雪茄原料和煙支等溫吸濕模型的建立

譚再鈺，王劍，潘勇，劉利平，胡捷，賈夢珠，楊梅，施友志

雪茄原料和煙支等溫吸濕模型的建立

譚再鈺，王劍，潘勇，劉利平，胡捷，賈夢珠，楊梅，施友志

（湖北中煙工業有限責任公司，湖北 宜昌 443100）

準確控制雪茄煙生產加工等關鍵環節環境條件及含水率，降低各環節物料損耗，優化控制參數，確保產品安全，保證產品質量。以雪茄煙茄衣、茄套、茄芯和成品煙支為對象，測定其在20、30、40 ℃，不同相對濕度條件下的平衡含水率和水活度，建立不同溫度下雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線及吸濕曲線響應模型。結果表明，雪茄原料和煙支在同一溫度不同濕度條件下的等溫吸濕曲線屬于Ⅱ型等溫線，雪茄煙原料及煙支的吸濕能力為茄衣≈茄套＞煙支＞茄芯，且溫度越高，雪茄煙原料及煙支的吸濕能力越強；GAB模型為擬合雪茄原料和煙支等溫吸濕曲線最優模型，預測值與實測值的決定系數2均大于0.995，平均相對誤差均小于5%，相對誤差界均小于10%，且不同溫濕度平衡含水率預測值與實測含水率呈斜率為1的直線關系，二者吻合程度較高。GAB模型在預測雪茄煙生產加工等環節環境條件及含水率方面具有較高的準確性，能有效指導物料過程的水分和環境溫濕度控制，降低各環節物料損耗，保證生產工序銜接順暢，確保產品安全，提高產品品質。

雪茄原料；成品煙支；含水率；水活度；等溫吸濕曲線；等溫吸濕模型

雪茄煙是晾曬煙的一種，具有很強的吸附能力[1-2]，其制品是一種不外加香加料，追求煙草本香，加工繁復、醇化復雜、經濟效益好的高端產品，其品質很大程度上依賴于煙葉發酵、煙支醇化養護作用，主要通過調節環境溫、濕度以及原料含水率來達到最優的發酵、醇化養護效果。等溫吸濕曲線是反映某一恒定溫度下，樣品平衡含水率與水活度之間的熱力學關系，在控制環境溫濕度、預測平衡含水率[3]、優化溫濕度保障參數和保證產品質量安全等方面具有極大的指導作用。同時，雪茄原料含水率、水分的均勻性和穩定性是影響卷制加工過程[4-5]、產品感官品質[6-7]、成品醇化儲存霉變安全性[8-9]，以及煙氣有害成分[10-11]釋放的重要因素。馬驥等[12]、遲廣俊等[13]、張峻松等[14]相繼對烤煙、白肋煙、香料煙和配方煙的平衡含水率和等溫吸濕曲線等方面開展了研究，雪茄煙的特殊性和復雜性決定了其不能直接參考烤煙等的研究成果，同時其產銷量不大，從事專門研究的機構或院校較少，在雪茄煙等溫吸濕模型方面的研究更是鮮有報道，因此，文中以雪茄原料和煙支為對象，研究其在不同溫濕度條件下平衡含水率的變化規律[15]，建立不同溫度下雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線及吸濕曲線響應模型，預測不同環境條件下雪茄原料和煙支平衡含水率，為物料過程水分控制、環境參數設計、霉變防控提供依據，降低各環節物料損耗，指導雪茄煙原料及產品在貯藏、發酵、加工、周轉、卷制、干燥、醇化、包裝、運輸、銷售等過程中環境溫濕度控制，優化溫濕度保障參數，保證生產工序銜接順暢，確保產品安全，提高產品品質。

1 實驗

1.1 材料、儀器與試劑

主要材料：茄衣、茄套、茄芯3種雪茄煙葉及2種葉束式手工雪茄煙支，分別標號為A、B、C、D，其中煙支D由茄衣A、茄套B、茄芯C等3種類型煙葉非等比例構成。

主要儀器與試劑：ME303型分析天平，瑞士METTLER TOLEDOGON公司產；水活度計，瑞士rotronic公司產；DGF3004BN型電熱鼓風干燥箱，重慶永恒實驗儀器廠產；玻璃干燥器；AR濃硫酸，國藥集團化學試劑有限公司產。

1.2 方法

1.2.1 等溫吸濕曲線的繪制

將A、B、C 3種雪茄原料和D成品煙支分別置于相對濕度約為30%、40%、50%、60%、70%和80%的硫酸干燥器中，分別在20、30、40 ℃的條件下平衡10 d；根據文獻《煙草樣品等溫吸濕模型的比較與分析》[13]取出樣品使用水活度計測定其水活度[16]，每個濕度條件測3個平行樣，結果取平均值；同時，按YC/T 31—1996《煙草及煙草制品含水率的測定》的方法檢測其含水率，每個濕度條件檢測3個平行樣，結果取平均值。測定完成后分別以水活度w（0.2＜w＜0.8）和平衡含水率為橫坐標和縱坐標，繪制雪茄原料和煙支樣品的等溫吸濕曲線。

水活度w近似地表示為溶液水蒸氣分壓與純水蒸氣分壓之比，因此實驗體系w可近似等于空氣相對濕度，那么雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線可近似認為是雪茄原料和煙支的平衡含水率與環境相對濕度之間的關系曲線，即雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線近似等同于雪茄原料和煙支的平衡含水率與環境相對濕度的關系曲線。

1.2.2 等溫吸濕模型的選擇

選擇Smith模型、BET模型、GAB模型和Kuhn模型等4種常用國內外等溫吸濕模型，通過對實驗數據進行擬合研究，探究適用于雪茄原料和煙支含水率變化的最優等溫吸濕模型。模型函數的表達式見表1。

使用預測值與實測值的決定系數（2）、平均相對誤差（Mean Relative Error，MRE）、相對誤差界，即最大相對誤差（Bounds of Relative Error，BRE）對Smith、BET、GAB、Kuhn等4種模型的擬合效果進行衡量，評價模型對雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線的擬合優度。決定系數（2）越接近1，表明預測值越接近實測值，如果平均相對誤差（MRE）小于5%、相對誤差界（BRE）小于10%，則該模型具有良好的適用性，且值越小，說明擬合效果越好。

式中：為繪制等溫吸濕曲線時的樣品數量；e為樣品平衡含水率實測值，%；p為樣品平衡含水率預測值，%。最大相對誤差即為預測值與實測值所有相對誤差中的最大值。

1.3. 數據處理

采用Origin 2019軟件繪制雪茄原料及煙支在不同溫度下的等溫吸濕曲線，采用SPSS 21.0 軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 等溫吸濕曲線的建立

在20、30和40 ℃條件下，雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線見圖1。

表1 常用等溫吸濕模型的表達式

Tab.1 Expressions of common isothermal hygroscopic models

注：為平衡含水率；,,,0,,,為參數。

圖1 不同溫度下各樣品等溫吸濕曲線

由圖1可知，A、B、C、D等4種樣品在20、30、40 ℃下平衡含水率隨水活度的變化規律一致，表現為在同一溫度下，平衡含水率隨水活度的增加先緩慢增加而后快速增加；在同一相對濕度下，平衡含水率隨著平衡溫度的增加而降低。水活度從0.3到0.8時，樣品A的平衡含水率平均升高了10.42%，樣品B的平衡含水率平均升高了10.26%，樣品C的平衡含水率平均升高了8.54%，樣品D的平衡含水率平均升高了9.07%，說明茄衣、茄套的吸濕能力相近，明顯高于煙支的吸濕能力，茄芯的吸濕能力最低，且隨溫度升高，4種樣品的平衡含水率變化幅度越大，即溫度越高，雪茄煙原料及煙支的吸濕能力越強，說明原料和煙支干燥等快速脫水的過程環境條件應控制在高溫低濕狀態，包裝、貯藏、運輸等防止物料吸潮的過程環境條件應適當控制在低溫低濕狀態，卷制加工等高強度處理過程環境條件應控制在高溫高濕狀態；根據等溫吸濕曲線類型判斷雪茄原料及煙支的等溫吸濕曲線屬于Ⅱ型等溫線[17]。造成這一現象的原因：當溫度不變、濕度升高時，空氣中含水量變大，水分壓也隨之增大，與樣品內部水分壓形成壓差，樣品開始吸附空氣中水分子直至壓差消失，樣品含水率升高；當濕度不變、溫度升高時，空氣中分子擴張，單位體積水分子含量減小，水分壓減小，樣品開始釋放自身水分子直至壓差消失，樣品含水率降低。

2.2 等溫吸濕模型的擬合

在溫度為20、30、40 ℃，水活度為0.3～0.8的條件下，選取Smith、BET、GAB、Kuhn模型對A、B、C、D等4種樣品的等溫吸濕曲線進行擬合，并分析評價各模型的擬合效果，確定適用于雪茄原料和煙支平衡含水率變化的最優等溫吸濕模型。雪茄原料和煙支的擬合曲線見圖2—5，擬合結果見表2—5。

圖2 樣品A的4種模型擬合曲線

表2 樣品A的4種模型擬合結果

Tab.2 Fitting results of 4 models for sample A

圖3 樣品B的4種模型擬合曲線

表3 樣品B的4種模型擬合結果

Tab.3 Fitting results of 4 models for sample B

圖4 樣品C的4種模型擬合曲線

表4 樣品C的4種模型擬合結果

Tab.4 Fitting results of 4 models for sample C

由圖5—8和表5—8可知，在水活度（即相對濕度）為30%～80%，溫度為20、30、40 ℃下4個模型的決定系數2值、平均相對誤差（MRE）、相對誤差界（BRE）均有所差異，其中Smith模型的2最小值為0.983＜0.995，最大MRE值為5.79%＞5%，最大BRE值為14.66%＞10%；BET模型的2最小值為0.987＜0.995，最大MRE值為4.83%＜5%，最大BRE值為11.47%＞10%；GAB模型的2最小值為0.995=0.995，最大MRE值為2.04%＜5%，最大BRE值為4.58%＜10%；Kuhn模型的2最小值為0.962＜0.995，最大MRE值為7.20%＞5%，最大BRE值為16.76%＞10%。說明GAB模型在20、30、40 ℃下能更好地擬合不同類型雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線，最終確定了GAB模型為雪茄原料和煙支的等溫吸濕較優模型。

圖5 樣品D的4種模型擬合曲線

表5 樣品D的4種模型擬合結果

Tab.5 Fitting results of 4 models for sample D

2.3 GAB等溫吸濕模型的驗證

根據2.2節中各模型的決定系數2值、平均相對誤差（MRE）、相對誤差界（BRE）等衡量值及結果，應用GAB模型對雪茄茄衣A、雪茄茄套B、雪茄茄芯C和雪茄煙支D的等溫吸濕曲線進行擬合，在不同溫度下，雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線GAB模型參數見表6，其中0、、為GAB模型函數表達式中的參數。在不同溫濕度條件下，實測含水率與預測含水率吻合程度見擬合效果圖6—9。

表6 雪茄原料和煙支GAB模型參數

Tab.6 GAB model parameters of cigar raw material and cigarette

圖6 不同溫度下，樣品A的GAB模型擬合效果

圖7 不同溫度下，樣品B的GAB模型擬合效果

圖8 不同溫度下，樣品C的GAB模型擬合效果

圖9 不同溫度下，樣品D的GAB模型合效果

由表6可推導出各樣品等溫吸濕曲線模型擬合結果表達式。由圖6—9可知，通過GAB模型擬合，A、B、C、D等4種樣品在不同溫度下，平衡含水率預測值與實測含水率呈斜率為1的直線關系，說明二者吻合程度較高，具有較高的準確性，即GAB模型對雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線擬合效果較佳，可在雪茄原料和煙支等溫吸濕領域推廣使用。通過雪茄原料和煙支等溫吸濕模型表達式可預測雪茄煙在貯藏、發酵、加工、周轉、卷制、干燥、醇化、包裝、運輸、銷售等生產環節的平衡含水率，指導物料過程的水分控制、環境參數設計、霉變防控，降低各環節物料損耗，優化溫濕度保障參數，保證生產工序銜接順暢，確保煙葉煙支的安全性。

3 結語

通過測定雪茄原料和煙支不同溫濕度環境下水活度和平衡含水率，建立不同溫度下雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線及響應模型。結果表明，在水活度為0.3～0.8時，雪茄原料及煙支的等溫吸濕曲線屬于Ⅱ型等溫線，雪茄煙原料及煙支的吸濕能力為茄衣≈茄套＞煙支＞茄芯，且溫度越高，雪茄煙原料及煙支的吸濕能力越強；通過對4種等溫吸濕模型在4個雪茄樣品中的擬合效果比較與分析，確定GAB模型對雪茄原料和煙支的等溫吸濕曲線擬合效果較佳，可在雪茄原料和煙支的等溫吸濕領域推廣使用。

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Establishment of Isothermal Hygroscopic Model of Cigar Raw Material and Cigarette

TAN Zai-yu, WANG Jian, PAN Yong, LIU Li-ping, HU Jie, JIA Meng-zhu, YANG Mei, SHI You-zhi

(China Tobacco Hubei Industry LLC, Hubei Yichang 443100, China)

The work aims to accurately control the environmental conditions and water content in the key link of cigar production and processing, reduce the material loss in each link, optimize the control parameters and ensure the product safety and quality. With cigar coat, cigar cover, cigar core and cigarette as the objects, the water content and water activity were balanced at 20, 30 and 40 ℃ under different relative humidity conditions. The isothermal hygroscopic curve and the response model of the hygroscopic curve of cigar raw material and cigarette at different temperature were established. According to the results, the isothermal hygroscopic curve of cigar raw material and cigarette at the same temperature under different humidity conditions belonged to type Ⅱ isotherm and the hygroscopic ability of cigar raw material and cigarette was: cigar coat ≈ cigar cover > cigarette > cigar core and the higher the temperature, the stronger the hygroscopic ability of cigar raw material and cigarette. GAB model was the optimal model to fit the isothermal hygroscopic curve of cigar raw material and cigarette. The determination coefficients2of predicted and measured values were all greater than 0.995, MRE was less than 5% and BRE was less than 10%. The predicted and measured water content balanced at different temperature and humidity showed a linear relationship with a slope of 1, indicating a high degree of agreement. GAB model has a high accuracy in predicting the environmental conditions and water content of cigar during production and processing and can effectively guide the control of water and ambient temperature and humidity in the material process, reduce material loss in each link, ensure smooth production process, guarantee product safety and improve product quality.

cigar raw material; cigarette; water content; water activity; isothermal hygroscopic curve; isothermal hygroscopic model

TS453

A

1001-3563(2022)19-0273-11

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.19.033

2022–06–10

湖北中煙科技項目（2019JSYL3JS2B045）

譚再鈺（1994—），男，碩士生，初級工程師，主要研究方向為雪茄煙生產加工工藝。

施友志（1977—），男，本科，工程師，主要研究方向為雪茄煙原料技術、生產加工工藝技術。

責任編輯：曾鈺嬋