制造技术几种烟丝的形态、结构与热稳定性比较白晓莉1,霍 红2,蒙延峰3,彭国岗1,龚荣岗11红塔烟草(集团)有限责任公司技术中心,玉溪市红塔大道118号653100;2北京师范大学化学学院,北京市新街口外大街19号100875;3鲁东大学化学与材料科学学院,烟台市红旗中路186号264025摘 要:利用扫描电镜、广角X -射线衍射仪和热重分析仪比较了几种烟丝的表面形态、断面形态、结晶结构与热稳定性的差异,结果表明:天然烟丝组织干瘪,排列紧密,膨胀丝组织光滑膨大;天然烟丝中纤维素结晶度高,膨胀丝中纤维素结晶度较低;3种烟丝热稳定性差别不大。
关键词:烟丝;表面形态;断面形态;结晶度;热稳定性doi:1013969/j.issn.1004-5708120101061005中图分类号:TS452文献标识码:A文章编号:1004-5708(2010)06-0025-04A comparitive stud y of morphological,structura l and thermal stability in various cu t tobaccosB AI Xiao -li 1,H UO Hong 2,ME NG Yan -feng 3,PE NG Guo -gang 1,GONG Rong -gang 11Hongta Tobacco (Group)Co.,LTD.Yuxi 653100,China;2Institute of Polymer Chemistry and Physics,College of Chemistry,Beijing Normal University,Beijing 100875,China;3School of Chemistry &Materials Science,Ludong University,Yantai 264025,ChinaAbstract :Data of morphological,structural and thermal stability of three different cut tobaccos were obtained by SEM,W AXD and TGA metods.Results showed that the structure of na tural tobacco was tight and hence limited filling power,while the structure of expanded tobacco was smooth and hence improved filling power.The crystallization of cellulose in natural to -bacco was higher than that in e xpanded tobacco.The thermal stability of the three tobaccos were similar.Key words:cut tobacco;surface morphology;sectional morphology;crystallization;thermal stability 作者简介:白晓莉,女,理学博士,工程师,研究方向为烟草化学,E -mail:baixi aoli@基金项目:云南中烟工业公司项目/中式卷烟清香型风格品类特征的研究(2009JC05)0收稿日期:2009-07-09烟叶的物理性能是影响卷烟内在品质,加工成本及反映其加工性能的重要参数,烟叶形态及内在结构差异会引起填充值、韧性以及吸湿机制等物理性质的变化[1],进而影响卷烟吸食品质,因此备受卷烟生产厂家的重视[2-4]。
扫描电镜(SE M )、X 射线衍射仪(WAXD)和热重分析仪(TGA)是用来研究材料形态、结构和热性能的有力工具,在烟草中的应用相对较少[5-10]。
本文利用上述仪器分析比较了几种烟丝的表面形态、断面形态、结晶结构及热稳定性的差异,旨在为卷烟的生产加工提供参考。
1 试验部分111 材料与仪器材料:巴西烟叶叶丝(2006年巴西烤片MOB/S)、云南烟叶叶丝(2006年玉溪烤片K326KC3F)、云南烟叶膨胀丝(云南玉溪,水膨胀法)。
仪器:S4800型场发射扫描电子显微镜(日本日立公司);DMax -2500V PC 型X -射线衍射仪(日本Rigaku 公司);STA 409型热重分析仪(德国NETZSC H 公司);DD60A 填充值测量仪(德国Borgwaldt 公司)。
112 试验方法SE M:将烟丝样品截成小段,用导电性胶带固定于样品台,在离子溅射仪上真空干燥、铂喷镀后于扫描电镜上观察取图。
电镜工作电压为10kV,放大倍数400-2500倍。
W AXD:将烟丝样品用剪刀绞碎,然后用研钵将样品碎片研磨成粉末,以消除其取向。
仪器参数:铜靶,镍单色滤光片,波长01154nm,X 光管电压为40kV,管电流为200mA 。
扫描角度5b ~80b ,步长为0102b ,扫描速度8b /min 。
测试温度:室温。
TGA:取约20mg 烟丝样品,装入坩埚中,在热重分析仪上以20e /min 的升温速率从室温加热到1100e ,空气气氛。
填充值:YC/T 152卷烟烟丝填充值的测定。
2 结果与讨论211 形态比较21111 烟丝表面形态SEM 比较3种烟丝的表面SE M 图见图1。
巴西烟叶叶丝表面组织干瘪,有大量的褶皱,且气孔闭合;云南烟叶叶丝表面组织较巴西烟叶光滑,组织清晰,气孔闭合;云南烟叶膨胀丝表面组织膨大,饱满光滑,气孔半张,整个表面褶皱较少,立体感差,较为平整。
膨胀烟丝是由云南产烟叶膨胀而成,其表面与云南烟叶叶丝较为相似。
而巴西烟叶叶丝组织褶皱最深,立体感最强,与云南烟叶叶丝有较大差别。
图1 烟丝表面SEM 照片注:放大倍数:400倍21112 烟丝断面形态SEM 比较3种烟丝的断面SEM 图见图2。
巴西烟叶叶丝(图2-a)内部组织褶皱较深,但彼此之间空隙较大,且排布均匀;云南烟叶叶丝(图2-b)内部组织收缩在一起,排列不均匀,部分组织呈层状堆叠,组织之间空隙较小;云南烟叶膨胀丝(图2-c)内部组织涨开,组织较为光滑,孔隙增大,有大的孔洞出现。
从图中可以注意到巴西烟叶叶丝和云南烟叶叶丝中均存在排列密集的四面体型颗粒状组织结构(2500倍图像见图3),而在云南烟叶膨胀丝的断面图中没有发现这种结构规整的颗粒状组织,推测在膨胀过程中这种紧密排列的颗粒状组织被破坏了。
烟丝的表面形态和断面形态影响其填充值的大小。
利用DD60A 分别测量3种烟丝的填充值,巴西烟叶叶丝:3171cm 3/g;云南烟叶叶丝:3131cm 3/g;云南烟叶膨胀丝:4114c m 3/g 。
从图2、图3中推测天然烟叶叶丝断面组织结构收缩紧凑,部分组织呈层状密集堆叠,烟丝中有独特的四面体形结构是填充值低的内在原因,而膨胀丝组织膨大光滑,紧密排列的四面体形结构被破坏,所以填充值较高,此结果与孔臻等的结论相似[11]。
图2 烟丝断面SEM 照片注:放大倍数:1000倍图3 烟丝的断面SEM 照片注:放大倍数:2500倍212结晶结构比较图4 3种烟丝的X 射线衍射图烟叶叶丝中含有大量的纤维素,它是构成烟草细胞组织和网络、骨架的基本物质,是一种结晶性的高分子碳水化合物[12]。
纤维素有4种主要结晶变体,即纤维素Ñ、纤维素Ò、纤维素Ó和纤维素Ô,天然纤维素均为纤维素Ñ[13]。
天然纤维素晶体的特征峰位置为:(101)平面,1418b ;(101)平面,1616b ;(002)平面,2217b[13]。
烟丝中纤维素含量不高,导致衍射峰较宽,并且2H 角度有所偏移。
如图4所示,3种烟丝在2H 为2113b 处均有一个非常强的衍射峰,对应(002)晶面,云南烟叶叶丝和巴西烟叶叶丝在1513b 处有一个比较小的衍射峰,对应(101)晶面,说明烟丝中的纤维素晶体是纤维素Ñ。
图4中在1616b 没有观察到纤维素Ñ的(101)晶面,这是因为烟丝中纤维素含量不高导致X 衍射信号噪音较大造成的。
图4中云南烟叶膨胀丝在1513b 处的衍射峰消失,并且纤维素结晶度较烟叶叶丝下降,表明膨胀丝加工过程中烟叶组织蓬松胀大,破坏了纤维素晶体,导致结晶度降低。
巴西烟叶叶丝和云南烟叶叶丝虽然产地不同,但是烟丝中纤维素晶体结构相同,结晶度也相差不大。
213 热稳定性比较图5、图6分别是3种烟丝的TGA 曲线和DTG 曲线,可知3种烟丝热失重曲线较为接近。
云南烟叶叶丝的热分解剩余产物比例稍低,巴西烟叶叶丝剩余产物比例最高。
从TGA 曲线来看,产地相同的云南烟叶叶丝和云南烟叶膨胀丝分解曲线相似,而巴西烟叶叶丝稍有不同。
DTG 曲线表明3种烟丝在94e 、203e 、308e 附近均有明显的热失重峰,分别对应着水汽及挥发物、单糖和纤维素的放热及分解。
400e ~500e 之间的热失重对应着木质素等多糖物质的分解;700e 左右的小峰为烟叶中少量无机盐的分解。
如图6所示,膨胀丝的热分解温度均稍高于叶丝,这可能是由于其组织结构蓬松,导热速度较慢造成的热分解滞后。
图5 3种烟丝的TGA曲线图6 3种烟丝的DTG 曲线3 结论本文研究了巴西烟叶叶丝和云南烟叶叶丝以及云南烟叶膨胀丝的表面形态、断面形态、结晶结构以及热稳定性的差异,结论如下:天然烟叶叶丝组织干瘪,结构紧密,膨胀丝组织涨开膨大,饱满光滑,这种内在结构的差异外在体现为膨胀丝的填充值较大;3种烟丝中的纤维素结晶结构相同,但是结晶度差异明显,巴西烟叶叶丝和云南烟叶叶丝中的纤维素结晶度较高,而云南烟叶膨胀丝中的纤维素结晶度较低;热稳定性方面云南烟叶叶丝和云南烟叶膨胀丝较为相似,而不同产地的巴西烟叶叶丝与它们略有差别。
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