司曉喜，向本富,2，朱瑞芝，蔣 薇，劉春波，張子龍，楊 晨,2，張鳳梅，唐石云，湯建國，夭建華，劉志華*,2

1. 云南省煙草化學(xué)重點(diǎn)實驗室，云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市紅錦路367 號 650231

2. 昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，昆明市景明南路727 號 650500

水分活度（Water activity，aw）是指材料中水的逸度與純水逸度的比值，在平衡系統(tǒng)中可近似表示為材料的水分平衡蒸汽壓與相同溫度下純水的飽和蒸汽壓的比值［1］。aw既能反映食品中水的能量狀態(tài)，又能揭示食品質(zhì)量變化和微生物繁殖對其水分可利用的程度，已被列為食品加工過程及成品質(zhì)量的重要控制參數(shù)和監(jiān)控指標(biāo)，用aw指導(dǎo)生產(chǎn)和貯藏具有重要意義［1］。加熱卷煙是利用熱源對芯材進(jìn)行加熱的新型煙草制品，由于芯材使用了較高比例和高吸濕性的醇類發(fā)煙劑，因而對其含水率和存儲條件的控制等提出了新的要求［2-4］。檢測并控制加熱卷煙的aw，可用于控制產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)穩(wěn)定性，指示貯藏穩(wěn)定性、配方穩(wěn)定性、加工工藝穩(wěn)定性，在一定程度上還可以指示含水率，具有廣泛應(yīng)用前景［5］。

aw的測定方法主要有擴(kuò)散法和水分活度測試儀法（儀器法）［6］。擴(kuò)散法為直接測定法，傳統(tǒng)的康衛(wèi)氏皿擴(kuò)散法通過測定試樣在密閉環(huán)境中引起的質(zhì)量變化計算aw值，檢測成本低；但耗時長，不能滿足檢測及時性需求［7］。儀器法為間接測定方法，采用平衡相對濕度法測量原理，將試樣置于密閉環(huán)境中達(dá)到擴(kuò)散平衡，aw在數(shù)值上等于密閉環(huán)境的相對濕度，通過測量密閉環(huán)境中的相對濕度值得到試樣的aw值，目前主要采用的儀器法有鏡面冷凝露點(diǎn)法和電子濕度計法（電容傳感器法、電解式傳感器法）［6-10］。鏡面露點(diǎn)冷凝法基于熱力學(xué)原理，通過露點(diǎn)測量得到相對平衡濕度，方法的精確度高、檢測速度快、可檢測范圍寬、穩(wěn)定性好，但不適用于含揮發(fā)性成分樣品的檢測［7］；電容式和電解式傳感器分別基于測定電容器電容變化、電解液電導(dǎo)率變化測量相對濕度，方法的準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，也需考慮醇類等揮發(fā)性物質(zhì)的干擾［8］?？烧{(diào)激光法是一種新型檢測方法，用特定波長的激光測量樣品上方的相對濕度，方法的選擇性高、通用性好，國際煙草科學(xué)研究合作中心（CORESTA）2019 年推薦的煙草和煙草制品水分活度測量方法即采用激光法［11］，但該推薦方法的適用范圍中只規(guī)定了無煙煙草、卷煙煙芯和磨碎的雪茄煙，未涉及加熱卷煙，此外我國煙草行業(yè)目前未配備激光法水分活度測試儀。本實驗中選取了代表性加熱卷煙樣品，建立了加熱卷煙樣品aw的電解式傳感器測試方法，并研究了加熱卷煙aw隨存放時間的變化，旨在為加熱卷煙的穩(wěn)定貯藏提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

6 個不同丙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加熱卷煙芯材（編號為P0～P5）和6 個不同丙三醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加熱卷煙芯材（編號為G0～G5）（云南中煙再造煙葉有限責(zé)任公司）；造紙法加熱卷煙再造煙葉（云南中煙再造煙葉有限責(zé)任公司）；Marlboro（Balanced regular）加熱卷煙（美國菲利普·莫里斯公司）；MEVIUS（Regular）加熱卷煙（日本煙草產(chǎn)業(yè)株式會社）；35 種國外市售加熱卷煙樣品（涵蓋7 個品牌，編號：M1～M7，H1～H6，X1～X5，F(xiàn)1～F5，K1～K7，Z1，C1～C4）。

LabMaster-aw Neo 水分活度儀（檢測原理：電解式傳感器，瑞士Novasina 公司）；Aqualab 4TE 水分活度儀（檢測原理：鏡面露點(diǎn)法，美國Decagon公司）；HBD5ms212sMS-CK 手持式水分活度分析儀（檢測原理：電容傳感器，中國北斗星公司）；KBF240 恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）；BT125D電子天平（感量0.000 01 g，德國Sartorius 公司）；eVC-21 化學(xué)過濾片（瑞士Novasina 公司）。

1.2 方法

1.2.1 不同丙二醇和丙三醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對加熱卷煙aw測定值影響的考察及方法選擇

不同丙二醇和丙三醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)加熱卷煙芯材的制備：選取不含丙二醇和丙三醇的加熱卷煙芯材，取6 份分別涂布不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的丙二醇，另取6 份分別涂布不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的丙三醇，涂布后的樣品切成條狀，混合均勻后于相對濕度（RH）為40%的條件下平衡24 h，密封保存。參照肯生葉等［12］的方法測定制得樣品中丙二醇和丙三醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，6 個不同丙二醇涂布量樣品中丙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1.26%、2.38%、4.13%、4.35%和5.68%，編號為P0～P5，6 個不同丙三醇涂布量樣品中丙三醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、4.18%、8.94%、13.08%、17.84%和23.14%，編號為G0～G5。分別采用鏡面露點(diǎn)法、電解式傳感器、電容傳感器檢測原理的水分活度儀，測定不同丙二醇和丙三醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加熱卷煙芯材樣品的aw，每個樣品平行測定5次。測試環(huán)境溫度為25 ℃，RH 為50%，儀器測試密封艙溫度為25 ℃（本實驗中所用電容傳感器水分活度儀不具備溫控功能，無此參數(shù)），除特殊說明外，以下測試實驗均在此環(huán)境條件和儀器溫度下進(jìn)行。

1.2.2 樣品制備方法對加熱卷煙aw測定值的影響

選取Marlboro（Balanced regular）加熱卷煙進(jìn)行實驗，將絲狀芯材取出并混勻，均分為2 份，其中一份不處理，一份剪短成長度為2 mm；選取造紙法加熱卷煙再造煙葉進(jìn)行實驗，將薄片狀樣品混勻后，均分為5 份，分別剪裁成2 mm×2 mm、4mm×4 mm、6 mm×6 mm、8 mm×8 mm、10 mm×10 mm 的碎片；選取MEVIUS（Regular）加熱卷煙進(jìn)行實驗，將顆粒取出并混勻，均分為2 份，其中一份樣品不處理，一份進(jìn)行研磨處理；分別測定不同制備方法制得樣品的aw，每個樣品平行測定5 次。

1.2.3 測試樣品量對加熱卷煙aw測定值的影響

選取Marlboro（Balanced regular）加熱卷煙的芯材和MEVIUS（Regular）加熱卷煙的顆粒進(jìn)行實驗，準(zhǔn)確稱取0.20、0.35、0.50、0.65 和0.80 g 加熱卷煙芯材和顆粒，測定其aw，每個樣品平行測定5 次。

1.2.4 測試溫度對加熱卷煙水分活度測定值的影響

選取Marlboro（Balanced regular）的芯材進(jìn)行實驗，設(shè)置測試倉溫度分別為5、10、15、20、25 和30 ℃，每個溫度下均先校準(zhǔn)儀器，準(zhǔn)確稱取0.5 g加熱卷煙芯材樣品，在不同測試溫度條件下測試芯材的aw值，每個溫度條件下平行測定5 次。

1.2.5 不同RH 環(huán)境對加熱卷煙aw測定值的影響

選取Marlboro（Balanced regular）的芯材進(jìn)行實驗，在可控的恒溫恒濕實驗室中，調(diào)節(jié)測試環(huán)境溫度為22 ℃，RH 分別為40%、45%、50%、55%，準(zhǔn)確稱取0.5 g 加熱卷煙芯材樣品，將樣品在不同濕度環(huán)境中放置0、1、5、10、20、30、40、50和60 min 后測定其aw，每個放置時間條件平行測定5 次。

1.2.6aw測試方法評價及樣品測試

選取8 種已知aw標(biāo)準(zhǔn)值的不同飽和鹽溶液作為評價樣品，采用電解式傳感器水分活度儀在優(yōu)化的條件下，測試選取樣品的aw，重復(fù)測量3 次，計算測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的差值，評價方法的可測量范圍。

選取Marlboro（Balanced regular）加熱卷煙的芯材和MEVIUS（Regular）加熱卷煙的顆粒進(jìn)行實驗，準(zhǔn)確稱取0.5 g 樣品，采用電解式傳感器水分活度測試儀，在同一天內(nèi)測試7 次，計算方法的日內(nèi)精密度；在不同天內(nèi)，連續(xù)測定7 d，計算方法的日間精密度。

選取31 種國際市場上代表性的加熱卷煙，采用建立的方法測定不同加熱卷煙樣品的aw，每個樣品平行測定5 次，評價方法的適用性。

1.2.7 不同樣品的aw和微生物指標(biāo)隨存放時間的變化

選取造紙法加熱卷煙再造煙葉進(jìn)行實驗，平均分為3 份，分別置于經(jīng)酒精消毒的恒溫恒濕箱中，設(shè)定溫度22 ℃，分別于RH 45%、60%和80%條 件 下 平 衡12 h，制 得aw分 別 為0.456、0.621、0.806 的芯材樣品，經(jīng)GC 法［12］測定含水率分別為8.59%、11.55%和21.80%，樣品分別標(biāo)記為A1、A2和A3。

將同一aw的樣品分裝成5 份，置于密封袋中密封保存，于常溫下存放0、1、4、8 和24 周，檢測aw值，參照GB 4789.2—2016［13］、GB 4789.15—2016［14］的方法檢測微生物指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 加熱卷煙芯材aw測試方法的建立及優(yōu)化

2.1.1 方法的選擇

測定食品aw的中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.238—2016、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 18787：2017 中均未指定唯一的水分活度檢測原理［7-8］，如ISO 18787：2017 的測量原理中規(guī)定可選用基于露點(diǎn)測量、基于電解質(zhì)電導(dǎo)率或聚合物介電常數(shù)變化測定水分活度［8］，應(yīng)結(jié)合樣品性質(zhì)如aw值高低、樣品組成等選擇檢測方法。加熱卷煙中含有高比例的發(fā)煙劑丙二醇和丙三醇，尤其是丙二醇具有揮發(fā)性，是選擇檢測原理時應(yīng)考慮的關(guān)鍵影響因素。ISO 18787：2017中指出，水分活度測定儀應(yīng)消除因樣品中含有揮發(fā)性化合物而產(chǎn)生的干擾［7］，GB 5009.238—2016中則規(guī)定不適用于含揮發(fā)性成分食品的檢測［9］。針對加熱卷煙中高質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)煙劑可能對aw檢測帶來的干擾，制備了不同丙二醇和丙三醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加熱卷煙芯材，研究了發(fā)煙劑對鏡面露點(diǎn)法、電解式傳感器檢測法、電容傳感器檢測法檢測aw的影響，結(jié)果見圖1。

從圖1 可以看出，加熱卷煙中丙二醇會對鏡面露點(diǎn)法和電容傳感器法測定水分活度的結(jié)果產(chǎn)生影響，尤其是鏡面露點(diǎn)法測定結(jié)果隨著丙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而明顯變大。揮發(fā)性丙二醇會和水一起冷凝到鏡面并提前結(jié)露，使aw測量產(chǎn)生正偏差，且隨丙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，aw測量結(jié)果明顯變大［15］；此外丙二醇分子結(jié)構(gòu)含有疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)，表面張力與水差距較大，可能會影響水在鏡面上均勻結(jié)露，使傳感器難以準(zhǔn)確讀數(shù)，導(dǎo)致測定時間延長，5 次測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.3%～3.5%。采用電容法測定含有丙二醇的加熱卷煙樣品時，隨樣品中丙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，測定平衡時間延長，測定結(jié)果略微減小，5 次測定結(jié)果的RSD 為1.9%～5.4%。揮發(fā)物如丙二醇可被電容式傳感器吸收，這可能改變儀器校準(zhǔn)狀態(tài)或隨時間的推移干擾傳感器。電解質(zhì)傳感器法aw測定結(jié)果則不受丙二醇影響，5 次測定結(jié)果的RSD 為0.3%～1.7%。相比之下，加熱卷煙中含有的丙三醇則對aw檢測結(jié)果基本無影響，對于含丙三醇的加熱卷煙樣品，3 種不同原理水分活度儀測試的aw較為一致?？紤]到丙二醇的揮發(fā)對電解式傳感器檢測法檢測結(jié)果無影響，且測試結(jié)果穩(wěn)定、精密度好，因此確定電解式傳感器檢測法作為加熱卷煙aw的測試方法。但從長期使用考慮，應(yīng)安裝揮發(fā)性成分過濾器，防止揮發(fā)性成分的累積造成電解式傳感器的損壞或線性漂移［16］。

2.1.2 樣品量的優(yōu)化

樣品量可能影響aw的測定結(jié)果，特別是對于低aw的樣品。考察了加熱卷煙芯材和顆粒樣品量為0.20～0.80 g 時，aw測定值和相對偏差結(jié)果見圖2?？梢钥闯?，加熱卷煙芯材和顆粒樣品量對aw測定結(jié)果影響較小，經(jīng)單因素方差分析（ANOVA），采用不同樣品量測得的aw無顯著性差異（P＞0.05）。相比之下，當(dāng)樣品量為0.20 g 時，因樣品量較少不能鋪滿樣品杯底部，測定結(jié)果略微偏高，可能是受密封艙內(nèi)樣品上方空氣的影響；當(dāng)樣品量＞0.5 g 時，樣品能均勻鋪滿樣品杯底部，測定結(jié)果的RSD＜1%。測定時的樣品量應(yīng)足以鋪滿樣品杯底部，建議大于0.5 g，但不能超過樣品杯容積的1/2。

2.1.3 樣品制備方法的優(yōu)化

樣品前處理也會影響水分活度的測量結(jié)果，特別是樣品制備過程中樣品結(jié)構(gòu)的破壞影響較大。不同裁剪大小的絲狀芯材和薄片狀再造煙葉、研磨和不研磨處理的顆粒樣品的aw測試結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，當(dāng)絲狀芯材經(jīng)剪碎處理、再造煙葉裁剪得過?。? mm×2 mm）或顆粒經(jīng)研磨處理后，樣品aw測定結(jié)果與不處理相比分別減小0.006、0.002和0.012?？赡苁菢悠芳羲榛蜓心ミ^程中發(fā)熱導(dǎo)致水分散失，使樣品的aw變小。以上結(jié)果表明，若aw在樣品中均勻分布，使用剪碎或研磨方式進(jìn)行均質(zhì)化是不必要的，為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)減少樣品前處理。

2.1.4 測試溫度的優(yōu)化

本實驗中選用的aw測試方法是通過測定密閉空間內(nèi)樣品與周圍空氣的蒸汽壓達(dá)到平衡時空氣的平衡相對濕度，由于蒸汽壓和平衡相對濕度均是溫度的函數(shù)，所以aw也是溫度的函數(shù)。不同測試溫度（即樣品密封艙溫度）條件下加熱卷煙aw的測定結(jié)果見圖4?？梢钥闯?，在15～30 ℃區(qū)間內(nèi)加熱卷煙aw的測試值隨溫度升高略微增大，30 ℃測得的aw比15 ℃時高0.007，從柱狀圖上的誤差棒可知不同溫度下測試結(jié)果的精密度均較好。目前，大多國際和國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中選取測試溫度為25 ℃，所以確定加熱卷煙aw的測試溫度為25 ℃。

2.1.5 測試環(huán)境的影響

樣品暴露在周圍空氣中會吸濕或者失水。為了研究樣品制備時環(huán)境濕度對樣品aw的影響，測試了加熱卷煙芯材樣品于不同RH（40%、44%、48%、52%）環(huán)境條件下放置0～1 h 后的aw，結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，環(huán)境RH 高于或低于加熱卷煙樣品aw時，分別會使樣品吸水或失水，且兩者差異越大，aw的變化速率和變化值也越大。為了保證樣品aw測試結(jié)果的真實性，樣品制備環(huán)境RH 與樣品aw相近為宜；應(yīng)盡量減少樣品的處理過程，以防止樣品暴露在環(huán)境中引起水分的吸收或散失；對于短時間保存的樣品，應(yīng)密封樣品杯的蓋子或者將樣品保存在密封容器中以最大程度減少水分的轉(zhuǎn)移；此外打開樣品密封包裝后應(yīng)立即測定。

2.2 方法評價和樣品測試

本實驗中所用儀器測定aw的范圍為0.030～1.000，為了驗證方法的測量范圍，選取了8 個已知aw值的飽和鹽溶液作為評價樣品，不同aw飽和鹽溶液的測定值與標(biāo)準(zhǔn)值的示值誤差見表1?？芍? 個不同aw值的飽和鹽溶液的示值誤差均小于0.003，3 次平行測定的RSD 均小于3.3%。表明方法適用于不同aw值樣品的測試。

表1 不同aw飽和鹽溶液測定值與標(biāo)準(zhǔn)值的示值誤差Tab.1 Errors between the measured values and standard values of saturated salt solutions with different water activities

在優(yōu)化的實驗條件下，加熱卷煙芯材和顆粒樣品aw的日內(nèi)精密度和日間精密度均小于1%，表明方法的精密度較好；35 個加熱卷煙樣品5 次平行測定結(jié)果的RSD 均小于1%，表明本方法能滿足不同類型加熱卷煙aw的測定要求。35 個加熱卷煙aw的范圍為0.43～0.50，平均值為0.464，7 個品牌加熱卷煙中有2 個品牌的aw值全部高于所測定的35個樣品的平均值，2 個品牌的aw值全部低于該平均值（圖6）。

2.3 水分活度及微生物指標(biāo)隨存放時間的變化

產(chǎn)品的初始aw對產(chǎn)品的貯存和品質(zhì)有影響［17-18］。制備了3 種不同aw（0.456、0.621、0.806）的芯材樣品，考察其在密閉條件下存放0～24 周后aw和微生物指標(biāo)的變化，結(jié)果見表2。隨存放時間的延長，3 種樣品的aw均無明顯變化。初始aw為0.806 的芯材樣品，存放半個月后表面即開始出現(xiàn)白色斑塊，且隨存放時間的延長白斑面積擴(kuò)大；而初始aw為0.456 和0.621 的芯材樣品，外觀無變化。

3 種不同aw加熱卷煙芯材在初始狀態(tài)下檢測到量級相近的菌落總數(shù)和霉菌計數(shù)，酵母菌計數(shù)均小于10 CFU/g。加熱卷煙芯材由煙葉等原料加工而來，生產(chǎn)的原料只經(jīng)過初加工，本身含有一定量的菌落總數(shù)，盡管生產(chǎn)過程經(jīng)過短時間的加溫等處理，但加工強(qiáng)度不高，因此仍能檢測到一定量的菌落總數(shù)。隨存放時間延長，除初始aw為0.806的樣品中菌落總數(shù)略微減少外，其他樣品中的菌落總數(shù)未發(fā)生顯著性變化；霉菌計數(shù)呈降低趨勢，存放24 周后低于10 CFU/g。醇類是食品、化妝品中常用的抗菌物質(zhì)［19-20］；對微生物的殺滅或抑制作用主要取決于醇類質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低，并可能受其他物理化學(xué)因素的影響［21］。經(jīng)檢測，實驗所用加熱卷煙芯材中含有1.2%的丙二醇和11.8%的丙三醇，可能由于丙二醇和丙三醇對微生物的抑制作用，不同aw的樣品存放24 周后菌落總數(shù)變化不大，霉菌計數(shù)明顯降低。此外，根據(jù)微生物檢測結(jié)果可知表面出現(xiàn)白斑的芯材中微生物計數(shù)并未增加，表明較高aw的芯材出現(xiàn)的白色斑塊并非由霉變等微生物作用產(chǎn)生，經(jīng)感官評吸也未發(fā)現(xiàn)霉味等異味。出現(xiàn)的白斑可能是由于樣品含水率過大，經(jīng)物理變化形成。

表2 不同aw加熱卷煙芯材中菌落總數(shù)、霉菌計數(shù)和酵母菌計數(shù)隨存放時間的變化Tab.2 Variations of CFU，mold and yeast counts in tobacco material of heated tobacco products with different water activities along with storage time

3 結(jié)論

（1）配備電解式傳感器的水分活度儀適用于含丙二醇等揮發(fā)性成分加熱卷煙aw的測定。樣品開封后應(yīng)立即檢測，測試時應(yīng)減少樣品前處理過程，避免因環(huán)境濕度引起樣品aw的變化。

（2）建立的方法精密度好，適用于不同類型加熱卷煙芯材和顆粒樣品aw的測定，測試結(jié)果穩(wěn)定。

（3）不同初始水分活度加熱卷煙芯材密閉存放條件下，未發(fā)現(xiàn)霉變，但初始水分活度較高（0.806）的芯材樣品存放15 d 后會出現(xiàn)白斑，可能是由含水率過大形成的。