加热卷烟水分活度的测定及随存放时间的变化

2021-03-18司晓喜向本富朱瑞芝刘春波张子龙张凤梅唐石云汤建国夭建华刘志华

烟草科技 2021年2期

司晓喜，向本富,2，朱瑞芝，蒋薇，刘春波，张子龙，杨晨,2，张凤梅，唐石云，汤建国，夭建华，刘志华*,2

1. 云南省烟草化学重点实验室，云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市红锦路367 号 650231

2. 昆明理工大学化学工程学院，昆明市景明南路727 号 650500

水分活度（Water activity，aw）是指材料中水的逸度与纯水逸度的比值，在平衡系统中可近似表示为材料的水分平衡蒸汽压与相同温度下纯水的饱和蒸汽压的比值［1］。aw既能反映食品中水的能量状态，又能揭示食品质量变化和微生物繁殖对其水分可利用的程度，已被列为食品加工过程及成品质量的重要控制参数和监控指标，用aw指导生产和贮藏具有重要意义［1］。加热卷烟是利用热源对芯材进行加热的新型烟草制品，由于芯材使用了较高比例和高吸湿性的醇类发烟剂，因而对其含水率和存储条件的控制等提出了新的要求［2-4］。检测并控制加热卷烟的aw，可用于控制产品质量和品质稳定性，指示贮藏稳定性、配方稳定性、加工工艺稳定性，在一定程度上还可以指示含水率，具有广泛应用前景［5］。

aw的测定方法主要有扩散法和水分活度测试仪法（仪器法）［6］。扩散法为直接测定法，传统的康卫氏皿扩散法通过测定试样在密闭环境中引起的质量变化计算aw值，检测成本低；但耗时长，不能满足检测及时性需求［7］。仪器法为间接测定方法，采用平衡相对湿度法测量原理，将试样置于密闭环境中达到扩散平衡，aw在数值上等于密闭环境的相对湿度，通过测量密闭环境中的相对湿度值得到试样的aw值，目前主要采用的仪器法有镜面冷凝露点法和电子湿度计法（电容传感器法、电解式传感器法）［6-10］。镜面露点冷凝法基于热力学原理，通过露点测量得到相对平衡湿度，方法的精确度高、检测速度快、可检测范围宽、稳定性好，但不适用于含挥发性成分样品的检测［7］；电容式和电解式传感器分别基于测定电容器电容变化、电解液电导率变化测量相对湿度，方法的准确度高、稳定性好，也需考虑醇类等挥发性物质的干扰［8］。可调激光法是一种新型检测方法，用特定波长的激光测量样品上方的相对湿度，方法的选择性高、通用性好，国际烟草科学研究合作中心（CORESTA）2019 年推荐的烟草和烟草制品水分活度测量方法即采用激光法［11］，但该推荐方法的适用范围中只规定了无烟烟草、卷烟烟芯和磨碎的雪茄烟，未涉及加热卷烟，此外我国烟草行业目前未配备激光法水分活度测试仪。本实验中选取了代表性加热卷烟样品，建立了加热卷烟样品aw的电解式传感器测试方法，并研究了加热卷烟aw随存放时间的变化，旨在为加热卷烟的稳定贮藏提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

6 个不同丙二醇质量分数的加热卷烟芯材（编号为P0～P5）和6 个不同丙三醇质量分数的加热卷烟芯材（编号为G0～G5）（云南中烟再造烟叶有限责任公司）；造纸法加热卷烟再造烟叶（云南中烟再造烟叶有限责任公司）；Marlboro（Balanced regular）加热卷烟（美国菲利普·莫里斯公司）；MEVIUS（Regular）加热卷烟（日本烟草产业株式会社）；35 种国外市售加热卷烟样品（涵盖7 个品牌，编号：M1～M7，H1～H6，X1～X5，F1～F5，K1～K7，Z1，C1～C4）。

LabMaster-aw Neo 水分活度仪（检测原理：电解式传感器，瑞士Novasina 公司）；Aqualab 4TE 水分活度仪（检测原理：镜面露点法，美国Decagon公司）；HBD5ms212sMS-CK 手持式水分活度分析仪（检测原理：电容传感器，中国北斗星公司）；KBF240 恒温恒湿箱（德国Binder 公司）；BT125D电子天平（感量0.000 01 g，德国Sartorius 公司）；eVC-21 化学过滤片（瑞士Novasina 公司）。

1.2 方法

1.2.1 不同丙二醇和丙三醇质量分数对加热卷烟aw测定值影响的考察及方法选择

不同丙二醇和丙三醇质量分数加热卷烟芯材的制备：选取不含丙二醇和丙三醇的加热卷烟芯材，取6 份分别涂布不同质量分数的丙二醇，另取6 份分别涂布不同质量分数的丙三醇，涂布后的样品切成条状，混合均匀后于相对湿度（RH）为40%的条件下平衡24 h，密封保存。参照肯生叶等［12］的方法测定制得样品中丙二醇和丙三醇的质量分数，6 个不同丙二醇涂布量样品中丙二醇质量分数分别为0、1.26%、2.38%、4.13%、4.35%和5.68%，编号为P0～P5，6 个不同丙三醇涂布量样品中丙三醇质量分数分别为0、4.18%、8.94%、13.08%、17.84%和23.14%，编号为G0～G5。分别采用镜面露点法、电解式传感器、电容传感器检测原理的水分活度仪，测定不同丙二醇和丙三醇质量分数的加热卷烟芯材样品的aw，每个样品平行测定5次。测试环境温度为25 ℃，RH 为50%，仪器测试密封舱温度为25 ℃（本实验中所用电容传感器水分活度仪不具备温控功能，无此参数），除特殊说明外，以下测试实验均在此环境条件和仪器温度下进行。

1.2.2 样品制备方法对加热卷烟aw测定值的影响

选取Marlboro（Balanced regular）加热卷烟进行实验，将丝状芯材取出并混匀，均分为2 份，其中一份不处理，一份剪短成长度为2 mm；选取造纸法加热卷烟再造烟叶进行实验，将薄片状样品混匀后，均分为5 份，分别剪裁成2 mm×2 mm、4mm×4 mm、6 mm×6 mm、8 mm×8 mm、10 mm×10 mm 的碎片；选取MEVIUS（Regular）加热卷烟进行实验，将颗粒取出并混匀，均分为2 份，其中一份样品不处理，一份进行研磨处理；分别测定不同制备方法制得样品的aw，每个样品平行测定5 次。

1.2.3 测试样品量对加热卷烟aw测定值的影响

选取Marlboro（Balanced regular）加热卷烟的芯材和MEVIUS（Regular）加热卷烟的颗粒进行实验，准确称取0.20、0.35、0.50、0.65 和0.80 g 加热卷烟芯材和颗粒，测定其aw，每个样品平行测定5 次。

1.2.4 测试温度对加热卷烟水分活度测定值的影响

选取Marlboro（Balanced regular）的芯材进行实验，设置测试仓温度分别为5、10、15、20、25 和30 ℃，每个温度下均先校准仪器，准确称取0.5 g加热卷烟芯材样品，在不同测试温度条件下测试芯材的aw值，每个温度条件下平行测定5 次。

1.2.5 不同RH 环境对加热卷烟aw测定值的影响

选取Marlboro（Balanced regular）的芯材进行实验，在可控的恒温恒湿实验室中，调节测试环境温度为22 ℃，RH 分别为40%、45%、50%、55%，准确称取0.5 g 加热卷烟芯材样品，将样品在不同湿度环境中放置0、1、5、10、20、30、40、50和60 min 后测定其aw，每个放置时间条件平行测定5 次。

1.2.6aw测试方法评价及样品测试

选取8 种已知aw标准值的不同饱和盐溶液作为评价样品，采用电解式传感器水分活度仪在优化的条件下，测试选取样品的aw，重复测量3 次，计算测量结果与标准值的差值，评价方法的可测量范围。

选取Marlboro（Balanced regular）加热卷烟的芯材和MEVIUS（Regular）加热卷烟的颗粒进行实验，准确称取0.5 g 样品，采用电解式传感器水分活度测试仪，在同一天内测试7 次，计算方法的日内精密度；在不同天内，连续测定7 d，计算方法的日间精密度。

选取31 种国际市场上代表性的加热卷烟，采用建立的方法测定不同加热卷烟样品的aw，每个样品平行测定5 次，评价方法的适用性。

1.2.7 不同样品的aw和微生物指标随存放时间的变化

选取造纸法加热卷烟再造烟叶进行实验，平均分为3 份，分别置于经酒精消毒的恒温恒湿箱中，设定温度22 ℃，分别于RH 45%、60%和80%条件下平衡12 h，制得aw分别为0.456、0.621、0.806 的芯材样品，经GC 法［12］测定含水率分别为8.59%、11.55%和21.80%，样品分别标记为A1、A2和A3。

将同一aw的样品分装成5 份，置于密封袋中密封保存，于常温下存放0、1、4、8 和24 周，检测aw值，参照GB 4789.2—2016［13］、GB 4789.15—2016［14］的方法检测微生物指标。

2 结果与讨论

2.1 加热卷烟芯材aw测试方法的建立及优化

2.1.1 方法的选择

测定食品aw的中国国家标准GB 5009.238—2016、国际标准ISO 18787：2017 中均未指定唯一的水分活度检测原理［7-8］，如ISO 18787：2017 的测量原理中规定可选用基于露点测量、基于电解质电导率或聚合物介电常数变化测定水分活度［8］，应结合样品性质如aw值高低、样品组成等选择检测方法。加热卷烟中含有高比例的发烟剂丙二醇和丙三醇，尤其是丙二醇具有挥发性，是选择检测原理时应考虑的关键影响因素。ISO 18787：2017中指出，水分活度测定仪应消除因样品中含有挥发性化合物而产生的干扰［7］，GB 5009.238—2016中则规定不适用于含挥发性成分食品的检测［9］。针对加热卷烟中高质量分数发烟剂可能对aw检测带来的干扰，制备了不同丙二醇和丙三醇质量分数的加热卷烟芯材，研究了发烟剂对镜面露点法、电解式传感器检测法、电容传感器检测法检测aw的影响，结果见图1。

从图1 可以看出，加热卷烟中丙二醇会对镜面露点法和电容传感器法测定水分活度的结果产生影响，尤其是镜面露点法测定结果随着丙二醇质量分数增加而明显变大。挥发性丙二醇会和水一起冷凝到镜面并提前结露，使aw测量产生正偏差，且随丙二醇质量分数的增加，aw测量结果明显变大［15］；此外丙二醇分子结构含有疏水基团和亲水基团，表面张力与水差距较大，可能会影响水在镜面上均匀结露，使传感器难以准确读数，导致测定时间延长，5 次测定结果的相对标准偏差（RSD）为0.3%～3.5%。采用电容法测定含有丙二醇的加热卷烟样品时，随样品中丙二醇质量分数增加，测定平衡时间延长，测定结果略微减小，5 次测定结果的RSD 为1.9%～5.4%。挥发物如丙二醇可被电容式传感器吸收，这可能改变仪器校准状态或随时间的推移干扰传感器。电解质传感器法aw测定结果则不受丙二醇影响，5 次测定结果的RSD 为0.3%～1.7%。相比之下，加热卷烟中含有的丙三醇则对aw检测结果基本无影响，对于含丙三醇的加热卷烟样品，3 种不同原理水分活度仪测试的aw较为一致。考虑到丙二醇的挥发对电解式传感器检测法检测结果无影响，且测试结果稳定、精密度好，因此确定电解式传感器检测法作为加热卷烟aw的测试方法。但从长期使用考虑，应安装挥发性成分过滤器，防止挥发性成分的累积造成电解式传感器的损坏或线性漂移［16］。

2.1.2 样品量的优化

样品量可能影响aw的测定结果，特别是对于低aw的样品。考察了加热卷烟芯材和颗粒样品量为0.20～0.80 g 时，aw测定值和相对偏差结果见图2。可以看出，加热卷烟芯材和颗粒样品量对aw测定结果影响较小，经单因素方差分析（ANOVA），采用不同样品量测得的aw无显著性差异（P＞0.05）。相比之下，当样品量为0.20 g 时，因样品量较少不能铺满样品杯底部，测定结果略微偏高，可能是受密封舱内样品上方空气的影响；当样品量＞0.5 g 时，样品能均匀铺满样品杯底部，测定结果的RSD＜1%。测定时的样品量应足以铺满样品杯底部，建议大于0.5 g，但不能超过样品杯容积的1/2。

2.1.3 样品制备方法的优化

样品前处理也会影响水分活度的测量结果，特别是样品制备过程中样品结构的破坏影响较大。不同裁剪大小的丝状芯材和薄片状再造烟叶、研磨和不研磨处理的颗粒样品的aw测试结果见图3。可以看出，当丝状芯材经剪碎处理、再造烟叶裁剪得过小（2 mm×2 mm）或颗粒经研磨处理后，样品aw测定结果与不处理相比分别减小0.006、0.002和0.012。可能是样品剪碎或研磨过程中发热导致水分散失，使样品的aw变小。以上结果表明，若aw在样品中均匀分布，使用剪碎或研磨方式进行均质化是不必要的，为保证测量结果的准确性，应减少样品前处理。

2.1.4 测试温度的优化

本实验中选用的aw测试方法是通过测定密闭空间内样品与周围空气的蒸汽压达到平衡时空气的平衡相对湿度，由于蒸汽压和平衡相对湿度均是温度的函数，所以aw也是温度的函数。不同测试温度（即样品密封舱温度）条件下加热卷烟aw的测定结果见图4。可以看出，在15～30 ℃区间内加热卷烟aw的测试值随温度升高略微增大，30 ℃测得的aw比15 ℃时高0.007，从柱状图上的误差棒可知不同温度下测试结果的精密度均较好。目前，大多国际和国内相关标准中选取测试温度为25 ℃，所以确定加热卷烟aw的测试温度为25 ℃。

2.1.5 测试环境的影响

样品暴露在周围空气中会吸湿或者失水。为了研究样品制备时环境湿度对样品aw的影响，测试了加热卷烟芯材样品于不同RH（40%、44%、48%、52%）环境条件下放置0～1 h 后的aw，结果见图5。可以看出，环境RH 高于或低于加热卷烟样品aw时，分别会使样品吸水或失水，且两者差异越大，aw的变化速率和变化值也越大。为了保证样品aw测试结果的真实性，样品制备环境RH 与样品aw相近为宜；应尽量减少样品的处理过程，以防止样品暴露在环境中引起水分的吸收或散失；对于短时间保存的样品，应密封样品杯的盖子或者将样品保存在密封容器中以最大程度减少水分的转移；此外打开样品密封包装后应立即测定。

2.2 方法评价和样品测试

本实验中所用仪器测定aw的范围为0.030～1.000，为了验证方法的测量范围，选取了8 个已知aw值的饱和盐溶液作为评价样品，不同aw饱和盐溶液的测定值与标准值的示值误差见表1。可知，8 个不同aw值的饱和盐溶液的示值误差均小于0.003，3 次平行测定的RSD 均小于3.3%。表明方法适用于不同aw值样品的测试。

表1 不同aw饱和盐溶液测定值与标准值的示值误差Tab.1 Errors between the measured values and standard values of saturated salt solutions with different water activities

在优化的实验条件下，加热卷烟芯材和颗粒样品aw的日内精密度和日间精密度均小于1%，表明方法的精密度较好；35 个加热卷烟样品5 次平行测定结果的RSD 均小于1%，表明本方法能满足不同类型加热卷烟aw的测定要求。35 个加热卷烟aw的范围为0.43～0.50，平均值为0.464，7 个品牌加热卷烟中有2 个品牌的aw值全部高于所测定的35个样品的平均值，2 个品牌的aw值全部低于该平均值（图6）。

2.3 水分活度及微生物指标随存放时间的变化

产品的初始aw对产品的贮存和品质有影响［17-18］。制备了3 种不同aw（0.456、0.621、0.806）的芯材样品，考察其在密闭条件下存放0～24 周后aw和微生物指标的变化，结果见表2。随存放时间的延长，3 种样品的aw均无明显变化。初始aw为0.806 的芯材样品，存放半个月后表面即开始出现白色斑块，且随存放时间的延长白斑面积扩大；而初始aw为0.456 和0.621 的芯材样品，外观无变化。

3 种不同aw加热卷烟芯材在初始状态下检测到量级相近的菌落总数和霉菌计数，酵母菌计数均小于10 CFU/g。加热卷烟芯材由烟叶等原料加工而来，生产的原料只经过初加工，本身含有一定量的菌落总数，尽管生产过程经过短时间的加温等处理，但加工强度不高，因此仍能检测到一定量的菌落总数。随存放时间延长，除初始aw为0.806的样品中菌落总数略微减少外，其他样品中的菌落总数未发生显著性变化；霉菌计数呈降低趋势，存放24 周后低于10 CFU/g。醇类是食品、化妆品中常用的抗菌物质［19-20］；对微生物的杀灭或抑制作用主要取决于醇类质量分数的高低，并可能受其他物理化学因素的影响［21］。经检测，实验所用加热卷烟芯材中含有1.2%的丙二醇和11.8%的丙三醇，可能由于丙二醇和丙三醇对微生物的抑制作用，不同aw的样品存放24 周后菌落总数变化不大，霉菌计数明显降低。此外，根据微生物检测结果可知表面出现白斑的芯材中微生物计数并未增加，表明较高aw的芯材出现的白色斑块并非由霉变等微生物作用产生，经感官评吸也未发现霉味等异味。出现的白斑可能是由于样品含水率过大，经物理变化形成。

表2 不同aw加热卷烟芯材中菌落总数、霉菌计数和酵母菌计数随存放时间的变化Tab.2 Variations of CFU，mold and yeast counts in tobacco material of heated tobacco products with different water activities along with storage time