鄒冠馳，陳 風(fēng)，余根麗，鄧宏博，林冬梅，江家森，林豫璋，詹 露，蘇 鈴*，林苗俏

1.龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省龍巖市新羅區(qū)乘風(fēng)路1299 號 364021

2.福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，福建省廈門市集美區(qū)濱水路298 號 361021

卷煙含水率作為評價(jià)成品卷煙質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，不僅直接影響卷煙的物理性能、燃燒特性及煙氣成分，而且對卷煙的感官質(zhì)量也有顯著影響［1］。卷煙含水率過低時(shí)，卷煙干燥感升高，刺激性增大；含水率過高時(shí)，則會導(dǎo)致卷煙香氣不透發(fā)，煙味較為平淡［2-5］。在卷煙的生產(chǎn)過程中，通過控制工藝條件及環(huán)境條件以確保煙絲含水率在要求范圍內(nèi)，經(jīng)卷包生產(chǎn)為成品卷煙后，利用BOPP透明包裝膜密封進(jìn)行貯存［6］。在短期內(nèi)，由于水分在煙絲與煙用材料之間進(jìn)行遷移而使卷煙含水率發(fā)生變化；經(jīng)長期存放后，由于透明包裝膜無法做到完全密封，且具有一定的透濕性，水分可通過透明包裝膜本身及粘貼搭口處的縫隙在煙包內(nèi)外進(jìn)行遷移，致使卷煙含水率主要因外部環(huán)境條件而發(fā)生變化［7-9］。

雙對數(shù)多項(xiàng)式（Double Log Polynomial，DLP）模型是表征物質(zhì)含水率與水活度之間關(guān)系的等溫吸附經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?0］，在多物質(zhì)體系內(nèi)對等溫吸附曲線有較好的擬合效果［11］，在煙草行業(yè)中也廣泛用于表征煙絲及煙用材料的等溫吸附特性［12-15］。目前已有的研究多集中于外部環(huán)境條件及小盒密封度對卷煙含水率的影響［16-18］，且對于盒包材料的研究主要通過分析不同盒包材料的等溫吸附曲線并利用DLP模型進(jìn)行擬合，以獲得不同盒包材料對卷煙失水速率的影響［12,19］。但對于密封體系內(nèi)盒包材料對卷煙含水率影響的研究暫未見相關(guān)報(bào)道。成品卷煙一般通過在運(yùn)輸過程中快速流轉(zhuǎn)以減少外部環(huán)境對卷煙含水率的影響［20］，但卷煙含水率始終受煙用材料的影響。相較于普通煙包，異型盒包中煙用材料占煙包總體比重較大，對卷煙含水率的影響更加明顯，且煙用材料在運(yùn)輸及儲存過程中，易造成煙用材料含水率的變化。因此，進(jìn)行煙用材料與煙絲含水率的匹配性研究，通過構(gòu)建煙用材料與煙絲含水率相匹配的預(yù)測方法來確定適宜的煙用材料含水率，從而降低煙用材料對卷煙含水率的影響，是短期內(nèi)提高成品卷煙含水率穩(wěn)定性的有效措施。本研究通過建立煙絲及異型盒包中各煙用材料的等溫吸附曲線，利用DLP 模型進(jìn)行擬合并驗(yàn)證，同時(shí)基于質(zhì)量守恒定律構(gòu)建并優(yōu)化異型盒包體系的含水率預(yù)測方法，以探究煙絲及各煙用材料含水率對卷煙含水率的影響，旨在為產(chǎn)品和材料標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

“七匹狼（古田金中支）”卷煙（含煙絲、濾棒、接裝紙和卷煙紙），“七匹狼（古田金中支）”側(cè)開異型盒包及硫酸紙，由龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供。

XP204 電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；LC-213 鼓風(fēng)干燥箱（上海愛斯派克公司）；LabMaster-aw 水活度檢測儀（精度0.001，瑞士Novasina公司）；TRH-460-GD恒溫恒濕箱（澳大利亞Thermoline 公司）；MAD800 水分吸附脫附儀、PSTNE100卷煙包裝密封度檢測儀（合肥眾沃儀器技術(shù)有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 建立煙絲及各煙用材料等溫吸附曲線

分別取煙絲、濾棒、接裝紙、卷煙紙、硫酸紙和盒包材料樣品，使用MAD800 水分吸附脫附儀進(jìn)行連續(xù)測定，將含水率和水活度結(jié)果繪制成等溫吸附曲線。

水活度條件：0.3～0.9，檢測遞進(jìn)梯度：0.1；溫度條件：恒溫25 ℃；通過烘箱法［21-22］測定等溫吸附試驗(yàn)中初始樣品的含水率。

1.2.2 利用DLP模型方程擬合等溫吸附曲線

由煙絲及各煙用材料的等溫吸附曲線可以建立相應(yīng)的DLP模型方程，并擬合獲得方程參數(shù)：

式中：y為煙絲及各煙用材料的含水率（%），c0、c1、c2、c3為方程參數(shù)。

aw為煙絲及各煙用材料的水活度。

1.2.3 煙絲及煙用材料DLP模型方程的驗(yàn)證方法

在恒溫恒濕箱中，使煙絲及各煙用材料在溫度為25 ℃、相對濕度分別為30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%的環(huán)境中進(jìn)行充分平衡，每個(gè)相對濕度條件下每種材料取5個(gè)平行樣檢測含水率。計(jì)算檢測結(jié)果均值與方程預(yù)測值的平均相對誤差［（實(shí)測值－預(yù)測值）/實(shí)測值×100%］，若平均相對誤差小于10%，則說明方程具有良好的適用性，且誤差越小，說明方程準(zhǔn)確度越高［12-15］。

1.2.4 異型盒包體系內(nèi)物料含水率檢測條件的設(shè)定

在相對濕度為60%的條件下，使異型盒包和煙支充分平衡后，將煙支裝入小盒內(nèi)，按正常生產(chǎn)情況用透明包裝膜密封。選取密封度大于3.00 kPa的煙包，用透明膠帶將煙包檢測孔粘緊，再將制備好的煙包（各10包）分別放入相對濕度為30%和90%的環(huán)境中，每次取1包煙包待存放0、5、15、30、45、60、75、90和105 d后檢測小盒及煙支的含水率。

1.2.5 異型盒包體系內(nèi)物料水分充分平衡所需時(shí)間的確定

向異型盒包（在相對濕度分別為30%和90%的條件下充分平衡）中裝入相同的煙支，并用透明包裝膜密封，在包裝膜粘貼搭口處用膠帶粘緊，形成封閉體系，此時(shí)煙包可視為與外界絕對隔絕的密封體系，短期內(nèi)水分僅在體系內(nèi)各物料間遷移。將制備好的煙包置于25 ℃恒溫環(huán)境下，每間隔72 h 取1 個(gè)煙包，檢測盒包及煙絲的水活度，當(dāng)測得煙絲和盒包的水活度差值在0.005以內(nèi)時(shí)，認(rèn)為體系內(nèi)各物料的水分已充分平衡，平衡所需的時(shí)間即為當(dāng)次檢測距試驗(yàn)開始時(shí)的間隔。

1.2.6 異型盒包體系內(nèi)煙絲及各煙用材料含水率的預(yù)測方法

對煙絲及各煙用材料稱重并檢測含水率后，制成卷煙并裝入異型盒包中，按1.2.4 節(jié)所述方法制備成封閉體系。將制備好的盒包置于25 ℃恒溫環(huán)境下，使體系內(nèi)水分充分平衡。根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得：

式中：m1、m2、…、mn為體系內(nèi)各物料的初始質(zhì)量（g），v1、v2、…、vn為體系內(nèi)各物料的初始含水率（%），y1、y2、…、yn為體系內(nèi)各物料平衡后的含水率（%）。

體系內(nèi)水分充分平衡后，各物料含水率保持穩(wěn)定，且水活度保持一致，將充分平衡后體系內(nèi)各物料的水活度設(shè)為awb。根據(jù)式（1）和式（2）可知，y1、y2、…、yn均為x的三次函數(shù)，將式（1）和式（2）代入式（3）可解得awb的值，再將awb的值代入式（2），并結(jié)合式（1）可獲得y1、y2、…、yn的值，即可計(jì)算出充分平衡后體系內(nèi)各物料的含水率。

1.2.7 含水率預(yù)測方法的優(yōu)化及驗(yàn)證

根據(jù)等溫吸附曲線中各物料的吸水性，并結(jié)合體系內(nèi)各物料的質(zhì)量占比情況，可對比分析出吸水性較弱、占異型盒包總質(zhì)量比例極低的材料，該類材料含水率的變化對盒包體系的影響很小，在含水率預(yù)測中可忽略，從而可以優(yōu)化含水率預(yù)測模型。

為驗(yàn)證預(yù)測模型的準(zhǔn)確性并研究不同含水率的異型盒包對煙支含水率的影響，在不同水活度條件下，各取5個(gè)盒包裝入相同的煙支密封，按1.2.3節(jié)所述方法驗(yàn)證預(yù)測方法的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙絲與各煙用材料等溫吸附曲線及DLP 模型方程參數(shù)

異形盒包中煙絲及各煙用材料的等溫吸附曲線如圖1所示。由圖1可知，煙絲與煙用材料的等溫吸附特性有明顯差異，在相同水活度下，煙絲的含水率大于煙用材料，且隨著水活度的上升，含水率的差距逐漸增大。在煙用材料中，卷煙紙、接裝紙、硫酸紙和濾棒的等溫吸附特性較為接近，但在水活度為0.4～0.8 范圍內(nèi)，盒包材料與其他煙用材料的等溫吸附特性有所區(qū)別。

圖1 異型盒包中煙絲及各煙用材料的等溫吸附曲線Fig.1 Isothermal adsorption curves of cut tobacco and other materials in specially-shaped packet

在水活度為0.3～0.9 范圍內(nèi)，擬合得到的各物料含水率的DLP模型參數(shù)及擬合結(jié)果如表1所示。由表1 可知，煙絲及各煙用材料的DLP 方程模型擬合決定系數(shù)均大于0.999 0，總體擬合效果較好。

表1 異型盒包內(nèi)各物料含水率的DLP 模型方程參數(shù)及擬合結(jié)果Tab.1 Equation parameters and fitting results of DLP model for moisture contents in each material in specially-shaped packet

2.2 煙絲及各煙用材料DLP模型方程的驗(yàn)證

不同相對濕度條件下異型盒包材料平衡后含水率的實(shí)測值和預(yù)測值的差值如表2所示。由表2 可知，在不同相對濕度環(huán)境下充分平衡后，煙絲及各煙用材料的含水率實(shí)測值與預(yù)測值的平均相對誤差均小于5%，說明DLP模型方程具有較好的擬合效果。

表2 不同相對濕度條件下異型盒包材料平衡后含水率的實(shí)測值和預(yù)測值的差值及平均相對誤差Tab.2 Differences and average relative errors between predicted and measured values of equilibrium moisture contents in specially-shaped packet materials under different relative humidity（%）

2.3 煙包存放環(huán)境及時(shí)間對盒包體系內(nèi)物料含水率的影響

將平衡后的煙支（含水率為13.87%）裝入盒包（含水率為7.07%）中，用透明紙包裝密封后分別置于相對濕度為30%和90%的環(huán)境中，煙絲及盒包含水率隨時(shí)間的變化如圖2所示。由圖2可知，煙包在相對濕度為30%的環(huán)境中存放0～30 d內(nèi)煙絲及盒包含水率基本保持穩(wěn)定，30 d 后煙絲及盒包含水率開始下降，說明在相對濕度為30%的環(huán)境下0～30 d內(nèi)，煙包內(nèi)部水分受外部環(huán)境影響較?。粺煱谙鄬穸葹?0%的環(huán)境中存放0～15 d內(nèi)煙絲及盒包含水率基本保持穩(wěn)定，15 d后煙絲及盒包含水率開始上升，說明在相對濕度為90%的環(huán)境下0～15 d 內(nèi)，煙包內(nèi)部水分受外部環(huán)境影響較小。由此可知，密封度良好的煙包在極端相對濕度環(huán)境條件（90%相對濕度環(huán)境）下，在15 d內(nèi)受外界環(huán)境相對濕度的影響較小。

圖2 不同相對濕度環(huán)境下煙絲及盒包含水率隨時(shí)間的變化情況Fig.2 Changes of moisture content in cut tobacco and packet with time under different relative humidity

2.4 盒包體系內(nèi)物料水分充分平衡的時(shí)間

將相同的煙支（初始含水率為12.14%，水活度為0.561）裝入經(jīng)不同相對濕度環(huán)境（相對濕度分別為30%和90%）充分平衡后的盒包內(nèi)，形成封閉體系，體系內(nèi)煙絲及盒包含水率和水活度隨時(shí)間的變化情況如圖3所示。由圖3可知，相對濕度為30%環(huán)境下充分平衡后的盒包，在裝入煙支后，煙絲含水率及水活度隨時(shí)間的延長呈下降趨勢，而盒包含水率及水活度隨時(shí)間的延長呈上升趨勢，在18 d后，煙絲和盒包的水活度基本趨于一致，說明此時(shí)整個(gè)體系內(nèi)水分已達(dá)到平衡，各物料的含水率保持穩(wěn)定。經(jīng)相對濕度為90%環(huán)境下充分平衡后的盒包，在裝入煙支后，煙絲含水率及水活度隨時(shí)間的延長呈上升趨勢，而盒包含水率及水活度隨時(shí)間的延長呈下降趨勢，同樣在18 d后，煙絲和盒包的水活度基本趨于一致，說明此時(shí)整個(gè)體系內(nèi)水分已達(dá)到平衡，各物料的含水率保持穩(wěn)定。據(jù)此可得出結(jié)論：相同的煙支裝入不同含水率的盒包內(nèi)形成的封閉體系在18 d后，體系內(nèi)的水分可達(dá)到充分平衡。

圖3 不同相對濕度環(huán)境下煙絲及盒包含水率及水活度隨時(shí)間的變化情況Fig.3 Changes of moisture content and water activity of cut tobacco and packet with time under different relative humidity

2.5 含水率預(yù)測方法的優(yōu)化及驗(yàn)證

接裝紙和卷煙紙的質(zhì)量（1 g）在體系內(nèi)各物料的總質(zhì)量（32 g）中占比極低（約為3%），且由異型盒包內(nèi)各物料的等溫吸附曲線（圖1）可知，當(dāng)水活度分別為0.3和0.9時(shí)，接裝紙和卷煙紙的含水率差值均約為8%，相當(dāng)于1 g 接裝紙和卷煙紙中最多有0.08 g水分發(fā)生遷移，說明二者對煙包的含水率影響極小，可以忽略。據(jù)此，式（3）可優(yōu)化為：

式中：m1、m2、m3和m4分別為煙絲、濾棒、硫酸紙和異型盒包的初始質(zhì)量（g）；v1、v2、v3和v4分別為四種物料的初始含水率（%）；y1、y2、y3和y4分別為四種物料平衡后的含水率（%）。

對優(yōu)化后的含水率預(yù)測方法進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，煙絲初始質(zhì)量為10.28 g，含水率為12.14%；濾棒初始質(zhì)量為4.32 g，含水率為5.01%；硫酸紙初始質(zhì)量為1.8 g，含水率為3.98%，不同相對濕度條件下異型盒包的初始質(zhì)量及初始含水率見表3。

表3 不同相對濕度條件下異型盒包的初始質(zhì)量及初始含水率Tab.3 Initial weight and moisture content of specially-shaped packet under different relative humidity

將煙支及硫酸紙裝入上述不同初始含水率的盒包中，并按1.2.4節(jié)所述方法形成密封體系，經(jīng)充分平衡后進(jìn)行檢測。各物料含水率的實(shí)測值、通過優(yōu)化后的含水率預(yù)測方法得到的預(yù)測值及二者的平均相對誤差如表4所示。

表4 不同相對濕度條件下異型盒包體系內(nèi)部分物料含水率實(shí)測值、預(yù)測值及平均相對誤差Tab.4 Measured and predicted values of moisture contents in materials in specially-shaped packet and their average relative errors（%）

表4中含水率預(yù)測模型的驗(yàn)證結(jié)果表明，所有物料含水率的預(yù)測值與實(shí)測值的平均相對誤差均在10%以內(nèi)，且除硫酸紙含水率外，其他物料含水率的平均相對誤差均小于5%，說明該預(yù)測模型具有較高的準(zhǔn)確性，可用于預(yù)測充分平衡后體系內(nèi)各物料的含水率。

對比分析表3和表4中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)環(huán)境相對濕度為30%、異型盒包初始含水率為3.53%時(shí)，煙絲含水率下降了2.35%（煙絲初始含水率為12.14%，平衡后含水率為9.79%）；當(dāng)環(huán)境相對濕度為90%、異型盒包初始含水率為11.52%時(shí)，煙絲含水率上升了4.69%（煙絲初始含水率為12.14%，平衡后含水率為16.83%），說明不同含水率的異型盒包材料對煙絲的含水率造成的影響不同。以同樣的方法分析不同相對濕度環(huán)境下濾棒及硫酸紙的含水率變化，也可以得到一樣的結(jié)論。說明通過控制異型盒包材料的含水率在合理范圍內(nèi)，可以使成品煙支的含水率滿足質(zhì)量要求。

3 結(jié)論

（1）異型盒包體系內(nèi)，利用DLP模型方程擬合水活度和含水率之間的關(guān)系，煙絲、卷煙紙、接裝紙、硫酸紙、濾棒及盒包的擬合結(jié)果的決定系數(shù)均大于0.999 0，具有較好的相關(guān)性；通過不同相對濕度環(huán)境下充分平衡材料的含水率實(shí)測值與DLP模型方程預(yù)測值對比進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明DLP 模型方程擬合結(jié)果準(zhǔn)確性較高，可用于表征煙用材料水活度和含水率之間的關(guān)系。

（2）在極端相對濕度環(huán)境條件（90%相對濕度環(huán)境）下，密封度良好的異型煙包在15 d內(nèi)能較好地隔絕外部環(huán)境相對濕度的影響，保證煙包內(nèi)部水分的穩(wěn)定。

（3）將相同的煙支裝入經(jīng)不同相對濕度環(huán)境（30%和90%相對濕度環(huán)境）充分平衡后的盒包內(nèi)，形成的封閉體系在18 d 后，體系內(nèi)的水分可達(dá)到充分平衡。

（4）根據(jù)質(zhì)量守恒定律并結(jié)合DLP 方程擬合結(jié)果，優(yōu)化了異型盒包體系內(nèi)各物料含水率的預(yù)測方法，各煙用材料含水率預(yù)測方法的實(shí)測值與預(yù)測值間的平均相對誤差均在10%以內(nèi)，說明該方法具有較高的準(zhǔn)確性，可用于預(yù)測體系內(nèi)物料的含水率。通過數(shù)據(jù)分析表明，不同含水率的異型盒包材料對煙絲、濾棒及硫酸紙?jiān)斐傻挠绊懖煌?，說明控制異型盒包材料的含水率在合理范圍內(nèi)，可以使成品煙支的含水率滿足質(zhì)量要求。