雪茄原料和烟支等温吸湿模型的建立

谭再钰，王剑，潘勇，刘利平，胡捷，贾梦珠，杨梅，施友志

雪茄原料和烟支等温吸湿模型的建立

谭再钰，王剑，潘勇，刘利平，胡捷，贾梦珠，杨梅，施友志

（湖北中烟工业有限责任公司，湖北 宜昌 443100）

准确控制雪茄烟生产加工等关键环节环境条件及含水率，降低各环节物料损耗，优化控制参数，确保产品安全，保证产品质量。以雪茄烟茄衣、茄套、茄芯和成品烟支为对象，测定其在20、30、40 ℃，不同相对湿度条件下的平衡含水率和水活度，建立不同温度下雪茄原料和烟支的等温吸湿曲线及吸湿曲线响应模型。结果表明，雪茄原料和烟支在同一温度不同湿度条件下的等温吸湿曲线属于Ⅱ型等温线，雪茄烟原料及烟支的吸湿能力为茄衣≈茄套＞烟支＞茄芯，且温度越高，雪茄烟原料及烟支的吸湿能力越强；GAB模型为拟合雪茄原料和烟支等温吸湿曲线最优模型，预测值与实测值的决定系数2均大于0.995，平均相对误差均小于5%，相对误差界均小于10%，且不同温湿度平衡含水率预测值与实测含水率呈斜率为1的直线关系，二者吻合程度较高。GAB模型在预测雪茄烟生产加工等环节环境条件及含水率方面具有较高的准确性，能有效指导物料过程的水分和环境温湿度控制，降低各环节物料损耗，保证生产工序衔接顺畅，确保产品安全，提高产品品质。

雪茄原料；成品烟支；含水率；水活度；等温吸湿曲线；等温吸湿模型

雪茄烟是晾晒烟的一种，具有很强的吸附能力[1-2]，其制品是一种不外加香加料，追求烟草本香，加工繁复、醇化复杂、经济效益好的高端产品，其品质很大程度上依赖于烟叶发酵、烟支醇化养护作用，主要通过调节环境温、湿度以及原料含水率来达到最优的发酵、醇化养护效果。等温吸湿曲线是反映某一恒定温度下，样品平衡含水率与水活度之间的热力学关系，在控制环境温湿度、预测平衡含水率[3]、优化温湿度保障参数和保证产品质量安全等方面具有极大的指导作用。同时，雪茄原料含水率、水分的均匀性和稳定性是影响卷制加工过程[4-5]、产品感官品质[6-7]、成品醇化储存霉变安全性[8-9]，以及烟气有害成分[10-11]释放的重要因素。马骥等[12]、迟广俊等[13]、张峻松等[14]相继对烤烟、白肋烟、香料烟和配方烟的平衡含水率和等温吸湿曲线等方面开展了研究，雪茄烟的特殊性和复杂性决定了其不能直接参考烤烟等的研究成果，同时其产销量不大，从事专门研究的机构或院校较少，在雪茄烟等温吸湿模型方面的研究更是鲜有报道，因此，文中以雪茄原料和烟支为对象，研究其在不同温湿度条件下平衡含水率的变化规律[15]，建立不同温度下雪茄原料和烟支的等温吸湿曲线及吸湿曲线响应模型，预测不同环境条件下雪茄原料和烟支平衡含水率，为物料过程水分控制、环境参数设计、霉变防控提供依据，降低各环节物料损耗，指导雪茄烟原料及产品在贮藏、发酵、加工、周转、卷制、干燥、醇化、包装、运输、销售等过程中环境温湿度控制，优化温湿度保障参数，保证生产工序衔接顺畅，确保产品安全，提高产品品质。

1 实验

1.1 材料、仪器与试剂

主要材料：茄衣、茄套、茄芯3种雪茄烟叶及2种叶束式手工雪茄烟支，分别标号为A、B、C、D，其中烟支D由茄衣A、茄套B、茄芯C等3种类型烟叶非等比例构成。

主要仪器与试剂：ME303型分析天平，瑞士METTLER TOLEDOGON公司产；水活度计，瑞士rotronic公司产；DGF3004BN型电热鼓风干燥箱，重庆永恒实验仪器厂产；玻璃干燥器；AR浓硫酸，国药集团化学试剂有限公司产。

1.2 方法

1.2.1 等温吸湿曲线的绘制

将A、B、C 3种雪茄原料和D成品烟支分别置于相对湿度约为30%、40%、50%、60%、70%和80%的硫酸干燥器中，分别在20、30、40 ℃的条件下平衡10 d；根据文献《烟草样品等温吸湿模型的比较与分析》[13]取出样品使用水活度计测定其水活度[16]，每个湿度条件测3个平行样，结果取平均值；同时，按YC/T 31—1996《烟草及烟草制品含水率的测定》的方法检测其含水率，每个湿度条件检测3个平行样，结果取平均值。测定完成后分别以水活度w（0.2＜w＜0.8）和平衡含水率为横坐标和纵坐标，绘制雪茄原料和烟支样品的等温吸湿曲线。

水活度w近似地表示为溶液水蒸气分压与纯水蒸气分压之比，因此实验体系w可近似等于空气相对湿度，那么雪茄原料和烟支的等温吸湿曲线可近似认为是雪茄原料和烟支的平衡含水率与环境相对湿度之间的关系曲线，即雪茄原料和烟支的等温吸湿曲线近似等同于雪茄原料和烟支的平衡含水率与环境相对湿度的关系曲线。

1.2.2 等温吸湿模型的选择

选择Smith模型、BET模型、GAB模型和Kuhn模型等4种常用国内外等温吸湿模型，通过对实验数据进行拟合研究，探究适用于雪茄原料和烟支含水率变化的最优等温吸湿模型。模型函数的表达式见表1。

使用预测值与实测值的决定系数（2）、平均相对误差（Mean Relative Error，MRE）、相对误差界，即最大相对误差（Bounds of Relative Error，BRE）对Smith、BET、GAB、Kuhn等4种模型的拟合效果进行衡量，评价模型对雪茄原料和烟支的等温吸湿曲线的拟合优度。决定系数（2）越接近1，表明预测值越接近实测值，如果平均相对误差（MRE）小于5%、相对误差界（BRE）小于10%，则该模型具有良好的适用性，且值越小，说明拟合效果越好。

式中：为绘制等温吸湿曲线时的样品数量；e为样品平衡含水率实测值，%；p为样品平衡含水率预测值，%。最大相对误差即为预测值与实测值所有相对误差中的最大值。

1.3. 数据处理

采用Origin 2019软件绘制雪茄原料及烟支在不同温度下的等温吸湿曲线，采用SPSS 21.0 软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 等温吸湿曲线的建立

在20、30和40 ℃条件下，雪茄原料和烟支的等温吸湿曲线见图1。

表1 常用等温吸湿模型的表达式

Tab.1 Expressions of common isothermal hygroscopic models

注：为平衡含水率；,,,0,,,为参数。

图1 不同温度下各样品等温吸湿曲线

由图1可知，A、B、C、D等4种样品在20、30、40 ℃下平衡含水率随水活度的变化规律一致，表现为在同一温度下，平衡含水率随水活度的增加先缓慢增加而后快速增加；在同一相对湿度下，平衡含水率随着平衡温度的增加而降低。水活度从0.3到0.8时，样品A的平衡含水率平均升高了10.42%，样品B的平衡含水率平均升高了10.26%，样品C的平衡含水率平均升高了8.54%，样品D的平衡含水率平均升高了9.07%，说明茄衣、茄套的吸湿能力相近，明显高于烟支的吸湿能力，茄芯的吸湿能力最低，且随温度升高，4种样品的平衡含水率变化幅度越大，即温度越高，雪茄烟原料及烟支的吸湿能力越强，说明原料和烟支干燥等快速脱水的过程环境条件应控制在高温低湿状态，包装、贮藏、运输等防止物料吸潮的过程环境条件应适当控制在低温低湿状态，卷制加工等高强度处理过程环境条件应控制在高温高湿状态；根据等温吸湿曲线类型判断雪茄原料及烟支的等温吸湿曲线属于Ⅱ型等温线[17]。造成这一现象的原因：当温度不变、湿度升高时，空气中含水量变大，水分压也随之增大，与样品内部水分压形成压差，样品开始吸附空气中水分子直至压差消失，样品含水率升高；当湿度不变、温度升高时，空气中分子扩张，单位体积水分子含量减小，水分压减小，样品开始释放自身水分子直至压差消失，样品含水率降低。

2.2 等温吸湿模型的拟合

在温度为20、30、40 ℃，水活度为0.3～0.8的条件下，选取Smith、BET、GAB、Kuhn模型对A、B、C、D等4种样品的等温吸湿曲线进行拟合，并分析评价各模型的拟合效果，确定适用于雪茄原料和烟支平衡含水率变化的最优等温吸湿模型。雪茄原料和烟支的拟合曲线见图2—5，拟合结果见表2—5。

图2 样品A的4种模型拟合曲线

表2 样品A的4种模型拟合结果

Tab.2 Fitting results of 4 models for sample A

图3 样品B的4种模型拟合曲线

表3 样品B的4种模型拟合结果

Tab.3 Fitting results of 4 models for sample B

图4 样品C的4种模型拟合曲线

表4 样品C的4种模型拟合结果

Tab.4 Fitting results of 4 models for sample C

由图5—8和表5—8可知，在水活度（即相对湿度）为30%～80%，温度为20、30、40 ℃下4个模型的决定系数2值、平均相对误差（MRE）、相对误差界（BRE）均有所差异，其中Smith模型的2最小值为0.983＜0.995，最大MRE值为5.79%＞5%，最大BRE值为14.66%＞10%；BET模型的2最小值为0.987＜0.995，最大MRE值为4.83%＜5%，最大BRE值为11.47%＞10%；GAB模型的2最小值为0.995=0.995，最大MRE值为2.04%＜5%，最大BRE值为4.58%＜10%；Kuhn模型的2最小值为0.962＜0.995，最大MRE值为7.20%＞5%，最大BRE值为16.76%＞10%。说明GAB模型在20、30、40 ℃下能更好地拟合不同类型雪茄原料和烟支的等温吸湿曲线，最终确定了GAB模型为雪茄原料和烟支的等温吸湿较优模型。

图5 样品D的4种模型拟合曲线

表5 样品D的4种模型拟合结果

Tab.5 Fitting results of 4 models for sample D

2.3 GAB等温吸湿模型的验证

根据2.2节中各模型的决定系数2值、平均相对误差（MRE）、相对误差界（BRE）等衡量值及结果，应用GAB模型对雪茄茄衣A、雪茄茄套B、雪茄茄芯C和雪茄烟支D的等温吸湿曲线进行拟合，在不同温度下，雪茄原料和烟支的等温吸湿曲线GAB模型参数见表6，其中0、、为GAB模型函数表达式中的参数。在不同温湿度条件下，实测含水率与预测含水率吻合程度见拟合效果图6—9。

表6 雪茄原料和烟支GAB模型参数

Tab.6 GAB model parameters of cigar raw material and cigarette

图6 不同温度下，样品A的GAB模型拟合效果

图7 不同温度下，样品B的GAB模型拟合效果

图8 不同温度下，样品C的GAB模型拟合效果

图9 不同温度下，样品D的GAB模型合效果

由表6可推导出各样品等温吸湿曲线模型拟合结果表达式。由图6—9可知，通过GAB模型拟合，A、B、C、D等4种样品在不同温度下，平衡含水率预测值与实测含水率呈斜率为1的直线关系，说明二者吻合程度较高，具有较高的准确性，即GAB模型对雪茄原料和烟支的等温吸湿曲线拟合效果较佳，可在雪茄原料和烟支等温吸湿领域推广使用。通过雪茄原料和烟支等温吸湿模型表达式可预测雪茄烟在贮藏、发酵、加工、周转、卷制、干燥、醇化、包装、运输、销售等生产环节的平衡含水率，指导物料过程的水分控制、环境参数设计、霉变防控，降低各环节物料损耗，优化温湿度保障参数，保证生产工序衔接顺畅，确保烟叶烟支的安全性。

3 结语

通过测定雪茄原料和烟支不同温湿度环境下水活度和平衡含水率，建立不同温度下雪茄原料和烟支的等温吸湿曲线及响应模型。结果表明，在水活度为0.3～0.8时，雪茄原料及烟支的等温吸湿曲线属于Ⅱ型等温线，雪茄烟原料及烟支的吸湿能力为茄衣≈茄套＞烟支＞茄芯，且温度越高，雪茄烟原料及烟支的吸湿能力越强；通过对4种等温吸湿模型在4个雪茄样品中的拟合效果比较与分析，确定GAB模型对雪茄原料和烟支的等温吸湿曲线拟合效果较佳，可在雪茄原料和烟支的等温吸湿领域推广使用。

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Establishment of Isothermal Hygroscopic Model of Cigar Raw Material and Cigarette

TAN Zai-yu, WANG Jian, PAN Yong, LIU Li-ping, HU Jie, JIA Meng-zhu, YANG Mei, SHI You-zhi

(China Tobacco Hubei Industry LLC, Hubei Yichang 443100, China)

The work aims to accurately control the environmental conditions and water content in the key link of cigar production and processing, reduce the material loss in each link, optimize the control parameters and ensure the product safety and quality. With cigar coat, cigar cover, cigar core and cigarette as the objects, the water content and water activity were balanced at 20, 30 and 40 ℃ under different relative humidity conditions. The isothermal hygroscopic curve and the response model of the hygroscopic curve of cigar raw material and cigarette at different temperature were established. According to the results, the isothermal hygroscopic curve of cigar raw material and cigarette at the same temperature under different humidity conditions belonged to type Ⅱ isotherm and the hygroscopic ability of cigar raw material and cigarette was: cigar coat ≈ cigar cover > cigarette > cigar core and the higher the temperature, the stronger the hygroscopic ability of cigar raw material and cigarette. GAB model was the optimal model to fit the isothermal hygroscopic curve of cigar raw material and cigarette. The determination coefficients2of predicted and measured values were all greater than 0.995, MRE was less than 5% and BRE was less than 10%. The predicted and measured water content balanced at different temperature and humidity showed a linear relationship with a slope of 1, indicating a high degree of agreement. GAB model has a high accuracy in predicting the environmental conditions and water content of cigar during production and processing and can effectively guide the control of water and ambient temperature and humidity in the material process, reduce material loss in each link, ensure smooth production process, guarantee product safety and improve product quality.

cigar raw material; cigarette; water content; water activity; isothermal hygroscopic curve; isothermal hygroscopic model

TS453

A

1001-3563(2022)19-0273-11

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.19.033

2022–06–10

湖北中烟科技项目（2019JSYL3JS2B045）

谭再钰（1994—），男，硕士生，初级工程师，主要研究方向为雪茄烟生产加工工艺。

施友志（1977—），男，本科，工程师，主要研究方向为雪茄烟原料技术、生产加工工艺技术。

责任编辑：曾钰婵