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

（1.四川中煙工業有限責任公司技術中心，四川成都 610066；2.四川中煙工業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、燃燒性能、煙氣指標、貯存壽命等造成重要影響[1-5]，是煙草行業高度關注的控制指標。為保障卷煙含水率穩定性，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，煙支含水率易受環境濕度影響而發生變化，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，煙包與環境之間會發生水分交換，其水分交換速率受透明紙密封度、環境溫度、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]基于生產統計，利用回歸分析法分析了小盒對煙支含水率的影響，給出了常規卷煙小盒含水率控制建議區間。當前研究主要集中在生產過程控制及煙包與環境的水分交換，對于包裝后煙包內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模，由于手工包裝卷煙材料質量占比普遍較大，其含水率波動對卷煙含水率穩定性的影響日漸引起生產企業的重視。因此，通過系統構建手工包裝卷煙各組分含水率與相對濕度關系模型，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律，旨在摸清生產加工中的關鍵控制因素，為提高手工包裝卷煙成品含水率穩定性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

材料：粗支、中支、細支3 種規格手工包裝卷煙，四川中煙工業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 公司產品；KBF115 型恒溫恒濕箱，德國Binder 公司產品；GZX-9240MBE 型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海博訊實業有限公司產品。

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量變化，每分鐘采數1 次，每60 個數據計算一次平均值；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——各時刻樣品濕基質量，g；

me——烘后樣品干基質量，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，并建立影響關系模型。

1.2.3 煙絲含水率與煙包整體含水量關系

通過各組分在不同濕度下的平衡含水率，根據煙包內各組分的干基質量，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）計算煙包內的整體水分含量，假定包裝后煙包不與外界環境發生水分交換，煙包內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，根據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果

由圖1 和表2 可知，①相對濕度由60%調整為45%，各組分含水率前期下降較快，后期下降緩慢并趨于平穩；②含水率與平衡時間的關系符合二階衰減函數Y=Y0+A1e-x/t1+A2e-x/t2，相關系數R2≥0.997 8，平均絕對誤差MAE≤0.014 5%，相關性較好，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，為保障試驗數據的可靠性，后續試驗統一平衡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果

由表3 和圖2～圖6 可知，①平衡含水率與相對濕度的關系符合模型Y=Ax3+Bx2+Cx+D，相關系數R2≥0.995 8，平均絕對誤差MAE≤0.041 4%，相關性較好，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構不同，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計時，應重點考慮其與相對濕度的匹配關系，在生產加工時，應重點保障各生產區域尤其是與煙絲相關的貯絲、風送、卷包等過程的環境濕度穩定性保障，以減少生產環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系

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

圖7 煙絲含水率與整體水分含量的關系

表4 煙絲含水率與煙包整體水分含量的方程擬合結果

由表4 和圖7 可知，煙絲含水率與煙包整體水分含量的關系符合模型Y=Ax3+Bx2+Cx+D，相關系數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的煙絲含水率。實際上，卷煙包裝密封后，煙包內部可視為封閉體系，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。

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系Y=Ax+B，R2≥0.998 3，平均絕對誤差MAE≤0.069 2%，相關性較好，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??；②相同材料對不同牌號成品煙絲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量占比遠高于其他材料。整體而言，材料在煙包內的質量占比越大，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 小盒質量占比分別為51.02%，61.21%，64.48%，而常規卷煙包裝材料質量占比通常為20%～30%，其水分波動對成品煙絲含水率影響高于常規包裝卷煙，且手工包裝小盒在糊盒、烘干等過程中，其水分穩定性控制難度高于常規平張商標材料。因此，在包裝生產前，手工包裝小盒含水率的匹配性及穩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各組分之間存在水分遷移的現象；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果基本吻合。

3 結論

（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系，在各牌號煙絲及材料含水率標準設計時，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%，在卷煙生產時，應強化各生產區域尤其是貯絲、風送、卷包過程的環境濕度穩定性保障。

（4）分析了煙用材料對成品煙絲含水率的影響，材料在煙包內的質量占比越大，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量占比遠高于常規卷煙，在包裝生產前，應加強小盒含水率的匹配性與穩定性保障，以提高包裝貯藏后成品煙絲含水率的穩定性。