加热卷烟烟芯材料及烟支的吸湿特性研究

李朝建 吴承澄 罗亮 师东方 王鹏飞 周成喜

（1.江苏中烟工业有限责任公司，江苏南京，210019；2.南通烟滤嘴有限责任公司，江苏南通，226014）

加热卷烟通过加热烟草材料释放烟气供吸烟者体验，既可以实现近似传统卷烟的满足感，又可以减少燃烧过程中有害物质的产生和吸入[1-3]，已成为国内外新型卷烟研究热点。加热卷烟烟支包括烟草段、降温段和滤嘴段，最核心技术即烟草段中烟芯材料的制备工艺及其原料配方。国内烟草企业主要围绕加热卷烟用烟芯材料的制备技术[4]、发热性能[5-7]、分析检测[8-10]等方面开展系列研究。

加热卷烟中甘油含量较高[11]，极易受潮，受潮后不仅影响卷烟外观质量，还对烟支与烟具的匹配性及卷烟的感官质量有影响。已有文献[12]通过动态蒸汽吸附实验，对不同工艺制备的加热卷烟烟芯材料对水的吸附机理进行了研究。结果表明，烟芯材料对水分的吸附为物理吸附。为更好地剖析加热卷烟烟芯材料的吸湿特性，本研究以稠浆法和造纸喷粉法2种工艺制备的烟草薄片及相应加热卷烟烟支为研究对象，开展环境相对湿度对烟草薄片面积、厚度及烟支圆周的影响研究，旨在了解烟草薄片及烟支吸湿后物理指标的变化规律，为加热卷烟烟草薄片及烟支的储存、烟支与烟具的匹配性设计提供技术参考。

1 实 验

1.1 材料与仪器

稠浆法烟草薄片、造纸喷粉法烟草薄片及加热卷烟烟支，由江苏中烟工业有限责任公司提供。1#烟支：烟芯材料为稠浆法烟草薄片，2#烟支：烟芯材料为造纸喷粉法烟草薄片。

PhenomProX扫描电子显微镜（SEM，荷兰Phenom-World公司）；超眼B001便携式数码显微镜（深圳超眼科技有限公司）；HUAWEI LIO-AN00手机（像素：4800万，华为终端有限公司）；烟支端面检测仪（自制）；纸张裁样器；EJA拉力试验机（美国Thwing-Albert公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 烟草薄片制备

稠浆法烟草薄片：由烟粉、黏合剂、纤维、水等物质混合成浆料后涂布在环形钢带上干燥制成。

造纸喷粉法烟草薄片：以纸为基材，将烟粉、黏合剂及水的混合浆料喷涂到纸基两面，干燥制成。

1.2.2 样品制备

化学检测和图像分析样品制备：参照GB/T 16447—2004的方法将烟草薄片在温度(22±1)℃，相对湿度分别为40%、50%、60%、70%的环境下平衡48 h。样品平衡后进行相关实验研究。

烟草薄片面积测试样品制备：将烟草薄片在相对湿度40%下平衡48 h，用纸张裁样器裁取100 cm2圆片。

烟草薄片厚度测试样品制备：将烟草薄片在相对湿度40%下平衡48 h，截取1 cm×1 cm的样品，将样品下部1 cm×0.5 cm部分用双面胶固定于四方块的侧壁，样品上部1 cm×0.5 cm部分裸露于四方块上方。

烟支平衡：为了避免因外力造成烟支烟草段圆周变形，将烟支竖直放置，并用固定器固定烟支滤嘴。

1.2.3 烟草薄片形貌表征

采用PhenomProX扫描电子显微镜（SEM）观察样品的表面形貌特征，操作参数为：电子束加速电压5 kV，放大倍率为300倍。

1.2.4 烟草薄片含水率检测

依据YC/T 345—2010方法测定烟草薄片含水率。

1.2.5 图像采集

烟草薄片表面图像采集方法：将HUAWEI LIOAN00手机及样品分别水平固定，摄像头位于样品中心点上方40 cm处，使用相机高像素模式进行拍照采集。

烟草薄片侧面图像采集方法：用超眼B001便携式数码显微镜对样品侧面进行拍照采集。

加热卷烟烟支端面图像采集方法：用镊子夹住烟支中部降温段，将烟支滤嘴端放入样品固定器中固定，用烟支端面检测仪对烟支端面进行图像采集。

1.2.6 抗张强度测试

在相对湿度40%下，将稠浆法烟草薄片按照纵横向裁切成规格样品，用拉力试验机测量样品抗张强度。平行测定10个数据，取平均值。

1.2.7 数据处理

采用ImageJ图像处理软件对采集的烟草薄片表面照片进行图像处理；采用Supereyes软件对采集的烟草薄片侧面照片进行图像处理；采用基恩士CV-X视觉系统对采集的烟支截面照片进行图像处理。

2 结果与讨论

2.1 SEM分析

SEM扫描的稠浆法烟草薄片和造纸喷粉法烟草薄片的表面形貌特征如图1所示。

由图1可以看出，2种烟草薄片在物理结构及物质组成上存在显著差异。由图1（a）可见，稠浆法烟草薄片为块状，结合较紧密，夹着少量纤维物质；由图1（b）可见，造纸喷粉法烟草薄片中纤维物质较多，烟草颗粒附着在纤维表面，结合较疏松。

图1 烟草薄片SEM图Fig.1 SEM images of tobacco sheets

2.2 烟草薄片吸湿特性分析

2.2.1 环境相对湿度对烟草薄片含水率的影响

表1比较了烟草薄片经不同环境相对湿度平衡后含水率检测结果。

从表1可见，随着环境相对湿度增加，烟草薄片含水率增加。随着环境相对湿度从40%增加到50%、60%、70%，稠浆法烟草薄片含水率分别增加1.27、5.63、11.53个百分点，造纸喷粉法烟草薄片含水率分别增加1.20、5.59、10.02个百分点。从含水率增加数据来看，当环境相对湿度从40%增加到50%，薄片含水率增加较小，约1.2个百分点；当环境相对湿度增加到60%，薄片含水率增加较大，约5.6个百分点；继续增加环境相对湿度到70%，薄片含水率增加大于10个百分点，此时烟草薄片吸湿后表面黏度较大，已不利于后续加工。综上可知，烟草薄片应在环境相对湿度≤50%的条件下储存，有利于维持烟草薄片含水率的稳定性。

表1 烟草薄片含水率检测结果Table 1 Test results of moisture content in tobacco sheets %

2.2.2 环境相对湿度对烟草薄片面积的影响

将样品在不同的环境相对湿度下平衡后，对样品表面进行拍照。用ImageJ图像处理软件对采集的烟草薄片表面照片进行全像素提取，以不同环境相对湿度下样品照片全像素变化来模拟面积的变化。以相对湿度40%下烟草薄片的照片全像素为基准，考察相对湿度为50%、60%、70%时烟草薄片照片全像素变化，如图2所示。

由图2可见，相对于造纸喷粉法烟草薄片，稠浆法烟草薄片面积随环境相对湿度增加而显著增加。随着环境相对湿度从40%增加到50%、60%、70%，稠浆法烟草薄片面积分别增加0.78%、2.66%、3.92%，而造纸喷粉法烟草薄片面积分别增加0.05%、0.22%、0.49%。推测2种烟草薄片随环境相对湿度面积变化差异与烟草薄片制备工艺有关，其中造纸喷粉法烟草薄片中含纸基，受纸基束缚使得烟草薄片面积变化较小。当环境相对湿度在50%时，相比于相对湿度40%，烟草薄片面积增加＜1%，说明烟草薄片在环境相对湿度≤50%的条件储存较适宜。

图2 烟草薄片面积变化Fig.2 Changes in area of tobacco sheets

为进一步研究面积变化规律，截取10 cm×10 cm的稠浆法烟草薄片样品，对不同湿度样品照片分别进行横向长度、纵向长度、表面像素提取，并以40%相对湿度下的像素为基准，考察相对湿度为50%、60%、70%时烟草薄片照片像素变化，如图3所示。

由图3可见，当环境相对湿度从40%增加到50%、60%、70%，稠浆法烟草薄片横向长度分别增加0.29%、0.44%、0.90%，而纵向长度分别增加0.81%、1.96%、2.95%，纵向长度变化显著大于横向长度。分析原因，可能与烟草薄片中纤维伸展方向有关。由于稠浆法烟草薄片在制备过程中，涂布稠浆通过流延刀时，受流延刀阻力影响，使钢带上涂布稠浆中的纤维以纵向方式延伸为主[13-15]。通过检测稠浆法烟草薄片抗张强度发现，纵向抗张强度为550 N/m，横向抗张强度为160 N/m。由纵向和横向抗张强度数据差异分析可进一步证实，稠浆法烟草薄片中纤维以纵向分布为主。推测稠浆法烟草薄片吸水后的伸展方向受纤维延伸方向影响，表现为纵向伸展大于横向伸长。另外，当环境相对湿度从40%增加到50%、60%、70%，样品面积增加比例分别为1.10%、2.41%、3.87%。从图3可见，烟草薄片纵向长度随环境相对湿度变化与面积变化较接近。可以认为，稠浆法烟草薄片面积随环境相对湿度增加而增加主要归因于样品长度随环境相对湿度的增加而增加。

图3 烟草薄片长度及像素变化Fig.3 Changes in length and photo pixel of tobacco sheets

2.2.3 环境相对湿度对烟草薄片厚度的影响

图4 稠浆法烟草薄片照片Fig.4 Photos of tobacco sheets prepared by thick pulp method

将样品在不同的环境相对湿度下平衡后，对样品侧面进行拍照。采用Supereyes软件对采集的图片进行测量。图5为稠浆法烟草薄片疏松部位在不同环境相对湿度下厚度照片（每张照片在相同位置测3个宽度）。表2为不同环境湿度下烟草薄片厚度检测结果。

由图5可见，稠浆法烟草薄片疏松部位厚度随环境相对湿度增加而增加。从表2可见，当环境相对湿度从40%增加到50%、60%、70%时，稠浆法烟草薄片疏松部位厚度随环境相对湿度的增加而显著增加，增加率分别为1.91%、4.03%、6.39%。结合表2和图5图像对比分析可知，稠浆法烟草薄片疏松部位厚度随环境相对湿度增加而加厚的原因是由于疏松部位吸水后体积润胀所致；稠浆法烟草薄片致密部位厚度随环境相对湿度增加有微小变化：环境相对湿度为40%、50%、60%时，厚度较稳定；当环境相对湿度增加到70%时，相比相对湿度40%的厚度减小1.17%。分析原因，可能是由于稠浆法烟草薄片致密部位的黏合剂含量较高，黏合剂吸水后胶性增加，可能会进一步提高致密部位的致密性，因此厚度随环境相对湿度增加略有下降。造纸喷粉法烟草薄片厚度随环境相对湿度从40%增加至50%、60%、70%时，分别增加0.75%、1.46%、2.40%。相比稠浆法烟草薄片疏松部位，由于纸基的束缚，造纸喷粉法烟草薄片厚度变化幅度较小。当环境相对湿度为50%，相比于环境相对湿度为40%，烟草薄片厚度变化较小，说明烟草薄片在环境相对湿度≤50%的条件储存较适宜。

表2 不同环境相对湿度下的烟草薄片厚度Table 2 Thickness of tobacco sheets under different equilibrium humidity mm

图5 不同环境相对湿度下稠浆法烟草薄片侧面疏松部位照片Fig.5 Photos of side porosity of tobacco sheet prepared by thick pulp method under different equilibrium humidity

2.3 环境相对湿度对烟支圆周的影响

将2种烟草薄片分别制成加热卷烟烟支，通过烟支端面检测仪测定不同环境相对湿度下烟支圆周的变化。1#烟支端面图片如图6所示，2#烟支端面图片如图7所示，圆周数据见表3。

由图6可见，当环境相对湿度从40%增加到50%，1#烟支烟丝填充状态变化不明显；当环境相对湿度增加到60%、70%时，可以明显观察到1#烟支烟丝填充趋于致密（图6标记出烟丝间孔隙随环境湿度变化较明显的两处），说明1#烟支吸潮后，烟丝间排列趋于紧密。分析原因，与稠浆法烟草薄片疏松部位厚度随环境相对湿度增加有关。

图6 不同环境相对湿度下1#烟支端面照片Fig.6 Photos of 1#cigarette under different equilibrium humidity

如图7所示，当环境相对湿度从40%增加到70%，2#烟支端面较难观察到烟丝填充随环境相对湿度增加的明显变化。

图7 不同环境湿度下2#烟支端面照片Fig.7 Photos of 2#cigarette under different equilibrium humidity

从表3可见，1#烟支和2#烟支的圆周均随环境相对湿度的增加而增加，1#烟支圆周增加较2#烟支快，且增长幅度大于2#烟支。2种烟支圆周随环境相对湿度增加的差异，归结于2种烟芯薄片的吸湿特性差异。当环境相对湿度为50%，相比于环境相对湿度为40%时，烟支圆周变化较小，说明烟支在环境相对湿度≤50%的条件储存较适宜。

隆庆五年(1571)，元忭再次赴京参与会试前看望了徐渭，徐渭作《送张子荩会试正月十七日》：“……身伴棘墙鼠，心摇芳草途。不得双握手，惟听只呼卢，看君将笔赌，一掷万青蚨。”[1]827“身伴棘墙鼠，心摇芳草途”，尽管身陷囹圄，徐渭仍倾心相送。“看君将笔赌，一掷万青蚨。”《淮南子》中把“青蚨”称为“神钱”，有“青蚨飞去复飞来”之说。因此，这两句诗表达了对元忭为会试所付出的勤劳必有回报的良好祝愿。

表3 烟支圆周随环境相对湿度变化检测结果Table 3 Circumference of cigarettes made from different tobacco slices mm

2.4 烟支圆周与薄片厚度相关性研究

将烟支圆周与烟草薄片的厚度做线性拟合处理，线性回归方程见表4。

由表4可见，2款烟支圆周与烟草薄片厚度均正相关，且1#烟支相关性大于2#烟支。

表4 不同环境相对湿度下的烟支圆周与薄片厚度线性回归方程Table 4 Linear regression equation of cigarette circumference and tobacco sheets thickness with different equilibrium humidity

2.5环境相对湿度对烟支感官质量的影响

烟支在不同湿度下平衡后，感官质量的差异主要体现在口腔灼热感。随着平衡湿度增加，口腔灼热感增加。分析原因可能与烟草薄片含水率随环境相对湿度的增加而增加有关。当环境湿度为70%时，口腔明显烫嘴，影响抽吸体验。

3 结 论

本研究采用化学分析法、图像分析技术及感官质量评价，探讨了稠浆法烟草薄片与造纸喷粉法烟草薄片在不同环境相对湿度下含水率、面积和厚度的变化规律，及2种烟草薄片制备的烟支圆周受环境相对湿度的影响规律。

3.1 2 种烟草薄片的含水率、面积和厚度及烟支圆周均与环境相对湿度正相关。受烟草薄片制备工艺的影响，稠浆法烟草薄片的面积和厚度随环境相对湿度增加而增加，且增加的幅度显著大于造纸喷粉法烟草薄片，其中，稠浆法烟草薄片面积增加主要归因于纵向长度增加，厚度增加归因于疏松部位吸水后体积润胀。

3.2 随着平衡湿度增加，薄片含水率增加，使烟支抽吸时口腔灼热感增加。

3.3 当环境相对湿度在40%～50%之间时，烟草薄片和烟支的理化指标及感官质量稳定性较好，有利于烟草薄片及烟支的存储。