環境相對濕度對加熱卷煙芯材及煙支物理特性的研究

王鵬飛 周成喜 羅 亮 朱鮮艷 張曉艷 朱遠洋 徐瑞霜 李朝建

（1.南通煙濾嘴有限責任公司，江蘇南通，226014；2.江蘇中煙工業有限責任公司技術中心，江蘇南京，210019）

傳統卷煙制品燃燒的過程中，不僅會產生揮發性香味，也會因高溫燃燒產生許多有害物質，在吸食過程中會對健康產生影響[1]。為了滿足消費者的健康需求，新型煙草成為眾多煙草國際公司的研究重點[2]。其中，加熱卷煙在感官質量和抽吸方式上最接近傳統卷煙，逐步成為國內研究熱點[3]。目前，國內研究主要集中在煙葉原料及其煙氣釋放等方面[4-6]，鮮見環境相對濕度對芯材及煙支物理性質影響的相關報道。

加熱卷煙在<500oC 的范圍內，直接加熱芯材，促使煙草材料產生含有煙堿的氣溶膠。為了滿足發煙量的需求，在芯材中添加10%～20%的甘油作為發煙劑[7]，導致芯材在生產過程中極易受潮，嚴重影響芯材及煙支的物理特性和感官質量[8-9]。本研究以噴涂法和稠漿法煙草薄片為研究對象，探究環境相對濕度對煙草薄片及煙支的物理指標影響，揭示煙草薄片及煙支的抗張強度、耐破度、吸阻、煙氣溫度等物理性能隨環境相對濕度的變化規律，以期為相關產品研發、生產及儲存提供理論依據。

1 實 驗

1.1 實驗材料和儀器

材料：噴涂法煙草薄片；稠漿法煙草薄片；以噴涂法和稠漿法煙草薄片為芯材制成的加熱卷煙煙支，記為噴涂法煙支和稠漿法煙支，以上材料均為江蘇中煙自制。

儀器：氣相色譜儀（7890A 型，美國 Agilent 公司）；萬能拉力儀（EJA Vantage-1，美國Thwing-Albert 公司）；煙支綜合檢測臺（HK-ROTENCE-5，中國成都瑞拓科技有限責任公司）；恒溫恒濕箱（KBF240，德國賓德公司）；煙具（IQOS-3-MULTI，日本菲利普·莫里斯聯合公司）；耐破度測試儀（T-003B，中國制漿造紙研究院有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品平衡

制備定量約180 g/m2、甘油含量約20%的噴涂法煙草薄片和稠漿法煙草薄片，煙草材料和卷煙生產在常溫下進行。參照GB/T 10739—2002的方法將試樣在溫度（23±1） ℃、相對濕度分別為40%、50%、60%、70%、80%的環境下平衡48 h。

1.2.2 煙草薄片水分測定

煙草薄片的水分參考YC/T 345—2010中的方法進行測定。稱取約0.5 g 煙草薄片，剪成長度1 mm 的小條，置于50 mL 具塞錐形瓶內，加入20 mL 含有乙醇（物質的量濃度為2 mol/L）的甲醇萃取液，振蕩萃取30 min，萃取溶液經濾膜過濾后用氣相色譜分析。色譜柱采用HP-PLOTQ 毛細管色譜柱（30 m×530 μm×40 μm （膜厚））；程序升溫初始溫度80 ℃，保持5 min，以30 ℃/min的速率升至270 ℃，保持4 min；進樣口溫度為270 ℃；檢測器采用TCD檢測器，溫度為250 ℃；載氣為氦氣，恒流流速5.0 mL/min；進樣體積為1.0 μL，分流比10∶1。

1.2.3 抗張強度測定

將煙草薄片按15 mm×200 mm 的規格沿縱橫向切取試樣各10 條，放置于不同相對濕度條件下平衡。平衡結束后，用萬能拉力儀測定10 條試樣的抗張強度，結果取平均值。

1.2.4 耐破度測定

切取規格為120×120 mm 的煙草薄片試樣，放置于不同相對濕度下平衡。平衡結束后，用耐破度測試儀測定5張試樣的耐破度，結果取平均值。

1.2.5 煙支吸阻測定

加熱卷煙煙支由12 mm 煙芯段、23 mm 降溫段和10 mm 醋酸纖維段組成，煙芯段由噴涂法煙草薄片和稠漿法煙草薄片制成，含水率7%～10%。取適量煙支置于溫度為（23±1） ℃、相對濕度分別40%、50%、60%、70%、80%的環境下平衡48 h，用煙支綜合測試臺測定20支煙支吸阻，結果取平均值。

1.2.6 煙氣溫度測定

煙氣溫度測定采用電阻式測溫探頭，每0.5 s 對煙支末端進行一次溫度采集。本研究采用IQOS煙具，抽吸參數參考ISO 3308—2012標準抽吸模式，吸煙機設定抽吸參數為：抽吸容量35 mL，抽吸時間3 s，抽吸間隔30 s，總抽吸口數為11口。

2 結果與討論

2.1 煙草薄片吸濕特性研究

煙草薄片中的發煙劑極易吸水。圖1 分析了環境相對濕度對煙草薄片和拆包煙支含水率的影響。由圖1可知，噴涂法和稠漿法煙草薄片的含水率均隨環境相對濕度的增加而增加。當環境相對濕度從40%增加到50%，煙草薄片含水率增加幅度較小；隨著環境相對濕度從50%增加到80%，2 種煙草薄片的含水率快速增加，分別從7.77%和9.31%，上升至21.69%和23.85%。這是因為當環境相對濕度從50%增加至80%時，煙草薄片中的纖維和煙粉吸水潤脹，煙草薄片的體積變大、表面積增加[10]，甘油與空氣的接觸面也隨之增加，煙草薄片表面更容易吸收和儲存水分，水分子活度不斷增加[11]，從而導致含水率呈現快速上升。從圖1 中還可以看出，在相同環境相對濕度下，稠漿法煙草薄片吸濕性大于噴涂法煙草薄片。這可能與煙草薄片中纖維的不同分布有關：噴涂法煙草薄片中纖維作為基紙集中在煙草薄片中間層，而稠漿法煙草薄片中纖維呈均勻分布狀態，更易促使甘油吸收環境中的水分[12]，所以稠漿法煙草薄片在相同環境相對濕度下具有更高的含水率。

圖1 環境相對濕度對煙草薄片和拆包煙支含水率的影響Fig.1 Effect of ambient related humidity on moisture content of reconstituted tobaccos and unwrapped cigarettes

將上述2 種煙草薄片制成相應成品煙支，拆除成品煙支外層塑封后分別放置于相對濕度80% 的環境下平衡48 h，其煙支水分最高分別達10.33%和11.16%，遠遠低于此時完全暴露的煙草薄片含水率（21.69%和23.85%）。環境相對濕度從40%提升至50%時，2 種煙支的含水率從7.05%和8.12%升高至7.11%和8.15%，基本沒有變化。綜上所述，在生產和儲存環節對煙草薄片進行相應的環境控制是加熱卷煙質量控制的重要環節之一，較為密封的煙盒包裝在一定程度上可以使加熱卷煙保持較好的穩定性。為保證煙草薄片含水率的穩定，其生產、儲存溫度為（23±1） ℃時，環境相對濕度應低于50%。

2.2 環境相對濕度對煙草薄片抗張強度的影響

水分的增加會使煙草薄片中的氫鍵不斷遭到破壞，抗張強度不斷下降，這和紙張抗張強度在吸水后下降的原理相似[13]。圖2 分析了環境相對濕度對煙草薄片抗張強度的影響。由圖2可知，當環境相對濕度從40%升至80%，2 種煙草薄片抗張強度均隨環境相對濕度增加而下降。煙草薄片的縱向抗張強度遠大于橫向抗張強度，最大為橫向抗張強度的3倍。這與噴涂法煙草薄片中的基紙和稠漿法煙草薄片中的纖維在生產過程中會沿紙機方向（縱向）呈一定規律的排列有關，從而導致縱向抗張強度遠大于橫向抗張強度[14]。

圖2 環境相對濕度對煙草薄片抗張強度的影響Fig.2 Effect of ambient related humidity on tensile strength of heat-not-burn reconstituted tobaccos

對于稠漿法煙草薄片，隨著環境相對濕度增加，其抗張強度下降速度較均勻，縱向抗張強度從952 N/m勻速下降至387 N/m，橫向抗張強度從339 N/m 勻速下降至96 N/m，這可能與稠漿法煙草薄片中煙粉、纖維分布較均勻有關。

對于噴涂法煙草薄片，隨著環境相對濕度增加，其縱向抗張強度呈現3 個階段的變化。圖2（a）表明：第一階段為環境相對濕度從40%增加至50%，縱向抗張強度從1281 N/m 緩慢下降至1105 N/m，下降趨勢與稠漿法煙草薄片基本一致，這說明此階段主要以基紙兩側的涂布原料吸濕為主，吸濕的水分還未大規模浸潤進涂布基紙中；第二階段為環境相對濕度從50%增加到70%，縱向抗張強度從1105 N/m快速下降至395 N/m，在此階段煙草薄片中的基紙開始吸收水分，這和紙張吸濕原理一致[15]，其氫鍵不斷遭到破壞，使煙草薄片的縱向抗張強度快速下降；第三階段為環境相對濕度從70%增加到80%，其縱向抗張強度趨于穩定，從395 N/m 緩慢減小至332 N/m，說明當環境相對濕度達到70%時，基紙纖維的氫鍵已經被大量破壞，再繼續提高環境相對濕度，對煙草薄片的縱向抗張強度影響較小。由圖2（b）可知，煙草薄片的橫向抗張強度呈現較均勻的下降趨勢，這可能是因為基紙橫向纖維交織較縱向少，因此，橫向抗張強度不隨環境相對濕度增加呈階段性變化。

另外，隨著環境相對濕度的增加，稠漿法煙草薄片與噴涂法煙草薄片的縱向抗張強度在環境相對濕度約為62%時出現交叉（見圖2（a）），噴涂法煙草薄片的縱向抗張強度開始低于稠漿法煙草薄片，但其橫向抗張強度一直高于稠漿法煙草薄片。這與噴涂法煙草薄片有著抗張強度較高的基紙及2種煙草薄片吸水后抗張強度的變化規律有關。當環境相對濕度達到80%時，2種煙草薄片的縱、橫向抗張強度均較為接近。

2.3 環境相對濕度對煙草薄片耐破度的影響

圖3 為環境相對濕度對煙草薄片耐破度的影響。由圖3 可知，當環境相對濕度從40%增加至70%時，噴涂法煙草薄片的耐破度受環境相對濕度影響較大，從90.5 kPa迅速降低至約56.0 kPa；而稠漿法煙草薄片的耐破度隨環境相對濕度的增加變化較小，從58.9 kPa緩慢下降至約56.0 kPa。繼續增加環境相對濕度至80%，2 種煙草薄片的耐破度幾乎無變化。2 種煙草薄片耐破度隨環境相對濕度的變化差異與煙草薄片結構有關：環境相對濕度為40%時，噴涂法煙草薄片由于基紙的存在，其耐破度達90.5 kPa，而稠漿法煙草薄片依靠黏合劑黏結各物料，纖維的交織較少，其耐破度只有58.9 kPa。由于環境相對濕度對噴涂法煙草薄片的耐破度影響較大，為充分利用噴涂法煙草薄片耐破度較強的特點，其生產、儲存溫度為（23±1） ℃時，環境相對濕度應低于50%。

圖3 環境相對濕度對煙草薄片耐破度的影響Fig.3 Effect of ambient related humidity on bursting degree of reconstituted tobaccos

2.4 環境相對濕度對煙支吸阻的影響

圖4 分析了環境相對濕度對煙支吸阻的影響。由圖4可知，環境相對濕度從40%增加到50%，噴涂法煙支和稠漿法煙支的吸阻分別從466 Pa和458 Pa緩慢增加至480 Pa 和478 Pa。隨著環境相對濕度的增大，煙支吸阻增加，當環境相對濕度從70%增加至80%時，噴涂法煙支和稠漿法煙支吸阻分別從572 Pa 和757 Pa 迅速增加至1039 Pa 和1766 Pa。這是由于煙支芯材吸濕后發生潤脹，體積變大，條狀煙草薄片之間的空隙變小，在抽吸時氣體流通受阻，與傳統煙支吸潮后吸阻增加的原理一致[16]。從環境相對濕度對煙支吸阻的影響結果看，為保證煙支吸阻的穩定，其生產、儲存溫度為（23±1） ℃時，相對濕度應低于50%。

圖4 環境相對濕度對煙支吸阻的影響Fig.4 Effect of ambient related humidity on resistance of cigarettes

2.5 環境相對濕度對煙支煙氣溫度的影響

不同相對濕度平衡下煙支的抽吸溫度如圖5 所示。由圖5可知，隨著煙支平衡相對濕度的增加，煙氣溫度不斷增加，與圖1中煙草薄片含水率變化規律一致。這是由于芯材被加熱，芯材中的水分隨著發煙物質形成的氣溶膠從煙支末端排出，煙氣中的水蒸氣占比達60%以上[17]，是煙氣熱量的主要來源。隨著環境相對濕度的增加，煙支含水率不斷上升，在環境相對濕度為80%時，噴涂法煙支和稠漿法煙支抽吸溫度最高分別達70.9和72.3 ℃。

圖5 環境相對濕度對的煙支煙氣溫度的影響Fig.5 Effect of ambient related humidity on the smoke temperature of cigarettes

從煙氣溫度與抽吸口數變化規律來看，2 種煙支的煙氣溫度均隨抽吸口數的增加呈現先上升后下降的變化規律，并在第2 口達到最大值。這可能是由于第2口煙氣中水分含量最高，隨著抽吸口數增加，芯材中的水分蒸發減少，使得抽吸時煙氣溫度降低。當煙支平衡相對濕度為80%時，噴涂法煙支和稠漿法煙支的第1口煙氣溫度分別低于平衡相對濕度為60%和70%的煙支，推測可能是由于芯材含水率過高，煙支吸阻過大，導致熱氣流傳導效應降低，使得第1口氣溶膠中的含水量反而低于平衡相對濕度為60%或70%時的煙支。因此，煙支芯材水分控制對煙支抽吸體驗尤其重要，煙支生產、儲存溫度為（23±1） ℃時，環境相對濕度應低于50%。

3 結 論

本研究分析了噴涂法和稠漿法煙草薄片及2 種煙草薄片芯材制備的煙支在不同環境相對濕度的條件下的物理特性，并探討了煙草薄片抗張強度、耐破度、煙支吸阻及煙氣溫度隨環境相對濕度的影響規律。

3.1 噴涂法和稠漿法煙草薄片的含水率均隨環境相對濕度的增加而增加，當環境相對濕度從40%增加到50%時，煙草薄片含水率增加幅度較小；隨著環境相對濕度從50%增加到80%，噴涂法和稠漿法煙草薄片的含水率快速增加，分別從7.77%和9.31%上升至21.69%和23.85%。2 種煙草薄片的吸濕特性與其纖維分布狀況及煙粉吸水潤脹有關，稠漿法煙草薄片的吸濕性大于噴涂法煙草薄片。

3.2 隨著環境相對濕度增加，煙草薄片抗張強度不斷降低，其中稠漿法煙草薄片的縱向抗張強度勻速下降，噴涂法煙草薄片的縱向抗張強度呈現3個階段的下降。2 種煙草薄片的橫向抗張強度均小于縱向抗張強度，隨著環境相對濕度的增加，呈現較為均勻的下降。當環境相對濕度為80%，2 種煙草薄片的縱、橫向抗張強度趨于一致。

3.3 環境相對濕度對噴涂法煙草薄片耐破度影響較大，當環境相對濕度從40%增加至70%時，其耐破度從90.5 kPa迅速降低至約56.0 kPa；稠漿法煙草薄片的耐破度受環境相對濕度影響較小。當環境相對濕度大于70%時，2 種煙草薄片的耐破度接近，幾乎不隨環境相對濕度增加發生變化。

3.4 環境相對濕度與抽吸體驗密切相關。隨著環境相對濕度的增加，煙支的吸阻增加，煙氣溫度上升。當環境相對濕度從40%增加到50%時，煙支的吸阻較穩定；當環境相對濕度大于50%時，煙支吸阻增速開始迅速變大。第2口煙氣中水分含量最高，隨著抽吸口數增加，芯材中的水分蒸發減少，使得抽吸時煙氣溫度降低。

3.5 為了確保芯材質量穩定性及煙支的抽吸體驗，2 種煙草薄片及煙支的生產、儲存溫度為（23±1） ℃時，環境相對濕度應低于50%。