環(huán)境相對濕度對干法再造煙葉加熱卷煙關(guān)鍵指標(biāo)的影響

史健陽，郭林青，梁 坤，王帥鵬，鄭 怡，陳業(yè)嫻，劉 鍇，黃玉川*，3

1.四川三聯(lián)新材料有限公司，成都市車城西二路66號(hào) 610101

2.四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司, 成都市成龍大道一段56號(hào) 610066

3.四川省新型煙草制品工程技術(shù)研究中心，成都市成龍大道一段56號(hào) 610066

卷煙煙絲疏松多孔且含有蛋白質(zhì)、果膠、有機(jī)鹽等物質(zhì)，易受環(huán)境濕度的影響［1］。由于季節(jié)環(huán)境濕度的變化，在加工、運(yùn)輸過程中煙支含水率也會(huì)隨之發(fā)生變化。煙支含水率與煙支品質(zhì)緊密相關(guān)［2-4］。當(dāng)環(huán)境濕度較低時(shí)，煙支水分會(huì)逐漸散失導(dǎo)致卷煙抽吸干燥感增加，刺激變大［5］；當(dāng)環(huán)境濕度較高時(shí)，煙支易受潮，導(dǎo)致煙支的外觀質(zhì)量、發(fā)煙量、勁頭、香氣狀態(tài)等感官指標(biāo)發(fā)生變化，甚至?xí)霈F(xiàn)煙支霉變［6］。因此，卷煙生產(chǎn)對環(huán)境溫濕度有一定的要求。葉校圳等［7］的研究指出卷煙生產(chǎn)需要滿足冬季（當(dāng)年12月1日—次年3月31日）溫度（24±2）℃、相對濕度（60±4）%，夏季（當(dāng)年4月1日—11月30日）溫度（26±2）℃、相對濕度（58±4）%的工藝標(biāo)準(zhǔn)。四川中煙有限責(zé)任公司成都卷煙廠也詳細(xì)規(guī)定了各生產(chǎn)區(qū)域環(huán)境溫濕度需要控制在溫度22~35℃、相對濕度55%~75%范圍內(nèi)［8］。

近年來加熱卷煙迅速發(fā)展［9-10］。截至2020年底IQOS煙支銷售761.11億支，已在全球64個(gè)國家和地區(qū)上市銷售，使用用戶達(dá)1 760萬人［11］。加熱卷煙是一種通過加熱蒸餾方式（500℃以下）使煙芯材料受熱釋放氣溶膠的新型煙草產(chǎn)品［12］。目前加熱卷煙煙芯材料主要是再造煙葉或煙草顆粒。煙芯材料是加熱卷煙發(fā)煙產(chǎn)香的主要載體，為了使煙支能具有良好的發(fā)煙狀態(tài)，煙芯材料制備過程中會(huì)添加20%~30%的甘油、丙二醇等發(fā)煙劑［12-13］。加熱卷煙和傳統(tǒng)卷煙的材料和工藝不同，其吸濕能力也有較大差異，受環(huán)境相對濕度影響程度也不同。目前國內(nèi)有關(guān)水分對加熱卷煙品質(zhì)影響的研究報(bào)道較少。李朝建等［14］發(fā)現(xiàn)環(huán)境相對濕度40%~60%，存放96 h不僅對再造煙葉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有影響，對煙氣水分釋放量、煙氣甘油釋放量、煙氣煙堿釋放量、煙氣粒相物質(zhì)量均有影響。另外，環(huán)境相對濕度對加熱卷煙煙支水分、物理性質(zhì)、煙氣性質(zhì)、感官指標(biāo)變化等方面的相關(guān)研究也不多，尤其是在加熱卷煙生產(chǎn)車間最適相對濕度條件以及存放時(shí)間對加熱卷煙品質(zhì)影響方面。

本研究中以四川中煙“寬窄”原味加熱卷煙煙支為對象，根據(jù)我國境內(nèi)10年間平均氣候條件［15-16］，設(shè)定22.5%~90.0%環(huán)境相對濕度范圍，系統(tǒng)研究不同環(huán)境相對濕度下存放7 d，煙支發(fā)煙段含水率、吸阻、煙氣成分（煙堿、總粒相物、水分）的變化，以及對感官指標(biāo)的影響，旨在為加熱卷煙研發(fā)、生產(chǎn)及流通提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

國內(nèi)典型干法造紙法再造煙葉制備的一種原味加熱卷煙煙支，中心加熱，配套煙具為功夫2.0加熱器（由四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

RT-1V R4081KD綜合測試臺(tái)（成都瑞拓科技股份有限公司）；SM450型直線式吸煙機(jī)（英國Cerulean公司）；7890A氣相色譜儀，配FID、TCD檢測器（美國Aglilent公司）；天冠0012型烘箱（河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司）；CP2245型電子天平（感量：0.000 1 g，德國Sartorius公司）；HY-5A型回旋振蕩器（金壇市迅生儀器廠）。乙酸鉀、碳酸鉀、亞硝酸鈉、氯化鈉、氯化鋇均為市售分析純試劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和條件

1.2.1 煙支卷制

參照鄧永等［17］的方法，將干法再造煙葉通過2+2雙二元復(fù)合的方法卷制為有序加熱卷煙煙支，煙支卷制完成后立即取樣，密封保存待用，煙支制備總時(shí)長小于2 h。

1.2.2 儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)

選擇乙酸鉀、碳酸鉀、亞硝酸鈉、氯化鈉、氯化鋇分別配置飽和鹽溶液于密閉容器中，形成22.5%、43.2%、63.2%、75.3%、90.0%5個(gè)不同的環(huán)境相對濕度梯度［18］，將制備的煙支樣品于恒定溫度（26±2）℃條件下存放3、4、5、6、7 d時(shí)分別取樣并檢測發(fā)煙段含水率、物理指標(biāo)（吸阻、單支質(zhì)量、圓周、圓度）、煙氣成分［水分、煙堿、總粒相物（TPM）］、感官評(píng)價(jià)指標(biāo)，以第0 d樣品為對照。

1.2.3 理化指標(biāo)測定

煙支發(fā)煙段含水率測定參考GB 5009.3—2016［19］、YC/T 31—1996［20］，煙支吸阻、單支質(zhì)量、圓周、圓度采用RT-1V R4081KD綜合測試臺(tái)測定。

煙氣粒相物質(zhì)捕集與常規(guī)指標(biāo)分析參照GB/T 19609—2004［21］，GB/T 23355—2009［22］，GB/T 23203.1—2013［23］規(guī)定的方法，采用鐘形抽吸曲線［24］，抽吸容量為35 mL，抽吸持續(xù)時(shí)間2 s，抽吸間隔時(shí)間20 s，單張濾片捕集4支加熱卷煙，每支加熱卷煙抽吸口數(shù)由加熱器具持續(xù)加熱時(shí)間決定，計(jì)算公式：抽吸口數(shù)=加熱器具持續(xù)加熱時(shí)間/抽吸時(shí)間間隔+1。

1.2.4 感官評(píng)價(jià)

參照GB/T 5606.4—2005《卷煙感官技術(shù)要求》［25］和QJ/05.J.110 2020A《加熱卷煙感官質(zhì)量評(píng)價(jià)方法》［26］，準(zhǔn)備不同相對濕度環(huán)境儲(chǔ)存0~7 d煙支樣品和功夫2.0加熱器具，由7名具有省級(jí)以上卷煙感官評(píng)價(jià)資質(zhì)的評(píng)委組成專業(yè)評(píng)吸小組，以暗評(píng)打分的方式，對煙霧量、煙氣濃度、勁頭、舒適性（刺激、干燥、殘留）、香氣、穩(wěn)定性分別打分進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，滿分5分，差異值最小1分，通過統(tǒng)計(jì)得到不同樣品感官質(zhì)量特征。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS（23.0）軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。通過多因素方差分析和多重比較，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)差異檢驗(yàn)，并判定P＜0.05時(shí)是否具有顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同環(huán)境相對濕度對儲(chǔ)存過程中煙支發(fā)煙段含水率的影響

由圖1所示，在實(shí)驗(yàn)相對濕度范圍內(nèi)，隨著儲(chǔ)存時(shí)間延長，環(huán)境相對濕度63.2%、75.3%、90.0%時(shí)，發(fā)煙段含水率持續(xù)增加，存放第6 d時(shí)，90.0%相對濕度條件下煙支發(fā)煙段含水率最高，達(dá)到29.80%；當(dāng)環(huán)境相對濕度為43.2%和22.5%時(shí)，發(fā)煙段含水率隨著存放時(shí)間延長不斷下降。其中，22.5%相對濕度下的煙支發(fā)煙段含水率減少較多，存放7 d后達(dá)到最低值10.89%。在相對濕度43.2%的環(huán)境存放時(shí)，煙支發(fā)煙段含水率最高為15.97%，最低為14.32%，與煙支初始含水率16.36%最接近。

圖1 儲(chǔ)存時(shí)間對煙支發(fā)煙段含水率的影響Fig.1 Effect of storage time on moisture content in tobacco section

通過分析煙支發(fā)煙段存放期間水分變化（圖2），發(fā)現(xiàn)寬窄原味加熱卷煙煙支在環(huán)境相對濕度低于43.2%時(shí)處于解濕狀態(tài)，相反在63.2%及以上時(shí)處于吸濕狀態(tài)，相對濕度90.0%時(shí)持水能力最強(qiáng)，說明寬窄加熱卷煙煙支具有良好的吸水保潤能力。其中43.2%的相對濕度環(huán)境對煙支發(fā)煙段水分影響程度最小，表明該條件下煙支發(fā)煙段與外界環(huán)境物質(zhì)交換頻次最低，此外，43.2%的相對濕度也是適宜人類生活、工作的相對濕度條件范圍［27］。

圖2 儲(chǔ)存期間煙支發(fā)煙段含水率的變化Fig.2 Variation of moisture content in tobacco section

2.2 不同環(huán)境相對濕度對儲(chǔ)存過程中煙氣指標(biāo)的影響

與發(fā)煙段含水率變化趨勢相似，當(dāng)環(huán)境相對濕度低于43.2%時(shí)，煙氣中水分釋放量隨儲(chǔ)存時(shí)間呈降低趨勢；當(dāng)環(huán)境相對濕度高于63.2%時(shí)，煙氣中水分釋放量隨儲(chǔ)藏時(shí)間呈升高趨勢（圖3），煙氣中水分在相對濕度為63.2%時(shí)波動(dòng)最小，其次是43.2%。煙氣總粒相物變化趨勢與煙氣水分相似（圖4），當(dāng)相對濕度為43.2%時(shí)，煙氣總粒相物釋放量在儲(chǔ)存期間最穩(wěn)定。煙氣煙堿量與煙氣水分釋放量的變化趨勢相反（圖5），仍然是當(dāng)相對濕度為43.2%時(shí)，其變化幅度最小。此外，還發(fā)現(xiàn)相對濕度與煙氣水分釋放量和總粒相物釋放量呈正相關(guān)。而煙氣中煙堿釋放量則與相對濕度呈負(fù)相關(guān)，這與對傳統(tǒng)卷煙的研究結(jié)果相似，前人發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)卷煙的煙堿釋放量隨煙絲含水率增加而少有減小［28-29］。總體來看，環(huán)境相對濕度為43.2%時(shí)，煙氣中各個(gè)指標(biāo)相對穩(wěn)定。

圖3 儲(chǔ)存期間不同相對濕度對煙氣水分釋放量的影響Fig.3 Effects of different relative humidity during storage on moisture content in aerosol

圖4 儲(chǔ)存期間不同相對濕度對煙氣總粒相物釋放量的影響Fig.4 Effects of different relative humidity during storage on total particulate matter in aerosol

圖5 儲(chǔ)存期間不同相對濕度對煙氣煙堿釋放量的影響Fig.5 Effects of different relative humidity during storage on nicotine release in aerosol

2.3 不同相對濕度對儲(chǔ)存過程中煙支物理指標(biāo)的影響

對不同相對濕度儲(chǔ)存后的煙支測定其吸阻，結(jié)果見圖6。由圖6可知，煙支吸阻與相對濕度呈正相關(guān)，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，相對濕度越高，吸阻越大，可能是水分遷移到濾嘴段時(shí)填補(bǔ)了絲束間隙，導(dǎo)致煙氣不易通過。當(dāng)相對濕度90.0%存放6 d時(shí)吸阻最大，為654.2 Pa；當(dāng)相對濕度為43.2%時(shí)，煙支吸阻在整個(gè)存儲(chǔ)期間最穩(wěn)定。單支質(zhì)量與相對濕度變化呈正相關(guān)（圖7），相對濕度為43.2%和63.2%時(shí)，儲(chǔ)存期間的單支質(zhì)量變化較小。

圖6 儲(chǔ)存期間不同相對濕度對煙支吸阻的影響Fig.6 Effects of different relative humidity during storage on draw resistance of heated tobacco products

圖7 儲(chǔ)存期間不同相對濕度對單支質(zhì)量的影響Fig.7 Effects of different relative humidity during storage on weight of single heated tobacco product

圓周是衡量加熱卷煙煙支是否匹配器具的主要指標(biāo)之一，煙支的圓周過大會(huì)導(dǎo)致其不能匹配特定器具，圓周較小則容易引起抽吸過程中煙支移位。此外，圓周大小也會(huì)影響煙支的填充度，從而改變煙支吸阻。本研究中，不同相對濕度條件下存放7 d的過程中，雖然各處理組間的煙支圓周出現(xiàn)了顯著波動(dòng)（P＜0.05，表1），但所有煙支圓周均在設(shè)定值23.00 mm±0.20 mm范圍內(nèi)，符合生產(chǎn)工藝要求［30］，不會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，不同相對濕度條件下儲(chǔ)存對煙支圓周無實(shí)質(zhì)性影響。

表1 儲(chǔ)存期間不同相對濕度對煙支圓周的影響①Tab.1 Effects of different relative humidity during storage on circumference of tobacco section

隨著環(huán)境相對濕度的增加，煙支吸潮易變軟并產(chǎn)生塌陷，煙支圓度發(fā)生變化，從而影響煙支外觀。與煙支圓周類似，雖然不同處理組間的煙支圓度有顯著波動(dòng)（P＜0.05，表2），但未出現(xiàn)塌陷影響煙支外觀的現(xiàn)象，不影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，相對濕度對煙支圓度也無實(shí)質(zhì)性影響。

2.4 不同相對濕度對儲(chǔ)存過程中煙支感官指標(biāo)的影響

通過對感官指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)（圖8），發(fā)現(xiàn)隨著儲(chǔ)存時(shí)間延長，所有處理組煙支的感官指標(biāo)（煙霧量、穩(wěn)定性、勁頭、舒適性、煙氣濃度和香氣）均明顯下降。低相對濕度（22.5%）儲(chǔ)存期間，隨著時(shí)間延長，煙支舒適性下降最快；這可能是由煙氣的高煙堿和低含水率引起的，煙堿增加勁頭的同時(shí)會(huì)降低抽吸舒適性。楊國榮等［31］發(fā)現(xiàn)相對濕度與傳統(tǒng)卷煙的勁頭呈顯著負(fù)相關(guān)，而煙氣的低含水率也會(huì)降低抽吸時(shí)的舒適性［5］，這些都與本研究中的結(jié)果類似。高相對濕度（90.0%）存放時(shí)，煙氣濃度、煙霧量和香氣等指標(biāo)下降最快，第7 d時(shí)部分煙支甚至出現(xiàn)不冒煙的情況，可能是由于在高相對濕度存放期間，煙支吸潮導(dǎo)致抽吸時(shí)汽化水分所需的熱量增加，從而引起煙支加熱不徹底；煙氣經(jīng)過降溫段時(shí)，煙氣及其攜帶的香味物質(zhì)等隨水分冷凝，導(dǎo)致煙氣濃度、煙霧量和香氣減弱。而綜合所有感官指標(biāo)來看，相對濕度43.2%條件下儲(chǔ)存7 d的過程中，各個(gè)感官指標(biāo)相對穩(wěn)定。

圖8 不同相對濕度儲(chǔ)存期間對感官指標(biāo)的影響Fig.8 Effects of storage for different days under different relative humidity on sensory quality

3 結(jié)論

（1）環(huán)境相對濕度與煙支發(fā)煙段含水率、煙氣水分釋放量、總粒相物釋放量呈正相關(guān)；而環(huán)境相對濕度與煙氣煙堿釋放量呈負(fù)相關(guān)。煙支存放7 d期間，43.2%相對濕度時(shí)煙支的各化學(xué)指標(biāo)最穩(wěn)定。

（2）環(huán)境相對濕度與煙支單支質(zhì)量呈正相關(guān)。在存儲(chǔ)期間，環(huán)境相對濕度為43.2%時(shí)，煙支吸阻最穩(wěn)定；而相對濕度對煙支圓周、圓度無實(shí)質(zhì)性影響。

（3）加熱卷煙煙支儲(chǔ)存的環(huán)境相對濕度和儲(chǔ)存時(shí)間對感官指標(biāo)有明顯影響。隨著儲(chǔ)存時(shí)間延長，煙支的煙霧量、穩(wěn)定性、勁頭、舒適性、煙氣濃度和香氣等指標(biāo)均明顯下降。儲(chǔ)存的相對濕度為43.2%時(shí)煙支的感官指標(biāo)最優(yōu)。

（4）以干法造紙法為代表的寬窄加熱卷煙產(chǎn)品與傳統(tǒng)卷煙的60%左右的適宜環(huán)境相對濕度存放條件不同，其更適合在較低的環(huán)境相對濕度（43%）中存放，這可能與加熱卷煙煙芯材料中較高含量的具有較強(qiáng)吸水能力的物質(zhì)有關(guān)，比如甘油和丙二醇等；另外干法造紙法再造煙葉結(jié)構(gòu)疏松，也更利于水分吸收。環(huán)境相對濕度的變化對加熱卷煙煙支品質(zhì)有較大影響，建議在生產(chǎn)周期盡可能縮短的同時(shí)提高包裝的密封性以減少煙支與外界環(huán)境的物質(zhì)交換。