環(huán)境相對濕度對加熱卷煙芯材及煙支物理特性的研究

王鵬飛 周成喜 羅 亮 朱鮮艷 張曉艷 朱遠洋 徐瑞霜 李朝建

（1.南通煙濾嘴有限責任公司，江蘇南通，226014；2.江蘇中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，江蘇南京，210019）

傳統(tǒng)卷煙制品燃燒的過程中，不僅會產(chǎn)生揮發(fā)性香味，也會因高溫燃燒產(chǎn)生許多有害物質(zhì)，在吸食過程中會對健康產(chǎn)生影響[1]。為了滿足消費者的健康需求，新型煙草成為眾多煙草國際公司的研究重點[2]。其中，加熱卷煙在感官質(zhì)量和抽吸方式上最接近傳統(tǒng)卷煙，逐步成為國內(nèi)研究熱點[3]。目前，國內(nèi)研究主要集中在煙葉原料及其煙氣釋放等方面[4-6]，鮮見環(huán)境相對濕度對芯材及煙支物理性質(zhì)影響的相關報道。

加熱卷煙在<500oC 的范圍內(nèi)，直接加熱芯材，促使煙草材料產(chǎn)生含有煙堿的氣溶膠。為了滿足發(fā)煙量的需求，在芯材中添加10%～20%的甘油作為發(fā)煙劑[7]，導致芯材在生產(chǎn)過程中極易受潮，嚴重影響芯材及煙支的物理特性和感官質(zhì)量[8-9]。本研究以噴涂法和稠漿法煙草薄片為研究對象，探究環(huán)境相對濕度對煙草薄片及煙支的物理指標影響，揭示煙草薄片及煙支的抗張強度、耐破度、吸阻、煙氣溫度等物理性能隨環(huán)境相對濕度的變化規(guī)律，以期為相關產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)及儲存提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗材料和儀器

材料：噴涂法煙草薄片；稠漿法煙草薄片；以噴涂法和稠漿法煙草薄片為芯材制成的加熱卷煙煙支，記為噴涂法煙支和稠漿法煙支，以上材料均為江蘇中煙自制。

儀器：氣相色譜儀（7890A 型，美國 Agilent 公司）；萬能拉力儀（EJA Vantage-1，美國Thwing-Albert 公司）；煙支綜合檢測臺（HK-ROTENCE-5，中國成都瑞拓科技有限責任公司）；恒溫恒濕箱（KBF240，德國賓德公司）；煙具（IQOS-3-MULTI，日本菲利普·莫里斯聯(lián)合公司）；耐破度測試儀（T-003B，中國制漿造紙研究院有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品平衡

制備定量約180 g/m2、甘油含量約20%的噴涂法煙草薄片和稠漿法煙草薄片，煙草材料和卷煙生產(chǎn)在常溫下進行。參照GB/T 10739—2002的方法將試樣在溫度（23±1） ℃、相對濕度分別為40%、50%、60%、70%、80%的環(huán)境下平衡48 h。

1.2.2 煙草薄片水分測定

煙草薄片的水分參考YC/T 345—2010中的方法進行測定。稱取約0.5 g 煙草薄片，剪成長度1 mm 的小條，置于50 mL 具塞錐形瓶內(nèi)，加入20 mL 含有乙醇（物質(zhì)的量濃度為2 mol/L）的甲醇萃取液，振蕩萃取30 min，萃取溶液經(jīng)濾膜過濾后用氣相色譜分析。色譜柱采用HP-PLOTQ 毛細管色譜柱（30 m×530 μm×40 μm （膜厚））；程序升溫初始溫度80 ℃，保持5 min，以30 ℃/min的速率升至270 ℃，保持4 min；進樣口溫度為270 ℃；檢測器采用TCD檢測器，溫度為250 ℃；載氣為氦氣，恒流流速5.0 mL/min；進樣體積為1.0 μL，分流比10∶1。

1.2.3 抗張強度測定

將煙草薄片按15 mm×200 mm 的規(guī)格沿縱橫向切取試樣各10 條，放置于不同相對濕度條件下平衡。平衡結束后，用萬能拉力儀測定10 條試樣的抗張強度，結果取平均值。

1.2.4 耐破度測定

切取規(guī)格為120×120 mm 的煙草薄片試樣，放置于不同相對濕度下平衡。平衡結束后，用耐破度測試儀測定5張試樣的耐破度，結果取平均值。

1.2.5 煙支吸阻測定

加熱卷煙煙支由12 mm 煙芯段、23 mm 降溫段和10 mm 醋酸纖維段組成，煙芯段由噴涂法煙草薄片和稠漿法煙草薄片制成，含水率7%～10%。取適量煙支置于溫度為（23±1） ℃、相對濕度分別40%、50%、60%、70%、80%的環(huán)境下平衡48 h，用煙支綜合測試臺測定20支煙支吸阻，結果取平均值。

1.2.6 煙氣溫度測定

煙氣溫度測定采用電阻式測溫探頭，每0.5 s 對煙支末端進行一次溫度采集。本研究采用IQOS煙具，抽吸參數(shù)參考ISO 3308—2012標準抽吸模式，吸煙機設定抽吸參數(shù)為：抽吸容量35 mL，抽吸時間3 s，抽吸間隔30 s，總抽吸口數(shù)為11口。

2 結果與討論

2.1 煙草薄片吸濕特性研究

煙草薄片中的發(fā)煙劑極易吸水。圖1 分析了環(huán)境相對濕度對煙草薄片和拆包煙支含水率的影響。由圖1可知，噴涂法和稠漿法煙草薄片的含水率均隨環(huán)境相對濕度的增加而增加。當環(huán)境相對濕度從40%增加到50%，煙草薄片含水率增加幅度較?。浑S著環(huán)境相對濕度從50%增加到80%，2 種煙草薄片的含水率快速增加，分別從7.77%和9.31%，上升至21.69%和23.85%。這是因為當環(huán)境相對濕度從50%增加至80%時，煙草薄片中的纖維和煙粉吸水潤脹，煙草薄片的體積變大、表面積增加[10]，甘油與空氣的接觸面也隨之增加，煙草薄片表面更容易吸收和儲存水分，水分子活度不斷增加[11]，從而導致含水率呈現(xiàn)快速上升。從圖1 中還可以看出，在相同環(huán)境相對濕度下，稠漿法煙草薄片吸濕性大于噴涂法煙草薄片。這可能與煙草薄片中纖維的不同分布有關：噴涂法煙草薄片中纖維作為基紙集中在煙草薄片中間層，而稠漿法煙草薄片中纖維呈均勻分布狀態(tài)，更易促使甘油吸收環(huán)境中的水分[12]，所以稠漿法煙草薄片在相同環(huán)境相對濕度下具有更高的含水率。

圖1 環(huán)境相對濕度對煙草薄片和拆包煙支含水率的影響Fig.1 Effect of ambient related humidity on moisture content of reconstituted tobaccos and unwrapped cigarettes

將上述2 種煙草薄片制成相應成品煙支，拆除成品煙支外層塑封后分別放置于相對濕度80% 的環(huán)境下平衡48 h，其煙支水分最高分別達10.33%和11.16%，遠遠低于此時完全暴露的煙草薄片含水率（21.69%和23.85%）。環(huán)境相對濕度從40%提升至50%時，2 種煙支的含水率從7.05%和8.12%升高至7.11%和8.15%，基本沒有變化。綜上所述，在生產(chǎn)和儲存環(huán)節(jié)對煙草薄片進行相應的環(huán)境控制是加熱卷煙質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)之一，較為密封的煙盒包裝在一定程度上可以使加熱卷煙保持較好的穩(wěn)定性。為保證煙草薄片含水率的穩(wěn)定，其生產(chǎn)、儲存溫度為（23±1） ℃時，環(huán)境相對濕度應低于50%。

2.2 環(huán)境相對濕度對煙草薄片抗張強度的影響

水分的增加會使煙草薄片中的氫鍵不斷遭到破壞，抗張強度不斷下降，這和紙張抗張強度在吸水后下降的原理相似[13]。圖2 分析了環(huán)境相對濕度對煙草薄片抗張強度的影響。由圖2可知，當環(huán)境相對濕度從40%升至80%，2 種煙草薄片抗張強度均隨環(huán)境相對濕度增加而下降。煙草薄片的縱向抗張強度遠大于橫向抗張強度，最大為橫向抗張強度的3倍。這與噴涂法煙草薄片中的基紙和稠漿法煙草薄片中的纖維在生產(chǎn)過程中會沿紙機方向（縱向）呈一定規(guī)律的排列有關，從而導致縱向抗張強度遠大于橫向抗張強度[14]。

圖2 環(huán)境相對濕度對煙草薄片抗張強度的影響Fig.2 Effect of ambient related humidity on tensile strength of heat-not-burn reconstituted tobaccos

對于稠漿法煙草薄片，隨著環(huán)境相對濕度增加，其抗張強度下降速度較均勻，縱向抗張強度從952 N/m勻速下降至387 N/m，橫向抗張強度從339 N/m 勻速下降至96 N/m，這可能與稠漿法煙草薄片中煙粉、纖維分布較均勻有關。

對于噴涂法煙草薄片，隨著環(huán)境相對濕度增加，其縱向抗張強度呈現(xiàn)3 個階段的變化。圖2（a）表明：第一階段為環(huán)境相對濕度從40%增加至50%，縱向抗張強度從1281 N/m 緩慢下降至1105 N/m，下降趨勢與稠漿法煙草薄片基本一致，這說明此階段主要以基紙兩側(cè)的涂布原料吸濕為主，吸濕的水分還未大規(guī)模浸潤進涂布基紙中；第二階段為環(huán)境相對濕度從50%增加到70%，縱向抗張強度從1105 N/m快速下降至395 N/m，在此階段煙草薄片中的基紙開始吸收水分，這和紙張吸濕原理一致[15]，其氫鍵不斷遭到破壞，使煙草薄片的縱向抗張強度快速下降；第三階段為環(huán)境相對濕度從70%增加到80%，其縱向抗張強度趨于穩(wěn)定，從395 N/m 緩慢減小至332 N/m，說明當環(huán)境相對濕度達到70%時，基紙纖維的氫鍵已經(jīng)被大量破壞，再繼續(xù)提高環(huán)境相對濕度，對煙草薄片的縱向抗張強度影響較小。由圖2（b）可知，煙草薄片的橫向抗張強度呈現(xiàn)較均勻的下降趨勢，這可能是因為基紙橫向纖維交織較縱向少，因此，橫向抗張強度不隨環(huán)境相對濕度增加呈階段性變化。

另外，隨著環(huán)境相對濕度的增加，稠漿法煙草薄片與噴涂法煙草薄片的縱向抗張強度在環(huán)境相對濕度約為62%時出現(xiàn)交叉（見圖2（a）），噴涂法煙草薄片的縱向抗張強度開始低于稠漿法煙草薄片，但其橫向抗張強度一直高于稠漿法煙草薄片。這與噴涂法煙草薄片有著抗張強度較高的基紙及2種煙草薄片吸水后抗張強度的變化規(guī)律有關。當環(huán)境相對濕度達到80%時，2種煙草薄片的縱、橫向抗張強度均較為接近。

2.3 環(huán)境相對濕度對煙草薄片耐破度的影響

圖3 為環(huán)境相對濕度對煙草薄片耐破度的影響。由圖3 可知，當環(huán)境相對濕度從40%增加至70%時，噴涂法煙草薄片的耐破度受環(huán)境相對濕度影響較大，從90.5 kPa迅速降低至約56.0 kPa；而稠漿法煙草薄片的耐破度隨環(huán)境相對濕度的增加變化較小，從58.9 kPa緩慢下降至約56.0 kPa。繼續(xù)增加環(huán)境相對濕度至80%，2 種煙草薄片的耐破度幾乎無變化。2 種煙草薄片耐破度隨環(huán)境相對濕度的變化差異與煙草薄片結構有關：環(huán)境相對濕度為40%時，噴涂法煙草薄片由于基紙的存在，其耐破度達90.5 kPa，而稠漿法煙草薄片依靠黏合劑黏結各物料，纖維的交織較少，其耐破度只有58.9 kPa。由于環(huán)境相對濕度對噴涂法煙草薄片的耐破度影響較大，為充分利用噴涂法煙草薄片耐破度較強的特點，其生產(chǎn)、儲存溫度為（23±1） ℃時，環(huán)境相對濕度應低于50%。

圖3 環(huán)境相對濕度對煙草薄片耐破度的影響Fig.3 Effect of ambient related humidity on bursting degree of reconstituted tobaccos

2.4 環(huán)境相對濕度對煙支吸阻的影響

圖4 分析了環(huán)境相對濕度對煙支吸阻的影響。由圖4可知，環(huán)境相對濕度從40%增加到50%，噴涂法煙支和稠漿法煙支的吸阻分別從466 Pa和458 Pa緩慢增加至480 Pa 和478 Pa。隨著環(huán)境相對濕度的增大，煙支吸阻增加，當環(huán)境相對濕度從70%增加至80%時，噴涂法煙支和稠漿法煙支吸阻分別從572 Pa 和757 Pa 迅速增加至1039 Pa 和1766 Pa。這是由于煙支芯材吸濕后發(fā)生潤脹，體積變大，條狀煙草薄片之間的空隙變小，在抽吸時氣體流通受阻，與傳統(tǒng)煙支吸潮后吸阻增加的原理一致[16]。從環(huán)境相對濕度對煙支吸阻的影響結果看，為保證煙支吸阻的穩(wěn)定，其生產(chǎn)、儲存溫度為（23±1） ℃時，相對濕度應低于50%。

圖4 環(huán)境相對濕度對煙支吸阻的影響Fig.4 Effect of ambient related humidity on resistance of cigarettes

2.5 環(huán)境相對濕度對煙支煙氣溫度的影響

不同相對濕度平衡下煙支的抽吸溫度如圖5 所示。由圖5可知，隨著煙支平衡相對濕度的增加，煙氣溫度不斷增加，與圖1中煙草薄片含水率變化規(guī)律一致。這是由于芯材被加熱，芯材中的水分隨著發(fā)煙物質(zhì)形成的氣溶膠從煙支末端排出，煙氣中的水蒸氣占比達60%以上[17]，是煙氣熱量的主要來源。隨著環(huán)境相對濕度的增加，煙支含水率不斷上升，在環(huán)境相對濕度為80%時，噴涂法煙支和稠漿法煙支抽吸溫度最高分別達70.9和72.3 ℃。

圖5 環(huán)境相對濕度對的煙支煙氣溫度的影響Fig.5 Effect of ambient related humidity on the smoke temperature of cigarettes

從煙氣溫度與抽吸口數(shù)變化規(guī)律來看，2 種煙支的煙氣溫度均隨抽吸口數(shù)的增加呈現(xiàn)先上升后下降的變化規(guī)律，并在第2 口達到最大值。這可能是由于第2口煙氣中水分含量最高，隨著抽吸口數(shù)增加，芯材中的水分蒸發(fā)減少，使得抽吸時煙氣溫度降低。當煙支平衡相對濕度為80%時，噴涂法煙支和稠漿法煙支的第1口煙氣溫度分別低于平衡相對濕度為60%和70%的煙支，推測可能是由于芯材含水率過高，煙支吸阻過大，導致熱氣流傳導效應降低，使得第1口氣溶膠中的含水量反而低于平衡相對濕度為60%或70%時的煙支。因此，煙支芯材水分控制對煙支抽吸體驗尤其重要，煙支生產(chǎn)、儲存溫度為（23±1） ℃時，環(huán)境相對濕度應低于50%。

3 結 論

本研究分析了噴涂法和稠漿法煙草薄片及2 種煙草薄片芯材制備的煙支在不同環(huán)境相對濕度的條件下的物理特性，并探討了煙草薄片抗張強度、耐破度、煙支吸阻及煙氣溫度隨環(huán)境相對濕度的影響規(guī)律。

3.1 噴涂法和稠漿法煙草薄片的含水率均隨環(huán)境相對濕度的增加而增加，當環(huán)境相對濕度從40%增加到50%時，煙草薄片含水率增加幅度較?。浑S著環(huán)境相對濕度從50%增加到80%，噴涂法和稠漿法煙草薄片的含水率快速增加，分別從7.77%和9.31%上升至21.69%和23.85%。2 種煙草薄片的吸濕特性與其纖維分布狀況及煙粉吸水潤脹有關，稠漿法煙草薄片的吸濕性大于噴涂法煙草薄片。

3.2 隨著環(huán)境相對濕度增加，煙草薄片抗張強度不斷降低，其中稠漿法煙草薄片的縱向抗張強度勻速下降，噴涂法煙草薄片的縱向抗張強度呈現(xiàn)3個階段的下降。2 種煙草薄片的橫向抗張強度均小于縱向抗張強度，隨著環(huán)境相對濕度的增加，呈現(xiàn)較為均勻的下降。當環(huán)境相對濕度為80%，2 種煙草薄片的縱、橫向抗張強度趨于一致。

3.3 環(huán)境相對濕度對噴涂法煙草薄片耐破度影響較大，當環(huán)境相對濕度從40%增加至70%時，其耐破度從90.5 kPa迅速降低至約56.0 kPa；稠漿法煙草薄片的耐破度受環(huán)境相對濕度影響較小。當環(huán)境相對濕度大于70%時，2 種煙草薄片的耐破度接近，幾乎不隨環(huán)境相對濕度增加發(fā)生變化。

3.4 環(huán)境相對濕度與抽吸體驗密切相關。隨著環(huán)境相對濕度的增加，煙支的吸阻增加，煙氣溫度上升。當環(huán)境相對濕度從40%增加到50%時，煙支的吸阻較穩(wěn)定；當環(huán)境相對濕度大于50%時，煙支吸阻增速開始迅速變大。第2口煙氣中水分含量最高，隨著抽吸口數(shù)增加，芯材中的水分蒸發(fā)減少，使得抽吸時煙氣溫度降低。

3.5 為了確保芯材質(zhì)量穩(wěn)定性及煙支的抽吸體驗，2 種煙草薄片及煙支的生產(chǎn)、儲存溫度為（23±1） ℃時，環(huán)境相對濕度應低于50%。