质构仪对烟叶脆性的质构分析：穿刺测试参数优化与脆性指数构建

在烟草工业中，烟叶脆性直接影响切丝、烘丝、输送等环节的造碎率。脆性过高易导致烟丝过碎，增加损耗并影响燃烧均匀性；脆性过低则可能造成切丝不畅、填充性能下降。质构仪作为一种广泛应用于食品、材料领域的物性分析设备，其穿刺（Puncture）模式能有效模拟外力对片状材料的局部破坏过程，适用于薄而脆的烟叶样品。

关键词：烟叶；脆性；质构仪；穿刺测试；脆性指数；造碎率；物理特性

一、实验原理与方法

1.测试原理

穿刺测试通过探头垂直穿透烟叶样品，记录穿透过程中所受阻力随位移的变化。脆性材料在受力后通常表现为“应力集中—突然断裂”的特征，在力-位移曲线上呈现明显的峰值力（PeakForce）和较小的断裂位移（BreakDistance）。峰值力越小、断裂越突然，表明材料越脆。

2.仪器与参数设置

• 仪器TA-BF01质构仪
• 探头：直径2mm圆柱形平底不锈钢探头（符合ASTMD5782标准推荐）
• 测试模式：穿刺模式（PunctureTest）
• 测试速度：1.0mm/s（预压速度1.0mm/s，测试速度1.0mm/s，返回速度5.0mm/s）
• 触发力：5g
• 穿透深度：3.0mm（确保完全穿透典型厚度烟叶）
• 环境条件：温度(22±1)°C，相对湿度(60±2)%RH（样品平衡48h）

3.样品制备

选取同一等级、部位、成熟度的烤后烟叶，去除主脉，裁剪为30mm×30mm方片，每组至少测试10片，取平均值以减少个体差异。

二、脆性评价指标构建

基于穿刺曲线，提取以下关键参数用于脆性表征：

1. 峰值力（Fmax，单位：g或N）：穿透过程中最大阻力，反映烟叶抵抗初始破坏的能力。
2. 断裂位移（Dbreak，单位：mm）：从接触点到峰值力对应的位移，表征材料延展性。
3. 脆性指数（BrittlenessIndex,BI）：定义为BI=FmaxDbreakBIDbreak
   Fmax
   该比值越高，说明单位变形所需力越大且断裂越突然，脆性越强。
4. 曲线斜率（刚度，Stiffness）：初始线性段斜率，反映烟叶刚性。

通过相关性分析与主成分分析（PCA），验证上述指标与实际加工造碎率的相关性。

三、实验方案设计

1. 样品准备：选取具有代表性的烟叶样品，按照统一的标准进行预处理，如去除杂质、调整水分含量等。
2. 测试条件设定：根据烟叶的特性，选择合适的质构仪探头、测试速度、穿透深度等参数。
3. 数据采集与处理：利用质构仪配套的软件实时采集穿刺过程中的力-位移曲线，通过数据分析提取出反映烟叶脆性的关键指标，如最大穿刺力、断裂点位移等。
4. 重复性与再现性验证：对同一批次和不同批次的烟叶样品进行多次测试，评估该方法的重复性和再现性。

四、结果与讨论

通过实验数据的分析，发现基于质构仪穿刺模式的烟叶脆性定量评价方法能够有效地区分不同品种、不同成熟度以及不同加工工艺的烟叶。最大穿刺力和断裂点位移等关键指标与烟叶的脆性呈显著相关性，可以作为评价烟叶脆性的定量指标。此外，该方法还具有操作简便、快速、准确等优点，适用于大规模烟叶样品的检测。

基于质构仪穿刺模式的烟叶脆性定量评价方法，通过构建脆性指数（BI）等参数，实现了对烟叶脆性的精准、可重复表征。该方法不仅适用于实验室研究，也为烟草工业中烟叶质量控制、工艺优化及低造碎加工提供了可靠的技术支撑。建议在行业标准中推广此类物性测试方法，以提升烟草加工的科学化水平。