煙盒多層包裝對水分阻隔影響研究

樓佳穎，張乾，張瑋，華青，吳達，費婷，陸捷

煙盒多層包裝對水分阻隔影響研究

樓佳穎，張乾，張瑋，華青，吳達，費婷，陸捷

（上海煙草集團有限責任公司 技術(shù)中心，上海 201315）

卷煙包裝的阻隔性能是卷煙產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素，研究干燥環(huán)境中卷煙多層包裝對水分阻隔的作用。利用自主研發(fā)測試系統(tǒng)——動態(tài)水分分析氣候箱，考察不同盒包在特定溫濕度條件下水分擴散過程，計算水分擴散通量，并對包裝阻濕性能進行量化表征。建立的煙盒多層包裝水分阻隔性能評價方法可準確量化表征包裝的阻濕性能。低濕條件下，水分從煙盒包裝各層空隙及材料的透過量各有差異，對于Bopp膜，60%以上的水分主要從材料擴散，對于不同商標紙和內(nèi)襯紙，水分從材料及空隙擴散的分配比不同。對于整體包裝水分阻隔性能，三層材料中Bopp膜對煙支水分穩(wěn)定性作用的占比達90%以上，硬包優(yōu)于軟包。準確預(yù)測了煙支在不同盒包中水分的散失速率，低濕條件下，硬包卷煙的水分散失速率明顯低于軟盒卷煙的。文中建立了多層煙盒包裝阻濕性測試及評價方法，量化表征了卷煙盒包各包裝層及不同部位對水分的阻隔作用，明晰了煙盒包裝中影響卷煙水分穩(wěn)定性的重要因素。

卷煙；多層包裝；空隙；水分擴散通量；阻濕性能

卷煙水分與卷煙感官品質(zhì)有密切的關(guān)聯(lián)，優(yōu)質(zhì)的卷煙包裝材料和技術(shù)可有效阻止煙支與外界空氣接觸，使煙支水分保持穩(wěn)定，并避免異味侵入，滿足消費者的吸食需求[1]。卷煙包裝作為煙支與外界環(huán)境發(fā)生水分交換的媒介與屏障，其透濕性能和包裝形式直接決定了煙包內(nèi)部卷煙水分的穩(wěn)定性。常見的卷煙煙盒包裝是由內(nèi)襯紙、商標紙和雙向拉伸聚丙烯薄膜（Bopp膜）3層包裝材料組合構(gòu)成，是典型的多層串聯(lián)包裝[2]，在食品行業(yè)也較為常見，如谷物的包裝中采用蠟紙盒中再使用一層薄膜的包裝，EPS與BC型瓦楞紙板構(gòu)成的串聯(lián)緩沖包裝結(jié)構(gòu)等。目前，國內(nèi)食品行業(yè)已開展了大量的研究，關(guān)注包裝材料對各類食品（如綠茶、大豆、中藥制品等）內(nèi)在品質(zhì)的影響[3-10]。煙草行業(yè)對提升卷煙物理保潤性能也開展了大量研究，前期主要關(guān)注于煙草保潤劑的開發(fā)及應(yīng)用[11-16]，河南中煙與鄭州院[17]共同研究了軟包、軟硬包及硬包的盒包材料的等溫吸濕特性及開包狀態(tài)下卷煙在3種盒包中的失水速率差異，發(fā)現(xiàn)不同的包裝形式水分阻隔性能差異較大。

目前，行業(yè)在卷煙包裝研究領(lǐng)域較多關(guān)注于卷煙包裝材料自身的透濕性能及卷煙包裝整體的阻隔性能[18-19]，而對包裝材料各層及各層不同部位對卷煙水分穩(wěn)定性影響的相關(guān)研究鮮有報道，此外，行業(yè)在卷煙盒包裝對煙支水分穩(wěn)定性的影響研究方面也一直缺乏量化表征和評價手段。文中利用自主研發(fā)的動態(tài)水分分析氣候箱[20]考察不同盒包裝材料的水分阻隔性能，并以阻濕指數(shù)對其進行量化表征，研究不同包裝形式、包裝材料對穩(wěn)定煙支水分的影響。

1 實驗

1.1 材料與樣品

主要材料：4種不同包裝小盒卷煙（上海卷煙廠），2種市售小盒卷煙（上海卷煙廠）；圓形海綿（直徑為5 cm）、小鋁盤（直徑為5 cm）、鋁箔膠帶、美工刀、蒸餾水、移液槍、熱熔膠槍。

主要儀器：煙草動態(tài)水分分析氣候箱（上海煙草集團有限責任公司）、NF240恒溫恒濕箱（德國BINDER公司）、Aqualab 4TE水活度儀（精度±0.003，美國Decagon公司）、XP404S分析天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler–Toledo公司)。

1.2 方法

1.2.1 不同包裝材料盒包樣品前處理

小鋁盤中放入添加5 mL蒸餾水的海綿做為標準物質(zhì)。取煙盒樣品，用美工刀將煙盒從中間裁開，取出所有煙支，將裝有海綿的小鋁盤放入已裁開的煙盒中，并使用鋁箔膠帶將包裝密封復(fù)原，即可得到空隙未密封的待測樣品。利用熱熔膠槍將包裝樣品的空隙進行密封處理，即可得到全密封的包裝樣品。每個樣品制作3個平行樣。根據(jù)上述方法，將不同包裝的成品卷煙小盒分別制成不同的待測樣品。樣品包括單層的Bopp膜、商標紙、內(nèi)襯紙及其空隙被密封的樣品以及三層整體包裝樣品。

4種不同包裝小盒卷煙樣品信息見表1。

表1 4種不同煙盒包裝材料樣品

Tab.1 Sample information of 4 different cigarette packets

1.2.2 特定環(huán)境中不同包裝材料盒包質(zhì)量變化測定

設(shè)定煙草動態(tài)水分分析氣候箱的干燥條件：溫度為22 ℃、相對濕度為40%、時間為192 h，每個樣品稱量間隔時間為20 s，待溫濕度穩(wěn)定后將1.2.1節(jié)制得的樣品逐一放入樣品盤上樣，由儀器自動記錄在特定溫濕度條件下每個樣品質(zhì)量隨時間的變化。

取0～72 h之間樣品質(zhì)量隨時間的變化數(shù)據(jù)，對其進行線性擬合得到斜率，表示特定溫濕度條件下標準物質(zhì)透過樣品包裝的失水速率（g/min）。由式（1）計算各包裝樣品水分擴散通量，即水蒸氣透過率（WVTR），簡稱，單位為mg/ d。

=×60×24×1 000 (1)

1.2.3 不同盒型包裝內(nèi)煙支水分變化測試

1.2.3.1 水活度的測定

?。?.5±0.1）g卷煙煙絲置于樣品杯內(nèi)，打開水活度儀測試倉，迅速將樣品杯放入測試倉并關(guān)閉，將手柄推到“READ”位置，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄水活度的測定結(jié)果，每個樣品3個平行，取平均值。

1.2.3.2 特定水活度下含水率的測定

將卷煙煙絲分別置于溫度為22 ℃、相對濕度為60%和溫度為22 ℃、相對濕度為50%這2種條件下的恒溫恒濕箱中平衡48 h，分別得到水活度為0.60和0.50的煙絲，按YC/T 31—1996的方法[21]測定其煙絲含水率，每個樣品3個平行，取平均值。

1.2.3.3 卷煙水活度隨時間變化測試

取2種市售小盒卷煙各30包，首先測試煙絲的初始水活度，隨后將小盒卷煙置于溫度為22 ℃、相對濕度為40%的恒溫恒濕箱中，每隔14 d取出小盒卷煙進行煙絲水活度的測定并記錄，每個樣品3個平行，取平均值，測試時間為98 d。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙盒包裝水分測試系統(tǒng)建立

利用煙草動態(tài)水分分析氣候箱[20]構(gòu)建了煙盒內(nèi)部與外部水活度差環(huán)境系統(tǒng)，煙盒包裝內(nèi)部為水活度為1的濕海綿，外部由煙草動態(tài)水分分析氣候箱（圖1）提供穩(wěn)定的溫濕度測試環(huán)境。該系統(tǒng)可進行10個樣品同時在線自動稱量，得到樣品在特定溫濕度條件下質(zhì)量隨時間的變化數(shù)據(jù)，結(jié)合1.3.1節(jié)中樣品前處理方法，實現(xiàn)卷煙煙盒包裝空隙、單層包裝和整體包裝樣品的測試。

2.2 煙盒包裝阻濕性能評價方法

2.2.1 阻濕性能量化指標——阻濕指數(shù)（MRI）

式中：為擴散水的質(zhì)量；為材料透濕度；為材料面積；為材料厚度；為時間；in為材料內(nèi)部水蒸氣分壓；out為環(huán)境水蒸氣分壓。

式（2）兩邊求導(dǎo)數(shù)可得：

式（3）右邊分子分母除以此時水的飽和蒸氣壓飽和后，可表示為：

最后，WVTR可表示為：

此處，r被定義為阻濕指數(shù)（MRI），是材料阻隔水分的一個本征量值，文中利用阻濕指數(shù)r來評價卷煙包裝材料阻濕性能。

2.2.2 煙盒包裝單層、整體及空隙阻濕指數(shù)計算

低濕環(huán)境下，煙盒包裝內(nèi)部煙支水活度高于環(huán)境水活度。水分由高水活度向低水活度遷移過程中，依次從內(nèi)襯紙、商標紙、Bopp膜三層通過。對于每層包裝，水分則同時由空隙和材料向外擴散。煙盒包裝中三層包裝的阻濕性能為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每層包裝的材料和空隙的阻濕性能為并聯(lián)結(jié)構(gòu)（圖2）[2]。

圖2 煙支水分透過煙盒多層包裝向外部環(huán)境遷移示意圖（煙支水活度>環(huán)境水活度）

由煙盒包裝的整體阻濕指數(shù)是由三層包裝串聯(lián)得到，見式（7）。

2.2.3 煙盒包裝串聯(lián)結(jié)構(gòu)驗證

4種不同煙盒包裝單層及三層整體的阻濕指數(shù)見表2，根據(jù)包裝各層的阻濕指數(shù)和包裝串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由式（7）計算得到包裝整體的阻濕指數(shù)理論值。結(jié)合實測值可得，理論值和實測值有較好的符合性，偏差范圍為2.7%～12.7%，因此，煙盒包裝中的三層包裝材料阻濕性能呈串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過串聯(lián)形式計算得到的煙盒包裝整體阻濕指數(shù)能較好地反映煙盒包裝的阻濕性能。

2.3 煙盒不同包裝材料阻濕性能研究

2.3.1 不同單層包裝材料阻濕性能

測試了不同單層煙盒包裝密封及不密封樣品的透濕性能，由2.2.2節(jié)計算得到不同層煙盒包裝材料及空隙的水分擴散通量（表3），并計算煙盒包裝空隙與材料水分擴散量的比例（圖3）。

表2 4種不同煙盒包裝整體阻濕指數(shù)

Tab.2 Overall moisture barrier index of 4 different cigarette packets d/mg

表3 煙盒包裝不同層空隙、材料的WVTR

Tab.3 WVRT of the clearances and materials of various packaging layers in cigarette packet mg/d

注：對于軟盒商標紙包裝，水分主要從開放的頂面擴散，表中來自材料的水分擴散量包含煙盒開放的頂面和包裝材料2個部分。

圖3 不同煙盒包裝空隙與材料透濕比例

由圖3可知，對于Bopp膜層，軟硬盒空隙處的水分通量均小于材料自身；對于商標紙層，硬盒材料和空隙的水分通量較一致，而軟盒水分主要經(jīng)材料擴散；對于內(nèi)襯紙層，復(fù)合內(nèi)襯紙層水分大部分由空隙擴散，而轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙層水分絕大部分則是通過材料擴散。復(fù)合內(nèi)襯紙是由鋁箔和紙通過黏膠劑復(fù)合而成，表面較致密，而轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙是將鋁粉分布在薄膜上，再將其轉(zhuǎn)移至紙基，前者鋁層厚度是后者的近10倍，材料阻隔性較好，故復(fù)合內(nèi)襯紙水分主要從空隙擴散。

2.3.2 不同煙盒包裝組合阻濕性能

煙盒三層包裝中的不同層對整體包裝的阻濕性能的作用各有差異，根據(jù)表2中不同包裝材料及整體的阻濕指數(shù)，計算4種煙盒組合包裝中各層對整體阻濕性能的作用，結(jié)果見圖4。

圖4 4種煙盒組合包裝中各層對整體阻濕性能的作用

對于不同包裝層，各層對整體包裝的阻濕性能的作用為Bopp膜>>內(nèi)襯紙>商標紙。其中，Bopp膜貢獻度大于90%，商標紙貢獻度約2%，內(nèi)襯紙貢獻度為2%～5%，復(fù)合內(nèi)襯紙優(yōu)于轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙，見圖4。由表3可知，對于不同包裝形式，硬包整體阻濕性能優(yōu)于軟包，主要由于硬盒包裝的Bopp膜熱封效果好于軟盒包裝，空隙較小，Bopp膜包裝的阻濕性能優(yōu)于軟盒包裝。

2.4 不同盒型包裝內(nèi)煙支水分變化預(yù)測

2.4.1 不同盒型包裝內(nèi)煙支水分變化計算

煙支水分隨時間的變化可以用Page方程來擬合：

式中：q為瞬時干基含水率；e為平衡干基含水率；0為初始干基含水率；為時間；和為常數(shù)。

近似假設(shè)：煙支水分的等溫吸附曲線符合一級Page方程，=1。

Page方程兩邊求導(dǎo)得式（9）：

方程兩邊乘以干基質(zhì)量，則可表示為：

式中：m為瞬時干基含水量；e為平衡干基含水量；0為初始干基含水量。

根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，等式中的值為10?8數(shù)量級，因此，在水分擴散前期，等式右邊二次方以上收斂，因此：

說明在水分擴散前期，和時間可近似為線性關(guān)系。

干燥環(huán)境中，已知煙支水活度變化前后2個含水率和WVTR值，就可以通過近似計算，得到不同盒包煙支水分變化所需要的時間：

計算4種不同煙盒包裝中煙支水活度由0.6降為0.5所需要的時間，過程如下。

根據(jù)1.2.3節(jié)方法，測得卷煙水活度0.6時的含水率為12.98%，水活度0.5時的含水率為10.03%，故煙盒內(nèi)煙支水活度由0.6降至0.5時含水率下降2.95%。在干燥環(huán)境（溫度為22 ℃、相對濕度為40%）下，由表2中煙盒整體的阻濕指數(shù)理論值，分別得到4種盒型在水活度0.6和水活度0.5時的1和2，由式（13）計算得到4種盒型煙盒包裝卷煙煙支水分擴散2.95%，即水活度由0.6下降至0.5所需時間，結(jié)果見表4。

表3 4種盒型煙盒包裝卷煙水活度由0.6降為0.5所需時間

Tab.3 Time for the cigarette water activity reducing from 0.6 to 0.5 in 4 different cigarette packets

2.4.2 預(yù)測模型驗證

采用1.2節(jié)的方法測試了2種市售卷煙煙盒包裝整體的水分阻隔性能，計算它們的阻濕指數(shù)分別為0.024 7 d/mg（卷煙1）和0.025 3 d/mg（卷煙2），由2.4.1節(jié)計算得到卷煙1水活度由0.6下降至0.5所需時間為74 d，卷煙2為76 d。

圖5 2種市售卷煙內(nèi)部煙支水分隨時間變化

采用1.2.3節(jié)的實驗方法分別考察了2種煙盒卷煙在溫度為22 ℃、相對濕度為40%條件下水活度隨時間的實際變化過程（圖5），并將水活度與時間的對應(yīng)關(guān)系進行線性擬合。其中，卷煙1水活度隨時間的變化方程為=?0.001 3+0.598 5，卷煙2為=?0.001 2+0.599 0，擬合方程的2均大于0.99。由方程分別計算2種卷煙水活度為0.5時對應(yīng)的時間，即為2種卷煙水活度從0.6下降至0.5所需時間，卷煙1為76 d，卷煙2為82 d。

上述結(jié)果與文中利用2.4.1節(jié)的方法進行的理論計算值（卷煙1為74 d，卷煙2為76 d）的偏差分別為2.70%和7.89%，說明通過模型計算可較準確地預(yù)測煙盒包裝內(nèi)煙支水分變化過程。

3 結(jié)語

利用自主研發(fā)的動態(tài)水分分析氣候箱，建立了簡便、高效的多層煙盒包裝阻濕性測試方法，量化表征了卷煙盒包每層及各層不同部位對水分的阻隔作用，形成了系統(tǒng)的煙盒包裝阻濕性能評價方法。研究發(fā)現(xiàn)，低濕條件下，水分從煙盒包裝各層的空隙及材料的透過量各有差異，對于Bopp膜，水分主要通過材料表面擴散，而對于不同內(nèi)襯紙和不同盒型的商標紙，水分從材料及空隙擴散的分配比有所不同。在卷煙煙盒三層包裝中，Bopp膜的阻濕能力對煙支水分穩(wěn)定起決定性作用。硬包整體包裝的阻隔性能優(yōu)于軟包的。此外，實現(xiàn)了不同煙盒包裝內(nèi)煙支水分變化過程的準確預(yù)測。上述研究進一步明晰了煙盒包裝中水分的遷移機理，為卷煙包裝對煙支水分影響研究提供了表征手段，為卷煙包裝物理保潤性能提升及卷煙產(chǎn)品包裝設(shè)計提供了重要借鑒與參考。

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Effect of Multi-layer Packaging of Cigarette Packet on Moisture Barrier

LOU Jia-ying, ZHANG Qian, ZHANG Wei, HUA Qing, WU Da, FEI Ting, LU Jie

(Technical Center, Shanghai Tobacco Group Co., Ltd., Shanghai 201315, China)

The work aims to study the effect of cigarette multi-layer packaging on moisture barrier in a dry environment in view of that the barrier performance of cigarette packaging plays a key role in the quality stability of cigarette products. A self-developed testing system, dynamic moisture analysis climate box, was employed to investigate the moisture diffusion process of different packaging materials under specific temperature and humidity conditions, calculate the moisture transmission rate and quantitatively characterize the moisture barrier performance of packaging materials. The evaluation method of moisture barrier performance of multi-layer packaging of cigarette packet could accurately quantify and characterize the moisture barrier performance of the packaging. Under low humidity conditions, the amounts of moisture permeating through the clearances and materials of each layer of the cigarette packaging were different. For Bopp film, more than 60% of the moisture mainly diffused through the material. For different label paper and lining paper, the distribution ratios of moisture diffusing through the material and the clearances were different. For the moisture barrier performance of the overall packaging, the Bopp film played a decisive role in the moisture stability of cigarette, of which the contribution was above 90%. The moisture barrier performance of hard packaging was better than that of the soft packaging. The moisture diffusion rate of cigarette in different packaging was predicted accurately. Under low humidity condition, the moisture diffusion rate of hard-packed cigarette was significantly lower than that of soft-packed cigarette. The moisture barrier test and evaluation method of cigarette multi-layer packaging are established. The moisture barrier performance of each layer and different parts of cigarette packet is quantitatively characterized. Finally, the key factors that affect the moisture stability of cigarette in packet are identified.

cigarette; multi-layer packaging; clearance; moisture transmission rate; moisture barrier performance

TB487

A

1001-3563(2023)03-0217-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.03.027

2022?07?14

中國煙草總公司科技重點項目（110201802004）；上海煙草集團有限責任公司2021年度科技項目（2021–1–017P）

樓佳穎（1985—），女，碩士，高級工程師，主要研究方向為煙草化學(xué)。

陸捷（1971—），男，本科，工程師，主要研究方向為卷煙產(chǎn)品。

責任編輯：曾鈺嬋