异型盒包材料对卷烟含水率的影响

邹冠驰，陈 风，余根丽，邓宏博，林冬梅，江家森，林豫璋，詹 露，苏 铃*，林苗俏

1.龙岩烟草工业有限责任公司，福建省龙岩市新罗区乘风路1299 号 364021

2.福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建省厦门市集美区滨水路298 号 361021

卷烟含水率作为评价成品卷烟质量的一个重要指标，不仅直接影响卷烟的物理性能、燃烧特性及烟气成分，而且对卷烟的感官质量也有显著影响［1］。卷烟含水率过低时，卷烟干燥感升高，刺激性增大；含水率过高时，则会导致卷烟香气不透发，烟味较为平淡［2-5］。在卷烟的生产过程中，通过控制工艺条件及环境条件以确保烟丝含水率在要求范围内，经卷包生产为成品卷烟后，利用BOPP透明包装膜密封进行贮存［6］。在短期内，由于水分在烟丝与烟用材料之间进行迁移而使卷烟含水率发生变化；经长期存放后，由于透明包装膜无法做到完全密封，且具有一定的透湿性，水分可通过透明包装膜本身及粘贴搭口处的缝隙在烟包内外进行迁移，致使卷烟含水率主要因外部环境条件而发生变化［7-9］。

双对数多项式（Double Log Polynomial，DLP）模型是表征物质含水率与水活度之间关系的等温吸附经验模型［10］，在多物质体系内对等温吸附曲线有较好的拟合效果［11］，在烟草行业中也广泛用于表征烟丝及烟用材料的等温吸附特性［12-15］。目前已有的研究多集中于外部环境条件及小盒密封度对卷烟含水率的影响［16-18］，且对于盒包材料的研究主要通过分析不同盒包材料的等温吸附曲线并利用DLP模型进行拟合，以获得不同盒包材料对卷烟失水速率的影响［12,19］。但对于密封体系内盒包材料对卷烟含水率影响的研究暂未见相关报道。成品卷烟一般通过在运输过程中快速流转以减少外部环境对卷烟含水率的影响［20］，但卷烟含水率始终受烟用材料的影响。相较于普通烟包，异型盒包中烟用材料占烟包总体比重较大，对卷烟含水率的影响更加明显，且烟用材料在运输及储存过程中，易造成烟用材料含水率的变化。因此，进行烟用材料与烟丝含水率的匹配性研究，通过构建烟用材料与烟丝含水率相匹配的预测方法来确定适宜的烟用材料含水率，从而降低烟用材料对卷烟含水率的影响，是短期内提高成品卷烟含水率稳定性的有效措施。本研究通过建立烟丝及异型盒包中各烟用材料的等温吸附曲线，利用DLP 模型进行拟合并验证，同时基于质量守恒定律构建并优化异型盒包体系的含水率预测方法，以探究烟丝及各烟用材料含水率对卷烟含水率的影响，旨在为产品和材料标准的设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

“七匹狼（古田金中支）”卷烟（含烟丝、滤棒、接装纸和卷烟纸），“七匹狼（古田金中支）”侧开异型盒包及硫酸纸，由龙岩烟草工业有限责任公司提供。

XP204 电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；LC-213 鼓风干燥箱（上海爱斯派克公司）；LabMaster-aw 水活度检测仪（精度0.001，瑞士Novasina公司）；TRH-460-GD恒温恒湿箱（澳大利亚Thermoline 公司）；MAD800 水分吸附脱附仪、PSTNE100卷烟包装密封度检测仪（合肥众沃仪器技术有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 建立烟丝及各烟用材料等温吸附曲线

分别取烟丝、滤棒、接装纸、卷烟纸、硫酸纸和盒包材料样品，使用MAD800 水分吸附脱附仪进行连续测定，将含水率和水活度结果绘制成等温吸附曲线。

水活度条件：0.3～0.9，检测递进梯度：0.1；温度条件：恒温25 ℃；通过烘箱法［21-22］测定等温吸附试验中初始样品的含水率。

1.2.2 利用DLP模型方程拟合等温吸附曲线

由烟丝及各烟用材料的等温吸附曲线可以建立相应的DLP模型方程，并拟合获得方程参数：

式中：y为烟丝及各烟用材料的含水率（%），c0、c1、c2、c3为方程参数。

aw为烟丝及各烟用材料的水活度。

1.2.3 烟丝及烟用材料DLP模型方程的验证方法

在恒温恒湿箱中，使烟丝及各烟用材料在温度为25 ℃、相对湿度分别为30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%的环境中进行充分平衡，每个相对湿度条件下每种材料取5个平行样检测含水率。计算检测结果均值与方程预测值的平均相对误差［（实测值－预测值）/实测值×100%］，若平均相对误差小于10%，则说明方程具有良好的适用性，且误差越小，说明方程准确度越高［12-15］。

1.2.4 异型盒包体系内物料含水率检测条件的设定

在相对湿度为60%的条件下，使异型盒包和烟支充分平衡后，将烟支装入小盒内，按正常生产情况用透明包装膜密封。选取密封度大于3.00 kPa的烟包，用透明胶带将烟包检测孔粘紧，再将制备好的烟包（各10包）分别放入相对湿度为30%和90%的环境中，每次取1包烟包待存放0、5、15、30、45、60、75、90和105 d后检测小盒及烟支的含水率。

1.2.5 异型盒包体系内物料水分充分平衡所需时间的确定

向异型盒包（在相对湿度分别为30%和90%的条件下充分平衡）中装入相同的烟支，并用透明包装膜密封，在包装膜粘贴搭口处用胶带粘紧，形成封闭体系，此时烟包可视为与外界绝对隔绝的密封体系，短期内水分仅在体系内各物料间迁移。将制备好的烟包置于25 ℃恒温环境下，每间隔72 h 取1 个烟包，检测盒包及烟丝的水活度，当测得烟丝和盒包的水活度差值在0.005以内时，认为体系内各物料的水分已充分平衡，平衡所需的时间即为当次检测距试验开始时的间隔。

1.2.6 异型盒包体系内烟丝及各烟用材料含水率的预测方法

对烟丝及各烟用材料称重并检测含水率后，制成卷烟并装入异型盒包中，按1.2.4 节所述方法制备成封闭体系。将制备好的盒包置于25 ℃恒温环境下，使体系内水分充分平衡。根据质量守恒定律可得：

式中：m1、m2、…、mn为体系内各物料的初始质量（g），v1、v2、…、vn为体系内各物料的初始含水率（%），y1、y2、…、yn为体系内各物料平衡后的含水率（%）。

体系内水分充分平衡后，各物料含水率保持稳定，且水活度保持一致，将充分平衡后体系内各物料的水活度设为awb。根据式（1）和式（2）可知，y1、y2、…、yn均为x的三次函数，将式（1）和式（2）代入式（3）可解得awb的值，再将awb的值代入式（2），并结合式（1）可获得y1、y2、…、yn的值，即可计算出充分平衡后体系内各物料的含水率。

1.2.7 含水率预测方法的优化及验证

根据等温吸附曲线中各物料的吸水性，并结合体系内各物料的质量占比情况，可对比分析出吸水性较弱、占异型盒包总质量比例极低的材料，该类材料含水率的变化对盒包体系的影响很小，在含水率预测中可忽略，从而可以优化含水率预测模型。

为验证预测模型的准确性并研究不同含水率的异型盒包对烟支含水率的影响，在不同水活度条件下，各取5个盒包装入相同的烟支密封，按1.2.3节所述方法验证预测方法的准确性。

2 结果与分析

2.1 烟丝与各烟用材料等温吸附曲线及DLP 模型方程参数

异形盒包中烟丝及各烟用材料的等温吸附曲线如图1所示。由图1可知，烟丝与烟用材料的等温吸附特性有明显差异，在相同水活度下，烟丝的含水率大于烟用材料，且随着水活度的上升，含水率的差距逐渐增大。在烟用材料中，卷烟纸、接装纸、硫酸纸和滤棒的等温吸附特性较为接近，但在水活度为0.4～0.8 范围内，盒包材料与其他烟用材料的等温吸附特性有所区别。

图1 异型盒包中烟丝及各烟用材料的等温吸附曲线Fig.1 Isothermal adsorption curves of cut tobacco and other materials in specially-shaped packet

在水活度为0.3～0.9 范围内，拟合得到的各物料含水率的DLP模型参数及拟合结果如表1所示。由表1 可知，烟丝及各烟用材料的DLP 方程模型拟合决定系数均大于0.999 0，总体拟合效果较好。

表1 异型盒包内各物料含水率的DLP 模型方程参数及拟合结果Tab.1 Equation parameters and fitting results of DLP model for moisture contents in each material in specially-shaped packet

2.2 烟丝及各烟用材料DLP模型方程的验证

不同相对湿度条件下异型盒包材料平衡后含水率的实测值和预测值的差值如表2所示。由表2 可知，在不同相对湿度环境下充分平衡后，烟丝及各烟用材料的含水率实测值与预测值的平均相对误差均小于5%，说明DLP模型方程具有较好的拟合效果。

表2 不同相对湿度条件下异型盒包材料平衡后含水率的实测值和预测值的差值及平均相对误差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 烟包存放环境及时间对盒包体系内物料含水率的影响

将平衡后的烟支（含水率为13.87%）装入盒包（含水率为7.07%）中，用透明纸包装密封后分别置于相对湿度为30%和90%的环境中，烟丝及盒包含水率随时间的变化如图2所示。由图2可知，烟包在相对湿度为30%的环境中存放0～30 d内烟丝及盒包含水率基本保持稳定，30 d 后烟丝及盒包含水率开始下降，说明在相对湿度为30%的环境下0～30 d内，烟包内部水分受外部环境影响较小；烟包在相对湿度为90%的环境中存放0～15 d内烟丝及盒包含水率基本保持稳定，15 d后烟丝及盒包含水率开始上升，说明在相对湿度为90%的环境下0～15 d 内，烟包内部水分受外部环境影响较小。由此可知，密封度良好的烟包在极端相对湿度环境条件（90%相对湿度环境）下，在15 d内受外界环境相对湿度的影响较小。

图2 不同相对湿度环境下烟丝及盒包含水率随时间的变化情况Fig.2 Changes of moisture content in cut tobacco and packet with time under different relative humidity

2.4 盒包体系内物料水分充分平衡的时间

将相同的烟支（初始含水率为12.14%，水活度为0.561）装入经不同相对湿度环境（相对湿度分别为30%和90%）充分平衡后的盒包内，形成封闭体系，体系内烟丝及盒包含水率和水活度随时间的变化情况如图3所示。由图3可知，相对湿度为30%环境下充分平衡后的盒包，在装入烟支后，烟丝含水率及水活度随时间的延长呈下降趋势，而盒包含水率及水活度随时间的延长呈上升趋势，在18 d后，烟丝和盒包的水活度基本趋于一致，说明此时整个体系内水分已达到平衡，各物料的含水率保持稳定。经相对湿度为90%环境下充分平衡后的盒包，在装入烟支后，烟丝含水率及水活度随时间的延长呈上升趋势，而盒包含水率及水活度随时间的延长呈下降趋势，同样在18 d后，烟丝和盒包的水活度基本趋于一致，说明此时整个体系内水分已达到平衡，各物料的含水率保持稳定。据此可得出结论：相同的烟支装入不同含水率的盒包内形成的封闭体系在18 d后，体系内的水分可达到充分平衡。

图3 不同相对湿度环境下烟丝及盒包含水率及水活度随时间的变化情况Fig.3 Changes of moisture content and water activity of cut tobacco and packet with time under different relative humidity

2.5 含水率预测方法的优化及验证

接装纸和卷烟纸的质量（1 g）在体系内各物料的总质量（32 g）中占比极低（约为3%），且由异型盒包内各物料的等温吸附曲线（图1）可知，当水活度分别为0.3和0.9时，接装纸和卷烟纸的含水率差值均约为8%，相当于1 g 接装纸和卷烟纸中最多有0.08 g水分发生迁移，说明二者对烟包的含水率影响极小，可以忽略。据此，式（3）可优化为：

式中：m1、m2、m3和m4分别为烟丝、滤棒、硫酸纸和异型盒包的初始质量（g）；v1、v2、v3和v4分别为四种物料的初始含水率（%）；y1、y2、y3和y4分别为四种物料平衡后的含水率（%）。

对优化后的含水率预测方法进行验证时，烟丝初始质量为10.28 g，含水率为12.14%；滤棒初始质量为4.32 g，含水率为5.01%；硫酸纸初始质量为1.8 g，含水率为3.98%，不同相对湿度条件下异型盒包的初始质量及初始含水率见表3。

表3 不同相对湿度条件下异型盒包的初始质量及初始含水率Tab.3 Initial weight and moisture content of specially-shaped packet under different relative humidity

将烟支及硫酸纸装入上述不同初始含水率的盒包中，并按1.2.4节所述方法形成密封体系，经充分平衡后进行检测。各物料含水率的实测值、通过优化后的含水率预测方法得到的预测值及二者的平均相对误差如表4所示。

表4 不同相对湿度条件下异型盒包体系内部分物料含水率实测值、预测值及平均相对误差Tab.4 Measured and predicted values of moisture contents in materials in specially-shaped packet and their average relative errors（%）

表4中含水率预测模型的验证结果表明，所有物料含水率的预测值与实测值的平均相对误差均在10%以内，且除硫酸纸含水率外，其他物料含水率的平均相对误差均小于5%，说明该预测模型具有较高的准确性，可用于预测充分平衡后体系内各物料的含水率。

对比分析表3和表4中数据可知，当环境相对湿度为30%、异型盒包初始含水率为3.53%时，烟丝含水率下降了2.35%（烟丝初始含水率为12.14%，平衡后含水率为9.79%）；当环境相对湿度为90%、异型盒包初始含水率为11.52%时，烟丝含水率上升了4.69%（烟丝初始含水率为12.14%，平衡后含水率为16.83%），说明不同含水率的异型盒包材料对烟丝的含水率造成的影响不同。以同样的方法分析不同相对湿度环境下滤棒及硫酸纸的含水率变化，也可以得到一样的结论。说明通过控制异型盒包材料的含水率在合理范围内，可以使成品烟支的含水率满足质量要求。

3 结论

（1）异型盒包体系内，利用DLP模型方程拟合水活度和含水率之间的关系，烟丝、卷烟纸、接装纸、硫酸纸、滤棒及盒包的拟合结果的决定系数均大于0.999 0，具有较好的相关性；通过不同相对湿度环境下充分平衡材料的含水率实测值与DLP模型方程预测值对比进行验证，结果表明DLP 模型方程拟合结果准确性较高，可用于表征烟用材料水活度和含水率之间的关系。

（2）在极端相对湿度环境条件（90%相对湿度环境）下，密封度良好的异型烟包在15 d内能较好地隔绝外部环境相对湿度的影响，保证烟包内部水分的稳定。

（3）将相同的烟支装入经不同相对湿度环境（30%和90%相对湿度环境）充分平衡后的盒包内，形成的封闭体系在18 d 后，体系内的水分可达到充分平衡。

（4）根据质量守恒定律并结合DLP 方程拟合结果，优化了异型盒包体系内各物料含水率的预测方法，各烟用材料含水率预测方法的实测值与预测值间的平均相对误差均在10%以内，说明该方法具有较高的准确性，可用于预测体系内物料的含水率。通过数据分析表明，不同含水率的异型盒包材料对烟丝、滤棒及硫酸纸造成的影响不同，说明控制异型盒包材料的含水率在合理范围内，可以使成品烟支的含水率满足质量要求。