煙用材料對手工包裝卷煙含水率的影響研究

劉民昌，劉 洋，張榮亞，溫若愚，文 武，陳雪梅，胡顯成，訚碧微，馬亞萍，暴霆杰

（1.四川中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，四川成都 610066；2.四川中煙工業(yè)有限責任公司成都卷煙廠，四川成都 610066）

0 引言

卷煙含水率變化會對抽吸品質(zhì)、燃燒性能、煙氣指標、貯存壽命等造成重要影響[1-5]，是煙草行業(yè)高度關(guān)注的控制指標。為保障卷煙含水率穩(wěn)定性，科技工作者開展了大量研究，王龍等人[6]研究表明，在卷制后貯存輸送過程中，煙支含水率易受環(huán)境濕度影響而發(fā)生變化，且不同牌號影響程度有所差異。舒云波等人[7]、劉民昌等人[8]研究表明，煙包與環(huán)境之間會發(fā)生水分交換，其水分交換速率受透明紙密封度、環(huán)境溫度、相對濕度等多種因素綜合影響。孫志濤等人[9]研究表明，煙包材料與煙支之間存在交換作用，會增加整個樣品體系水分的散失路徑，進而延緩干燥環(huán)境中煙支水分的散失速率。馬驥等人[10]研究表明，濾棒與煙絲的吸濕性能存在較大差異，濾嘴的存在會加快煙支的水分散失。周海華等人[11]基于生產(chǎn)統(tǒng)計，利用回歸分析法分析了小盒對煙支含水率的影響，給出了常規(guī)卷煙小盒含水率控制建議區(qū)間。當前研究主要集中在生產(chǎn)過程控制及煙包與環(huán)境的水分交換，對于包裝后煙包內(nèi)材料對卷煙含水率的影響研究較少。近年來，隨著消費需求多樣化，手工包裝卷煙取得了一定的市場規(guī)模，由于手工包裝卷煙材料質(zhì)量占比普遍較大，其含水率波動對卷煙含水率穩(wěn)定性的影響日漸引起生產(chǎn)企業(yè)的重視。因此，通過系統(tǒng)構(gòu)建手工包裝卷煙各組分含水率與相對濕度關(guān)系模型，分析煙用材料對成品煙絲含水率的影響程度及其之間的水分遷移規(guī)律，旨在摸清生產(chǎn)加工中的關(guān)鍵控制因素，為提高手工包裝卷煙成品含水率穩(wěn)定性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

材料：粗支、中支、細支3 種規(guī)格手工包裝卷煙，四川中煙工業(yè)有限責任公司成都卷煙廠提供。

儀器：PL203 型電子天平（感量0.000 1 g），瑞士Mettle Toledo 公司產(chǎn)品；KBF115 型恒溫恒濕箱，德國Binder 公司產(chǎn)品；GZX-9240MBE 型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海博訊實業(yè)有限公司產(chǎn)品。

卷煙樣品信息見表1。

表1 卷煙樣品信息

1.2 試驗方法

1.2.1 平衡時間的確定

以牌號A 為代表樣品，首先將煙絲、小盒、濾棒、卷煙紙、接裝紙在溫度22 ℃，相對濕度60%條件下平衡72 h；之后分別在相對濕度45%條件下，利用電子天平記錄平衡過程中每個組分的質(zhì)量變化，每分鐘采數(shù)1 次，每60 個數(shù)據(jù)計算一次平均值；最后，利用烘箱法[11]于100 ℃條件下干燥2 h，按照公式（1）計算各組分含水率隨平衡時間的變化趨勢，按含水率誤差≤0.1 %，確定后續(xù)試驗所需的平衡時間。

式中：Wi——樣品含水率，%；

mi——各時刻樣品濕基質(zhì)量，g；

me——烘后樣品干基質(zhì)量，g。

1.2.2 相對濕度對各組分平衡含水率的影響

將3 個牌號的煙絲、小盒、濾棒、卷煙紙、接裝紙放置于恒溫恒濕箱中，溫度保持22 ℃不變，相對濕度分別設(shè)置為45%，50%，55%，60%，65%，70%，75%，每種濕度條件下平衡48 h 后利用烘箱法檢測各組分含水率，每種樣品同時放置3 個平行樣計算平均值，分析相對濕度對各組分平衡含水率的影響，并建立影響關(guān)系模型。

1.2.3 煙絲含水率與煙包整體含水量關(guān)系

通過各組分在不同濕度下的平衡含水率，根據(jù)煙包內(nèi)各組分的干基質(zhì)量，按照公式（2）計算不同相對濕度下煙包的整體水分含量，建立煙絲含水率與整體水分含量的關(guān)系模型。

式中：M——煙包整體水分含量，g；

Wi——各組分濕基含水率，%；

mei——各組分干基質(zhì)量，g。

1.2.4 煙用材料對成品煙絲含水率的理論影響

以3 個牌號各組分在相對濕度60%條件下的平衡含水率為基準，以含水率-1.50%，-1.00%，-0.50%，0，0.50%，1.00%，1.50%為梯度，依次單獨調(diào)整小盒、濾棒、卷煙紙、接裝紙的含水率，按照公式（2）計算煙包內(nèi)的整體水分含量，假定包裝后煙包不與外界環(huán)境發(fā)生水分交換，煙包內(nèi)成品煙絲與煙用材料之間存在水分遷移并終將重新達到平衡狀態(tài)，根據(jù)整體水分含量計算煙絲含水率，分析各煙用材料水分波動對成品煙絲含水率的理論影響程度。

1.2.5 卷煙小盒對成品煙絲含水率的實際影響

恒溫恒濕箱溫度設(shè)置為22 ℃，將3 個牌號煙支在60%條件下平衡48 h 后，利用烘箱法檢測煙絲初始含水率，剩余煙支密封待用；將小盒在相對濕度40%，80%條件下分別平衡2，7，16 h，獲得不同含水率的小盒樣品，每個牌號、每個濕度各3 盒，編號并稱量小盒初始質(zhì)量；將剩余煙支裝入小盒，利用透明紙熱封包裝，以減小煙包與外界環(huán)境的水分交換；在自然條件下貯存30 d 后打開煙包，分別取出小盒及煙絲，利用烘箱法檢測含水率，并利用公式（1）計算小盒包裝前含水率，驗證小盒水分對成品煙絲含水率的實際影響程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 平衡時間對各組分含水率的影響

各組分含水率與平衡時間的方程擬合結(jié)果見表2，各組分含水率隨平衡時間的變化曲線見圖1。

圖1 各組分含水率隨平衡時間的變化曲線

表2 各組分含水率與平衡時間的方程擬合結(jié)果

由圖1 和表2 可知，①相對濕度由60%調(diào)整為45%，各組分含水率前期下降較快，后期下降緩慢并趨于平穩(wěn)；②含水率與平衡時間的關(guān)系符合二階衰減函數(shù)Y=Y0+A1e-x/t1+A2e-x/t2，相關(guān)系數(shù)R2≥0.997 8，平均絕對誤差MAE≤0.014 5%，相關(guān)性較好，可以用該模型表征各組分含水率隨平衡時間的變化趨勢；③不同組分的水分散失速率有一定差異，達到平衡的時間由快到慢依次為濾棒＞卷煙紙＞接裝紙＞小盒＞煙絲；④當平衡時間X 無限長時，平衡含水率的理論值為Y0，在試驗允許誤差≤0.1%時。經(jīng)計算，濾棒、卷煙紙、接裝紙、小盒、煙絲的平衡時間分別至少為1.89，2.83，11.43，15.15，28.53 h，為保障試驗數(shù)據(jù)的可靠性，后續(xù)試驗統(tǒng)一平衡48 h。

2.2 相對濕度對各組分平衡含水率的影響

各組分含水率與相對濕度的方程擬合結(jié)果見表3，煙絲含水率隨相對濕度的變化情況見圖2，小盒含水率隨相對濕度的變化情況見圖3，濾棒含水率隨相對濕度的變化情況見圖4，卷煙紙含水率隨相對濕度的變化情況見圖5，接裝紙含水率隨相對濕度的變化情況見圖6。

圖2 煙絲含水率隨相對濕度的變化情況

圖4 濾棒含水率隨相對濕度的變化情況

圖5 卷煙紙含水率隨相對濕度的變化情況

圖6 接裝紙含水率隨相對濕度的變化情況

表3 各組分含水率與相對濕度的方程擬合結(jié)果

由表3 和圖2～圖6 可知，①平衡含水率與相對濕度的關(guān)系符合模型Y=Ax3+Bx2+Cx+D，相關(guān)系數(shù)R2≥0.995 8，平均絕對誤差MAE≤0.041 4%，相關(guān)性較好，說明可以利用該模型預測各組分在不同相對濕度下的平衡含水率；②同種組分的平衡含水率存在牌號間差異，其中在相對濕度60%條件下，牌號A、B、C 煙絲的平衡含水率分別為11.84%，12.08%，12.12%，這是因為不同牌號的葉組配方及香精香料等不同，牌號A、B、C 小盒的平衡含水率分別為7.28%，7.25%，7.02%；③相對濕度波動對平衡含水率影響較大且存在組分間差異，其中相對濕度由45%升高至75%，牌號A 的煙絲、小盒、濾棒、卷煙紙、接裝紙的含水率分別對應變化10.00%，2.19%，1.76%，2.50%，2.00%，這是因為不同組分材料的化學成分及結(jié)構(gòu)不同，導致吸濕性能有所差異。整體而言，相對濕度對煙包各個組成部分的平衡含水率及其波動均有較大影響，在各牌號煙絲及材料含水率標準設(shè)計時，應重點考慮其與相對濕度的匹配關(guān)系，在生產(chǎn)加工時，應重點保障各生產(chǎn)區(qū)域尤其是與煙絲相關(guān)的貯絲、風送、卷包等過程的環(huán)境濕度穩(wěn)定性保障，以減少生產(chǎn)環(huán)境對卷煙成品煙絲含水率的影響。

2.3 煙絲含水率與煙包整體水分含量的關(guān)系

煙絲含水率與煙包整體水分含量的方程擬合結(jié)果見表4，煙絲含水率與整體水分含量的關(guān)系見圖7。

圖7 煙絲含水率與整體水分含量的關(guān)系

表4 煙絲含水率與煙包整體水分含量的方程擬合結(jié)果

由表4 和圖7 可知，煙絲含水率與煙包整體水分含量的關(guān)系符合模型Y=Ax3+Bx2+Cx+D，相關(guān)系數(shù)R2≥0.999 8，平均絕對誤差MAE≤0.041 1%，擬合程度好，說明可以利用該模型預測充分平衡后煙包內(nèi)的煙絲含水率。實際上，卷煙包裝密封后，煙包內(nèi)部可視為封閉體系，無論各組分初始含水率如何波動，由于其對應相對濕度有所差異，組分之間必將發(fā)生水分遷移并逐漸趨于平衡，最終成品煙絲含水率與煙包整體含水量有關(guān)。

2.4 煙用材料對成品煙絲含水率的理論影響分析

煙絲含水率與煙用材料含水率的方程擬合結(jié)果見表5，牌號A 煙用材料對成品煙絲含水率的理論影響情況見圖8，牌號B 煙用材料對成品煙絲含水率的理論影響情況見圖9，牌號C 煙用材料對成品煙絲含水率的理論影響情況見圖10。

圖8 牌號A 煙用材料對成品煙絲含水率的理論影響情況

圖9 牌號B 煙用材料對成品煙絲含水率的理論影響情況

圖10 牌號C 煙用材料對成品煙絲含水率的理論影響情況

表5 煙絲含水率與煙用材料含水率的方程擬合結(jié)果

由圖8～圖11 和表5 可知，①成品煙絲含水率與煙用材料初始含水率呈線性關(guān)系Y=Ax+B，R2≥0.998 3，平均絕對誤差MAE≤0.069 2%，相關(guān)性較好，說明可以用該方法分析煙用材料對成品煙絲含水率的影響，方程斜率即為影響程度大?。虎谙嗤牧蠈Σ煌铺柍善窡熃z含水率的影響有所差異，如卷煙小盒，初始含水率每變化1.00%，牌號A、B、C 的成品煙絲含水率理論對應變化1.09%，1.53%，1.66%，這是因為3 個牌號小盒在煙包中的質(zhì)量占比有所差異；③相同牌號的不同材料對成品煙絲含水率影響差異較大，如卷煙牌號A，小盒、濾棒、卷煙紙、接裝紙初始含水率每變化1.00%，成品煙絲含水率依次對應變化1.09%，0.23%，0.05%，0.05%，這是因為小盒在煙包中的質(zhì)量占比遠高于其他材料。整體而言，材料在煙包內(nèi)的質(zhì)量占比越大，其對成品煙絲含水率的影響越大，其中手工包裝卷煙牌號A、B、C 小盒質(zhì)量占比分別為51.02%，61.21%，64.48%，而常規(guī)卷煙包裝材料質(zhì)量占比通常為20%～30%，其水分波動對成品煙絲含水率影響高于常規(guī)包裝卷煙，且手工包裝小盒在糊盒、烘干等過程中，其水分穩(wěn)定性控制難度高于常規(guī)平張商標材料。因此，在包裝生產(chǎn)前，手工包裝小盒含水率的匹配性及穩(wěn)定性保障應引起重視。

2.5 卷煙小盒對成品煙絲含水率的實際影響驗證

包裝前后小盒及煙絲含水率實際變化情況見表6。

表6 包裝前后小盒及煙絲含水率實際變化情況

由表6 可知，①當小盒初始含水率較低時，包裝后小盒含水率增加、煙絲含水率降低，反之小盒含水率降低、煙絲含水率增加，進一步驗證了煙包內(nèi)各組分之間存在水分遷移的現(xiàn)象；②包裝后成品煙絲含水率最大誤差為0.23%，平均絕對誤差為0.12%，卷煙小盒對成品煙絲含水率的實際情況與理論計算結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)論

（1）分析了煙包各組分含水率隨平衡時間的變化趨勢，煙包不同組分的水分散失速率有一定差異，達到平衡的時間由快到慢依次為濾棒＞卷煙紙＞接裝紙＞小盒＞煙絲。

（2）分析了相對濕度與煙包各組分平衡含水率匹配關(guān)系，在各牌號煙絲及材料含水率標準設(shè)計時，應重點考慮其與相對濕度的匹配性，其中在相對濕度60%條件下，牌號A、B、C 煙絲的平衡含水率分別為11.84%，12.08%，12.12%；小盒的平衡含水率分別為7.28%，7.25%，7.02%。

（3）分析了相對濕度波動對煙包各組分平衡含水率的影響，其中相對濕度由45%升高至75%，牌號A 的煙絲、小盒、濾棒、卷煙紙、接裝紙的含水率分別對應變化10.00%，2.19%，1.76%，2.50%，2.00%，在卷煙生產(chǎn)時，應強化各生產(chǎn)區(qū)域尤其是貯絲、風送、卷包過程的環(huán)境濕度穩(wěn)定性保障。

（4）分析了煙用材料對成品煙絲含水率的影響，材料在煙包內(nèi)的質(zhì)量占比越大，其對成品煙絲含水率的影響程度越大，其中牌號A、B、C 的小盒含水率每變化1.00%，成品煙絲含水率對應變化高達1.09%，1.53%，1.66%，由于手工包裝卷煙小盒質(zhì)量占比遠高于常規(guī)卷煙，在包裝生產(chǎn)前，應加強小盒含水率的匹配性與穩(wěn)定性保障，以提高包裝貯藏后成品煙絲含水率的穩(wěn)定性。