應用動態水分吸附法比較不同煙絲解濕過程的差異

沈曉晨，張 華，王珂清，朱龍杰，曹 毅，王晨輝，毛淑蕊，吳 洋，朱懷遠，王 瑞

江蘇中煙工業有限責任公司，南京市建鄴區夢都路30號 210019

煙絲含水率是影響卷煙品質的重要因素之一［1］。隨卷煙加工和存儲過程中溫濕度的變化，煙絲的含水率會發生變化，特別是在干燥條件下會發生解濕現象，進而對卷煙抽吸品質產生負面影響。在煙絲解濕過程中含水率的變化特性研究方面，動態水分吸附法和等溫吸濕模型等方法已得到了廣泛應用，并形成了一系列評價方法［2-8］。樓佳穎等［9］應用動態水分吸附系統分析了葉絲和膨脹絲等不同卷煙原料的保潤機理；張安豐等［10］應用DVS分析了煙絲和梗絲等原料的等溫吸濕和解濕過程。等溫吸濕模型是研究平衡含水率與水活度之間關系的熱力學方程，可以預測樣品含水率變化特性［11-12］。遲廣俊等［13］系統研究了等溫吸濕模型，篩選出適用于煙草樣品的模型。為建立等溫吸濕模型，需要在等溫條件下分析各個不同濕度環境下樣品的平衡含水率和水活度。等溫吸濕模型不能直觀反映干燥環境下煙草的平衡含水率和失水速率，為提高模型準確性，實驗周期較長［11-13］；DVS所需的煙絲質量為幾十毫克［9-10］，與常規卷煙單支的煙絲量相差較大，在分析煙支中煙絲含水率變化特性時可能會產生誤差。SPSx動態水分吸附分析儀（SPSx）的樣品量變化范圍較寬，可以涵蓋單支卷煙的質量。目前，SPSx已經廣泛用于制藥、食品、材料等許多相關領域中含水率的研究［14-16］，但是在煙草中的應用報道較少。為此，應用SPSx分析不同原料煙絲在干燥環境下的解濕過程，并進行數學擬合分析，旨在考察不同原料煙絲解濕特性的差異，為深入分析成品卷煙煙支含水率變化特性和保潤性能及開發新型保潤技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

10種單料煙煙絲樣品見表1，切絲寬度為1.0 mm。

SPSx動態水分吸附分析儀（德國Proumid公司）；AL204電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；E300恒溫恒濕箱（澳大利亞Steridium公司）；Milli-Q Integral 10型超純水系統（美國Millipore公司）。

表1 10種單料煙煙絲樣品信息Tab.1 Information of 10 types of single grade cut tobacco

1.2 方法

1.2.1 優化SPSx動態水分吸附儀測試所需的煙絲質量

選擇6號煙絲樣品，在22℃、相對濕度（Relative humidity，RH）60%恒溫恒濕箱中平衡48 h。然后在22℃、RH 60%的恒溫恒濕房間內，按照0.1、1.0、0.2、0.9、0.3、0.8、0.4、0.7、0.5、0.6和1.2 g的順序稱量實驗樣品，并按此順序依次放入1#～11#樣品盤，“R”號位為空樣參比盤（圖1）。然后按照樣品質量從小到大順序依次編號為A#～K#樣品，詳見表2。

圖1 SPSx動態水分吸附儀樣品盤Fig.1 Picture of sample tray of SPSx dynamic moisture adsorption analyzer

SPSx工作條件設置：

稱量時間間隔：10 min；每個溫濕度條件持續的最短時間：50 min；每個溫濕度條件持續的最長時間：100 h；默認質量限制：+50%；平衡條件：50 min內煙絲質量變化率為0.02%。

測試溫濕度條件如表3所示。“開始濕度”表示在每個溫濕度變化階段開始時的RH；“終點濕度”表示每個溫濕度變化結束時的RH；“步數”表示溫濕度變化區間內除開始濕度外所經歷的濕度的個數，最小值為1，當濕度變化量相同時，步數越大每次濕度平均變化量越小。

表2 樣品稱量信息Tab.2 Information of sample weights

完成上述工作條件設置后，SPSx動態水分吸附儀從表3中第1個“溫濕度變化階段”的“開始濕度”開始，按照“稱量時間間隔”要求連續測定樣品質量變化，當樣品質量達到“工作條件設置”中“平衡條件”時，測試腔內溫濕度按照“步數”設定要求變換到下一個溫濕度，如此重復，直到“終點濕度”。完成第1個“溫濕度變化階段”后，儀器進入第2個“溫濕度變化階段”，直至完成最后一個“溫濕度變化階段”。

表3 測試的溫濕度條件①Tab.3 Test temperature and humidity parameters

1.2.2 干燥條件下煙絲解濕過程分析

稱取一定量的煙絲樣品于樣品盤中，按照以下條件每間隔一定時間稱量樣品進行解濕過程測試：溫度為22℃，開始濕度為60%，終點濕度為10%，變化步數為1。儀器工作條件同1.2.1節。

1.2.3 解濕過程的數學擬合

根據煙絲干基變化率隨時間變化的曲線，進行解濕過程的數學擬合，以決定系數R2評判擬合效果［13］。對擬合方程進行一階導數求導，得出煙絲含水率變化速度隨時間變化的方程。

2 結果與討論

2.1 SPSx動態水分吸附測試煙絲質量的優化

煙絲質量會影響煙絲堆積的高度和密度，從而影響水分擴散。因此，以各質量下煙絲平衡含水率變化率和達到平衡所需時間的穩定性為依據進行煙絲質量優化。

2.1.1 煙絲質量對煙絲平衡時含水率變化率的影響

按照1.2.1節方法處理樣品后，進行吸濕-解濕-吸濕動態變化測試，記錄平衡時含水率變化率（Moisture variation rate，MVR），結果如表4所示。

在第一次吸濕階段，RH由60%升至90%，煙絲MVR波動比較小的質量區間分別為G#～I#、F#～J#和A#～K#，區間逐漸變寬；但在G#～I#區間內，MVR波動均較小，相對標準偏差（RSD）分別為9.90%、0.93%和0.31%，RSD的平均值為3.71%。在解濕階段，RH從90%降至0，煙絲MVR波動比較小的質量區間分別為E#～K#、G#～I#和G#～I#，區間逐漸變窄，但是在G#～I#區間，MVR波動均較小，RSD分別為0.30%、0.21%和0.48%，RSD的平均值為0.33%。在第二次吸濕階段，隨RH由0升至90%，煙絲MVR波動比較小的質量區間分別為G#～I#、G#～I#、F#～J#、F#～J#和A#～K#，與第一次吸濕階段一樣，區間逐漸變寬；但在G#～I#區間，煙絲MVR波動均較小，RSD介于0.14%～5.03%之間，RSD的平均值為1.51%。綜上，由對一次解濕和兩次吸濕過程中煙絲質量與MVR波動的關系分析可知，當質量介于G#～I#，MVR波動較小，此時煙絲平衡含水率受煙絲質量的影響較小。

盡管煙絲在吸濕-解濕-吸濕過程中MVR存在差異，但當RH相同時，煙絲MVR與煙絲質量之間的變化趨勢基本相似。對比相同RH時MVR可以發現，RH較高時第二次吸濕時的平衡含水率較高；RH較低時第二次吸濕時的MVR較低，即平衡含水率較低。這說明煙絲經過吸濕-解濕過程后，在高濕條件下吸濕性增強，而在低濕條件下水分擴散性增強，即煙絲的保潤性能降低。卷煙制絲工藝中有回潮后再干燥工序，該過程也類似于先吸濕后解濕，因此該過程也可能類似地影響煙絲保潤性能。

2.1.2 煙絲質量對平衡時間的影響

進一步考察了不同質量煙絲在每個濕度條件下達到平衡所需的最短時間，結果見表5。

表4 不同質量煙絲在不同RH變化階段平衡時含水率變化率（MVR）Tab.4 Moisture variation rate of cut tobacco of different weights at different RH change stages （%）

表5 不同質量煙絲在不同RH變化階段達到平衡所需的時間Tab.5 Time required by cut tobacco of different weights to reach equilibrium at different RH change stages （h）

從表5可知，在7個吸濕階段（2個70%～90%、0～20%、20%～40%、40%～60%、2個60%～70%階段），當煙絲質量介于H#～I#時，煙絲樣品達到平衡所需時間的相對誤差介于0～4.14%之間，平均相對誤差為1.82%，相差不顯著。在其他3個解濕階段，當質量介于H#～I#時，煙絲樣品達到平衡所需時間相差也不顯著，相對誤差介于0.32%～2.73%，平均相對誤差為1.87%。可知，在各個濕度變化階段，當質量介于H#～I#時，煙絲達到平衡所需的時間相差不顯著，受煙絲質量影響較小。

結合煙絲質量對煙絲MVR的分析結果可知，應用SPSx動態水分吸附儀測試時，煙絲質量介于H#～I#時，即0.8～0.9 g時較適宜。鑒于0.8 g更接近于單支卷煙煙絲的質量，選擇0.8 g作為適宜的煙絲用量，可以降低質量波動對測試煙絲水分動態變化的影響，提高測試結果的穩定性。

2.2 擬合含水率動態變化過程比較不同煙絲干燥解濕后平衡含水率的差異

取10種煙絲，各稱取0.8 g，應用SPSx按照1.2.2節的方法將RH由60%降低至10%，分析煙絲含水率的動態變化過程。以煙絲干基含水率為縱坐標，時間為橫坐標，得到10種煙絲干燥解濕過程中煙絲干基含水率隨時間的變化（圖2）。可知，RH從60%降至10%時，煙絲含水率不斷降低，含水率擴散曲線先陡后緩，直至平衡。

圖2 1～10號煙絲干基含水率隨時間的變化Fig.2 Dry basis moisture variations of 1-10 cut tobacco samples with time

10種煙絲由于保潤性能有差異，平衡含水率和含水率變化速度也有差異。為比較不同煙絲平衡含水率的差異，對圖2中煙絲含水率動態變化曲線進行數學擬合，結果發現應用帶常數項的指數方程［公式（1）］進行擬合時，決定系數R2均大于0.99（表6），這說明指數方程的擬合效果較好，適于擬合煙絲的解濕過程。擬合方程中c為負數，這是由于解濕過程中含水率逐漸降低。

式中：y表示瞬時干基含水率，%；x表示時間，h；a表示無限長時間后煙絲的平衡含水率（%），可以看作煙絲在干燥條件下模型的理論平衡含水率（Y∞）；b表示無限長時間后煙絲的理想失水率，%；a與b之和表示煙絲初始時刻的理論含水率（Y0）；c為系數。

由表6可知，在本實驗范圍內，在干燥條件下，烤煙煙絲的Y∞和Y0最高，白肋煙其次，曬黃煙最低。對于烤煙煙絲，部位相同但產地不同時Y∞差異較大；產地相同時，2號煙絲（麗江中部煙）的Y∞較低，其余各部位煙絲的Y∞差異不明顯。

表6 10種煙絲含水率動態變化擬合結果Tab.6 Fitting results for dynamic moisture variations of 10 types of cut tobacco

2.3 應用含水率動態變化曲線比較不同煙絲在干燥解濕過程中含水率變化速度的差異

為比較煙絲失水速率快慢，對公式（1）進行一階導數求導，得到含水率變化速度方程，如公式（2）所示。

式中：v表示煙絲在各時刻的瞬時失水速度，%/h。從公式（2）可以看出，煙絲含水率變化速度方程也是指數方程，b、c以及ecx直接影響著煙絲含水率變化速度的快慢和方向，因此煙絲含水率變化速度不僅與時間有關，還與理論失水率b和系數c有關，隨著時間的變化，各種煙絲含水率變化速度的快慢會前后不一致。由于c是負值，因此公式（2）中含水率變化速度隨時間延長逐漸變慢。

公式（2）中有2個系數，不便直觀地比較各種煙絲失水速度的差異，為方便比較各種煙絲含水率平均變化速度，由公式（1）進行推導和簡化，得到公式（3）。

式中：Mx表示某時間段實際失水率與理論失水率b的比值，%。

由公式（3）可知，由于c＜0，在相同時刻c的絕對值越大，煙絲的失水比例Mx越高，則該時間段內Mx與時間x的比值即失水比例平均變化速度也越大。結合表6中的c值，比較本實驗范圍內不同煙絲在相同時間失水比例Mx的平均變化速度的差異，可以發現：白肋煙的平均速度最快，曬黃煙其次，烤煙最慢；下部烤煙煙絲比中部和上部快，中部和上部差異不顯著。

3 結論

（1）應用SPSx動態水分吸附儀分析煙絲含水率變化過程時，煙絲質量會影響煙絲的平衡含水率和達到平衡所需的時間，為降低煙絲質量對測試的影響，適宜的煙絲質量為0.8 g。

（2）煙絲經過吸濕-解濕-吸濕過程后保潤性能會降低，即當RH較高時，第二次吸濕時的吸濕性增強，平衡含水率升高；RH較低時水分擴散性增強，平衡含水率降低。

（3）應用SPSx動態水分吸附儀可以分析煙絲解濕過程，非線性指數方程可以較好地擬合解濕過程中含水率變化過程，決定系數R2均大于0.99。

（4）不同煙絲解濕過程存在一定差異。在本實驗樣品范圍內，不同類型煙絲理論平衡含水率高低順序為烤煙＞白肋煙＞曬黃煙；與煙葉部位相比，烤煙產地對理論平衡含水率的影響更加顯著；煙絲失水比例的平均變化速度為白肋煙＞曬黃煙＞烤煙；烤煙部位對失水比例的平均變化速度影響較顯著，下部煙葉最快，而中部與上部煙葉差異不顯著。