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質構儀在煙葉力學特性檢測中的應用進展
閱讀：1978 發布時間：2021-11-23煙葉是卷煙生產的原料，其物理特性對貯存工藝、煙葉加工、卷煙配方設計等均有極其重要的影響，是煙葉品質、加工性能及經濟性的關鍵評價指標［１-４］．煙葉的力學特性不僅是其主要物理特性之一，也是判斷煙葉耐加工性能的重要依據［５］．為使煙葉耐加工性能達到最佳狀態，需要對煙葉的相關力學特性進行研究．目前，關于煙葉力學特性的研究主要集中在煙葉拉力［６］、抗張強度［７-８］、抗破碎指數［９ -１１ ］等與煙葉品質的相關性分析方面．隨著卷煙加工工藝水平的不斷提高，相關技術人員創新了研究方法，通過質構儀建立了煙葉柔軟性［１２］、黏附力［１３ －１４］、穿透力［１５-１６］、剪切力［１７］及質構特性［１８］等煙葉力學特性檢測方法，豐富了煙葉力學研究的內容．
質構儀又稱物理特性測試儀，主要通過模擬人的觸覺對樣品進行檢測分析，是一種精確的感官量化測試儀器［1９］．質構儀操作簡單科學，不受人為因素干擾，檢測靈敏度高，不僅可對樣品的主要物理特性做出數據化的表述，還能有效解釋樣品在儲藏、運輸及加工過程中的物性變化．目前，利用質構儀對煙葉力學特性進行檢測尚處于發展階段，筆者在前人研究的基礎上，就質構儀在煙葉力學特性檢測中的應用現狀進行綜述，并指出存在問題及今后的發展方向，旨在為豐富煙葉力學特性研究內容、有效提高卷煙原料利用率等提供理論依據．
１ 質構儀在煙葉力學特性檢測中的應用
傳統的煙葉力學特性檢測指標包括煙葉拉力、抗張強度、延伸率等，但這些指標主要通過拉伸煙葉檢測其縱向延伸作用力，而煙葉在實際運輸、加工過程中的受力是多方面的，這在一定程度上限制了煙葉相關力學特性的研究及其在實際生產中的應用［２０］．近年來，利用質構儀檢測煙葉的力學特性已逐漸成為評價煙葉耐加工性能的重要技術手段．
１.１ 煙葉柔軟性檢測
柔軟性是指生物體與非生物體在力的作用下可彎曲的性能［２１］，它能客觀反映物體的柔軟程度，屬于物體的一種物理特性．煙葉的柔軟性與煙葉外觀品質、物理特性、化學成分均顯著相關，可作為判斷煙葉品質好壞的重要依據［２２］．
傳統的煙葉柔軟性檢測多采用眼觀、手摸等感官評價方法，這些方法耗時耗力、檢測效率低，且無法量化煙葉的柔軟程度，具有一定的主觀性和不確定性．為進一步精確評價煙葉柔軟性，徐向麗等［２３］借鑒紙張柔軟性檢測方法對不同等級的烤煙進行柔軟性檢測，結果表明，該方法所測煙葉的柔軟性與其外觀品質鑒定結果的吻合度達９０．１ ９％以上，可用于評價煙葉的柔軟性．王亮等［２４］在研究細小纖維對造紙法煙草薄片基片物理性能的影響時，利用柔軟度儀檢
測基片的共振挺度以表征其柔軟性，結果表明，隨著細小纖維平均長度的降低，基片共振挺度上升，即柔軟性變差．占俊文等［２５］為明確烤煙柔軟性與煙葉外觀品質的關系，利用柔軟度儀檢測了４８０ 份取自江西省的烤煙樣品的柔軟
性，并評定了其外觀品質，結果表明，煙葉柔軟性與顏色、油分、色度呈極顯著正相關，與成熟度、葉片結構、身份、總分呈極顯著負相關．
質構儀可模擬抓握過程，真實反映人手對樣品整體柔軟程度的感知．沈進等［１２］依據這一原理，利用質構儀建立了再造煙葉柔軟性檢測方法，研究結果表明，國內外不同造紙法再造煙葉的柔軟性差異顯著，該方法可用于評價造紙法再
造煙葉的柔軟性．相較于傳統的感官評價方法及柔軟度儀檢測方法，質構儀操作簡單、方便，檢測結果更準確，更能整體把握樣品的柔軟性［２６］．
１.２ 煙葉黏附力檢測
煙葉黏附力主要指煙葉細胞內溢出的、具有黏性的液體或半液體脂類等大分子物質附著于煙葉表面的能力［５］．煙葉黏附力與其含水率、環境溫度密切相關，且隨含水率、環境溫度的上升呈先增大后減小的趨勢，通過分析煙葉黏附力與其含水率、環境溫度的關系，可為打葉復烤過程中打葉水分、溫度的設定提供數據支撐［２７-２８］．張玉海等［１ ４］利用質構儀的圓柱形探頭，以4500ｇ 的力對煙葉進行壓縮測試，通過分析所得曲線參數建立了煙葉黏附力的檢測方
法．胡夢巖等［１３］為表征再造煙葉的表面黏性，利用質構儀建立了再造煙葉黏附力的檢測方法，為提高再造煙葉的加工性提供了參考．婁元菲等［２９］分析了３個地區主栽烤煙品種的黏附力，研究結果表明，河南許昌中煙１ ００ 的黏附力最小，福建三明翠碧１ 號的黏附力較大，綜合煙葉黏附力和其他力學檢測指標，最后得出福建三明翠碧１ 號煙葉身份中等至略厚，煙葉持水能力略強，煙葉韌性較好．這與徐波等［３０］的研究結果一致．
煙葉黏附力還能體現煙葉的油分，其值越大表明油分越充足．有研究指出，煙葉油分含量與煙葉品質呈正相關關系，可通過煙葉黏附力判斷煙葉油分，進而判斷煙葉等級［３１ ］．瑜奇偉等［３２］利用質構儀比較了不同等級煙葉的黏附力差異，結果表明，黏附力最大的煙葉等級均為Ｃ１ Ｆ，最小分別為Ｂ４Ｆ 和Ｘ４Ｆ．無論是天然煙葉還是造紙法再造煙葉，質構儀均能精確客觀地評價其黏附力大小，檢測結果與煙葉油分、水分、等級等密切相關，可更好地指導煙葉工業加工，但該方法較為耗時，對樣品水分、溫度的要求也較高．
１.３ 煙葉穿透力、拉力和剪切力檢測
穿透力是煙葉力學檢測指標的重要反映，可為煙葉加工過程中的造碎提供數據支持．拉力和剪切力是指煙葉在一定水分條件下被拉伸、剪切至斷裂時所能承受的最大外力，可通過質構儀的拉伸、剪切模式進行檢測［３３］．煙葉的穿透力、拉力是反映煙葉韌性的重要指標，與煙葉的成熟度密切相關，成熟度好的煙葉，穿透力、拉力較大，柔韌性較好，煙葉的耐打性也越好；煙葉的剪切力則反映煙葉結構的疏松程度，與煙葉厚度密切相關，煙葉越厚、越緊密，其剪切力越大［３０］．
中國煙草總公司鄭州煙草研究院［１５］依據煙葉物理特性的差異，利用質構儀對煙葉樣品進行穿刺實驗，建立了煙葉穿透力的檢測方法．瑜奇偉等［３２］利用質構儀研究煙葉各部位的穿透力、拉力和剪切力，發現煙葉穿透力、拉力、剪切力與煙葉部位的差異均達到顯著水平，其中，上部煙葉較中部煙葉和下部煙葉的差異更明顯．剪切力也是再造煙葉重要的力學特性之一．張玉海等［１７］利用質構儀對造紙法再造煙葉剪切力與其切絲過程的關系進行了研究，發現垂直纖維剪切力與切絲刀棍電流呈顯著正相關關系，是影響切絲性能的重要因素．張玉海等［３４］利用質構儀對造紙法再造煙葉進一步研究發現，造紙法再造煙葉的剪切力、拉力與其真密度、截面纖維形態密切相關：真密度越大，再造煙葉內部空隙容積越小、結構越緊實，拉力、剪切力越大；而剪切力、拉力較大的再造煙葉截面形態不平整，粗條纖維明顯，纖維之間相互纏繞．
煙葉原料打葉特性是其自身力學特性的綜合反映，利用質構儀檢測量化煙葉的穿透力、拉力和剪切力，可為打輥轉速等打葉工藝參數的設定提供依據［２９］，然而，拉力、剪切力的檢測方法對樣品大小、形狀要求較高，可能無法適用于煙片處理工段，可重新對探頭選型，探究適用于較小尺寸結構煙葉的探頭．
１.４ 煙葉質構檢測
ＴＰＡ測試又稱兩次咀嚼測試，是食品中通用的質構測試方法，通過對樣品進行兩次壓縮測試，描繪出ＴＰＡ 測試力－時間曲線圖，如圖１ 所示［３５ －３６］．
由圖１ 可以分析質構特性參數，煙葉質構指標主要包括硬度、黏聚性、咀嚼性、回復性．其中，硬度可以反映煙葉的堅實度，是第一次下壓時的最大峰值；黏聚性在圖形上表示為Ａ２ 面積與Ａ１ 面積的比值，反映樣品在經過第一次壓縮后對第二次壓縮的抵抗能力，即煙葉葉肉或主脈抵抗受損并使結構保持完整的性質；咀嚼性在數值上用膠著性與彈性的乘積表示，反映了煙葉對咀嚼的持續抵抗性；回復性是樣品在第一次被壓縮過程中所釋放的彈性能與所耗能之比，在圖形上用Ａ５ 面積與Ａ４ 面積的比值表示，主要反映煙葉的回彈能力［３７－３８］．
煙葉質構與其組織結構、形態結構、內在成分及可用性密切相關，是品質評定的重要構成因素．武圣江等［３９］利用ｐ／５０ 柱形探頭，在測試速度和測后速度均為１ ｍｍ／ｓ，變形量為５０％，目標值為２０ ｍｍ，觸發力為１ ０ ｇ 的條件下，對煙葉進行ＴＰＡ 測試，并結合烘烤過程中煙葉的色度變化規律，發現在變黃期３８ °Ｃ 左右合理調控烘烤期間的環境，可使煙葉葉片的各種成分和關鍵指標朝著設定的目標轉化，從而改善煙葉的外觀和內在品質．宋朝鵬等［４０］利用質構儀對烤煙細胞在烘烤過程中生理和質地變化的研究表明，在烘烤過程中，煙葉果膠酯酶和纖維素酶會水解細胞壁物質，使細胞結構的完整性遭到破壞，煙葉質地軟化，硬度、咀嚼性和回復性等值隨之降低．該結果與張譯丹等［４１］對烘烤過程中煙葉表皮微形態特征電鏡掃描結果一致：隨著烘烤的進行，腺頭細胞皺縮，所含黏性物質進一步溢出，煙葉質地變軟．
利用質構儀對煙葉進行ＴＰＡ 測試，可精確量化煙葉的物性特征，在煙葉生產加工領域具有廣泛的應用前景，但目前該測試方法主要研究烘烤過程中煙葉質地與其生理結構及顏色的變化規律，對制絲線各主要工序煙葉質地的變化研究鮮有涉及．
１.５ 煙葉脆性檢測
煙葉脆性是指煙葉在受沖擊作用或彎曲作用力時易折、易碎、韌性欠佳的性質［４２］．河南中煙工業有限責任公司［２０］利用質構儀的ＴＰＡ 模式，對煙葉和煙絲的脆性進行了評價分析，并對最終所得曲線進行了數據分析，得出煙葉脆性的數據．但利用質構儀的ＴＰＡ 模式檢測煙葉、煙絲的脆性，需使用圓柱形探頭將樣品壓縮至一定范圍，樣品需具有一定的厚度和回彈能力，而對煙葉、煙草薄片類似于紙張特性的樣品，利用這種方法可能無法反映樣品脆性的真實情況［４３］．
根據脆性材料的發脆本質認為，材料的破裂首先出現在其有缺陷的部位，這些缺陷破壞了材料內部的應力場而引起局部的應力集中，進而導致局部破裂，使材料產生裂紋，同時又引起更強的應力集中，當應力超過材料的極限壓力時，會出現裂紋的擴展直至材料*斷裂［４４］．王志杰等［４５］利用質構儀的拉伸模式模擬撕開煙草薄片的過程，并以煙草薄片在撕裂一定距離或時間過程中的正峰個數表征其脆性．然而，天然煙葉組織結構及力學性能與煙草薄片存在較大差異，用于煙草薄片脆性評價的方法對細脈分布復雜的天然煙葉的適用性受限．
綜上所述，將質構儀用于煙葉力學特性檢測客觀、靈敏，通過對煙葉的壓縮、拉伸、剪切、穿刺等物理應力及應變綜合測試結果分析，可較全面地反映煙葉在儲藏、運輸、工業加工過程中的受力情況，豐富煙葉力學特性的研究內容，為提高煙葉加工品質和加工水平提供理論依據．但質構儀在煙葉力學特性檢測中還存在許多不足：一是質構儀在檢測過程中對樣品的一致性要求較高，選取的煙葉樣品需具有很好的均勻性，否則對同一煙葉樣品不同位置的檢測結果可比性較差［４６］；二是質構儀在煙葉力學檢測中缺乏標準的檢測參數和方法，例如檢測條件會影響煙葉質構的檢測結果，包括煙葉的水分、溫度、厚度、油分等；三是由于缺少科學的量化指標，檢測結果仍需結合傳統的物理特性檢測方法以實現煙葉品質的綜合評價，質構儀檢測的準確性有待提高；四是質構儀多應用于煙葉或再造煙葉的力學指標檢測，對煙絲、梗絲的物理指標檢測鮮有涉及；五是拉力、剪切力的檢測方法需要將樣品裁剪成１.５ ｃｍ ×１ ５ ｃｍ 或２ ｃｍ ×１ ０ ｃｍ 條狀，而煙片處理工段的煙葉樣品可能無法滿足裁剪條件，故這兩種力學性能檢測方法尚需進一步優化．
２ 結語與展望
本文在對相關研究結果進行梳理的基礎上，就質構儀在煙葉力學特性檢測中的應用現狀進行了綜述，并指出存在的問題，認為目前利用質構儀建立的多種煙葉力學檢測方法，為綜合評價煙葉耐加工性能提供了理論依據，但部分檢測方法尚不完善，所測樣品只針對原煙階段，無法適用于整個煙葉片的處理加工過程．因此，在以后的研究中，研究者需要充分結合質構儀的運行機理和樣品的檢測要求，依據煙葉自身的加工特性，選用合適的探頭及檢測方法，調整實驗參數，建立規范化、標準化的煙葉樣品預處理方法和檢測流程，確保檢測結果的客觀性、穩定性．后續還可以更深入地研究質構儀在煙
梗、煙絲等煙草制品力學檢測中的應用，針對煙梗回透率、煙絲柔軟性等建立標準檢測方法，完善煙草力學特性研究內容，進一步拓展質構儀在煙草貯藏、加工過程中的發展空間．
文獻來源：質構儀在煙葉力學特性檢測中的應用進展。《輕工學報》2021年6月第36卷第3期