不同干燥方式下配方烟丝的保润性能

周冰，何邦华，曹良，温亚东，陈文，付亮，唐军

云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市五华区红锦路367号650231

烟叶作为一种特殊的农产品，其叶茎成熟后 经初烤-切片-打叶-复烤后，本身物理组织结构发生显著变化，电镜观察可知其形成了一种毛细多孔物质［1-2］，具备吸湿-解湿性能。烟叶的吸湿和解湿过程贯穿于卷烟生产的全过程，例如，复烤后片烟醇化、片烟回潮、烟叶加料、烟丝干燥、贮丝等工序，烟丝水分变化对成品烟支感官抽吸时的香气、口感、舒适度方面有重要影响。烟丝干燥工序是卷烟加工过程中的关键环节之一，具有去除烟丝中部分水分、彰显卷烟香气风格的作用。目前烟草行业主要有滚筒干燥与气流干燥两种方式，两种干燥方式因脱水机理不同，对烟丝组织结构产生不同的影响，进而影响烟丝物理保润性能。近年来，对烟草保润性能的报道主要集中在保润剂对保润性能的影响及其应用［3-7］、不同品类烟叶保润性能差异［8-10］、烟叶保润机理研究［11］、烟叶吸湿曲线模型构建与验证［12-16］等方面，有关干燥方式对烟丝保润性能影响的文献报道较少［17］。因此，对滚筒干燥和气流干燥处理后的配方烟丝吸湿-解湿性能的差异进行了对比分析，旨在掌握不同干燥方式对同一配方烟丝物理保润性能的影响，为卷烟加工工艺设计及新产品研发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

云南中烟工业有限责任公司在产“云烟”品牌某规格卷烟的配方烟丝，经松散回潮、加料、切丝、烟丝膨胀（增温增湿）后，分别输送至滚筒式烘丝机［干燥温度分二段式，一区温度为（163.0±1.0）℃，二区温度为（135.0±3.0）℃］和气流式烘丝机［干燥温度为（155.0±5.0）℃］进行干燥，取冷床后烟丝。

ED400烘箱（德国Binder公司）；MS104TS电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler-Toledo公司）；SPSx型全自动动态水分吸附仪（温度±0.1℃，湿度±0.6%，德国ProUmind公司）。

1.2 方法

1.2.1 烟丝等温吸湿-解湿过程检测

（1）实验方法。称取2 g左右烟丝放入全自动动态水分吸附仪的烟丝盘上，设定等温吸湿-解湿环境：温度25℃，初始相对湿度（RH）40%。达到平衡后开始增湿与解湿两个过程测定：增湿过程分4个阶段，分别为相对湿度40%～50%、50%～60%、60%～70%、70%～80%；解湿过程分4个阶段，分别为相对湿度80%～70%、70%～60%、60%～50%、50%～40%。水分平衡条件：烟丝质量变化≤0.01%，自动称量记录时间为10 min/次。设置3个平行样。

按YC/T 31—1996的方法检测烟丝含水率，得到干基质量，由干基质量计算得出烟丝在增湿与解湿过程中每一时刻的干基含水率。

（2）等温吸湿-解湿过程曲线。记录烟丝在不同相对湿度条件下，水分达到平衡过程中烟丝质量变化率（dm），见公式（1）。

式中：m0为烟丝初始质量，g；mt为烟丝在t时刻的质量，g。

1.2.2 烟丝物理保润性能评价

采用水分比MR（Moisture ration）［8，18］与Weibull模型的尺度参数α来评价烟丝的物理保润性能。MR表示一定湿度条件下，物料水分残余量的相对比值，可反映烟丝失水的难易程度，见公式（2）。

式中：Mt为t时刻的干基含水率，%；Me为烟丝水分平衡时的干基含水率，%；M0为烟丝初始干基含水率，%。

Weibull模型可以很好地对MR曲线进行拟合，其分布函数见公式（3）。

式中：MR为水分比，%；t为时间，min；α为模型的尺度参数；β为模型的形状参数。

由式（3）可见，烟草样品在t时刻的MR由α和β确定。使用Weibull模型对t和MR进行拟合，得到Weibull模型的α和β值，α表示MR随时间变化的快慢，其值等于MR为e-1时所用的时间，即样品散失水分或吸收水分达到初始含水率63%时所需的时间，α值越小说明样品MR变化越快，保润性能越差；β与烟丝在开始阶段的水分变化速率相关，其值越小表示开始阶段的水分变化速率越大。

2 结果与讨论

2.1 不同干燥方式烟丝吸湿-解湿过程曲线

滚筒干燥烟丝、气流干燥烟丝初始干基含水率分别为13.12%、13.14%，在不同相对湿度条件下，吸湿-解湿过程烟丝质量变化率（dm）如图1所示。由图1可知，在吸湿和解湿过程中，气流干燥烟丝的质量变化率（dm）均高于滚筒干燥烟丝。由两种烟丝初始含水率与过程质量变化率（dm）计算吸湿-解湿过程烟丝含水率，结果如图2所示。由图2可知，初始条件40%相对湿度下，滚筒干燥烟丝、气流干燥烟丝达到水分平衡时其干基含水率分别为7.54%、8.97%，气流干燥烟丝水分散失量较少。

图1 烟丝吸湿-解湿过程质量变化曲线Fig.1 Mass variation curves of cut tobacco in the process of absorption and desorption

图2 烟丝吸湿-解湿过程含水率变化曲线Fig.2 Moisture content variation curves of cut tobacco in the process of absorption and desorption

2.2 不同干燥方式烟丝吸湿-解湿过程平衡含水率分析

吸湿-解湿过程中，烟丝在不同相对湿度下，水分平衡时质量变化率（dm）见图3。由图3可知，与初始质量相比，两种烟丝均在40%、50%相对湿度条件下散失水分，在60%、70%、80%相对湿度条件下吸附水分。气流干燥烟丝在吸湿过程中质量变化率高于滚筒干燥烟丝，吸附水分量较大；同样在解湿过程中质量变化率也高于滚筒干燥烟丝，散失水分量也较大，说明气流干燥烟丝与空气中水蒸气的交换容量更大。这应与两种干燥方式的脱水机理相关，气流干燥采用高温瞬时脱除水分的方式，使烟丝组织结构在水分快速挥发的过程中得到了较好的膨胀；滚筒干燥方式脱水温度低、时间长，对烟丝组织结构的膨胀效果较差。因此，不同干燥方式下烟丝组织结构存在差异，进而对其吸湿-解湿性能产生影响。

图3 烟丝在不同相对湿度下达到平衡状态时的质量变化率Fig.3 Mass change rates of cut tobacco in equilibrium state at different RH

进一步比较分析吸湿-解湿过程相近平衡点干基含水率的差值，结果如表1所示。由表1可知，在吸湿过程中，相对湿度从40%上升至50%时，滚筒干燥烟丝平衡含水率增加2.45百分点，气流干燥烟丝平衡含水率增加2.67百分点，气流干燥烟丝高于滚筒干燥烟丝0.22百分点；同理相对湿度50%～60%、60%～70%、70%～80%时含水率增量，气流干燥烟丝高于滚筒干燥烟丝分别为0.28百分点、0.36百分点、0.74百分点。由此可知，在吸湿过程中，气流干燥烟丝含水率增量不但高于滚筒干燥烟丝，而且随相对湿度增加而增大。在解湿过程中，相对湿度80%～70%、70%～60%、60%～50%、50%～40%时气流干燥烟丝的平衡含水率散失量高于滚筒干燥烟丝0.69百分点、0.34百分点、0.26百分点、0.17百分点；气流干燥烟丝的平衡含水率散失量不但高于滚筒干燥烟丝，而且随相对湿度降低而减少。说明两种烟丝吸湿-解湿性能差异随相对湿度增加而增大。

表1 烟丝在吸湿-解湿过程中平衡含水率的增量与散失量Tab.1 Addition and loss of equilibrium moisture content of cut tobacco in the process of absorption and desorption

2.3 不同干燥方式烟丝吸湿-解湿过程动态数据分析

计算两种烟丝吸湿-解湿过程水分比（MR），吸湿过程MR曲线分布如图4所示，解湿过程MR曲线分布如图5所示。在吸湿过程相对湿度（RH）60%、解湿过程RH70%下，MR曲线出现较为明显的波动，结合图1中的相对湿度曲线可知，MR曲线波动受相对湿度稳定性的影响显著，但Weibull模型拟合方程中决定系数R2均大于0.9（表2），说明数据具备统计分析意义，可用于变化趋势分析。

图4 两种干燥烟丝吸湿过程MR曲线Fig.4 MR curves of two kinds of dried tobacco in absorption process

图5 两种干燥烟丝方式解湿过程MR曲线Fig.5 MR curves of two kinds of dried tobacco in desorption process

对比分析两种烟丝吸湿过程MR分布曲线（图4）可知，RH40%、RH50%条件下MR分布曲线相近，RH60%条件下出现明显跃进，RH60%、RH70%条件下MR分布曲线相近，RH80%条件下出现更明显跃进。由此可知，烟丝在初始RH40%条件下散失水分，在RH50%条件下开始吸附水分，RH40%、RH50%条件下MR曲线相近，说明烟丝在RH40%、RH50%条件下，散失水分的速度与吸附水分的速度相近，此时烟丝散失和吸附的水分应是在烟丝表面或结构空隙中运动的单层水分子［19］。RH60%、RH70%条件下MR曲线相近，说明此时烟丝吸附水分已由单层水分子变成多层水分子，部分水分子开始渗透烟丝表面并进入细胞组织或毛细管结构中［20］。RH80%条件下，结合图4含水率增量变化趋势，水分子吸附量呈指数型增加，说明此时水分子已经密集地附着于烟丝表面并形成多分子层，并且一部分水分子深入到细胞内部，与一些亲水性物质相结合。

解湿过程作为吸湿过程的逆反应，同样存在3种解湿状态，从不同相对湿度条件下MR分布曲线（图5）可知，RH70%为第1种状态，RH60%为第2种状态，RH50%、RH40%为第3种状态。水分散失过程与水分子在烟丝中的存在状态相关，例如,RH70%条件下，烟丝从相对湿度80%～70%解湿过程中散失的水分多为吸附于烟丝表面的大量多层水分子，达到平衡状态的用时明显少于吸湿过程；RH60%条件下，烟丝从相对湿度70%～60%解湿过程中散失的水分多为接近烟丝表面的水分子层及部分毛细管内的水分子，达到平衡状态的用时与吸湿过程相近；RH50%、RH40%条件下，烟丝解湿过程中散失的水分应多为吸附在烟丝结构内部毛细管或部分与亲水物质相结合的水分子，达到平衡状态的用时长于吸湿过程。

以RH60%条件下的吸湿-解湿过程MR分布曲线为例，对比两种烟丝吸湿-解湿过程MR分布曲线，结果见图6。可以看出，两种烟丝吸湿-解湿过程MR曲线变化趋势一致。说明两种烟丝在吸湿-解湿过程中，水分子吸附-脱附路径相同，水分在烟丝中的存在状态相似。

2.4 不同干燥方式烟丝保润性能分析

采用Weibull模型拟合烟丝MR曲线，得出尺度参数α与形状参数β，结果见表2。由表2可知，在初始条件RH40%下，气流干燥烟丝的α值高于滚筒干燥烟丝，说明气流干燥烟丝在RH40%下保润性能优于滚筒干燥烟丝，且开始阶段的水分散失速率低于滚筒干燥烟丝。

对比分析两种烟丝的α值（表2）可知，吸湿过程中，相对湿度40%～50%、50%～60%条件下，气流干燥烟丝α值稍高于滚筒干燥烟丝；相对湿度60%～70%、70%～80%条件下，气流干燥烟丝α值稍低于滚筒干燥烟丝。解湿过程中，相对湿度80%～70%、70%～60%条件下，气流干燥烟丝α值稍低于滚筒干燥烟丝；相对湿度60%～50%、50%～40%条件下，气流干燥烟丝α值稍高于滚筒干燥烟丝。由此可知，吸湿-解湿过程中，在高相对湿度条件下，滚筒干燥烟丝的保润性能稍优于气流干燥烟丝；在低相对湿度条件下，气流干燥烟丝的保润性能稍优于滚筒干燥烟丝。不同干燥方式对烟丝组织结构的膨胀效果影响较大，且对烟丝化学成分、挥发性香味成分影响也较大［21-22］，烟丝组织结构和化学物质发生变化，必然对烟丝的保润性能产生一定影响。

对比吸湿过程与解湿过程α值可知，解湿过程α值高于吸湿过程，说明吸湿过程水分吸附量达到初始含水率63%时所用时间较短，而解湿过程水分脱附所需时间显著增加。结合表1统计两种烟丝在吸湿-解湿过程中平衡含水率增量与散失量的差值，以滚筒干燥烟丝为例，吸湿过程相对湿度70%～80%条件下平衡含水率增量12.10%，解湿过程相对湿度80%～70%条件下平衡含水率散失量11.81%，两者差值为0.28%。对比两种烟丝平衡含水率增量与散失量的差值可知，RH70%、RH80%条件下，两者差值最高，这是因为在RH80%条件下，烟丝吸附水分的方式增多，部分水分子在烟丝中的黏附力增强，因此在解湿过程中，直至达到平衡状态时也不足以让吸附的水分子脱离。在相对湿度60%～40%条件下，两者差值显著降低，但烟丝脱附水分量仍低于吸附水分量。说明解湿过程滞留水分现象普遍存在，且滞留量随相对湿度增加而增大。

3 结论

①滚筒干燥与气流干燥因脱水方式不同，导致同一配方烟丝经两种干燥方式处理后的膨胀效果不同，烟丝组织结构产生差异。气流干燥烟丝膨胀效果较好，其吸湿-解湿过程中烟丝质量变化率（dm）均高于滚筒干燥烟丝，与空气中水蒸气的交换容量更大。②对比两种干燥方式烟丝吸湿-解湿过程中各相对湿度条件下的平衡含水率发现，气流干燥烟丝吸湿-解湿过程中的含水率变化量高于滚筒干燥烟丝，且两种烟丝含水率变化量的差异随相对湿度增加而增大。③分析两种烟丝吸湿-解湿过程MR曲线变化趋势可知，MR曲线在不同相对湿度条件下呈3种分布状态，两种烟丝MR曲线变化趋势相同，说明两种烟丝吸附-脱附水分子的路径相同，水分子在烟丝中的存在状态相似。④Weibull模型拟合MR曲线，对比分析两种烟丝的尺度参数α值可知，在高相对湿度（RH＞60%）条件下，滚筒干燥烟丝的保润性能稍优于气流干燥烟丝，在低相对湿度（RH≤60%）条件下，气流干燥烟丝的保润性能稍优于滚筒干燥烟丝。⑤两种烟丝的解湿过程与吸湿过程相比，均存在滞留水分的现象，且滞留量随相对湿度的增加而增大。