陶瓷涂覆包裝材料對煙支防潮保潤的影響研究

楊繼，田然，李輝，唐石云，朱瑞芝，李振杰，楊璽，尹志豇

陶瓷涂覆包裝材料對煙支防潮保潤的影響研究

楊繼，田然，李輝，唐石云，朱瑞芝，李振杰，楊璽，尹志豇

（云南中煙工業有限責任公司技術中心，昆明 650000）

研究不同材質包裝煙盒對煙支含水率變化的影響。對不同類型的包裝紙進行定量、厚度、水蒸氣透過率的測定，并用掃描電鏡分析其微觀形貌。將涂陶白卡紙，涂陶介質紙與普通包裝成品卷煙拆包后置于自然環境、常溫干燥環境、常溫潮濕環境中，測定煙支含水率的變化，并對煙支中水溶性糖與關鍵化學成分的含量進行分析，對3種包裝的煙支進行評吸。3種包裝紙的定量、厚度差別不大，在常溫干燥與常溫潮濕的環境下，涂陶介質包裝盒展現出更好的防潮保潤效果以及更高的感官評吸分值。包裝材料對煙支的含水率及綜合感官有直接影響，本研究中的涂陶介質紙具有較好的防潮保潤效果，在煙草包裝領域具有推廣價值。

包裝盒；保潤；含水率；防潮

我國現已成為世界上最大的煙草消費國與生產國[1]，我國煙草行業的研究主要集中在煙草包裝的貨架壽命控制和預測[2?5]，以及包裝材料中揮發性有機物遷移和擴散[6?7]等方面。與國外煙草公司相比，我國多數煙草企業在包裝工藝方面差距較大。為了能趕超國外煙草商業巨頭并在市場上占據主導地位，我國煙草公司正在向綠色生產、創新發展[8?10]、高品質發展轉型。

國內外的學者和研究人員對如何提高煙草的綜合品質進行了諸多研究。郭可謙等[11]對基因型、生態因素、栽培措施、調控措施、加工工藝等因素對煙草口感特性的影響進行了研究。李達等[12]研究了煙絲含水率對成品煙絲致香成分的影響，煙支中水分的增加或減少都會對卷煙的口感造成極大的影響。王睿娜等[13]對煙用內襯紙的防潮保潤保香性能進行了研究，對比了鍍陶煙用內襯紙的表面結構、煙支含水率和香精變化等。顧文娟等[14]公開了一種新型的煙草包裝結構，可以對煙支起到良好的保潤效果。上述研究表明，選擇合適的包裝材料或包裝結構能將煙支中的含水率維持在最佳水平，進而提升煙草品質。通過包裝實現煙支的防潮保潤日益成為煙草行業質量提升的新支點[15?16]。文中研究了2種新型涂陶紙包裝盒的介質紙和白卡紙與普通包裝盒在相同條件下對煙支含水率、水溶性糖、關鍵化學成分和口感的影響規律及其機理，為完善煙草的防潮保潤包裝研究提供相關理論依據和數據支撐。

1 實驗

1.1 材料、試劑和儀器

主要材料：涂陶介質紙（結構為陶土層、紙基層、鋁箔層）、涂陶白卡紙（陶土層、紙基層、塑膜保護層）、普通包裝煙盒（紙基層、鍍鋁層、塑模層）。其中陶瓷涂層為三氧化二鋁和二氧化硅的混合物。

主要器材：KBF240型恒溫恒濕箱（溫度為±1 ℃、相對濕度為±1.5%，德國賓德公司）、濕度計（河北省同輝儀表廠）、BPl21型電子天平（感量為0.000 1 g，德國Sartonus公司）、透濕性測試儀（Permatran– W3/33，美國MOCON公司）、干濕球溫度計（天津市天玻儀器有限公司）、101?0型鼓風干燥箱（上海圣欣科學儀器有限公司）；Aqualab 4TE水活度儀（精度±0.003，美國Decagon公司）、CHY?U紙與紙板測厚儀（濟南三泉中石實驗儀器）、鎢燈絲掃描電鏡（VEGA3 TESCAN）、氣相色譜?質譜聯用儀（Clarus600氣相色譜?Clarus600T質譜型，美國PerkinElmer公司），所有檢測儀器都經過定期校驗。

1.2 方法

1.2.1 基本技術標準測定

1）定量測定。按GB/T 451.2—2002（紙和紙版定量測定方法）對涂陶介質紙進行定量測定。

2）厚度測定。按GB/T 451.3—2002（紙和紙版厚度測定方法）采用CHY?U紙與紙板測厚儀（濟南三泉中石實驗儀器）對涂陶介質紙的厚度進行測定。

1.2.2 不同包裝材料水蒸氣透過率測定

按GB/T 26253??2010《塑料薄膜和薄片水蒸氣透過率的測定》對3種試驗樣品（常規煙盒外包裝紙、涂陶白卡紙樣品、涂陶介質紙樣品）進行水蒸氣透過率進行測試。

1.2.3 包裝盒紙張表面微觀結構測定

對涂陶介質紙和普通煙盒包裝紙進行取樣與噴金處理，然后進行掃描電鏡（VEGA3 TESCAN），于20.0 kV電壓、高真空模式下記錄并放大3 000倍，獲得各樣品的表面微觀形貌特征。

1.2.4 不同包裝煙支含水率測定

依據GB/T 23203.1—2013在自然狀態（溫度為22 ℃、相對濕度為40%）和2種極端干濕度變化的狀態下（溫度為22 ℃、相對濕度為30%）、（溫度為22 ℃、相對濕度為80%）對各煙盒包裝中煙支含水率變化進行了測定。為了對比3種類型紙張的防潮保潤效果，暫取黃金葉（小黃金）產品開展包裝性能試驗，共制作3種試驗樣品：對照標準樣品（常規煙盒白卡紙）、涂陶白卡紙樣品、涂陶介質紙樣品。根據環境條件和時間存放周期，對對照樣品和涂陶紙包裝樣品的煙支水分進行跟蹤對比檢測，分析涂陶紙包裝材料以及普通煙盒包裝材料對煙支中水分變化的影響，對比其防潮保濕性能。

1）自然環境。首先將涂陶介質包裝盒、涂陶白卡紙包裝盒與普通包裝煙盒的成品放在常溫常濕狀態下（溫度為22 ℃、相對濕度為60%）平衡一段時間（24 h）后，再將3種煙盒包裝的成品置于自然條件（溫度為22 ℃、相對濕度為40%）中進行測定。采用Aqualab 4TE 水活度儀（精度±0.003，美國Decagon公司）在平衡對應時間段后對煙支水分進行測定，72 h后完成煙支水分的檢測，并記錄相關的數據。煙盒拆封（閉盒）即開始進入測試，各包裝盒中煙支含水率測量初始的差異應足夠小（相差數值不得超過1%），分別檢測3次取平均值。

2）常溫干燥環境。取3種制備卷煙包裝的成品，在溫度為22 ℃、相對濕度為40%條件下平衡24 h（不拆包）。拆包后開始計時，放在溫度為22 ℃、相對濕度為30%的恒溫恒濕箱進行煙支含水率的測試實驗（存放時煙盒蓋好）。采用Aqualab 4TE水活度儀（精度±0.003，美國Decagon公司）在平衡對應時間段后對煙支水分進行測定，分別檢測3次取平均值，并記錄相關的數據。

3）常溫潮濕環境。取3種制備卷煙包裝的成品，在溫度為22 ℃、相對濕度為60%條件下平衡24 h（不拆包）。拆包后開始計時，放置在溫度為22 ℃、相對濕度為80%的恒溫恒濕箱進行煙支含水率的測試實驗（存放時煙盒蓋好）。采用Aqualab 4TE 水活度儀（精度±0.003，美國Decagon公司）在平衡對應時間段后對煙支水分進行測定，分別檢測3次取平均值，并記錄相關的數據。

1.2.5 煙支內水溶性糖與關鍵化學成分含量測定

按照YC/T 159—2002《煙草及煙草制品水溶性糖的測定連續流動法》的要求，測定3種環境下拆包50 h后不同材料的包裝盒內煙支的水溶性糖的含量；并用氣相色譜–質譜聯用的方法，對煙支的關鍵化學成分進行測定。

1.2.6 感官評價

按照GB 5606.4—2005《卷煙第4部分：感官技術要求》[17]規定的方法，對拆包50 h后的煙支進行感官評吸，采用暗評法計分。

2 結果與討論

2.1 基本技術標準測定結果

對文中選用的3種內襯紙的定量與厚度量進行測定，數據結果見表1。

表1 定量、厚度測定結果數據

Tab.1 Determination data of grammage and thickness

由表1可知，涂陶介質包裝煙盒、涂陶白卡包裝煙盒與普通包裝煙盒的基本技術標準測定結果差異不大，相互替換具有可行性，且不會帶來質量和體積上的明顯變化，不增加額外的工藝調整難度。

2.2 水蒸氣透過率測定結果

文中選用的3種包裝材料水蒸氣透過率測定結果見表2。由表2易知，與常規煙盒外包裝紙相比，涂陶類包裝紙水蒸氣透過率較小；涂陶介質包裝紙的水蒸氣透過率最低，說明這種材料對水蒸氣具有更高的阻隔性。

2.3 紙張表面微觀結構

為了更好地分析影響涂陶介質紙、普通煙盒包裝紙性能表面結構的因素，對其外表面和內表面進行了掃描電鏡表征，在鎢燈絲電鏡放大3 000倍的條件下得到其表面微觀圖像，見圖1—2。

表2 不同試驗樣品的水蒸氣透過率實驗數據

Tab.2 Experimental data of water vapor transmission rate of different test samples

圖1 涂陶介質紙表面微觀結構

圖2 普通煙盒包裝紙表面微觀結構

圖1a和圖2a為2種材料包裝紙外表面電鏡圖，普通煙盒白卡紙表面的突起疑為掃描電鏡制樣噴金過程中高溫引起的塑膜熱熔、起泡，涂陶介質紙表面為鋁層，相對比較平整、致密。圖1b和圖2b是2種材料包裝內表面電鏡圖，由SEM結果圖可以看出，其內表面微觀結構差異十分明顯。普通煙盒包裝紙的內表面上可以清晰地看到纖維的稀疏堆砌、紙基內纖維間的填料顆粒以及纖維間大量裂隙，這些“通道”可導致水汽自由進出，不利于煙支的防潮保潤。涂陶介質紙的纖維層表面涂有“陶”層，從電鏡結構中只能隱約看出部分纖維脈絡，且脈絡為致密的“陶”層所覆蓋，看不到明顯的孔隙和裂紋。因此，涂陶介質紙內表面的致密性明顯優于普通煙盒包裝紙，這種材料結構上的致密性，能有效地阻隔煙盒內部與外界環境中水分子的交換流通，進而起到防潮保潤的效果。

2.4 不同環境中煙支含水率變化

在自然環境狀態下，對3種材料制成的煙盒包裝中煙支的含水率進行實驗測定，實驗數據見表3。由表3易知，自然環境狀態下，3種煙盒包裝中煙支的含水率都隨著開封時間的延長呈現下降趨勢，涂陶介質與涂陶白卡包裝對煙支含水率的影響差異不明顯，但2種涂陶材料制成的煙盒在保潤效果上明顯優于普通白卡紙煙盒。

在特定溫度濕度（溫度為22 ℃、相對濕度為60%）下平衡24 h（不拆包）后，拆包即放入恒溫恒濕箱中進行97 h水分檢測，數據變化趨勢見圖3（溫度為22 ℃、相對濕度為30%）、圖4（溫度為22 ℃、相對濕度為80%）所示。由于實驗時間較長，圖中橫坐標選取了典型具有代表性的時間點進行繪制，以便進行趨勢描述。

對比發現在的常溫干燥環境（溫度為22 ℃、相對濕度為30%）下，經過48 h后各包裝盒中煙支的含水率趨于平衡不再發生大幅變化，但是，涂陶介質包裝盒中煙支的含水率水平相比另外2種包裝盒中的更高。這是由于涂陶介質紙表面的“陶”成分復雜，其中的三氧化二鋁易吸潮而不潮解，二氧化硅也具有較好的親水性，在空氣干燥的環境狀態下具有較好的阻隔水揮發流失的作用，可以避免煙支中水分的散失。在極端干燥的環境下，各包裝盒中煙支含水率的變化情況見圖3。由圖3可以看出，常規對照包裝紙在常溫干燥狀態下，脫水較為明顯；涂陶介質包裝紙較常規包裝紙防止水分揮發能力明顯較高，但到平衡30 h后也發生了明顯的脫水現象；3組對照樣中涂陶白卡介質紙具有明顯阻隔水分揮發的功效。

在常溫潮濕的環境下，各包裝盒中煙支含水率的變化情況見圖4。由圖4易知，在常溫潮濕狀態下（溫度為22 ℃、相對濕度為80%），各包裝盒中的煙支經過48 h后，煙支含水率不再發生較大幅度的變化。涂陶介質包裝盒中煙支的含水率比另外2種包裝盒中的煙支含水率增加速度更為緩慢，且平衡后涂陶介質包裝盒中煙支的含水率相比另外2種包裝盒中的含水率更低。這與上文的表征分析結果一致，一方面，涂陶介質紙相較于另外2種材質更為致密，在潮濕環境下，對水汽具有更為出色的阻隔效果；另一方面，由于陶土中親水物質的存在，對煙支周圍小環境中的水分能夠起到吸附緩沖的作用。但是，由于三氧化二鋁和二氧化硅具有較好的親水性，相較于常規包裝紙，涂陶白卡包裝紙在潮濕環境中吸水性較強，2種材質的包裝紙在12 h后均未防止水分進入，致使煙支明顯受潮。

對涂陶介質紙包裝煙盒與普通包裝煙盒在特定條件下煙支中含水率變化測定的實驗發現，在干燥和潮濕的環境下平衡48 h后，各包裝盒中煙支的含水率不再發生大幅度變化，并且涂陶介質包裝煙盒中煙支的含水率更接近于煙支生產所設計的出廠含水率；涂陶包裝材料具有明顯保濕性能，且涂陶介質紙優于白卡紙。

表3 在自然環境狀態下煙支含水率的變化情況

Tab.3 Change of moisture content of cigarettes under natural environment

圖3 在常溫干燥狀態下不同包裝煙支含水率的變化情況

圖4 在常溫潮濕狀態下不同包裝煙支含水率的變化情況點

2.5 水溶性糖及關鍵化學成分含量的變化

各煙草公司和研究人員之所以重視煙草的保潤是因為煙支含水率的變化還會影響煙支中的水溶性糖[18-19]和關鍵化學成分的含量，進而影響煙支的感官品質。本研究對煙支中的水溶性糖和5種對煙氣品質有重大影響的關鍵化學成分[20-21]進行測定，其結果見表4。

由表4可知，隨著含水率的升高，水溶性糖含量也隨之上升，二者呈正相關。這是由于煙草中的水溶性糖含有許多親水基團（羥基），當含水率升高時，羥基中氧的孤對電子和水分子中的氫相互作用形成氫鍵，增大了水溶性糖的溶解度，水溶性糖含量隨之升高。

在列出的5種關鍵化學成分中，檸檬烯、新植二烯與丙二醇能夠為煙氣帶來積極影響：檸檬烯點燃后可以產生令人愉悅的檸檬香氣；新植二烯能增加煙草的吃味、香氣；丙二醇具有甘甜味，能減輕煙氣的干燥感。在不同的包裝和環境下，這3種致香成分的含量從大到小為普通白卡紙組（常溫潮濕）、涂陶白卡紙組（常溫潮濕）、涂陶介質紙組（常溫潮濕）、涂陶介質紙組（自然環境）、涂陶白卡紙組（自然環境）、涂陶介質紙組（常溫干燥）、涂陶白卡紙組（常溫干燥）、普通白卡紙組（自然環境）、普通白卡紙組（常溫干燥）。甲醛與苯酚對卷煙煙氣的吃味有消極影響，苯酚與甲醛還具有一定的毒性，這2種香氣成分含量從大到小為普通白卡紙組（常溫干燥）、普通白卡紙組（自然環境）、涂陶白卡紙組（常溫干燥）、涂陶介質紙組（常溫干燥）、涂陶白卡紙組（自然環境）、涂陶介質紙組（自然環境）、涂陶介質紙組（常溫潮濕）、涂陶白卡紙組（常溫潮濕）、普通白卡紙組（常溫潮濕）。導致上述變化的原因：實驗結果證明不同的包裝材料對煙支的防潮保潤效果存在較大差異，從而導致致香成分的變化；涂陶包裝材料中的涂陶層為致香成分分子提供了吸附空間，有利于在相對干燥的環境中向外釋放這些致香氣體分子；較低的煙絲含水率會促進甲醛及苯酚的生成，隨著含水率的升高，能抑制這2類物質的生成。

表4 不同組別卷煙拆包50 h后水溶性糖與關鍵化學成分含量

Tab.4 Contents of water-soluble sugar and key chemical components in different groups of cigarettes 50 h later after unpacking

圖5 不同組別卷煙拆包50 h后水溶性糖與關鍵化學成分含量對比

2.6 感官質量評比情況

對3種材質包裝的煙支在不同環境下拆包50 h后進行感官評吸，采用暗評法計分，得分結果見表5。

由表5可知，普通白卡紙包裝的煙支在常溫潮濕環境下光澤得分較低，是因為普通白卡紙的防潮效果差，含水量過高時，煙草的光澤會有所下降。縱觀在3種環境下不同包裝的煙支評分可知，涂陶介質紙煙盒內煙支的香氣、協調性、雜氣、刺激性、余味各項得分都高于其他2種材質煙盒內煙支的。

表5 不同組別卷煙拆包50 h后的感官評吸得分

Tab.5 Sensory evaluation scores of different groups of cigarettes 50 h later after unpacking

注：各單項得分和合計得分均為評煙委員打分的平均值。

3 結語

涂陶介質紙中金屬鋁層和具有致密結構的涂陶層的雙重防護能對空氣中水分子形成有效的阻隔，更好地抵御外部潮氣入侵，同時其表面大量親水基團的存在又使之能在環境濕度較高的情況下維持盒內特定的濕度水平。涂陶材料的這種雙向的調節起到良好的防潮、保潤作用，能將包裝內煙支的含水量維持在理想水平，從而有效地保持卷煙的口感。新型涂陶紙的研究有助于我國包裝行業將綠色設計、綠色技術、綠色制造、綠色管理和綠色回收的概念納入香煙生產的整個過程中，有助于我國煙草行業向高品質發展轉型，有助于我國煙草行業在國際市場上占據高地。涂陶材質包裝的實驗研究，為我國包裝行業在煙支防潮保潤方面提供了新的設計思路與研究方向，對煙草包裝行業的發展具有重要的意義。

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Effect of Ceramic-coated Packaging Materials on Moisture-proofing and Moisture-preserving of Cigarette

YANG Ji, TIAN Ran, LI Hui, TANG Shi-yun, ZHU Rui-zhi, LI Zhen-jie, YANG Xi, YIN Zhi-jiang

(Technology Center, China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming 650000, China)

The work aims to study the effects of different packaging materials on the change of cigarette moisture content. Thegrammage, thickness and water vapor transmittance of different types of packaging paper were determined and the micromorphology of the paper was analyzed by scanning electron microscope. Then, the cigarettes packed with ceramic-coated white cardboard, ceramic-coated medium paper and ordinary packaging were unpacked and placed in natural environment, dry environment with normal temperature and humid environment with normal temperature. The changes of moisture content of cigarettes were measured, and the content of water-soluble sugar and key chemical components in cigarettes were analyzed. Finally, the cigarettes packed with three kinds of materials were assessed by sensory evaluation. There was no obvious difference in the grammage and thickness of three kinds of packaging paper. Under dry environment with normal temperature and humid environment with normal temperature, the medium packaging box with ceramic coating showed better moisture-proofing and moisture-preserving effect and the best sensory quality. The packaging material has a direct effect on the moisture content and comprehensive sensory scores of cigarette. The ceramic-coated medium paper in this study has better moisture-proofing and moisture-preserving effect, which has promotion value in the field of tobacco package.

packaging box; moisture-preserving; moisture content; moisture-proofing

TS206.4

A

1001-3563(2023)03-0210-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.03.026

2022?07?05

中國煙草總公司重大專項（110202101019[XX–05]）；云南中煙工業公司科技開發計劃（2021JC05）；云南中煙工業公司專項項目

楊繼（1980—），博士，高級工程師，主要研究方向為煙草化學。

尹志豇（1979—），工程師，主要研究方向為煙草包裝設計和材料。

責任編輯：曾鈺嬋