中的感官質量穩(wěn)定性。同天然煙葉類似，決定再造煙葉吸濕性能的內在因素是煙葉的化學成分和組織結構，外在因素是環(huán)境溫濕度、煙葉實際水分與平衡水分的差值、空氣流動速度和包裝狀況等[1-2]。通過再造煙葉表面改性技術，改善其吸濕性過強的缺陷，滿足耐加工性和感官質量穩(wěn)定性要求，是再造煙葉領域亟需解決的重要課題。

目前，再造煙葉吸濕性及表面改性的研究相對較少，相關文獻主要集中在煙葉吸濕保潤性能方面[3-7]。表征固體表面潤濕性的基本理論主要是接觸角，接觸角可作為潤濕程度的量度，接觸角大小不僅與材料的固有性質親水性和疏水性有關，還與材料表面的粗糙度、孔隙率、孔徑大小及其分布等表面性狀有關[8]。造紙法再造煙葉與天然煙葉表面潤濕特性研究表明[9]，天然煙葉的前進接觸角大于90°，表現出一定的疏液性，造紙法再造煙葉的前進接觸角小于90°，表現出良好的潤濕性。等溫吸濕線和凈等量吸附熱可以用于表征煙草吸濕或放濕行為，GAB模型為擬合煙草等溫吸濕線最優(yōu)模型[10]。劉洋等[11]采用接觸角法測量煙葉的表面自由能，認為白肋煙、烤煙和香料煙3種云南煙葉的表面自由能較低，屬于低能表面材料，較難被水潤濕，較易被一些特定表面張力的液體潤濕，表面自由能還與煙葉表面多孔結構有關。利用接觸角篩選粉體磷酸一銨包裹型防潮劑的研究表明[12]，有機物包裹粉狀磷酸一銨后，接觸角增加，吸濕速度降低，可以用接觸角的大小來篩選防潮包裹劑。煙葉主要通過三種方式吸收水分[13-14]：煙葉上表面、下表面和切面。當煙絲寬度大于5.0mm時，主要靠上下表皮吸收水分。當煙絲寬度小于1.0mm時，吸收水分主要通過煙絲的切面。表面改性是利用物理或化學方法對固體表面進行處理使其表面性質發(fā)生變化，如表面疏水性或親水性、表面原子層結構和官能團等。

煙葉表面化學成分通常是指附著在葉片表皮上的一層茸毛分泌物，主要為非極性或弱極性物質，包括雙萜類、糖酯、表面蠟、揮發(fā)物及其它微量組分。其中，表面蠟質由角質、長鏈烷烴、蠟酯、脂肪醇等多種疏水有機物組成，形成具有疏水結構的保護層覆蓋于表皮層，對煙草保潤和吸濕性能具有重要影響[1-2,15]。石蠟是一種固態(tài)飽和碳氫物的提純混合物，食品級石蠟是以含油蠟為原料，經發(fā)汗或溶劑脫油，再經加氫精制或白土精制所得的一種食品添加劑，廣泛用于食品、醫(yī)藥和化妝品領域[16]。殼聚糖作為自然界中唯一的堿性陽離子多糖，具有優(yōu)異的生物相容性、生物降解性、可再生性和天然抗菌性而受到廣泛關注，殼聚糖的脫乙酰度主要通過影響分子中氨基與乙酰氨基的相對含量來影響疏水性與抗菌活性[17]，當脫乙酰度低時乙酰基含量高導致疏水性增強。黃原膠是性能優(yōu)越的微生物多糖，集增稠穩(wěn)定、懸浮乳化為一體，分子中穩(wěn)定的雙螺旋結構使其具有較強的懸浮特性。為改善加熱卷煙用再造煙葉的吸濕性能，本研究選取殼聚糖、石蠟、黃原膠為配方組分，在單因素實驗的基礎上，采用響應面-主成分分析法優(yōu)化膜材料配方，將膜材料涂布液通過噴涂方式轉移至再造煙葉表面，賦予再造煙葉適合的疏水性。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

主要材料：干法再造煙葉，湖北新業(yè)煙草薄片開發(fā)有限公司；58號石蠟（食品級），荊門市維佳實業(yè)有限公司；殼聚糖（食品級），山東奧康生物科技有限公司；黃原膠（食品級），內蒙古阜豐生物科技有限公司；36%乙酸，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乳化劑，實驗室自制。

主要儀器：SDC-350自動傾斜接觸角測量儀，重慶晟鼎達因特科技有限公司；DF-101S集熱式恒溫磁力攪拌器，上海力辰邦西儀器科技有限公司；SN-FS400-ST數顯高速分散機，上海尚普儀器設備有限公司；CFS-100恒溫恒濕箱，康菲維斯設備（東莞）有限公司；GZX-9146MBE電熱鼓風干燥箱，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；ABS-8866數顯溫濕度計，寧波得力工具有限公司；W-71氣動噴槍，臺州市彩田氣動工具有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 再造煙葉表面改性工藝流程

工藝流程：石蠟乳液制備→殼聚糖溶解→黃原膠溶解→膜材料復配→涂布液均質→噴涂→干燥→改性后再造煙葉樣品。

石蠟乳液制備：稱取一定量的食品級58號石蠟和乳化劑ZTG，置于反應器中加熱至60℃左右熔化，在100r/min的攪拌速度下，逐滴加入總水量30%左右的90℃熱水，加熱攪拌10min，將剩余的熱水（總水量70%）分兩次加入石蠟乳液中，繼續(xù)攪拌30min后，冷卻，制得石蠟乳液。

選取合適分子量和脫乙酰度的殼聚糖用稀醋酸溶液溶解，配制0.6%濃度的殼聚糖溶液。配制0.5%濃度的黃原膠溶液。裁取長寬大小為400mm×200mm的干法再造煙葉作為空白樣品，平衡水分后待用，空白樣品的定量為120g/m2，厚度為0.282mm，含水率為11.5%。根據涂布量分別稱取三種膜材料組分溶液，混合、分散均勻后制得膜材料涂布液，采用噴涂方式將膜材料涂布液轉移至再造煙葉表面（單面涂布），經烘箱干燥后制得改性后的再造煙葉樣品，置于干燥器中平衡48h（溫度22℃、相對濕度60%）后待測。

1.2.2 膜材料單因素實驗

實驗中干法再造煙葉試樣的面積為0.08m2（400 mm×200 mm），選取的單因素有殼聚糖的涂布量（A）、石蠟的涂布量（B）和黃原膠的涂布量（C），以接觸角、感官質量、吸濕率、放濕率為評價指標。根據預實驗，分別選取不同的涂布量進行單因素實驗，A的涂布量為：0.3、0.6、1.2、2.4、4.8；B的涂布量為：0.25、0.5、1.0、2.0、4.0；C的涂布量為：0.2、0.4、0.8、1.6、3.2，涂布量單位為g/m2（以再造煙葉的面積為基準計算）。

1.2.3 膜材料響應面-主成分分析法優(yōu)化實驗

在單因素實驗的基礎上，每個因素選取3個較好的水平進行響應面實驗，同樣以接觸角、感官質量、吸濕率、放濕率作為指標，通過主成分分析法對4個指標進行降維，轉化成規(guī)范化綜合得分Z值作為總評價指標。利用Design-Expert 11軟件，采用Box-Behnken設計方案進行實驗，對實驗結果進行分析得到膜材料涂布液的優(yōu)化配方。

1.2.4 指標的測定

（1）再造煙葉疏水性的測定。利用接觸角測量儀測定再造煙葉（1.2.1中的樣品）表面接觸角，以接觸角大小表征再造煙葉疏水性強弱。所用液體為去離子水，滴液量為2 μL。調節(jié)儀器照相焦距，用微量進樣器將液滴滴在樣品表面，在液滴接觸表面2s時拍攝圖像，測量計算接觸角，移動樣品改變測試點位置，取3次測量結果平均值作為被測樣品的接觸角[9]。

（2）再造煙葉感官質量評價。再造煙葉經切絲、手工打煙、平衡水分后制成評吸樣品，樣品感官質量評價采用百分制評價法，由9位專業(yè)評委從煙氣特性、香氣特性、舒適性及持久性4個方面進行評分，評分標準與細則見表1。

表1 再造煙葉感官質量評分標準與細則

Tab.1 Sensory quality evaluation criteria and rules

（3）再造煙葉吸濕性能評價。吸濕性能采用吸濕率和放濕率進行評價。將平衡后的再造煙葉樣品用標準定量取樣器裁切成100cm2大小的圓形，精確稱重后置于含有飽和硝酸鉀溶液的干燥器中（溫度25℃、濕度RH 82%±2%），干燥器內溫濕度通過溫濕度計實時監(jiān)測顯示，每隔一段時間記錄樣品重量變化，根據式（1）計算吸濕率。同樣地，將樣品放入含有飽和氯化鋰溶液的干燥器中（溫度25℃、濕度RH 31%±2%），每隔一段時間記錄樣品重量變化，根據式（2）計算放濕率。吸濕率和放濕率的測定結果是在固定時長72 h下測定的。

1.2.5 主成分提取與數據處理

對改性后再造煙葉品質的各指標進行主成分分析，得到原始數據的貢獻率、累計貢獻率及特征值，將大于1的特征值因子作為主成分提取標準[19]。按式（3）計算各實驗組的綜合得分F，按式（4）將得到的綜合得分F進行規(guī)范化處理，得到規(guī)范化綜合得分Z[20,21]。以規(guī)范化綜合得分Z為響應值，確定表面膜材料的最優(yōu)配方。

式中，為綜合得分，1、2為主成分1、2的得分，1、2為主成分1、2的特征值，為累積特征值；為規(guī)范化綜合得分，F為綜合得分中最大值，F為綜合得分中最小值。

采用origin 9.0進行基本數據處理并制圖，利用SPSS 19.0軟件進行主成分分析，利用Design Expert 11.0進行響應面實驗設計及結果分析。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

從圖1（a）可以看出，隨著殼聚糖涂布量的逐漸增加，再造煙葉的接觸角呈現先增后降的趨勢，在涂布量為1.2 g/m2時接觸角達到最大，為100.7°，相比涂布量0.3 g/m2時接觸角增大了56.4%，相比未涂布的空白再造煙葉（38.3°）接觸角增大了62.4°。此后，隨著涂布量的繼續(xù)增大，接觸角反而開始下降，涂布量升高至4.8 g/m2時，接觸角降至最低點，為44.7°，相比最高點下降了55.6%。由此可見，殼聚糖對于提高再造煙葉表面的接觸角作用顯著，在較低用量條件下即可賦予再造煙葉較好的疏水性，超過一定用量反而導致再造煙葉表面具有親水性，導致接觸角快速下降。再造煙葉表面的親水性和疏水性大小是由膜材料本身的親疏水性質以及再造煙葉表面的粗糙度、孔隙率、透氣度及孔徑分布等因素共同決定的[8]。當殼聚糖涂布量較低時，其分子內大量的乙?；鹬鲗ё饔皿w現出一定的疏水性，此時接觸角增大；當殼聚糖涂布量超過一定量時，其分子內豐富的氨基和羥基形成的分子間氫鍵使其使其呈現親水性，此時接觸角下降[17]。且感官質量得分與殼聚糖的涂布量呈負相關，表明添加殼聚糖對再造煙葉的抽吸品質有負面影響，必須嚴格控制其涂布量的大小，不能片面追求增大接觸角而忽略了感官質量。從圖1（b）可以看出，再造煙葉的吸濕率和放濕率隨殼聚糖涂布量的增大呈先下降而后升高的趨勢，涂布量1.2 g/m2時吸濕率達到最低為6.57%，涂布量2.4 g/m2時放濕率達到最低為2.34%，接觸角越大，疏水性越高，相應地吸濕率越低，放濕率也越低，表明再造煙葉表面疏水效果越好。

石蠟的主要成分與天然煙葉表面蠟質成分相似[18]，主要為起疏水作用的長鏈烷烴，因此可以利用食品級石蠟對再造煙葉進行表面改性。從圖2（a）可以看出，接觸角大小隨石蠟涂布量的增大呈現先增大后減小的趨勢，在涂布量1 g/m2時接觸角接近最大值為83.8°，此后涂布量增大至2g/m2時接觸角不再變化，保持84.3°，繼續(xù)增大涂布量至4g/m2時，接觸角反而下降至67.1°。即石蠟乳液在低用量時可以增加再造煙葉表面接觸角，超過一定用量接觸角反而會下降。接觸角的測量值除了與石蠟本身的疏水性有關外，還與再造煙葉表面的粗糙度、孔隙率有關，對于接觸角＜90°的親水性表面，表面粗糙度的增大反而會使表觀接觸角變小，這與文獻[8]的結論是一致的。且感官質量得分與石蠟涂布量也呈負相關，表明石蠟乳液對再造煙葉抽吸品質有不利影響，應最大程度地減少其涂布量。從圖2（b）可以看出，吸濕率和放濕率隨石蠟乳液涂布量的增大也呈現先降低后增大的趨勢，這與接觸角的趨勢剛好相反，表明增大接觸角時吸濕率和放濕率降低，接觸角減少時吸濕率和放濕率增大。

黃原膠具有增稠穩(wěn)定、懸浮乳化的功能，是一種較好的成膜材料。圖3（a）可得，接觸角隨黃原膠涂布量的增加呈現先下降后有所升高的趨勢，在涂布量僅為0.2 g/m2時接觸角達到最高值為49.3℃，此后降至最低點33.5°，而后當涂布量增加至3.2 g/m2時接觸角略微升高至41.4℃。圖3（b）顯示吸濕率和放濕率呈現出先增大后降低的趨勢，且降低的幅度不大，即黃原膠的疏水改性效果較差，這可能與其本身固有的親水性有關。從感官質量變化來看，在涂布量為0.4 g/m2時感官質量得分增加了0.5分，表明低用量的黃原膠在某種程度上可以改善抽吸品質，但用量再高感官質量反而下降。總體來看，黃原膠在膜材料涂布液中主要起穩(wěn)定劑和分散劑的作用。

單因素實驗結果表明，膜材料疏水改性效果排序為：殼聚糖＞石蠟乳液＞黃原膠，殼聚糖涂布量為1.2 g/m2時接觸角達到100.7°，感官質量得分為7.5分，吸濕率和放濕率分別為6.57%、2.75%。再造煙葉的接觸角、吸濕率和放濕率是表征其吸濕性能的重要指標，同時，感官質量是再造煙葉的內涵價值所在，綜合考慮膜材料對吸濕性能和感官品質的影響，有必要對膜材料進行復配并優(yōu)化其配方，以滿足實際生產需求。

(a)對接觸角和感官質量的影響 (b)對吸濕率和放濕率的影響

圖1 殼聚糖涂布量對再造煙葉表面性能的影響

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

（a）對接觸角和感官質量的影響 （b）對吸濕率和放濕率的影響

圖2 石蠟乳液涂布量對再造煙葉表面性能的影響

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

（a）對接觸角和感官質量的影響 （b）對吸濕率和放濕率的影響

圖3 黃原膠涂布量對再造煙葉表面性能的影響

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

2.2 響應面實驗結果

根據單因素實驗結果，以殼聚糖的涂布量（A）、石蠟乳液的涂布量（B）和黃原膠的涂布量（C）作為響應面實驗的3個影響因素，研究其對改性后再造煙葉表面接觸角、感官質量、吸濕率、放濕率的影響。響應面實驗因素水平見表2，實驗設計及結果見表3。

表2 響應面實驗因素與水平

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

表3 響應面實驗設計及結果

Tab.3 Response surface design scheme and results

2.2.1 主成分分析

采用SPSS對表3中再造煙葉品質的4個指標進行主成分分析，通過KMO檢驗和Bartlett球形度檢驗可知，KMO值為0.609＞0.6，Bartlett檢驗顯著性結果為0.000＜0.01，說明各指標之間具有相關性，表3數據適用主成分分析。主成分的特征值、貢獻率和累積貢獻率見表4。前2個主成分的特征值均＞1，當提取前2個主成分時，累積貢獻率為95.573%，根據大于85%累積貢獻率的原則[19-21]，提取前2個主成分可以反映改性后再造煙葉品質的主要信息。主成分中指標的特征向量值見表5，決定第1主成分的指標為吸濕率、接觸角和放濕率；決定第2主成分的指標為感官評分，可見提取的2個主成分能夠全面反映再造煙葉的品質信息。

表4 改性再造煙葉主成分的特征值及貢獻率

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

表5 改性再造煙葉指標的特征向量值

Tab.5 Index characteristic vectorial values of modified tobacco

為消除各個指標間存在的量綱和數量級的差異，利用SPSS軟件對表3中的數據X1、X2、X3、X4從相關性矩陣出發(fā)進行標準化處理（Z-socre法），轉化為無量綱的標準化數值ZX1、ZX2、ZX3、ZX4，根據各指標在主成分上的載荷量，計算出各指標在不同主成分上的線性組合系數，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

利用方差貢獻率權重得到綜合得分F值，由于各指標間存在單位和變異程度的差異，因此對綜合得分F進行規(guī)范化處理后得到規(guī)范化綜合得分Z，結果見表6。

表6 主成分綜合得分及規(guī)范化綜合得分

Tab.6 Principal component score and standardized comprehensive score

2.2.2 響應面分析

以規(guī)范化綜合得分Z值為響應值，利用Design- Expert 11.0軟件進行多元回歸擬合，得到多元回歸模型，回歸方程如下：

回歸模型方差分析見表7。該模型的=0.0002＜0.01，表明該模型極顯著。失擬項=0.1075＞0.05，表示失擬項不顯著，表明建模成功。該模型的決定系數為2=0.9678，校正決定系數2adj為0.9265，說明該回歸模型實際值與預測值之間擬合度較高，可用于規(guī)范化綜合得分的預測。

表7 回歸模型方差分析

Tab.7 Variance analysis of regression model

注：*表示差異顯著（<0.05）；**表示差異極顯著（<0.01）。

從表7中還可以看出，各因素中，一次項B為極顯著（＜0.01），A顯著（＜0.05），C為不顯著，表明B石蠟乳液的用量變化對Z值影響最大，其次為A殼聚糖用量影響較大，而C黃原膠用量影響不大。二次項中AC和C2為極顯著，BC為顯著；交互項顯著性的排序為：AC＞BC＞AB。統(tǒng)計學上F值越大、值越小，表明該因素對結果的影響越大[19-21]，通過F值和值大小，可以判定各因素對規(guī)范化得分Z值影響的重要性，各因素對改性后再造煙葉吸濕性能影響排序為：石蠟乳液的涂布量（B）>殼聚糖的涂布量（A）>黃原膠的涂布量（C）。

2.2.3 各因素交互作用分析

響應面3D曲面圖能夠直觀反映出三因素與規(guī)范化綜合得分Z值之間的關系和相互作用[20]，各因素之間的交互作用和等高線見圖4，曲面越彎曲說明因素對結果的影響越大，等高線呈橢圓形且越密集說明各因素間交互作用越顯著。各因素之間對于規(guī)范化綜合得分的影響不是簡單的線性關系。

（a）殼聚糖與石蠟的交互作用 （b）殼聚糖與石蠟的等高線

（c）殼聚糖與黃原膠的交互作用 （d）殼聚糖與黃原膠的等高線

（e）石蠟與黃原膠的交互作用 （f）石蠟與黃原膠的等高線

圖4 各因素間的交互作用

Fig.4 Interaction between factors

從圖4（a）、（b）可看出，殼聚糖（A）和石蠟乳液（B）的Z值其響應面曲線均比較陡峭，說明殼聚糖A和石蠟乳液B對Z值的影響十分顯著。根據圖4（b）可知，殼聚糖與石蠟交互作用的等高線圖近似于圓形，表明兩因素間的交互作用對改性再造煙葉規(guī)范化綜合得分Z值的影響為不顯著。

從圖4（c）、（d）可以看出，隨黃原膠（C）涂布量的增加，改性再造煙葉規(guī)范化得分Z值變化幅度不明顯，C對應的曲面圖較平直，A對應的曲面圖彎曲程度大于C，表明殼聚糖（A）對改性再造煙葉的影響大于黃原膠（C）的影響。隨著殼聚糖（A）涂布量的增加Z值呈現先上升后下降的趨勢，有拐點出現，這可能是由于在一定的涂布量區(qū)間內，增加殼聚糖的用量可以提高改性再造煙葉的疏水性，但過多的涂布量又會抑制改性后的再造煙葉吸濕性能，導致規(guī)范化綜合得分下降。

從圖4（e）、（f）可以看出，石蠟的曲面彎曲程度遠遠大于黃原膠，表明石蠟對Z值的作用顯著性大于黃原膠，從等高線的疏密程度來看，石蠟與黃原膠之間的交互作用顯著性較強。這與表7中回歸模型方差分析的結果是一致的。

2.2.4 模型驗證

以規(guī)范化綜合得分為響應值，通過響應面分析，優(yōu)化得到的表面膜材料涂布液配方為：殼聚糖（A）涂布量為0.633 g/m2，石蠟乳液（B）涂布量為1.498 g/m2，黃原膠（C）涂布量為1.637 g/m2，在此條件下規(guī)范化綜合得分為1.007?？紤]到實際生產需求，調整參數得到膜材料涂布液的優(yōu)化配方為：殼聚糖（A）涂布量為0.6 g/m2，石蠟乳液（B）涂布量為1.5 g/m2，黃原膠（C）涂布量為1.6 g/m2，在此條件下得到改性后再造煙葉的規(guī)范化綜合得分為1.005，與預測值基本一致，因此該模型準確可靠，表明響應面分析結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，有實用價值。

2.3 改性后再造煙葉的物理性能和感官質量

應用響應面實驗優(yōu)化配方制得表面改性再造煙葉，測量其接觸角、吸濕率、放濕率、抗張強度等物理指標，評價感官質量，觀察表面形貌，并與未改性再造煙葉進行對比，實驗結果見表8和圖5。從表8可以看出，相對于空白樣，改性樣的接觸角增加了101%，感官質量略有下降，吸濕率和放濕率分別下降了23.3%、52.7%，表明再造煙葉經表面改性后，其表面的疏水性能得到顯著提高，吸濕性能和放濕性能均有所下降。應指出的是，本文吸濕率和放濕率的測試結果都是對圓形大片樣品進行的，對切絲后樣品的吸濕率和放濕率結果應當另作探討。其次，改性樣的抗張強度增加了42%，這可能與黃原膠和殼聚糖組分具有黏結作用有關。圖5為改性前后再造煙葉的表面形貌圖，相對于空白樣，改性樣的表面平整度提高了，孔隙率和粗糙度有所下降，說明膜材料對再造煙葉表面的孔結構具有一定的整飾作用?？傮w來看，表面改性后再造煙葉的綜合性能得到了改善。利用主成分分析與響應面相結合的方法優(yōu)化再造煙葉表面改性膜材料配方的綜合評價方法是可行的。

表8 再造煙葉表面性能的對比

Tab.8 Comparison of surface properties of reconstituted tobacco

圖5 再造煙葉表面改性前后表面微觀結構圖

3 結論

以殼聚糖、石蠟乳液和黃原膠的涂布量為變量，以接觸角、感官質量、吸濕率和放濕率為評價指標，利用單因素實驗和響應面-主成分分析實驗優(yōu)化確定表面改性膜材料的配方為：殼聚糖、石蠟乳液、黃原膠的涂布量分別為：0.6 g/m2、1.5 g/m2、1.6 g/m2，在此條件下得到改性后再造煙葉的規(guī)范化綜合得分最高，改性再造煙葉的接觸角為87.542°、吸濕率為10.98%，放濕率為2.16%，感官質量得分為87分。相對于未改性再造煙葉，改性再造煙葉的疏水性能得到顯著提高，吸濕率和放濕率均明顯下降，吸濕性過強的問題得到改善，同時，抗張強度有所升高，感官質量基本保持，再造煙葉的綜合品質得到提升。利用表面改性技術解決再造煙葉吸濕性過強問題的關鍵是優(yōu)化膜材料涂布液的配方，本研究基于響應面-主成分分析法優(yōu)化表面膜材料涂布液的配方，開發(fā)出具有適中疏水性的膜材料涂布液，用于再造煙葉表面疏水改性，為解決再造煙葉領域吸濕性過強的共性問題，提供了新的思路和方案。開發(fā)新的表面改性膜材料配方應用于生產實際值得進一步深入研究。

[1] 韓富根. 煙草化學[M]. 中國農業(yè)出版社，2010.

HAN Fugen. Tobacco chemistry[M]. China Agriculture Press, 2010.

[2] 韓聃. 卷煙吸濕規(guī)律及機制研究[D]. 江南大學，2014.

HAN Ran. Study of the moisture adsorption mechanism of tobacco[D]. Jiangnan University, 2014.

[3] 瞿先中，張勁，蔣士盛，等. 外形尺寸對造紙法再造煙葉品質特性的影響[J]. 輕工學報，2020,35(5):26-32.

QU Xianzhong, ZHANG Jin, JIANG Shisheng, et al. The effect of size on the quality characteristics of paper-making reconstituted tobacco[J]. Journal of light industry, 2020,35(5):26-32.

[4] 雷聲，劉秀明，李源棟，等. 不同植物多糖對煙絲吸濕性和保潤性的影響及其作用機制[J]. 食品與機械，2019,35(8):49-54.

LEI Sheng, LIU Xiuming, LI Yuandong, et al. Moisture retention properties of polygonatum polysaccharide in tobacco and its mechanism[J]. Food & Chemistry, 2019,35(8):49-54.

[5] 楊晨，向本富，董高峰，等. 加熱卷煙不同類型專用基片水吸附特性研究[J]. 中國造紙，2021,40(8):56-63.

YANG Chen, XIANG Benfu1, DONG Gaofeng,et al. Study on vapor adsorption characteristics of heated substrate with different types[J]. China Pulp & Paper, 2021,40(8):56-63.

[6] 馬林，周冰. 煙草自身保潤性能[J]. 廣東化工，2009,36(10): 93-94.

MA Lin, ZHOU Bing. The Capacity to Absorb and Retain Moisture of the Tobacco Itself[J]. Guangdong Chemical Industry, 2009, 36(10):93-94.

[7] 顧中鑄，吳薇. 烤煙煙葉的等溫吸濕和解濕特性[J]. 南京師范大學學報（工程技術版），2004(4): 32-34.

GU Zhongzhu, WU Wei. Hygroscopicity and Dehydration Properties of Cured-tobacco Leaves[J]. Journal of Nanjing Normal University, 2004(4): 32-34.

[8] 祝振鑫. 膜材料的親水性、膜表面對水的濕潤性和水接觸角的關系[J]. 膜科學與技術，2014,34(2):1-4.

ZHU Zhenxin. Hydrophilicity, wettability and contact angle[J]. Membrane Science and Technology, 2014,34(2):1-4.

[9] 韓迎迎，袁慶釗，楊飛，等. 造紙法煙草薄片與天然煙葉表面潤濕特性的研究[J]. 林產化學與工業(yè)，2013,33(4):79-82.

HAN Yingying, YUAN Qinzhao, YANG Fei, et al. Surface wetting characteristic of paper-process reco nstituted tobacco and natural tobacco leaf[J]. Chemistry and Industry of Forest Products, 2013, 33(4):79-82.

[10] 張峻松，李皓，霍現寬，等. 煙草等溫吸濕線和凈等量吸附熱的研究[J]. 輕工學報，2016， 32(1) : 28-34.

ZHANG Junsong, LI Hao, HUO Xiankuan, et al. Study on the moisture sorption isotherm and net isosteric heat of sorption of tobacco[J]. Journal of Light Industry, 2016, 32(1) : 28-34.

[11] 劉洋，董浩，胡軍，等. 云南不同類型煙葉表面自由能及其分量的研究[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2013,41(7): 75-78.

LIU Yang, DONG Hao, HU Jun, et al. Surface free energies and their fractions of different tobacco Ieaves in Yunnan[J]. Journal of Northwest A&F University, 2013,41(7):75-78.

[12] 羅煥虎，郭妤，李云，等. 利用接觸角篩選粉體磷酸一銨包裹型防潮劑[J]. 包裝工程，2017,38(17):87-90.

LUO Huanhu, GUO Yu, LI Yun, et al. Screening of Moisture- proof Inclusion Agent with Mono-ammonium Phosphate Powder by Contact Angle[J]. Packaging Engineering, 2017,38(17):87-90.

[13] Samejima T, Nishikata Y, Yano T. Moisture Permeability of Cured Tobacco Epidermis[J]. Agric. Biol. Chem., 1984,48(2):439-443.

[14] Nakanishi Y, Kobari M. On measurement of the poresize distribution of contractive plant material[J]. Kagku Kogaku Ronbunshu, 1988(14):685-689.

[15] 向章敏，周淑平，耿召良. 煙葉表面化學成分的分析研究進展[J]. 西南農業(yè)學報，2015,28(3):1395-1398.

XIANG Zhangmin, ZHOU Shuping, GENG Zhaoliang. Research progress in analysis of cuticular con stituents of tobacco leaves[J]. Southwest China Journal of Agriculture Science, 2015, 28(3): 1395-1398.

[16] Sorlier P, Denuziere A, Viton C, et al. Relation between the degree of acetylation and the electrostatic properties of chitin and chitosan[J]. Biomacromolecules, 2001, 2(3):765-772.

[17] 杜晶晶，韓肖惠，王博，等. 殼聚糖改性高分子表面活性劑研究進展[J]. 日用化學工業(yè)，2021, 51(1):56-63.

DU Jingjing, HAN Xiaohui, WANG Bo, et al. Research progress of chitosan-modified polymeric surfactants[J]. China Surfactant Detergent & Cosmetics, 2021, 51(1):56-63.

[18] 陳開波，徐迎波，閆向陽，等. 煙葉表面蠟質非極性和弱極性成分的分離鑒定及保潤性能[J]. 農業(yè)科學，2017, 7(2): 73-81.

CHEN Kaibo, XU Yingbo,YAN Xiangyang, et al. Hydrophobie Composition of the Surface Wax from Tobacco: Separation, Identification and Moisture Retentivity of Cut Tobacco[J]. Hans Journal of Agricultural Sciences, 2017, 7(2): 73-81.

[19] 趙久毅，游歡，唐春紅，等. 基于響應面-主成分分析法優(yōu)化豆渣膨化食品的配方[J]. 包裝工程，2022, 43(01): 124-132.

ZHAO Jiuyi, YOU Huan, TANG Chunhong, et al. Optimization of formula of puffed soybean dregs food by response surface and principal component analysis method[J]. 2022, 43(01): 124-132.

[20] 肖世娣，王菁，薛逸軒，等. 響應面-主成分分析法優(yōu)化仙人掌發(fā)酵酒工藝[J]. 食品工業(yè)科技，2019,40(15): 113-119.

XIAO Shidi, WANG Jing，XUE Yixuan, et al. Optimization of cactus fermented wine process by response surface-principal component analysis[J]. 2019,40(15): 113-119.

[21] 黃婷婷，白羽嘉，馮作山，等. 響應面結合主成分分析優(yōu)化面片配方[J]. 食品工業(yè)科技，2021,42(21):197-204.

HUANG Tingting, BAI Yujia, FENG Zuoshan, et al. Optimization of Instant Dough Slice Formula by Response Surface-Principal Component Analysis[J]. Science and Technology of Food Industry, 2021, 42(21): 197-204.

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

王子維（1993—），工程師，主要從事新型煙草產品和工藝研究，Email：wangziwei@hbtobacco.cn

趙德清（1973—），博士，副教授，主要從事新型煙草與再造煙葉研究，Email：dqzdq2013@qq.com

2022-11-22；

2023-08-23

王子維，陳一楨，舒灝，等. 基于響應面-主成分分析法優(yōu)化再造煙葉表面改性膜材料的配方研究[J]. 中國煙草學報，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