李朝建 吳承澄 羅亮 師東方 王鵬飛 周成喜

（1.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，江蘇南京，210019；2.南通煙濾嘴有限責(zé)任公司，江蘇南通，226014）

加熱卷煙通過加熱煙草材料釋放煙氣供吸煙者體驗，既可以實現(xiàn)近似傳統(tǒng)卷煙的滿足感，又可以減少燃燒過程中有害物質(zhì)的產(chǎn)生和吸入[1-3]，已成為國內(nèi)外新型卷煙研究熱點。加熱卷煙煙支包括煙草段、降溫段和濾嘴段，最核心技術(shù)即煙草段中煙芯材料的制備工藝及其原料配方。國內(nèi)煙草企業(yè)主要圍繞加熱卷煙用煙芯材料的制備技術(shù)[4]、發(fā)熱性能[5-7]、分析檢測[8-10]等方面開展系列研究。

加熱卷煙中甘油含量較高[11]，極易受潮，受潮后不僅影響卷煙外觀質(zhì)量，還對煙支與煙具的匹配性及卷煙的感官質(zhì)量有影響。已有文獻[12]通過動態(tài)蒸汽吸附實驗，對不同工藝制備的加熱卷煙煙芯材料對水的吸附機理進行了研究。結(jié)果表明，煙芯材料對水分的吸附為物理吸附。為更好地剖析加熱卷煙煙芯材料的吸濕特性，本研究以稠漿法和造紙噴粉法2種工藝制備的煙草薄片及相應(yīng)加熱卷煙煙支為研究對象，開展環(huán)境相對濕度對煙草薄片面積、厚度及煙支圓周的影響研究，旨在了解煙草薄片及煙支吸濕后物理指標(biāo)的變化規(guī)律，為加熱卷煙煙草薄片及煙支的儲存、煙支與煙具的匹配性設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

稠漿法煙草薄片、造紙噴粉法煙草薄片及加熱卷煙煙支，由江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供。1#煙支：煙芯材料為稠漿法煙草薄片，2#煙支：煙芯材料為造紙噴粉法煙草薄片。

PhenomProX掃描電子顯微鏡（SEM，荷蘭Phenom-World公司）；超眼B001便攜式數(shù)碼顯微鏡（深圳超眼科技有限公司）；HUAWEI LIO-AN00手機（像素：4800萬，華為終端有限公司）；煙支端面檢測儀（自制）；紙張裁樣器；EJA拉力試驗機（美國Thwing-Albert公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 煙草薄片制備

稠漿法煙草薄片：由煙粉、黏合劑、纖維、水等物質(zhì)混合成漿料后涂布在環(huán)形鋼帶上干燥制成。

造紙噴粉法煙草薄片：以紙為基材，將煙粉、黏合劑及水的混合漿料噴涂到紙基兩面，干燥制成。

1.2.2 樣品制備

化學(xué)檢測和圖像分析樣品制備：參照GB/T 16447—2004的方法將煙草薄片在溫度(22±1)℃，相對濕度分別為40%、50%、60%、70%的環(huán)境下平衡48 h。樣品平衡后進行相關(guān)實驗研究。

煙草薄片面積測試樣品制備：將煙草薄片在相對濕度40%下平衡48 h，用紙張裁樣器裁取100 cm2圓片。

煙草薄片厚度測試樣品制備：將煙草薄片在相對濕度40%下平衡48 h，截取1 cm×1 cm的樣品，將樣品下部1 cm×0.5 cm部分用雙面膠固定于四方塊的側(cè)壁，樣品上部1 cm×0.5 cm部分裸露于四方塊上方。

煙支平衡：為了避免因外力造成煙支煙草段圓周變形，將煙支豎直放置，并用固定器固定煙支濾嘴。

1.2.3 煙草薄片形貌表征

采用PhenomProX掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的表面形貌特征，操作參數(shù)為：電子束加速電壓5 kV，放大倍率為300倍。

1.2.4 煙草薄片含水率檢測

依據(jù)YC/T 345—2010方法測定煙草薄片含水率。

1.2.5 圖像采集

煙草薄片表面圖像采集方法：將HUAWEI LIOAN00手機及樣品分別水平固定，攝像頭位于樣品中心點上方40 cm處，使用相機高像素模式進行拍照采集。

煙草薄片側(cè)面圖像采集方法：用超眼B001便攜式數(shù)碼顯微鏡對樣品側(cè)面進行拍照采集。

加熱卷煙煙支端面圖像采集方法：用鑷子夾住煙支中部降溫段，將煙支濾嘴端放入樣品固定器中固定，用煙支端面檢測儀對煙支端面進行圖像采集。

1.2.6 抗張強度測試

在相對濕度40%下，將稠漿法煙草薄片按照縱橫向裁切成規(guī)格樣品，用拉力試驗機測量樣品抗張強度。平行測定10個數(shù)據(jù)，取平均值。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

采用ImageJ圖像處理軟件對采集的煙草薄片表面照片進行圖像處理；采用Supereyes軟件對采集的煙草薄片側(cè)面照片進行圖像處理；采用基恩士CV-X視覺系統(tǒng)對采集的煙支截面照片進行圖像處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM分析

SEM掃描的稠漿法煙草薄片和造紙噴粉法煙草薄片的表面形貌特征如圖1所示。

由圖1可以看出，2種煙草薄片在物理結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成上存在顯著差異。由圖1（a）可見，稠漿法煙草薄片為塊狀，結(jié)合較緊密，夾著少量纖維物質(zhì)；由圖1（b）可見，造紙噴粉法煙草薄片中纖維物質(zhì)較多，煙草顆粒附著在纖維表面，結(jié)合較疏松。

圖1 煙草薄片SEM圖Fig.1 SEM images of tobacco sheets

2.2 煙草薄片吸濕特性分析

2.2.1 環(huán)境相對濕度對煙草薄片含水率的影響

表1比較了煙草薄片經(jīng)不同環(huán)境相對濕度平衡后含水率檢測結(jié)果。

從表1可見，隨著環(huán)境相對濕度增加，煙草薄片含水率增加。隨著環(huán)境相對濕度從40%增加到50%、60%、70%，稠漿法煙草薄片含水率分別增加1.27、5.63、11.53個百分點，造紙噴粉法煙草薄片含水率分別增加1.20、5.59、10.02個百分點。從含水率增加數(shù)據(jù)來看，當(dāng)環(huán)境相對濕度從40%增加到50%，薄片含水率增加較小，約1.2個百分點；當(dāng)環(huán)境相對濕度增加到60%，薄片含水率增加較大，約5.6個百分點；繼續(xù)增加環(huán)境相對濕度到70%，薄片含水率增加大于10個百分點，此時煙草薄片吸濕后表面黏度較大，已不利于后續(xù)加工。綜上可知，煙草薄片應(yīng)在環(huán)境相對濕度≤50%的條件下儲存，有利于維持煙草薄片含水率的穩(wěn)定性。

表1 煙草薄片含水率檢測結(jié)果Table 1 Test results of moisture content in tobacco sheets %

2.2.2 環(huán)境相對濕度對煙草薄片面積的影響

將樣品在不同的環(huán)境相對濕度下平衡后，對樣品表面進行拍照。用ImageJ圖像處理軟件對采集的煙草薄片表面照片進行全像素提取，以不同環(huán)境相對濕度下樣品照片全像素變化來模擬面積的變化。以相對濕度40%下煙草薄片的照片全像素為基準(zhǔn)，考察相對濕度為50%、60%、70%時煙草薄片照片全像素變化，如圖2所示。

由圖2可見，相對于造紙噴粉法煙草薄片，稠漿法煙草薄片面積隨環(huán)境相對濕度增加而顯著增加。隨著環(huán)境相對濕度從40%增加到50%、60%、70%，稠漿法煙草薄片面積分別增加0.78%、2.66%、3.92%，而造紙噴粉法煙草薄片面積分別增加0.05%、0.22%、0.49%。推測2種煙草薄片隨環(huán)境相對濕度面積變化差異與煙草薄片制備工藝有關(guān)，其中造紙噴粉法煙草薄片中含紙基，受紙基束縛使得煙草薄片面積變化較小。當(dāng)環(huán)境相對濕度在50%時，相比于相對濕度40%，煙草薄片面積增加＜1%，說明煙草薄片在環(huán)境相對濕度≤50%的條件儲存較適宜。

圖2 煙草薄片面積變化Fig.2 Changes in area of tobacco sheets

為進一步研究面積變化規(guī)律，截取10 cm×10 cm的稠漿法煙草薄片樣品，對不同濕度樣品照片分別進行橫向長度、縱向長度、表面像素提取，并以40%相對濕度下的像素為基準(zhǔn)，考察相對濕度為50%、60%、70%時煙草薄片照片像素變化，如圖3所示。

由圖3可見，當(dāng)環(huán)境相對濕度從40%增加到50%、60%、70%，稠漿法煙草薄片橫向長度分別增加0.29%、0.44%、0.90%，而縱向長度分別增加0.81%、1.96%、2.95%，縱向長度變化顯著大于橫向長度。分析原因，可能與煙草薄片中纖維伸展方向有關(guān)。由于稠漿法煙草薄片在制備過程中，涂布稠漿通過流延刀時，受流延刀阻力影響，使鋼帶上涂布稠漿中的纖維以縱向方式延伸為主[13-15]。通過檢測稠漿法煙草薄片抗張強度發(fā)現(xiàn)，縱向抗張強度為550 N/m，橫向抗張強度為160 N/m。由縱向和橫向抗張強度數(shù)據(jù)差異分析可進一步證實，稠漿法煙草薄片中纖維以縱向分布為主。推測稠漿法煙草薄片吸水后的伸展方向受纖維延伸方向影響，表現(xiàn)為縱向伸展大于橫向伸長。另外，當(dāng)環(huán)境相對濕度從40%增加到50%、60%、70%，樣品面積增加比例分別為1.10%、2.41%、3.87%。從圖3可見，煙草薄片縱向長度隨環(huán)境相對濕度變化與面積變化較接近。可以認(rèn)為，稠漿法煙草薄片面積隨環(huán)境相對濕度增加而增加主要歸因于樣品長度隨環(huán)境相對濕度的增加而增加。

圖3 煙草薄片長度及像素變化Fig.3 Changes in length and photo pixel of tobacco sheets

2.2.3 環(huán)境相對濕度對煙草薄片厚度的影響

圖4 稠漿法煙草薄片照片F(xiàn)ig.4 Photos of tobacco sheets prepared by thick pulp method

將樣品在不同的環(huán)境相對濕度下平衡后，對樣品側(cè)面進行拍照。采用Supereyes軟件對采集的圖片進行測量。圖5為稠漿法煙草薄片疏松部位在不同環(huán)境相對濕度下厚度照片（每張照片在相同位置測3個寬度）。表2為不同環(huán)境濕度下煙草薄片厚度檢測結(jié)果。

由圖5可見，稠漿法煙草薄片疏松部位厚度隨環(huán)境相對濕度增加而增加。從表2可見，當(dāng)環(huán)境相對濕度從40%增加到50%、60%、70%時，稠漿法煙草薄片疏松部位厚度隨環(huán)境相對濕度的增加而顯著增加，增加率分別為1.91%、4.03%、6.39%。結(jié)合表2和圖5圖像對比分析可知，稠漿法煙草薄片疏松部位厚度隨環(huán)境相對濕度增加而加厚的原因是由于疏松部位吸水后體積潤脹所致；稠漿法煙草薄片致密部位厚度隨環(huán)境相對濕度增加有微小變化：環(huán)境相對濕度為40%、50%、60%時，厚度較穩(wěn)定；當(dāng)環(huán)境相對濕度增加到70%時，相比相對濕度40%的厚度減小1.17%。分析原因，可能是由于稠漿法煙草薄片致密部位的黏合劑含量較高，黏合劑吸水后膠性增加，可能會進一步提高致密部位的致密性，因此厚度隨環(huán)境相對濕度增加略有下降。造紙噴粉法煙草薄片厚度隨環(huán)境相對濕度從40%增加至50%、60%、70%時，分別增加0.75%、1.46%、2.40%。相比稠漿法煙草薄片疏松部位，由于紙基的束縛，造紙噴粉法煙草薄片厚度變化幅度較小。當(dāng)環(huán)境相對濕度為50%，相比于環(huán)境相對濕度為40%，煙草薄片厚度變化較小，說明煙草薄片在環(huán)境相對濕度≤50%的條件儲存較適宜。

表2 不同環(huán)境相對濕度下的煙草薄片厚度Table 2 Thickness of tobacco sheets under different equilibrium humidity mm

圖5 不同環(huán)境相對濕度下稠漿法煙草薄片側(cè)面疏松部位照片F(xiàn)ig.5 Photos of side porosity of tobacco sheet prepared by thick pulp method under different equilibrium humidity

2.3 環(huán)境相對濕度對煙支圓周的影響

將2種煙草薄片分別制成加熱卷煙煙支，通過煙支端面檢測儀測定不同環(huán)境相對濕度下煙支圓周的變化。1#煙支端面圖片如圖6所示，2#煙支端面圖片如圖7所示，圓周數(shù)據(jù)見表3。

由圖6可見，當(dāng)環(huán)境相對濕度從40%增加到50%，1#煙支煙絲填充狀態(tài)變化不明顯；當(dāng)環(huán)境相對濕度增加到60%、70%時，可以明顯觀察到1#煙支煙絲填充趨于致密（圖6標(biāo)記出煙絲間孔隙隨環(huán)境濕度變化較明顯的兩處），說明1#煙支吸潮后，煙絲間排列趨于緊密。分析原因，與稠漿法煙草薄片疏松部位厚度隨環(huán)境相對濕度增加有關(guān)。

圖6 不同環(huán)境相對濕度下1#煙支端面照片F(xiàn)ig.6 Photos of 1#cigarette under different equilibrium humidity

如圖7所示，當(dāng)環(huán)境相對濕度從40%增加到70%，2#煙支端面較難觀察到煙絲填充隨環(huán)境相對濕度增加的明顯變化。

圖7 不同環(huán)境濕度下2#煙支端面照片F(xiàn)ig.7 Photos of 2#cigarette under different equilibrium humidity

從表3可見，1#煙支和2#煙支的圓周均隨環(huán)境相對濕度的增加而增加，1#煙支圓周增加較2#煙支快，且增長幅度大于2#煙支。2種煙支圓周隨環(huán)境相對濕度增加的差異，歸結(jié)于2種煙芯薄片的吸濕特性差異。當(dāng)環(huán)境相對濕度為50%，相比于環(huán)境相對濕度為40%時，煙支圓周變化較小，說明煙支在環(huán)境相對濕度≤50%的條件儲存較適宜。

隆慶五年(1571)，元忭再次赴京參與會試前看望了徐渭，徐渭作《送張子藎會試正月十七日》：“……身伴棘墻鼠，心搖芳草途。不得雙握手，惟聽只呼盧，看君將筆賭，一擲萬青蚨。”[1]827“身伴棘墻鼠，心搖芳草途”，盡管身陷囹圄，徐渭仍傾心相送?！翱淳龑⒐P賭，一擲萬青蚨?！薄痘茨献印分邪选扒囹丁狈Q為“神錢”，有“青蚨飛去復(fù)飛來”之說。因此，這兩句詩表達了對元忭為會試所付出的勤勞必有回報的良好祝愿。

表3 煙支圓周隨環(huán)境相對濕度變化檢測結(jié)果Table 3 Circumference of cigarettes made from different tobacco slices mm

2.4 煙支圓周與薄片厚度相關(guān)性研究

將煙支圓周與煙草薄片的厚度做線性擬合處理，線性回歸方程見表4。

由表4可見，2款煙支圓周與煙草薄片厚度均正相關(guān)，且1#煙支相關(guān)性大于2#煙支。

表4 不同環(huán)境相對濕度下的煙支圓周與薄片厚度線性回歸方程Table 4 Linear regression equation of cigarette circumference and tobacco sheets thickness with different equilibrium humidity

2.5環(huán)境相對濕度對煙支感官質(zhì)量的影響

煙支在不同濕度下平衡后，感官質(zhì)量的差異主要體現(xiàn)在口腔灼熱感。隨著平衡濕度增加，口腔灼熱感增加。分析原因可能與煙草薄片含水率隨環(huán)境相對濕度的增加而增加有關(guān)。當(dāng)環(huán)境濕度為70%時，口腔明顯燙嘴，影響抽吸體驗。

3 結(jié) 論

本研究采用化學(xué)分析法、圖像分析技術(shù)及感官質(zhì)量評價，探討了稠漿法煙草薄片與造紙噴粉法煙草薄片在不同環(huán)境相對濕度下含水率、面積和厚度的變化規(guī)律，及2種煙草薄片制備的煙支圓周受環(huán)境相對濕度的影響規(guī)律。

3.1 2 種煙草薄片的含水率、面積和厚度及煙支圓周均與環(huán)境相對濕度正相關(guān)。受煙草薄片制備工藝的影響，稠漿法煙草薄片的面積和厚度隨環(huán)境相對濕度增加而增加，且增加的幅度顯著大于造紙噴粉法煙草薄片，其中，稠漿法煙草薄片面積增加主要歸因于縱向長度增加，厚度增加歸因于疏松部位吸水后體積潤脹。

3.2 隨著平衡濕度增加，薄片含水率增加，使煙支抽吸時口腔灼熱感增加。

3.3 當(dāng)環(huán)境相對濕度在40%～50%之間時，煙草薄片和煙支的理化指標(biāo)及感官質(zhì)量穩(wěn)定性較好，有利于煙草薄片及煙支的存儲。