应用动态水分吸附法比较不同烟丝解湿过程的差异

沈晓晨，张 华，王珂清，朱龙杰，曹 毅，王晨辉，毛淑蕊，吴 洋，朱怀远，王 瑞

江苏中烟工业有限责任公司，南京市建邺区梦都路30号 210019

烟丝含水率是影响卷烟品质的重要因素之一［1］。随卷烟加工和存储过程中温湿度的变化，烟丝的含水率会发生变化，特别是在干燥条件下会发生解湿现象，进而对卷烟抽吸品质产生负面影响。在烟丝解湿过程中含水率的变化特性研究方面，动态水分吸附法和等温吸湿模型等方法已得到了广泛应用，并形成了一系列评价方法［2-8］。楼佳颖等［9］应用动态水分吸附系统分析了叶丝和膨胀丝等不同卷烟原料的保润机理；张安丰等［10］应用DVS分析了烟丝和梗丝等原料的等温吸湿和解湿过程。等温吸湿模型是研究平衡含水率与水活度之间关系的热力学方程，可以预测样品含水率变化特性［11-12］。迟广俊等［13］系统研究了等温吸湿模型，筛选出适用于烟草样品的模型。为建立等温吸湿模型，需要在等温条件下分析各个不同湿度环境下样品的平衡含水率和水活度。等温吸湿模型不能直观反映干燥环境下烟草的平衡含水率和失水速率，为提高模型准确性，实验周期较长［11-13］；DVS所需的烟丝质量为几十毫克［9-10］，与常规卷烟单支的烟丝量相差较大，在分析烟支中烟丝含水率变化特性时可能会产生误差。SPSx动态水分吸附分析仪（SPSx）的样品量变化范围较宽，可以涵盖单支卷烟的质量。目前，SPSx已经广泛用于制药、食品、材料等许多相关领域中含水率的研究［14-16］，但是在烟草中的应用报道较少。为此，应用SPSx分析不同原料烟丝在干燥环境下的解湿过程，并进行数学拟合分析，旨在考察不同原料烟丝解湿特性的差异，为深入分析成品卷烟烟支含水率变化特性和保润性能及开发新型保润技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

10种单料烟烟丝样品见表1，切丝宽度为1.0 mm。

SPSx动态水分吸附分析仪（德国Proumid公司）；AL204电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；E300恒温恒湿箱（澳大利亚Steridium公司）；Milli-Q Integral 10型超纯水系统（美国Millipore公司）。

表1 10种单料烟烟丝样品信息Tab.1 Information of 10 types of single grade cut tobacco

1.2 方法

1.2.1 优化SPSx动态水分吸附仪测试所需的烟丝质量

选择6号烟丝样品，在22℃、相对湿度（Relative humidity，RH）60%恒温恒湿箱中平衡48 h。然后在22℃、RH 60%的恒温恒湿房间内，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的顺序称量实验样品，并按此顺序依次放入1#～11#样品盘，“R”号位为空样参比盘（图1）。然后按照样品质量从小到大顺序依次编号为A#～K#样品，详见表2。

图1 SPSx动态水分吸附仪样品盘Fig.1 Picture of sample tray of SPSx dynamic moisture adsorption analyzer

SPSx工作条件设置：

称量时间间隔：10 min；每个温湿度条件持续的最短时间：50 min；每个温湿度条件持续的最长时间：100 h；默认质量限制：+50%；平衡条件：50 min内烟丝质量变化率为0.02%。

测试温湿度条件如表3所示。“开始湿度”表示在每个温湿度变化阶段开始时的RH；“终点湿度”表示每个温湿度变化结束时的RH；“步数”表示温湿度变化区间内除开始湿度外所经历的湿度的个数，最小值为1，当湿度变化量相同时，步数越大每次湿度平均变化量越小。

表2 样品称量信息Tab.2 Information of sample weights

完成上述工作条件设置后，SPSx动态水分吸附仪从表3中第1个“温湿度变化阶段”的“开始湿度”开始，按照“称量时间间隔”要求连续测定样品质量变化，当样品质量达到“工作条件设置”中“平衡条件”时，测试腔内温湿度按照“步数”设定要求变换到下一个温湿度，如此重复，直到“终点湿度”。完成第1个“温湿度变化阶段”后，仪器进入第2个“温湿度变化阶段”，直至完成最后一个“温湿度变化阶段”。

表3 测试的温湿度条件①Tab.3 Test temperature and humidity parameters

1.2.2 干燥条件下烟丝解湿过程分析

称取一定量的烟丝样品于样品盘中，按照以下条件每间隔一定时间称量样品进行解湿过程测试：温度为22℃，开始湿度为60%，终点湿度为10%，变化步数为1。仪器工作条件同1.2.1节。

1.2.3 解湿过程的数学拟合

根据烟丝干基变化率随时间变化的曲线，进行解湿过程的数学拟合，以决定系数R2评判拟合效果［13］。对拟合方程进行一阶导数求导，得出烟丝含水率变化速度随时间变化的方程。

2 结果与讨论

2.1 SPSx动态水分吸附测试烟丝质量的优化

烟丝质量会影响烟丝堆积的高度和密度，从而影响水分扩散。因此，以各质量下烟丝平衡含水率变化率和达到平衡所需时间的稳定性为依据进行烟丝质量优化。

2.1.1 烟丝质量对烟丝平衡时含水率变化率的影响

按照1.2.1节方法处理样品后，进行吸湿-解湿-吸湿动态变化测试，记录平衡时含水率变化率（Moisture variation rate，MVR），结果如表4所示。

在第一次吸湿阶段，RH由60%升至90%，烟丝MVR波动比较小的质量区间分别为G#～I#、F#～J#和A#～K#，区间逐渐变宽；但在G#～I#区间内，MVR波动均较小，相对标准偏差（RSD）分别为9.90%、0.93%和0.31%，RSD的平均值为3.71%。在解湿阶段，RH从90%降至0，烟丝MVR波动比较小的质量区间分别为E#～K#、G#～I#和G#～I#，区间逐渐变窄，但是在G#～I#区间，MVR波动均较小，RSD分别为0.30%、0.21%和0.48%，RSD的平均值为0.33%。在第二次吸湿阶段，随RH由0升至90%，烟丝MVR波动比较小的质量区间分别为G#～I#、G#～I#、F#～J#、F#～J#和A#～K#，与第一次吸湿阶段一样，区间逐渐变宽；但在G#～I#区间，烟丝MVR波动均较小，RSD介于0.14%～5.03%之间，RSD的平均值为1.51%。综上，由对一次解湿和两次吸湿过程中烟丝质量与MVR波动的关系分析可知，当质量介于G#～I#，MVR波动较小，此时烟丝平衡含水率受烟丝质量的影响较小。

尽管烟丝在吸湿-解湿-吸湿过程中MVR存在差异，但当RH相同时，烟丝MVR与烟丝质量之间的变化趋势基本相似。对比相同RH时MVR可以发现，RH较高时第二次吸湿时的平衡含水率较高；RH较低时第二次吸湿时的MVR较低，即平衡含水率较低。这说明烟丝经过吸湿-解湿过程后，在高湿条件下吸湿性增强，而在低湿条件下水分扩散性增强，即烟丝的保润性能降低。卷烟制丝工艺中有回潮后再干燥工序，该过程也类似于先吸湿后解湿，因此该过程也可能类似地影响烟丝保润性能。

2.1.2 烟丝质量对平衡时间的影响

进一步考察了不同质量烟丝在每个湿度条件下达到平衡所需的最短时间，结果见表5。

表4 不同质量烟丝在不同RH变化阶段平衡时含水率变化率（MVR）Tab.4 Moisture variation rate of cut tobacco of different weights at different RH change stages （%）

表5 不同质量烟丝在不同RH变化阶段达到平衡所需的时间Tab.5 Time required by cut tobacco of different weights to reach equilibrium at different RH change stages （h）

从表5可知，在7个吸湿阶段（2个70%～90%、0～20%、20%～40%、40%～60%、2个60%～70%阶段），当烟丝质量介于H#～I#时，烟丝样品达到平衡所需时间的相对误差介于0～4.14%之间，平均相对误差为1.82%，相差不显著。在其他3个解湿阶段，当质量介于H#～I#时，烟丝样品达到平衡所需时间相差也不显著，相对误差介于0.32%～2.73%，平均相对误差为1.87%。可知，在各个湿度变化阶段，当质量介于H#～I#时，烟丝达到平衡所需的时间相差不显著，受烟丝质量影响较小。

结合烟丝质量对烟丝MVR的分析结果可知，应用SPSx动态水分吸附仪测试时，烟丝质量介于H#～I#时，即0.8～0.9 g时较适宜。鉴于0.8 g更接近于单支卷烟烟丝的质量，选择0.8 g作为适宜的烟丝用量，可以降低质量波动对测试烟丝水分动态变化的影响，提高测试结果的稳定性。

2.2 拟合含水率动态变化过程比较不同烟丝干燥解湿后平衡含水率的差异

取10种烟丝，各称取0.8 g，应用SPSx按照1.2.2节的方法将RH由60%降低至10%，分析烟丝含水率的动态变化过程。以烟丝干基含水率为纵坐标，时间为横坐标，得到10种烟丝干燥解湿过程中烟丝干基含水率随时间的变化（图2）。可知，RH从60%降至10%时，烟丝含水率不断降低，含水率扩散曲线先陡后缓，直至平衡。

图2 1～10号烟丝干基含水率随时间的变化Fig.2 Dry basis moisture variations of 1-10 cut tobacco samples with time

10种烟丝由于保润性能有差异，平衡含水率和含水率变化速度也有差异。为比较不同烟丝平衡含水率的差异，对图2中烟丝含水率动态变化曲线进行数学拟合，结果发现应用带常数项的指数方程［公式（1）］进行拟合时，决定系数R2均大于0.99（表6），这说明指数方程的拟合效果较好，适于拟合烟丝的解湿过程。拟合方程中c为负数，这是由于解湿过程中含水率逐渐降低。

式中：y表示瞬时干基含水率，%；x表示时间，h；a表示无限长时间后烟丝的平衡含水率（%），可以看作烟丝在干燥条件下模型的理论平衡含水率（Y∞）；b表示无限长时间后烟丝的理想失水率，%；a与b之和表示烟丝初始时刻的理论含水率（Y0）；c为系数。

由表6可知，在本实验范围内，在干燥条件下，烤烟烟丝的Y∞和Y0最高，白肋烟其次，晒黄烟最低。对于烤烟烟丝，部位相同但产地不同时Y∞差异较大；产地相同时，2号烟丝（丽江中部烟）的Y∞较低，其余各部位烟丝的Y∞差异不明显。

表6 10种烟丝含水率动态变化拟合结果Tab.6 Fitting results for dynamic moisture variations of 10 types of cut tobacco

2.3 应用含水率动态变化曲线比较不同烟丝在干燥解湿过程中含水率变化速度的差异

为比较烟丝失水速率快慢，对公式（1）进行一阶导数求导，得到含水率变化速度方程，如公式（2）所示。

式中：v表示烟丝在各时刻的瞬时失水速度，%/h。从公式（2）可以看出，烟丝含水率变化速度方程也是指数方程，b、c以及ecx直接影响着烟丝含水率变化速度的快慢和方向，因此烟丝含水率变化速度不仅与时间有关，还与理论失水率b和系数c有关，随着时间的变化，各种烟丝含水率变化速度的快慢会前后不一致。由于c是负值，因此公式（2）中含水率变化速度随时间延长逐渐变慢。

公式（2）中有2个系数，不便直观地比较各种烟丝失水速度的差异，为方便比较各种烟丝含水率平均变化速度，由公式（1）进行推导和简化，得到公式（3）。

式中：Mx表示某时间段实际失水率与理论失水率b的比值，%。

由公式（3）可知，由于c＜0，在相同时刻c的绝对值越大，烟丝的失水比例Mx越高，则该时间段内Mx与时间x的比值即失水比例平均变化速度也越大。结合表6中的c值，比较本实验范围内不同烟丝在相同时间失水比例Mx的平均变化速度的差异，可以发现：白肋烟的平均速度最快，晒黄烟其次，烤烟最慢；下部烤烟烟丝比中部和上部快，中部和上部差异不显著。

3 结论

（1）应用SPSx动态水分吸附仪分析烟丝含水率变化过程时，烟丝质量会影响烟丝的平衡含水率和达到平衡所需的时间，为降低烟丝质量对测试的影响，适宜的烟丝质量为0.8 g。

（2）烟丝经过吸湿-解湿-吸湿过程后保润性能会降低，即当RH较高时，第二次吸湿时的吸湿性增强，平衡含水率升高；RH较低时水分扩散性增强，平衡含水率降低。

（3）应用SPSx动态水分吸附仪可以分析烟丝解湿过程，非线性指数方程可以较好地拟合解湿过程中含水率变化过程，决定系数R2均大于0.99。

（4）不同烟丝解湿过程存在一定差异。在本实验样品范围内，不同类型烟丝理论平衡含水率高低顺序为烤烟＞白肋烟＞晒黄烟；与烟叶部位相比，烤烟产地对理论平衡含水率的影响更加显著；烟丝失水比例的平均变化速度为白肋烟＞晒黄烟＞烤烟；烤烟部位对失水比例的平均变化速度影响较显著，下部烟叶最快，而中部与上部烟叶差异不显著。