环境相对湿度对干法再造烟叶加热卷烟关键指标的影响

史健阳，郭林青，梁 坤，王帅鹏，郑 怡，陈业娴，刘 锴，黄玉川*，3

1.四川三联新材料有限公司，成都市车城西二路66号 610101

2.四川中烟工业有限责任公司, 成都市成龙大道一段56号 610066

3.四川省新型烟草制品工程技术研究中心，成都市成龙大道一段56号 610066

卷烟烟丝疏松多孔且含有蛋白质、果胶、有机盐等物质，易受环境湿度的影响［1］。由于季节环境湿度的变化，在加工、运输过程中烟支含水率也会随之发生变化。烟支含水率与烟支品质紧密相关［2-4］。当环境湿度较低时，烟支水分会逐渐散失导致卷烟抽吸干燥感增加，刺激变大［5］；当环境湿度较高时，烟支易受潮，导致烟支的外观质量、发烟量、劲头、香气状态等感官指标发生变化，甚至会出现烟支霉变［6］。因此，卷烟生产对环境温湿度有一定的要求。叶校圳等［7］的研究指出卷烟生产需要满足冬季（当年12月1日—次年3月31日）温度（24±2）℃、相对湿度（60±4）%，夏季（当年4月1日—11月30日）温度（26±2）℃、相对湿度（58±4）%的工艺标准。四川中烟有限责任公司成都卷烟厂也详细规定了各生产区域环境温湿度需要控制在温度22~35℃、相对湿度55%~75%范围内［8］。

近年来加热卷烟迅速发展［9-10］。截至2020年底IQOS烟支销售761.11亿支，已在全球64个国家和地区上市销售，使用用户达1 760万人［11］。加热卷烟是一种通过加热蒸馏方式（500℃以下）使烟芯材料受热释放气溶胶的新型烟草产品［12］。目前加热卷烟烟芯材料主要是再造烟叶或烟草颗粒。烟芯材料是加热卷烟发烟产香的主要载体，为了使烟支能具有良好的发烟状态，烟芯材料制备过程中会添加20%~30%的甘油、丙二醇等发烟剂［12-13］。加热卷烟和传统卷烟的材料和工艺不同，其吸湿能力也有较大差异，受环境相对湿度影响程度也不同。目前国内有关水分对加热卷烟品质影响的研究报道较少。李朝建等［14］发现环境相对湿度40%~60%，存放96 h不仅对再造烟叶结构的稳定性有影响，对烟气水分释放量、烟气甘油释放量、烟气烟碱释放量、烟气粒相物质量均有影响。另外，环境相对湿度对加热卷烟烟支水分、物理性质、烟气性质、感官指标变化等方面的相关研究也不多，尤其是在加热卷烟生产车间最适相对湿度条件以及存放时间对加热卷烟品质影响方面。

本研究中以四川中烟“宽窄”原味加热卷烟烟支为对象，根据我国境内10年间平均气候条件［15-16］，设定22.5%~90.0%环境相对湿度范围，系统研究不同环境相对湿度下存放7 d，烟支发烟段含水率、吸阻、烟气成分（烟碱、总粒相物、水分）的变化，以及对感官指标的影响，旨在为加热卷烟研发、生产及流通提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

国内典型干法造纸法再造烟叶制备的一种原味加热卷烟烟支，中心加热，配套烟具为功夫2.0加热器（由四川中烟工业有限责任公司提供）。

RT-1V R4081KD综合测试台（成都瑞拓科技股份有限公司）；SM450型直线式吸烟机（英国Cerulean公司）；7890A气相色谱仪，配FID、TCD检测器（美国Aglilent公司）；天冠0012型烘箱（河南天冠企业集团有限公司）；CP2245型电子天平（感量：0.000 1 g，德国Sartorius公司）；HY-5A型回旋振荡器（金坛市迅生仪器厂）。乙酸钾、碳酸钾、亚硝酸钠、氯化钠、氯化钡均为市售分析纯试剂。

1.2 实验方法和条件

1.2.1 烟支卷制

参照邓永等［17］的方法，将干法再造烟叶通过2+2双二元复合的方法卷制为有序加热卷烟烟支，烟支卷制完成后立即取样，密封保存待用，烟支制备总时长小于2 h。

1.2.2 储存实验

选择乙酸钾、碳酸钾、亚硝酸钠、氯化钠、氯化钡分别配置饱和盐溶液于密闭容器中，形成22.5%、43.2%、63.2%、75.3%、90.0%5个不同的环境相对湿度梯度［18］，将制备的烟支样品于恒定温度（26±2）℃条件下存放3、4、5、6、7 d时分别取样并检测发烟段含水率、物理指标（吸阻、单支质量、圆周、圆度）、烟气成分［水分、烟碱、总粒相物（TPM）］、感官评价指标，以第0 d样品为对照。

1.2.3 理化指标测定

烟支发烟段含水率测定参考GB 5009.3—2016［19］、YC/T 31—1996［20］，烟支吸阻、单支质量、圆周、圆度采用RT-1V R4081KD综合测试台测定。

烟气粒相物质捕集与常规指标分析参照GB/T 19609—2004［21］，GB/T 23355—2009［22］，GB/T 23203.1—2013［23］规定的方法，采用钟形抽吸曲线［24］，抽吸容量为35 mL，抽吸持续时间2 s，抽吸间隔时间20 s，单张滤片捕集4支加热卷烟，每支加热卷烟抽吸口数由加热器具持续加热时间决定，计算公式：抽吸口数=加热器具持续加热时间/抽吸时间间隔+1。

1.2.4 感官评价

参照GB/T 5606.4—2005《卷烟感官技术要求》［25］和QJ/05.J.110 2020A《加热卷烟感官质量评价方法》［26］，准备不同相对湿度环境储存0~7 d烟支样品和功夫2.0加热器具，由7名具有省级以上卷烟感官评价资质的评委组成专业评吸小组，以暗评打分的方式，对烟雾量、烟气浓度、劲头、舒适性（刺激、干燥、残留）、香气、稳定性分别打分进行感官评价，满分5分，差异值最小1分，通过统计得到不同样品感官质量特征。

1.3 数据处理

使用SPSS（23.0）软件进行实验数据统计分析。通过多因素方差分析和多重比较，对实验结果进行统计学差异检验，并判定P＜0.05时是否具有显著性差异。

2 结果与讨论

2.1 不同环境相对湿度对储存过程中烟支发烟段含水率的影响

由图1所示，在实验相对湿度范围内，随着储存时间延长，环境相对湿度63.2%、75.3%、90.0%时，发烟段含水率持续增加，存放第6 d时，90.0%相对湿度条件下烟支发烟段含水率最高，达到29.80%；当环境相对湿度为43.2%和22.5%时，发烟段含水率随着存放时间延长不断下降。其中，22.5%相对湿度下的烟支发烟段含水率减少较多，存放7 d后达到最低值10.89%。在相对湿度43.2%的环境存放时，烟支发烟段含水率最高为15.97%，最低为14.32%，与烟支初始含水率16.36%最接近。

图1 储存时间对烟支发烟段含水率的影响Fig.1 Effect of storage time on moisture content in tobacco section

通过分析烟支发烟段存放期间水分变化（图2），发现宽窄原味加热卷烟烟支在环境相对湿度低于43.2%时处于解湿状态，相反在63.2%及以上时处于吸湿状态，相对湿度90.0%时持水能力最强，说明宽窄加热卷烟烟支具有良好的吸水保润能力。其中43.2%的相对湿度环境对烟支发烟段水分影响程度最小，表明该条件下烟支发烟段与外界环境物质交换频次最低，此外，43.2%的相对湿度也是适宜人类生活、工作的相对湿度条件范围［27］。

图2 储存期间烟支发烟段含水率的变化Fig.2 Variation of moisture content in tobacco section

2.2 不同环境相对湿度对储存过程中烟气指标的影响

与发烟段含水率变化趋势相似，当环境相对湿度低于43.2%时，烟气中水分释放量随储存时间呈降低趋势；当环境相对湿度高于63.2%时，烟气中水分释放量随储藏时间呈升高趋势（图3），烟气中水分在相对湿度为63.2%时波动最小，其次是43.2%。烟气总粒相物变化趋势与烟气水分相似（图4），当相对湿度为43.2%时，烟气总粒相物释放量在储存期间最稳定。烟气烟碱量与烟气水分释放量的变化趋势相反（图5），仍然是当相对湿度为43.2%时，其变化幅度最小。此外，还发现相对湿度与烟气水分释放量和总粒相物释放量呈正相关。而烟气中烟碱释放量则与相对湿度呈负相关，这与对传统卷烟的研究结果相似，前人发现传统卷烟的烟碱释放量随烟丝含水率增加而少有减小［28-29］。总体来看，环境相对湿度为43.2%时，烟气中各个指标相对稳定。

图3 储存期间不同相对湿度对烟气水分释放量的影响Fig.3 Effects of different relative humidity during storage on moisture content in aerosol

图4 储存期间不同相对湿度对烟气总粒相物释放量的影响Fig.4 Effects of different relative humidity during storage on total particulate matter in aerosol

图5 储存期间不同相对湿度对烟气烟碱释放量的影响Fig.5 Effects of different relative humidity during storage on nicotine release in aerosol

2.3 不同相对湿度对储存过程中烟支物理指标的影响

对不同相对湿度储存后的烟支测定其吸阻，结果见图6。由图6可知，烟支吸阻与相对湿度呈正相关，实验范围内，相对湿度越高，吸阻越大，可能是水分迁移到滤嘴段时填补了丝束间隙，导致烟气不易通过。当相对湿度90.0%存放6 d时吸阻最大，为654.2 Pa；当相对湿度为43.2%时，烟支吸阻在整个存储期间最稳定。单支质量与相对湿度变化呈正相关（图7），相对湿度为43.2%和63.2%时，储存期间的单支质量变化较小。

图6 储存期间不同相对湿度对烟支吸阻的影响Fig.6 Effects of different relative humidity during storage on draw resistance of heated tobacco products

图7 储存期间不同相对湿度对单支质量的影响Fig.7 Effects of different relative humidity during storage on weight of single heated tobacco product

圆周是衡量加热卷烟烟支是否匹配器具的主要指标之一，烟支的圆周过大会导致其不能匹配特定器具，圆周较小则容易引起抽吸过程中烟支移位。此外，圆周大小也会影响烟支的填充度，从而改变烟支吸阻。本研究中，不同相对湿度条件下存放7 d的过程中，虽然各处理组间的烟支圆周出现了显著波动（P＜0.05，表1），但所有烟支圆周均在设定值23.00 mm±0.20 mm范围内，符合生产工艺要求［30］，不会影响产品质量。因此，不同相对湿度条件下储存对烟支圆周无实质性影响。

表1 储存期间不同相对湿度对烟支圆周的影响①Tab.1 Effects of different relative humidity during storage on circumference of tobacco section

随着环境相对湿度的增加，烟支吸潮易变软并产生塌陷，烟支圆度发生变化，从而影响烟支外观。与烟支圆周类似，虽然不同处理组间的烟支圆度有显著波动（P＜0.05，表2），但未出现塌陷影响烟支外观的现象，不影响产品质量。因此，相对湿度对烟支圆度也无实质性影响。

2.4 不同相对湿度对储存过程中烟支感官指标的影响

通过对感官指标进行评价（图8），发现随着储存时间延长，所有处理组烟支的感官指标（烟雾量、稳定性、劲头、舒适性、烟气浓度和香气）均明显下降。低相对湿度（22.5%）储存期间，随着时间延长，烟支舒适性下降最快；这可能是由烟气的高烟碱和低含水率引起的，烟碱增加劲头的同时会降低抽吸舒适性。杨国荣等［31］发现相对湿度与传统卷烟的劲头呈显著负相关，而烟气的低含水率也会降低抽吸时的舒适性［5］，这些都与本研究中的结果类似。高相对湿度（90.0%）存放时，烟气浓度、烟雾量和香气等指标下降最快，第7 d时部分烟支甚至出现不冒烟的情况，可能是由于在高相对湿度存放期间，烟支吸潮导致抽吸时汽化水分所需的热量增加，从而引起烟支加热不彻底；烟气经过降温段时，烟气及其携带的香味物质等随水分冷凝，导致烟气浓度、烟雾量和香气减弱。而综合所有感官指标来看，相对湿度43.2%条件下储存7 d的过程中，各个感官指标相对稳定。

图8 不同相对湿度储存期间对感官指标的影响Fig.8 Effects of storage for different days under different relative humidity on sensory quality

3 结论

（1）环境相对湿度与烟支发烟段含水率、烟气水分释放量、总粒相物释放量呈正相关；而环境相对湿度与烟气烟碱释放量呈负相关。烟支存放7 d期间，43.2%相对湿度时烟支的各化学指标最稳定。

（2）环境相对湿度与烟支单支质量呈正相关。在存储期间，环境相对湿度为43.2%时，烟支吸阻最稳定；而相对湿度对烟支圆周、圆度无实质性影响。

（3）加热卷烟烟支储存的环境相对湿度和储存时间对感官指标有明显影响。随着储存时间延长，烟支的烟雾量、稳定性、劲头、舒适性、烟气浓度和香气等指标均明显下降。储存的相对湿度为43.2%时烟支的感官指标最优。

（4）以干法造纸法为代表的宽窄加热卷烟产品与传统卷烟的60%左右的适宜环境相对湿度存放条件不同，其更适合在较低的环境相对湿度（43%）中存放，这可能与加热卷烟烟芯材料中较高含量的具有较强吸水能力的物质有关，比如甘油和丙二醇等；另外干法造纸法再造烟叶结构疏松，也更利于水分吸收。环境相对湿度的变化对加热卷烟烟支品质有较大影响，建议在生产周期尽可能缩短的同时提高包装的密封性以减少烟支与外界环境的物质交换。