雪茄原料和煙支等溫吸濕模型的建立

譚再鈺，王劍，潘勇，劉利平，胡捷，賈夢(mèng)珠，楊梅，施友志

雪茄原料和煙支等溫吸濕模型的建立

譚再鈺，王劍，潘勇，劉利平，胡捷，賈夢(mèng)珠，楊梅，施友志

（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443100）

準(zhǔn)確控制雪茄煙生產(chǎn)加工等關(guān)鍵環(huán)節(jié)環(huán)境條件及含水率，降低各環(huán)節(jié)物料損耗，優(yōu)化控制參數(shù)，確保產(chǎn)品安全，保證產(chǎn)品質(zhì)量。以雪茄煙茄衣、茄套、茄芯和成品煙支為對(duì)象，測(cè)定其在20、30、40 ℃，不同相對(duì)濕度條件下的平衡含水率和水活度，建立不同溫度下雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線及吸濕曲線響應(yīng)模型。結(jié)果表明，雪茄原料和煙支在同一溫度不同濕度條件下的等溫吸濕曲線屬于Ⅱ型等溫線，雪茄煙原料及煙支的吸濕能力為茄衣≈茄套＞煙支＞茄芯，且溫度越高，雪茄煙原料及煙支的吸濕能力越強(qiáng)；GAB模型為擬合雪茄原料和煙支等溫吸濕曲線最優(yōu)模型，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)2均大于0.995，平均相對(duì)誤差均小于5%，相對(duì)誤差界均小于10%，且不同溫濕度平衡含水率預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)含水率呈斜率為1的直線關(guān)系，二者吻合程度較高。GAB模型在預(yù)測(cè)雪茄煙生產(chǎn)加工等環(huán)節(jié)環(huán)境條件及含水率方面具有較高的準(zhǔn)確性，能有效指導(dǎo)物料過程的水分和環(huán)境溫濕度控制，降低各環(huán)節(jié)物料損耗，保證生產(chǎn)工序銜接順暢，確保產(chǎn)品安全，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

雪茄原料；成品煙支；含水率；水活度；等溫吸濕曲線；等溫吸濕模型

雪茄煙是晾曬煙的一種，具有很強(qiáng)的吸附能力[1-2]，其制品是一種不外加香加料，追求煙草本香，加工繁復(fù)、醇化復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)效益好的高端產(chǎn)品，其品質(zhì)很大程度上依賴于煙葉發(fā)酵、煙支醇化養(yǎng)護(hù)作用，主要通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫、濕度以及原料含水率來達(dá)到最優(yōu)的發(fā)酵、醇化養(yǎng)護(hù)效果。等溫吸濕曲線是反映某一恒定溫度下，樣品平衡含水率與水活度之間的熱力學(xué)關(guān)系，在控制環(huán)境溫濕度、預(yù)測(cè)平衡含水率[3]、優(yōu)化溫濕度保障參數(shù)和保證產(chǎn)品質(zhì)量安全等方面具有極大的指導(dǎo)作用。同時(shí)，雪茄原料含水率、水分的均勻性和穩(wěn)定性是影響卷制加工過程[4-5]、產(chǎn)品感官品質(zhì)[6-7]、成品醇化儲(chǔ)存霉變安全性[8-9]，以及煙氣有害成分[10-11]釋放的重要因素。馬驥等[12]、遲廣俊等[13]、張峻松等[14]相繼對(duì)烤煙、白肋煙、香料煙和配方煙的平衡含水率和等溫吸濕曲線等方面開展了研究，雪茄煙的特殊性和復(fù)雜性決定了其不能直接參考烤煙等的研究成果，同時(shí)其產(chǎn)銷量不大，從事專門研究的機(jī)構(gòu)或院校較少，在雪茄煙等溫吸濕模型方面的研究更是鮮有報(bào)道，因此，文中以雪茄原料和煙支為對(duì)象，研究其在不同溫濕度條件下平衡含水率的變化規(guī)律[15]，建立不同溫度下雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線及吸濕曲線響應(yīng)模型，預(yù)測(cè)不同環(huán)境條件下雪茄原料和煙支平衡含水率，為物料過程水分控制、環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)、霉變防控提供依據(jù)，降低各環(huán)節(jié)物料損耗，指導(dǎo)雪茄煙原料及產(chǎn)品在貯藏、發(fā)酵、加工、周轉(zhuǎn)、卷制、干燥、醇化、包裝、運(yùn)輸、銷售等過程中環(huán)境溫濕度控制，優(yōu)化溫濕度保障參數(shù)，保證生產(chǎn)工序銜接順暢，確保產(chǎn)品安全，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、儀器與試劑

主要材料：茄衣、茄套、茄芯3種雪茄煙葉及2種葉束式手工雪茄煙支，分別標(biāo)號(hào)為A、B、C、D，其中煙支D由茄衣A、茄套B、茄芯C等3種類型煙葉非等比例構(gòu)成。

主要儀器與試劑：ME303型分析天平，瑞士METTLER TOLEDOGON公司產(chǎn)；水活度計(jì)，瑞士rotronic公司產(chǎn)；DGF3004BN型電熱鼓風(fēng)干燥箱，重慶永恒實(shí)驗(yàn)儀器廠產(chǎn)；玻璃干燥器；AR濃硫酸，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)。

1.2 方法

1.2.1 等溫吸濕曲線的繪制

將A、B、C 3種雪茄原料和D成品煙支分別置于相對(duì)濕度約為30%、40%、50%、60%、70%和80%的硫酸干燥器中，分別在20、30、40 ℃的條件下平衡10 d；根據(jù)文獻(xiàn)《煙草樣品等溫吸濕模型的比較與分析》[13]取出樣品使用水活度計(jì)測(cè)定其水活度[16]，每個(gè)濕度條件測(cè)3個(gè)平行樣，結(jié)果取平均值；同時(shí)，按YC/T 31—1996《煙草及煙草制品含水率的測(cè)定》的方法檢測(cè)其含水率，每個(gè)濕度條件檢測(cè)3個(gè)平行樣，結(jié)果取平均值。測(cè)定完成后分別以水活度w（0.2＜w＜0.8）和平衡含水率為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，繪制雪茄原料和煙支樣品的等溫吸濕曲線。

水活度w近似地表示為溶液水蒸氣分壓與純水蒸氣分壓之比，因此實(shí)驗(yàn)體系w可近似等于空氣相對(duì)濕度，那么雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線可近似認(rèn)為是雪茄原料和煙支的平衡含水率與環(huán)境相對(duì)濕度之間的關(guān)系曲線，即雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線近似等同于雪茄原料和煙支的平衡含水率與環(huán)境相對(duì)濕度的關(guān)系曲線。

1.2.2 等溫吸濕模型的選擇

選擇Smith模型、BET模型、GAB模型和Kuhn模型等4種常用國(guó)內(nèi)外等溫吸濕模型，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合研究，探究適用于雪茄原料和煙支含水率變化的最優(yōu)等溫吸濕模型。模型函數(shù)的表達(dá)式見表1。

使用預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)（2）、平均相對(duì)誤差（Mean Relative Error，MRE）、相對(duì)誤差界，即最大相對(duì)誤差（Bounds of Relative Error，BRE）對(duì)Smith、BET、GAB、Kuhn等4種模型的擬合效果進(jìn)行衡量，評(píng)價(jià)模型對(duì)雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線的擬合優(yōu)度。決定系數(shù)（2）越接近1，表明預(yù)測(cè)值越接近實(shí)測(cè)值，如果平均相對(duì)誤差（MRE）小于5%、相對(duì)誤差界（BRE）小于10%，則該模型具有良好的適用性，且值越小，說明擬合效果越好。

式中：為繪制等溫吸濕曲線時(shí)的樣品數(shù)量；e為樣品平衡含水率實(shí)測(cè)值，%；p為樣品平衡含水率預(yù)測(cè)值，%。最大相對(duì)誤差即為預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值所有相對(duì)誤差中的最大值。

1.3. 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2019軟件繪制雪茄原料及煙支在不同溫度下的等溫吸濕曲線，采用SPSS 21.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 等溫吸濕曲線的建立

在20、30和40 ℃條件下，雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線見圖1。

表1 常用等溫吸濕模型的表達(dá)式

Tab.1 Expressions of common isothermal hygroscopic models

注：為平衡含水率；,,,0,,,為參數(shù)。

圖1 不同溫度下各樣品等溫吸濕曲線

由圖1可知，A、B、C、D等4種樣品在20、30、40 ℃下平衡含水率隨水活度的變化規(guī)律一致，表現(xiàn)為在同一溫度下，平衡含水率隨水活度的增加先緩慢增加而后快速增加；在同一相對(duì)濕度下，平衡含水率隨著平衡溫度的增加而降低。水活度從0.3到0.8時(shí)，樣品A的平衡含水率平均升高了10.42%，樣品B的平衡含水率平均升高了10.26%，樣品C的平衡含水率平均升高了8.54%，樣品D的平衡含水率平均升高了9.07%，說明茄衣、茄套的吸濕能力相近，明顯高于煙支的吸濕能力，茄芯的吸濕能力最低，且隨溫度升高，4種樣品的平衡含水率變化幅度越大，即溫度越高，雪茄煙原料及煙支的吸濕能力越強(qiáng)，說明原料和煙支干燥等快速脫水的過程環(huán)境條件應(yīng)控制在高溫低濕狀態(tài)，包裝、貯藏、運(yùn)輸?shù)确乐刮锪衔钡倪^程環(huán)境條件應(yīng)適當(dāng)控制在低溫低濕狀態(tài)，卷制加工等高強(qiáng)度處理過程環(huán)境條件應(yīng)控制在高溫高濕狀態(tài)；根據(jù)等溫吸濕曲線類型判斷雪茄原料及煙支的等溫吸濕曲線屬于Ⅱ型等溫線[17]。造成這一現(xiàn)象的原因：當(dāng)溫度不變、濕度升高時(shí)，空氣中含水量變大，水分壓也隨之增大，與樣品內(nèi)部水分壓形成壓差，樣品開始吸附空氣中水分子直至壓差消失，樣品含水率升高；當(dāng)濕度不變、溫度升高時(shí)，空氣中分子擴(kuò)張，單位體積水分子含量減小，水分壓減小，樣品開始釋放自身水分子直至壓差消失，樣品含水率降低。

2.2 等溫吸濕模型的擬合

在溫度為20、30、40 ℃，水活度為0.3～0.8的條件下，選取Smith、BET、GAB、Kuhn模型對(duì)A、B、C、D等4種樣品的等溫吸濕曲線進(jìn)行擬合，并分析評(píng)價(jià)各模型的擬合效果，確定適用于雪茄原料和煙支平衡含水率變化的最優(yōu)等溫吸濕模型。雪茄原料和煙支的擬合曲線見圖2—5，擬合結(jié)果見表2—5。

圖2 樣品A的4種模型擬合曲線

表2 樣品A的4種模型擬合結(jié)果

Tab.2 Fitting results of 4 models for sample A

圖3 樣品B的4種模型擬合曲線

表3 樣品B的4種模型擬合結(jié)果

Tab.3 Fitting results of 4 models for sample B

圖4 樣品C的4種模型擬合曲線

表4 樣品C的4種模型擬合結(jié)果

Tab.4 Fitting results of 4 models for sample C

由圖5—8和表5—8可知，在水活度（即相對(duì)濕度）為30%～80%，溫度為20、30、40 ℃下4個(gè)模型的決定系數(shù)2值、平均相對(duì)誤差（MRE）、相對(duì)誤差界（BRE）均有所差異，其中Smith模型的2最小值為0.983＜0.995，最大MRE值為5.79%＞5%，最大BRE值為14.66%＞10%；BET模型的2最小值為0.987＜0.995，最大MRE值為4.83%＜5%，最大BRE值為11.47%＞10%；GAB模型的2最小值為0.995=0.995，最大MRE值為2.04%＜5%，最大BRE值為4.58%＜10%；Kuhn模型的2最小值為0.962＜0.995，最大MRE值為7.20%＞5%，最大BRE值為16.76%＞10%。說明GAB模型在20、30、40 ℃下能更好地?cái)M合不同類型雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線，最終確定了GAB模型為雪茄原料和煙支的等溫吸濕較優(yōu)模型。

圖5 樣品D的4種模型擬合曲線

表5 樣品D的4種模型擬合結(jié)果

Tab.5 Fitting results of 4 models for sample D

2.3 GAB等溫吸濕模型的驗(yàn)證

根據(jù)2.2節(jié)中各模型的決定系數(shù)2值、平均相對(duì)誤差（MRE）、相對(duì)誤差界（BRE）等衡量值及結(jié)果，應(yīng)用GAB模型對(duì)雪茄茄衣A、雪茄茄套B、雪茄茄芯C和雪茄煙支D的等溫吸濕曲線進(jìn)行擬合，在不同溫度下，雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線GAB模型參數(shù)見表6，其中0、、為GAB模型函數(shù)表達(dá)式中的參數(shù)。在不同溫濕度條件下，實(shí)測(cè)含水率與預(yù)測(cè)含水率吻合程度見擬合效果圖6—9。

表6 雪茄原料和煙支GAB模型參數(shù)

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

圖6 不同溫度下，樣品A的GAB模型擬合效果

圖7 不同溫度下，樣品B的GAB模型擬合效果

圖8 不同溫度下，樣品C的GAB模型擬合效果

圖9 不同溫度下，樣品D的GAB模型合效果

由表6可推導(dǎo)出各樣品等溫吸濕曲線模型擬合結(jié)果表達(dá)式。由圖6—9可知，通過GAB模型擬合，A、B、C、D等4種樣品在不同溫度下，平衡含水率預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)含水率呈斜率為1的直線關(guān)系，說明二者吻合程度較高，具有較高的準(zhǔn)確性，即GAB模型對(duì)雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線擬合效果較佳，可在雪茄原料和煙支等溫吸濕領(lǐng)域推廣使用。通過雪茄原料和煙支等溫吸濕模型表達(dá)式可預(yù)測(cè)雪茄煙在貯藏、發(fā)酵、加工、周轉(zhuǎn)、卷制、干燥、醇化、包裝、運(yùn)輸、銷售等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的平衡含水率，指導(dǎo)物料過程的水分控制、環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)、霉變防控，降低各環(huán)節(jié)物料損耗，優(yōu)化溫濕度保障參數(shù)，保證生產(chǎn)工序銜接順暢，確保煙葉煙支的安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過測(cè)定雪茄原料和煙支不同溫濕度環(huán)境下水活度和平衡含水率，建立不同溫度下雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線及響應(yīng)模型。結(jié)果表明，在水活度為0.3～0.8時(shí)，雪茄原料及煙支的等溫吸濕曲線屬于Ⅱ型等溫線，雪茄煙原料及煙支的吸濕能力為茄衣≈茄套＞煙支＞茄芯，且溫度越高，雪茄煙原料及煙支的吸濕能力越強(qiáng)；通過對(duì)4種等溫吸濕模型在4個(gè)雪茄樣品中的擬合效果比較與分析，確定GAB模型對(duì)雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線擬合效果較佳，可在雪茄原料和煙支的等溫吸濕領(lǐng)域推廣使用。

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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

湖北中煙科技項(xiàng)目（2019JSYL3JS2B045）

譚再鈺（1994—），男，碩士生，初級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檠┣褵熒a(chǎn)加工工藝。

施友志（1977—），男，本科，工程師，主要研究方向?yàn)檠┣褵熢霞夹g(shù)、生產(chǎn)加工工藝技術(shù)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋