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Technical articles煙葉是(shi)卷煙生產的(de)原料(liao),其物(wu)理特性(xing)對貯存(cun)工藝、煙(yan)葉加工、卷煙配(pei)方設計等(deng)均有極其(qi)重要的(de)影響,是煙葉品(pin)質、加工性能及(ji)經濟性的關(guan)鍵評價指(zhi)標[1-4].煙葉(ye)的力學(xue)特性(xing)不僅(jin)是其主要物理(li)特性之(zhi)一,也是判斷(duan)煙葉耐(nai)加工(gong)性能的重(zhong)要依據[5].為(wei)使煙葉耐(nai)加工性能達到(dao)最佳(jia)狀態(tài),需(xu)要對煙(yan)葉的相關(guan)力學(xue)特性進行(xing)研究.目(mu)前,關于煙(yan)葉力學特性(xing)的研究(jiu)主要集(ji)中在煙葉拉力(li)[6]、抗張(zhang)強度(du)[7-8]、抗破碎(sui)指數(shu)[9 -11 ]等與煙(yan)葉品質的相關(guan)性分(fen)析方(fang)面.隨著卷煙(yan)加工工(gong)藝水平(ping)的不斷提(ti)高,相關技術(shu)人員創(chuàng)(chuang)新了研(yan)究方法,通過(guo)質構儀建立(li)了煙(yan)葉柔軟(ruan)性[12]、黏附力(li)[13 -14]、穿透力[15-16]、剪切力(li)[17]及質(zhi)構特性[18]等(deng)煙葉力學特(te)性檢測方法,豐(feng)富了煙葉力(li)學研究的內(nei)容.
質構(gou)儀又(you)稱物理(li)特性測(ce)試儀(yi),主要通過(guo)模擬人的觸覺(jue)對樣(yang)品進行檢測(ce)分析,是一種精(jing)確的感官量化(hua)測試儀器[19].質構(gou)儀操作(zuo)簡單科(ke)學,不受人(ren)為因(yin)素干擾,檢測(ce)靈敏度高(gao),不僅可對樣(yang)品的主要(yao)物理特(te)性做出數(shu)據化的表述(shu),還能有(you)效解釋樣品在(zai)儲藏、運(yun)輸及(ji)加工過程(cheng)中的(de)物性變化.目前(qian),利用質構儀對(dui)煙葉力(li)學特性進行(xing)檢測尚處(chu)于發(fā)展階段(duan),筆者在前人研(yan)究的基礎上(shang),就質構儀在(zai)煙葉力學特性(xing)檢測(ce)中的(de)應用(yong)現狀進行綜述(shu),并指出(chu)存在問題及(ji)今后的(de)發(fā)展(zhan)方向,旨(zhi)在為豐富煙(yan)葉力學(xue)特性(xing)研究(jiu)內容(rong)、有效提高(gao)卷煙原料利用(yong)率等提供(gong)理論(lun)依據.
1 質構(gou)儀在煙葉(ye)力學(xue)特性檢測中的(de)應用
傳統(tǒng)的(de)煙葉力學特性(xing)檢測指標包(bao)括煙葉拉力(li)、抗張強度、延伸(shen)率等,但(dan)這些指標主要(yao)通過拉(la)伸煙葉檢測(ce)其縱向延伸(shen)作用力,而(er)煙葉在實際運(yun)輸、加工(gong)過程中的(de)受力(li)是多方(fang)面的,這在(zai)一定程度上限(xian)制了煙葉相關(guan)力學特(te)性的研究(jiu)及其(qi)在實際(ji)生產中的應(ying)用[20].近年來,利(li)用質構儀檢測(ce)煙葉的力學(xue)特性已(yi)逐漸成為評(ping)價煙葉耐加(jia)工性能的(de)重要技術(shu)手段.
1.1 煙葉柔(rou)軟性檢測
柔軟性(xing)是指生(sheng)物體與非生物(wu)體在(zai)力的作(zuo)用下可彎曲(qu)的性能[21],它(ta)能客觀(guan)反映物體(ti)的柔軟程度,屬(shu)于物體的(de)一種物理特性(xing).煙葉的柔(rou)軟性與煙葉(ye)外觀品質、物(wu)理特性、化學成(cheng)分均顯著相關(guan),可作為(wei)判斷煙葉(ye)品質好(hao)壞的重要(yao)依據[22].
傳統(tǒng)(tong)的煙葉柔軟性(xing)檢測(ce)多采用眼觀、手(shou)摸等(deng)感官評(ping)價方法,這(zhe)些方法(fa)耗時耗力、檢(jian)測效率低,且(qie)無法量化煙(yan)葉的(de)柔軟程(cheng)度,具有一(yi)定的主(zhu)觀性和不確定(ding)性.為進一步精(jing)確評價煙(yan)葉柔(rou)軟性,徐向麗等(deng)[23]借鑒紙張柔軟(ruan)性檢測方法對(dui)不同等級的(de)烤煙(yan)進行柔軟(ruan)性檢測,結果(guo)表明,該(gai)方法(fa)所測煙葉(ye)的柔(rou)軟性(xing)與其外觀品(pin)質鑒定結(jie)果的吻(wen)合度達(da)90.1 9%以上(shang),可用于評價(jia)煙葉的(de)柔軟性(xing).王亮等[24]在研究(jiu)細小纖維對造(zao)紙法煙草薄片(pian)基片物理性(xing)能的(de)影響時,利(li)用柔軟度儀檢(jian)
測基片的共(gong)振挺度以表(biao)征其柔軟(ruan)性,結果(guo)表明,隨著(zhe)細小(xiao)纖維平均(jun)長度(du)的降(jiang)低,基片共(gong)振挺度上(shang)升,即柔軟性(xing)變差(cha).占俊文(wen)等[25]為明確(que)烤煙柔軟性與(yu)煙葉外觀(guan)品質的關系,利(li)用柔軟度(du)儀檢(jian)測了480 份(fen)取自江西省的(de)烤煙樣(yang)品的(de)柔軟
性,并評定了(le)其外觀品質(zhi),結果表明,煙葉(ye)柔軟性與顏色(se)、油分(fen)、色度(du)呈極顯著正(zheng)相關,與成熟(shu)度、葉片(pian)結構、身份(fen)、總分呈極顯著(zhu)負相關.
質構儀可模(mo)擬抓握(wo)過程,真(zhen)實反映(ying)人手(shou)對樣品整體(ti)柔軟程度的感(gan)知.沈進(jin)等[12]依據(ju)這一原(yuan)理,利(li)用質構儀建立(li)了再造煙葉(ye)柔軟性檢(jian)測方(fang)法,研究結(jie)果表明,國(guo)內外不(bu)同造紙(zhi)法再造煙葉(ye)的柔軟性差異(yi)顯著,該方法(fa)可用于評價造(zao)紙法再
造煙葉的柔(rou)軟性.相較(jiao)于傳統(tǒng)的(de)感官評價方法(fa)及柔(rou)軟度(du)儀檢測(ce)方法,質構(gou)儀操作簡(jian)單、方便,檢測結(jie)果更準確,更(geng)能整體把握(wo)樣品的柔(rou)軟性[26].
1.2 煙葉黏附(fu)力檢測
煙葉黏附力主(zhu)要指(zhi)煙葉細胞內溢(yi)出的、具有(you)黏性的液體或(huo)半液體脂(zhi)類等大分(fen)子物(wu)質附著于煙葉(ye)表面(mian)的能力(li)[5].煙葉黏附(fu)力與(yu)其含水率、環(huán)境(jing)溫度(du)密切相關,且隨(sui)含水率、環(huán)(huan)境溫度的上升(sheng)呈先增大后減(jian)小的趨(qu)勢,通過分(fen)析煙葉(ye)黏附力與其(qi)含水率、環(huán)(huan)境溫度的關系(xi),可為打葉(ye)復烤過(guo)程中打(da)葉水分、溫(wen)度的(de)設定提供(gong)數據(ju)支撐[27-28].張玉海等(deng)[1 4]利用(yong)質構儀的(de)圓柱形探(tan)頭,以4500g 的(de)力對(dui)煙葉進行壓(ya)縮測試,通(tong)過分析所得曲(qu)線參(can)數建立了(le)煙葉黏附力的(de)檢測方
法.胡夢巖(yan)等[13]為表(biao)征再造(zao)煙葉的(de)表面黏性(xing),利用質(zhi)構儀建立了再(zai)造煙(yan)葉黏附力的檢(jian)測方法,為(wei)提高(gao)再造煙葉的加(jia)工性提供了(le)參考(kao).婁元菲等[29]分(fen)析了3個地區(qū)(qu)主栽烤煙(yan)品種的黏(nian)附力,研究結(jie)果表明,河(he)南許昌(chang)中煙1 00 的黏附(fu)力最小,福建(jian)三明翠碧(bi)1 號的黏附力(li)較大,綜合(he)煙葉黏附力(li)和其他力學(xue)檢測指標(biao),最后得出(chu)福建三明翠(cui)碧1 號煙葉(ye)身份中(zhong)等至略厚,煙(yan)葉持水能(neng)力略強,煙葉(ye)韌性較好(hao).這與徐波等(deng)[30]的研究結(jie)果一致.
煙葉黏附力還(hai)能體現煙(yan)葉的油分,其值(zhi)越大表明油分(fen)越充(chong)足.有(you)研究(jiu)指出,煙葉油(you)分含量與(yu)煙葉品質呈正(zheng)相關關系,可通(tong)過煙(yan)葉黏(nian)附力(li)判斷煙(yan)葉油分(fen),進而判斷(duan)煙葉等級[31 ].瑜(yu)奇?zhèn)?wei)等[32]利用質(zhi)構儀比較了(le)不同等級煙葉(ye)的黏附(fu)力差異,結果表(biao)明,黏附(fu)力最大的煙(yan)葉等級均(jun)為C1 F,最小分(fen)別為B4F 和X4F.無論是(shi)天然煙葉(ye)還是造紙法再(zai)造煙(yan)葉,質構(gou)儀均能精(jing)確客觀地(di)評價(jia)其黏附力大小(xiao),檢測結果(guo)與煙葉油分、水(shui)分、等級等密切(qie)相關,可(ke)更好地(di)指導煙(yan)葉工(gong)業(yè)加工,但該(gai)方法(fa)較為耗時,對樣(yang)品水(shui)分、溫度(du)的要求也較(jiao)高.
1.3 煙葉(ye)穿透力、拉力(li)和剪(jian)切力(li)檢測(ce)
穿透力是(shi)煙葉力(li)學檢測(ce)指標(biao)的重要反映(ying),可為煙葉(ye)加工過程中(zhong)的造碎提供(gong)數據支持(chi).拉力(li)和剪切力(li)是指煙(yan)葉在一(yi)定水分條件下(xia)被拉伸、剪(jian)切至斷裂時(shi)所能承受(shou)的最(zui)大外力(li),可通過(guo)質構儀的拉伸(shen)、剪切模式進(jin)行檢測[33].煙(yan)葉的(de)穿透力、拉力是(shi)反映煙葉韌性(xing)的重要指(zhi)標,與煙(yan)葉的成熟度(du)密切(qie)相關,成熟度好(hao)的煙(yan)葉,穿透力、拉(la)力較大,柔韌性(xing)較好,煙葉的(de)耐打性也越好(hao);煙葉的剪切力(li)則反映煙(yan)葉結構的(de)疏松程度,與(yu)煙葉厚(hou)度密切相關(guan),煙葉越厚(hou)、越緊密,其剪(jian)切力(li)越大[30].
中國煙草總(zong)公司鄭州(zhou)煙草研(yan)究院[15]依據煙葉(ye)物理特性(xing)的差異,利用(yong)質構儀對煙(yan)葉樣品進行(xing)穿刺實驗,建立(li)了煙葉(ye)穿透力的(de)檢測方法.瑜奇(qi)偉等[32]利用(yong)質構儀研究煙(yan)葉各部位(wei)的穿透力、拉(la)力和(he)剪切(qie)力,發(fā)現煙葉(ye)穿透(tou)力、拉力(li)、剪切力與(yu)煙葉部(bu)位的差異均(jun)達到顯(xian)著水平(ping),其中,上部(bu)煙葉較中部(bu)煙葉和(he)下部煙葉(ye)的差(cha)異更明(ming)顯.剪切力(li)也是(shi)再造煙葉重(zhong)要的力學特性(xing)之一.張(zhang)玉海等[17]利(li)用質構儀對(dui)造紙法(fa)再造煙(yan)葉剪切力與其(qi)切絲過程(cheng)的關系進(jin)行了研(yan)究,發(fā)現垂直纖(xian)維剪切(qie)力與切絲刀(dao)棍電流呈(cheng)顯著正相關(guan)關系,是影(ying)響切(qie)絲性(xing)能的重(zhong)要因素.張玉海(hai)等[34]利用(yong)質構儀(yi)對造紙法再(zai)造煙葉進(jin)一步研究(jiu)發(fā)現,造紙(zhi)法再造(zao)煙葉(ye)的剪切力(li)、拉力與其真(zhen)密度、截(jie)面纖維(wei)形態(tài)密切相(xiang)關:真密(mi)度越大,再造煙(yan)葉內部空隙容(rong)積越小(xiao)、結構越緊實,拉(la)力、剪切力(li)越大;而剪(jian)切力、拉(la)力較大(da)的再造煙葉截(jie)面形態(tài)不平(ping)整,粗條纖(xian)維明顯,纖(xian)維之間(jian)相互纏繞(rao).
煙葉原料(liao)打葉特性是其(qi)自身力學(xue)特性(xing)的綜合反映(ying),利用質(zhi)構儀檢(jian)測量化煙葉(ye)的穿透力、拉力(li)和剪切(qie)力,可為打輥轉(zhuan)速等打葉工藝(yi)參數的設定(ding)提供(gong)依據[29],然而,拉力(li)、剪切力的檢測(ce)方法對樣品(pin)大小、形狀要求(qiu)較高,可能(neng)無法適用(yong)于煙片處(chu)理工段,可重(zhong)新對(dui)探頭(tou)選型,探究(jiu)適用于較(jiao)小尺寸結(jie)構煙葉的(de)探頭.
1.4 煙葉質構檢(jian)測
TPA測試(shi)又稱兩次咀嚼(jue)測試,是(shi)食品中(zhong)通用(yong)的質構測試(shi)方法,通(tong)過對樣品進(jin)行兩次壓縮測(ce)試,描繪出TPA 測(ce)試力-時間曲線(xian)圖,如圖(tu)1 所示[35 -36].
由圖1 可(ke)以分析質(zhi)構特(te)性參數(shu),煙葉質(zhi)構指標主要(yao)包括硬度、黏(nian)聚性、咀嚼性(xing)、回復性(xing).其中,硬度(du)可以反映煙(yan)葉的(de)堅實度,是(shi)第一次下壓時(shi)的最大(da)峰值;黏聚性(xing)在圖(tu)形上表示(shi)為A2 面積與A1 面積(ji)的比值,反映(ying)樣品在經過第(di)一次壓縮后(hou)對第二(er)次壓縮的抵抗(kang)能力,即煙葉(ye)葉肉(rou)或主脈抵抗(kang)受損并使(shi)結構(gou)保持完整的性(xing)質;咀嚼(jue)性在數值上用(yong)膠著性與(yu)彈性的(de)乘積表示,反(fan)映了煙葉對(dui)咀嚼的持續(xù)(xu)抵抗(kang)性;回復性(xing)是樣品(pin)在第一次被(bei)壓縮過(guo)程中所釋(shi)放的彈性能(neng)與所耗能之(zhi)比,在圖形上用(yong)A5 面積與(yu)A4 面積的(de)比值表示(shi),主要反(fan)映煙葉(ye)的回(hui)彈能力[37-38].
煙葉質構與(yu)其組織(zhi)結構、形態(tài)(tai)結構、內在成(cheng)分及可用(yong)性密切相(xiang)關,是品(pin)質評定(ding)的重要(yao)構成因素(su).武圣江等(deng)[39]利用p/50 柱形探(tan)頭,在測試速度(du)和測后速度均(jun)為1 mm/s,變形(xing)量為50%,目標(biao)值為20 mm,觸(chu)發(fā)力為1 0 g 的條件(jian)下,對(dui)煙葉(ye)進行TPA 測(ce)試,并結合烘(hong)烤過程中煙葉(ye)的色度變(bian)化規(guī)(gui)律,發(fā)現在變黃(huang)期38 °C 左(zuo)右合理(li)調控(kong)烘烤期間的(de)環(huán)境,可使煙葉(ye)葉片(pian)的各種成分(fen)和關鍵(jian)指標朝著(zhe)設定的目標(biao)轉化,從而(er)改善煙葉的外(wai)觀和內在品(pin)質.宋朝鵬等[40]利(li)用質構儀對(dui)烤煙(yan)細胞在烘烤過(guo)程中(zhong)生理和(he)質地(di)變化的研究(jiu)表明,在烘烤過(guo)程中(zhong),煙葉果膠酯(zhi)酶和纖維(wei)素酶(mei)會水解細(xi)胞壁物(wu)質,使細胞(bao)結構的完整(zheng)性遭(zao)到破壞,煙葉(ye)質地軟(ruan)化,硬度、咀嚼性(xing)和回(hui)復性等(deng)值隨之降低(di).該結果(guo)與張譯丹等[41]對(dui)烘烤過程(cheng)中煙葉(ye)表皮微形態(tài)(tai)特征電鏡(jing)掃描結果(guo)一致:隨著烘(hong)烤的進行(xing),腺頭細胞(bao)皺縮,所含黏性(xing)物質進一步(bu)溢出,煙葉質地(di)變軟.
利用質構儀(yi)對煙葉(ye)進行TPA 測試,可(ke)精確量化(hua)煙葉(ye)的物性特征,在(zai)煙葉生(sheng)產加工領域(yu)具有廣泛的(de)應用前(qian)景,但目前該測(ce)試方法主(zhu)要研(yan)究烘烤過程中(zhong)煙葉質地與其(qi)生理結構(gou)及顏色的變化(hua)規(guī)律(lv),對制絲線各(ge)主要工序(xu)煙葉質地的變(bian)化研究鮮有(you)涉及.
1.5 煙葉脆性檢測(ce)
煙葉脆性是(shi)指煙(yan)葉在受(shou)沖擊(ji)作用(yong)或彎曲作用力(li)時易折、易碎、韌(ren)性欠佳的性質(zhi)[42].河南中煙(yan)工業(yè)有限(xian)責任公司[20]利(li)用質構(gou)儀的TPA 模(mo)式,對煙(yan)葉和煙絲(si)的脆性進(jin)行了評(ping)價分析(xi),并對最終所得(de)曲線進行了數(shu)據分析,得出煙(yan)葉脆性的數據.但利(li)用質構(gou)儀的TPA 模式檢測(ce)煙葉、煙絲的(de)脆性,需使用圓(yuan)柱形探頭(tou)將樣品壓(ya)縮至一(yi)定范圍,樣品需(xu)具有一定的(de)厚度和回彈(dan)能力,而對(dui)煙葉、煙(yan)草薄片類似于(yu)紙張?zhí)匦缘臉?yang)品,利用這種(zhong)方法可(ke)能無(wu)法反映樣品脆(cui)性的(de)真實情(qing)況[43].
根據脆性(xing)材料的發(fā)(fa)脆本(ben)質認為,材料(liao)的破(po)裂首先(xian)出現在(zai)其有(you)缺陷的部位(wei),這些(xie)缺陷破壞了(le)材料內部的應(ying)力場而引起局(ju)部的應力(li)集中,進而(er)導致局部破裂(lie),使材料產(chan)生裂紋(wen),同時又(you)引起(qi)更強的應力集(ji)中,當應力超(chao)過材料的(de)極限壓力(li)時,會(hui)出現裂(lie)紋的擴展直至(zhi)材料*斷裂[44].王(wang)志杰等[45]利(li)用質構儀的拉(la)伸模式(shi)模擬(ni)撕開煙草(cao)薄片的過程(cheng),并以煙草薄(bao)片在撕裂一定(ding)距離或(huo)時間(jian)過程中的正(zheng)峰個數表征其(qi)脆性.然而,天(tian)然煙葉(ye)組織結構及力(li)學性能與煙草(cao)薄片存在較大(da)差異,用于煙草(cao)薄片脆性評價(jia)的方(fang)法對細脈分(fen)布復雜的(de)天然煙(yan)葉的適用性受(shou)限.
綜上(shang)所述,將質(zhi)構儀用于煙葉(ye)力學特性檢測(ce)客觀、靈(ling)敏,通(tong)過對煙葉的壓(ya)縮、拉伸、剪切、穿(chuan)刺等物理(li)應力(li)及應變綜合測(ce)試結果(guo)分析,可較全面(mian)地反(fan)映煙葉在儲(chu)藏、運(yun)輸、工業(yè)加(jia)工過(guo)程中的(de)受力情況,豐富(fu)煙葉力學特(te)性的研究內容(rong),為提高(gao)煙葉(ye)加工(gong)品質和(he)加工水平(ping)提供理論依據(ju).但質(zhi)構儀在煙葉(ye)力學特性檢(jian)測中(zhong)還存在許(xu)多不足:一是(shi)質構儀在檢測(ce)過程中對(dui)樣品(pin)的一致性要(yao)求較高(gao),選取的煙(yan)葉樣品需具(ju)有很(hen)好的均勻(yun)性,否則對同(tong)一煙葉樣(yang)品不(bu)同位置的檢(jian)測結果(guo)可比性較差(cha)[46];二是質構儀(yi)在煙葉力學檢(jian)測中缺乏(fa)標準的檢測參(can)數和方(fang)法,例如檢(jian)測條(tiao)件會影響(xiang)煙葉質(zhi)構的(de)檢測(ce)結果(guo),包括煙(yan)葉的(de)水分、溫度、厚(hou)度、油分等;三是(shi)由于(yu)缺少(shao)科學的(de)量化指標,檢測(ce)結果(guo)仍需(xu)結合傳統(tǒng)的(de)物理特性檢(jian)測方法以(yi)實現煙(yan)葉品質的(de)綜合(he)評價(jia),質構(gou)儀檢測的準(zhun)確性有待提高(gao);四是質(zhi)構儀多應用于(yu)煙葉或再造(zao)煙葉的力學(xue)指標檢測(ce),對煙絲、梗(geng)絲的(de)物理(li)指標(biao)檢測鮮(xian)有涉及(ji);五是拉力、剪切(qie)力的(de)檢測方(fang)法需要將樣(yang)品裁剪(jian)成1.5 cm ×1 5 cm 或(huo)2 cm ×1 0 cm 條狀,而煙(yan)片處理工段的(de)煙葉樣品可能(neng)無法滿足裁(cai)剪條件,故這(zhe)兩種力(li)學性能檢(jian)測方(fang)法尚(shang)需進一(yi)步優(yōu)化.
2 結語(yu)與展(zhan)望
本文在對相關(guan)研究結果進(jin)行梳(shu)理的基礎(chu)上,就質構儀在(zai)煙葉力學(xue)特性檢(jian)測中(zhong)的應用現狀(zhuang)進行了(le)綜述,并指(zhi)出存在的(de)問題,認為目(mu)前利用(yong)質構(gou)儀建立的多(duo)種煙葉力(li)學檢測(ce)方法,為綜合(he)評價煙葉耐(nai)加工性(xing)能提供了理論(lun)依據,但部分(fen)檢測方(fang)法尚不(bu)完善,所測(ce)樣品只針(zhen)對原煙階段(duan),無法適用于(yu)整個(ge)煙葉片的處理(li)加工過程.因此(ci),在以后的(de)研究中,研(yan)究者(zhe)需要充分結(jie)合質構(gou)儀的運行機理(li)和樣品的檢測(ce)要求,依(yi)據煙葉自身的(de)加工(gong)特性,選用合適(shi)的探頭(tou)及檢(jian)測方法,調(diao)整實(shi)驗參數,建立規(guī)(gui)范化(hua)、標準化的煙葉(ye)樣品(pin)預處理方(fang)法和檢測流程(cheng),確保檢測結(jie)果的(de)客觀性、穩(wěn)(wen)定性.后續(xù)(xu)還可(ke)以更深(shen)入地研(yan)究質構儀在(zai)煙
梗、煙(yan)絲等煙草制(zhi)品力學(xue)檢測中(zhong)的應用,針對煙(yan)?;赝嘎省熃z(si)柔軟性等建(jian)立標準(zhun)檢測方法,完(wan)善煙草力學特(te)性研(yan)究內(nei)容,進一(yi)步拓展(zhan)質構儀在煙草(cao)貯藏、加工過程(cheng)中的發(fā)展(zhan)空間(jian).
文獻來源(yuan):質構儀(yi)在煙葉力(li)學特性檢測中(zhong)的應(ying)用進展。《輕工學(xue)報》2021年6月(yue)第36卷第3期(qi)