樓佳穎，張乾，張瑋，華青，吳達(dá)，費(fèi)婷，陸捷

煙盒多層包裝對(duì)水分阻隔影響研究

樓佳穎，張乾，張瑋，華青，吳達(dá)，費(fèi)婷，陸捷

（上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，上海 201315）

卷煙包裝的阻隔性能是卷煙產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素，研究干燥環(huán)境中卷煙多層包裝對(duì)水分阻隔的作用。利用自主研發(fā)測(cè)試系統(tǒng)——?jiǎng)討B(tài)水分分析氣候箱，考察不同盒包在特定溫濕度條件下水分?jǐn)U散過(guò)程，計(jì)算水分?jǐn)U散通量，并對(duì)包裝阻濕性能進(jìn)行量化表征。建立的煙盒多層包裝水分阻隔性能評(píng)價(jià)方法可準(zhǔn)確量化表征包裝的阻濕性能。低濕條件下，水分從煙盒包裝各層空隙及材料的透過(guò)量各有差異，對(duì)于Bopp膜，60%以上的水分主要從材料擴(kuò)散，對(duì)于不同商標(biāo)紙和內(nèi)襯紙，水分從材料及空隙擴(kuò)散的分配比不同。對(duì)于整體包裝水分阻隔性能，三層材料中Bopp膜對(duì)煙支水分穩(wěn)定性作用的占比達(dá)90%以上，硬包優(yōu)于軟包。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了煙支在不同盒包中水分的散失速率，低濕條件下，硬包卷煙的水分散失速率明顯低于軟盒卷煙的。文中建立了多層煙盒包裝阻濕性測(cè)試及評(píng)價(jià)方法，量化表征了卷煙盒包各包裝層及不同部位對(duì)水分的阻隔作用，明晰了煙盒包裝中影響卷煙水分穩(wěn)定性的重要因素。

卷煙；多層包裝；空隙；水分?jǐn)U散通量；阻濕性能

卷煙水分與卷煙感官品質(zhì)有密切的關(guān)聯(lián)，優(yōu)質(zhì)的卷煙包裝材料和技術(shù)可有效阻止煙支與外界空氣接觸，使煙支水分保持穩(wěn)定，并避免異味侵入，滿足消費(fèi)者的吸食需求[1]。卷煙包裝作為煙支與外界環(huán)境發(fā)生水分交換的媒介與屏障，其透濕性能和包裝形式直接決定了煙包內(nèi)部卷煙水分的穩(wěn)定性。常見的卷煙煙盒包裝是由內(nèi)襯紙、商標(biāo)紙和雙向拉伸聚丙烯薄膜（Bopp膜）3層包裝材料組合構(gòu)成，是典型的多層串聯(lián)包裝[2]，在食品行業(yè)也較為常見，如谷物的包裝中采用蠟紙盒中再使用一層薄膜的包裝，EPS與BC型瓦楞紙板構(gòu)成的串聯(lián)緩沖包裝結(jié)構(gòu)等。目前，國(guó)內(nèi)食品行業(yè)已開展了大量的研究，關(guān)注包裝材料對(duì)各類食品（如綠茶、大豆、中藥制品等）內(nèi)在品質(zhì)的影響[3-10]。煙草行業(yè)對(duì)提升卷煙物理保潤(rùn)性能也開展了大量研究，前期主要關(guān)注于煙草保潤(rùn)劑的開發(fā)及應(yīng)用[11-16]，河南中煙與鄭州院[17]共同研究了軟包、軟硬包及硬包的盒包材料的等溫吸濕特性及開包狀態(tài)下卷煙在3種盒包中的失水速率差異，發(fā)現(xiàn)不同的包裝形式水分阻隔性能差異較大。

目前，行業(yè)在卷煙包裝研究領(lǐng)域較多關(guān)注于卷煙包裝材料自身的透濕性能及卷煙包裝整體的阻隔性能[18-19]，而對(duì)包裝材料各層及各層不同部位對(duì)卷煙水分穩(wěn)定性影響的相關(guān)研究鮮有報(bào)道，此外，行業(yè)在卷煙盒包裝對(duì)煙支水分穩(wěn)定性的影響研究方面也一直缺乏量化表征和評(píng)價(jià)手段。文中利用自主研發(fā)的動(dòng)態(tài)水分分析氣候箱[20]考察不同盒包裝材料的水分阻隔性能，并以阻濕指數(shù)對(duì)其進(jìn)行量化表征，研究不同包裝形式、包裝材料對(duì)穩(wěn)定煙支水分的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與樣品

主要材料：4種不同包裝小盒卷煙（上海卷煙廠），2種市售小盒卷煙（上海卷煙廠）；圓形海綿（直徑為5 cm）、小鋁盤（直徑為5 cm）、鋁箔膠帶、美工刀、蒸餾水、移液槍、熱熔膠槍。

主要儀器：煙草動(dòng)態(tài)水分分析氣候箱（上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司）、NF240恒溫恒濕箱（德國(guó)BINDER公司）、Aqualab 4TE水活度儀（精度±0.003，美國(guó)Decagon公司）、XP404S分析天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler–Toledo公司)。

1.2 方法

1.2.1 不同包裝材料盒包樣品前處理

小鋁盤中放入添加5 mL蒸餾水的海綿做為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。取煙盒樣品，用美工刀將煙盒從中間裁開，取出所有煙支，將裝有海綿的小鋁盤放入已裁開的煙盒中，并使用鋁箔膠帶將包裝密封復(fù)原，即可得到空隙未密封的待測(cè)樣品。利用熱熔膠槍將包裝樣品的空隙進(jìn)行密封處理，即可得到全密封的包裝樣品。每個(gè)樣品制作3個(gè)平行樣。根據(jù)上述方法，將不同包裝的成品卷煙小盒分別制成不同的待測(cè)樣品。樣品包括單層的Bopp膜、商標(biāo)紙、內(nèi)襯紙及其空隙被密封的樣品以及三層整體包裝樣品。

4種不同包裝小盒卷煙樣品信息見表1。

表1 4種不同煙盒包裝材料樣品

Tab.1 Sample information of 4 different cigarette packets

1.2.2 特定環(huán)境中不同包裝材料盒包質(zhì)量變化測(cè)定

設(shè)定煙草動(dòng)態(tài)水分分析氣候箱的干燥條件：溫度為22 ℃、相對(duì)濕度為40%、時(shí)間為192 h，每個(gè)樣品稱量間隔時(shí)間為20 s，待溫濕度穩(wěn)定后將1.2.1節(jié)制得的樣品逐一放入樣品盤上樣，由儀器自動(dòng)記錄在特定溫濕度條件下每個(gè)樣品質(zhì)量隨時(shí)間的變化。

取0～72 h之間樣品質(zhì)量隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行線性擬合得到斜率，表示特定溫濕度條件下標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)透過(guò)樣品包裝的失水速率（g/min）。由式（1）計(jì)算各包裝樣品水分?jǐn)U散通量，即水蒸氣透過(guò)率（WVTR），簡(jiǎn)稱，單位為mg/ d。

=×60×24×1 000 (1)

1.2.3 不同盒型包裝內(nèi)煙支水分變化測(cè)試

1.2.3.1 水活度的測(cè)定

?。?.5±0.1）g卷煙煙絲置于樣品杯內(nèi)，打開水活度儀測(cè)試倉(cāng)，迅速將樣品杯放入測(cè)試倉(cāng)并關(guān)閉，將手柄推到“READ”位置，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄水活度的測(cè)定結(jié)果，每個(gè)樣品3個(gè)平行，取平均值。

1.2.3.2 特定水活度下含水率的測(cè)定

將卷煙煙絲分別置于溫度為22 ℃、相對(duì)濕度為60%和溫度為22 ℃、相對(duì)濕度為50%這2種條件下的恒溫恒濕箱中平衡48 h，分別得到水活度為0.60和0.50的煙絲，按YC/T 31—1996的方法[21]測(cè)定其煙絲含水率，每個(gè)樣品3個(gè)平行，取平均值。

1.2.3.3 卷煙水活度隨時(shí)間變化測(cè)試

取2種市售小盒卷煙各30包，首先測(cè)試煙絲的初始水活度，隨后將小盒卷煙置于溫度為22 ℃、相對(duì)濕度為40%的恒溫恒濕箱中，每隔14 d取出小盒卷煙進(jìn)行煙絲水活度的測(cè)定并記錄，每個(gè)樣品3個(gè)平行，取平均值，測(cè)試時(shí)間為98 d。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙盒包裝水分測(cè)試系統(tǒng)建立

利用煙草動(dòng)態(tài)水分分析氣候箱[20]構(gòu)建了煙盒內(nèi)部與外部水活度差環(huán)境系統(tǒng)，煙盒包裝內(nèi)部為水活度為1的濕海綿，外部由煙草動(dòng)態(tài)水分分析氣候箱（圖1）提供穩(wěn)定的溫濕度測(cè)試環(huán)境。該系統(tǒng)可進(jìn)行10個(gè)樣品同時(shí)在線自動(dòng)稱量，得到樣品在特定溫濕度條件下質(zhì)量隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，結(jié)合1.3.1節(jié)中樣品前處理方法，實(shí)現(xiàn)卷煙煙盒包裝空隙、單層包裝和整體包裝樣品的測(cè)試。

2.2 煙盒包裝阻濕性能評(píng)價(jià)方法

2.2.1 阻濕性能量化指標(biāo)——阻濕指數(shù)（MRI）

式中：為擴(kuò)散水的質(zhì)量；為材料透濕度；為材料面積；為材料厚度；為時(shí)間；in為材料內(nèi)部水蒸氣分壓；out為環(huán)境水蒸氣分壓。

式（2）兩邊求導(dǎo)數(shù)可得：

式（3）右邊分子分母除以此時(shí)水的飽和蒸氣壓飽和后，可表示為：

最后，WVTR可表示為：

此處，r被定義為阻濕指數(shù)（MRI），是材料阻隔水分的一個(gè)本征量值，文中利用阻濕指數(shù)r來(lái)評(píng)價(jià)卷煙包裝材料阻濕性能。

2.2.2 煙盒包裝單層、整體及空隙阻濕指數(shù)計(jì)算

低濕環(huán)境下，煙盒包裝內(nèi)部煙支水活度高于環(huán)境水活度。水分由高水活度向低水活度遷移過(guò)程中，依次從內(nèi)襯紙、商標(biāo)紙、Bopp膜三層通過(guò)。對(duì)于每層包裝，水分則同時(shí)由空隙和材料向外擴(kuò)散。煙盒包裝中三層包裝的阻濕性能為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每層包裝的材料和空隙的阻濕性能為并聯(lián)結(jié)構(gòu)（圖2）[2]。

圖2 煙支水分透過(guò)煙盒多層包裝向外部環(huán)境遷移示意圖（煙支水活度>環(huán)境水活度）

由煙盒包裝的整體阻濕指數(shù)是由三層包裝串聯(lián)得到，見式（7）。

2.2.3 煙盒包裝串聯(lián)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

4種不同煙盒包裝單層及三層整體的阻濕指數(shù)見表2，根據(jù)包裝各層的阻濕指數(shù)和包裝串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由式（7）計(jì)算得到包裝整體的阻濕指數(shù)理論值。結(jié)合實(shí)測(cè)值可得，理論值和實(shí)測(cè)值有較好的符合性，偏差范圍為2.7%～12.7%，因此，煙盒包裝中的三層包裝材料阻濕性能呈串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)串聯(lián)形式計(jì)算得到的煙盒包裝整體阻濕指數(shù)能較好地反映煙盒包裝的阻濕性能。

2.3 煙盒不同包裝材料阻濕性能研究

2.3.1 不同單層包裝材料阻濕性能

測(cè)試了不同單層煙盒包裝密封及不密封樣品的透濕性能，由2.2.2節(jié)計(jì)算得到不同層煙盒包裝材料及空隙的水分?jǐn)U散通量（表3），并計(jì)算煙盒包裝空隙與材料水分?jǐn)U散量的比例（圖3）。

表2 4種不同煙盒包裝整體阻濕指數(shù)

Tab.2 Overall moisture barrier index of 4 different cigarette packets d/mg

表3 煙盒包裝不同層空隙、材料的WVTR

Tab.3 WVRT of the clearances and materials of various packaging layers in cigarette packet mg/d

注：對(duì)于軟盒商標(biāo)紙包裝，水分主要從開放的頂面擴(kuò)散，表中來(lái)自材料的水分?jǐn)U散量包含煙盒開放的頂面和包裝材料2個(gè)部分。

圖3 不同煙盒包裝空隙與材料透濕比例

由圖3可知，對(duì)于Bopp膜層，軟硬盒空隙處的水分通量均小于材料自身；對(duì)于商標(biāo)紙層，硬盒材料和空隙的水分通量較一致，而軟盒水分主要經(jīng)材料擴(kuò)散；對(duì)于內(nèi)襯紙層，復(fù)合內(nèi)襯紙層水分大部分由空隙擴(kuò)散，而轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙層水分絕大部分則是通過(guò)材料擴(kuò)散。復(fù)合內(nèi)襯紙是由鋁箔和紙通過(guò)黏膠劑復(fù)合而成，表面較致密，而轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙是將鋁粉分布在薄膜上，再將其轉(zhuǎn)移至紙基，前者鋁層厚度是后者的近10倍，材料阻隔性較好，故復(fù)合內(nèi)襯紙水分主要從空隙擴(kuò)散。

2.3.2 不同煙盒包裝組合阻濕性能

煙盒三層包裝中的不同層對(duì)整體包裝的阻濕性能的作用各有差異，根據(jù)表2中不同包裝材料及整體的阻濕指數(shù)，計(jì)算4種煙盒組合包裝中各層對(duì)整體阻濕性能的作用，結(jié)果見圖4。

圖4 4種煙盒組合包裝中各層對(duì)整體阻濕性能的作用

對(duì)于不同包裝層，各層對(duì)整體包裝的阻濕性能的作用為Bopp膜>>內(nèi)襯紙>商標(biāo)紙。其中，Bopp膜貢獻(xiàn)度大于90%，商標(biāo)紙貢獻(xiàn)度約2%，內(nèi)襯紙貢獻(xiàn)度為2%～5%，復(fù)合內(nèi)襯紙優(yōu)于轉(zhuǎn)移內(nèi)襯紙，見圖4。由表3可知，對(duì)于不同包裝形式，硬包整體阻濕性能優(yōu)于軟包，主要由于硬盒包裝的Bopp膜熱封效果好于軟盒包裝，空隙較小，Bopp膜包裝的阻濕性能優(yōu)于軟盒包裝。

2.4 不同盒型包裝內(nèi)煙支水分變化預(yù)測(cè)

2.4.1 不同盒型包裝內(nèi)煙支水分變化計(jì)算

煙支水分隨時(shí)間的變化可以用Page方程來(lái)擬合：

式中：q為瞬時(shí)干基含水率；e為平衡干基含水率；0為初始干基含水率；為時(shí)間；和為常數(shù)。

近似假設(shè)：煙支水分的等溫吸附曲線符合一級(jí)Page方程，=1。

Page方程兩邊求導(dǎo)得式（9）：

方程兩邊乘以干基質(zhì)量，則可表示為：

式中：m為瞬時(shí)干基含水量；e為平衡干基含水量；0為初始干基含水量。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，等式中的值為10?8數(shù)量級(jí)，因此，在水分?jǐn)U散前期，等式右邊二次方以上收斂，因此：

說(shuō)明在水分?jǐn)U散前期，和時(shí)間可近似為線性關(guān)系。

干燥環(huán)境中，已知煙支水活度變化前后2個(gè)含水率和WVTR值，就可以通過(guò)近似計(jì)算，得到不同盒包煙支水分變化所需要的時(shí)間：

計(jì)算4種不同煙盒包裝中煙支水活度由0.6降為0.5所需要的時(shí)間，過(guò)程如下。

根據(jù)1.2.3節(jié)方法，測(cè)得卷煙水活度0.6時(shí)的含水率為12.98%，水活度0.5時(shí)的含水率為10.03%，故煙盒內(nèi)煙支水活度由0.6降至0.5時(shí)含水率下降2.95%。在干燥環(huán)境（溫度為22 ℃、相對(duì)濕度為40%）下，由表2中煙盒整體的阻濕指數(shù)理論值，分別得到4種盒型在水活度0.6和水活度0.5時(shí)的1和2，由式（13）計(jì)算得到4種盒型煙盒包裝卷煙煙支水分?jǐn)U散2.95%，即水活度由0.6下降至0.5所需時(shí)間，結(jié)果見表4。

表3 4種盒型煙盒包裝卷煙水活度由0.6降為0.5所需時(shí)間

Tab.3 Time for the cigarette water activity reducing from 0.6 to 0.5 in 4 different cigarette packets

2.4.2 預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

采用1.2節(jié)的方法測(cè)試了2種市售卷煙煙盒包裝整體的水分阻隔性能，計(jì)算它們的阻濕指數(shù)分別為0.024 7 d/mg（卷煙1）和0.025 3 d/mg（卷煙2），由2.4.1節(jié)計(jì)算得到卷煙1水活度由0.6下降至0.5所需時(shí)間為74 d，卷煙2為76 d。

圖5 2種市售卷煙內(nèi)部煙支水分隨時(shí)間變化

采用1.2.3節(jié)的實(shí)驗(yàn)方法分別考察了2種煙盒卷煙在溫度為22 ℃、相對(duì)濕度為40%條件下水活度隨時(shí)間的實(shí)際變化過(guò)程（圖5），并將水活度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行線性擬合。其中，卷煙1水活度隨時(shí)間的變化方程為=?0.001 3+0.598 5，卷煙2為=?0.001 2+0.599 0，擬合方程的2均大于0.99。由方程分別計(jì)算2種卷煙水活度為0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，即為2種卷煙水活度從0.6下降至0.5所需時(shí)間，卷煙1為76 d，卷煙2為82 d。

上述結(jié)果與文中利用2.4.1節(jié)的方法進(jìn)行的理論計(jì)算值（卷煙1為74 d，卷煙2為76 d）的偏差分別為2.70%和7.89%，說(shuō)明通過(guò)模型計(jì)算可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)煙盒包裝內(nèi)煙支水分變化過(guò)程。

3 結(jié)語(yǔ)

利用自主研發(fā)的動(dòng)態(tài)水分分析氣候箱，建立了簡(jiǎn)便、高效的多層煙盒包裝阻濕性測(cè)試方法，量化表征了卷煙盒包每層及各層不同部位對(duì)水分的阻隔作用，形成了系統(tǒng)的煙盒包裝阻濕性能評(píng)價(jià)方法。研究發(fā)現(xiàn)，低濕條件下，水分從煙盒包裝各層的空隙及材料的透過(guò)量各有差異，對(duì)于Bopp膜，水分主要通過(guò)材料表面擴(kuò)散，而對(duì)于不同內(nèi)襯紙和不同盒型的商標(biāo)紙，水分從材料及空隙擴(kuò)散的分配比有所不同。在卷煙煙盒三層包裝中，Bopp膜的阻濕能力對(duì)煙支水分穩(wěn)定起決定性作用。硬包整體包裝的阻隔性能優(yōu)于軟包的。此外，實(shí)現(xiàn)了不同煙盒包裝內(nèi)煙支水分變化過(guò)程的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。上述研究進(jìn)一步明晰了煙盒包裝中水分的遷移機(jī)理，為卷煙包裝對(duì)煙支水分影響研究提供了表征手段，為卷煙包裝物理保潤(rùn)性能提升及卷煙產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)提供了重要借鑒與參考。

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Effect of Multi-layer Packaging of Cigarette Packet on Moisture Barrier

LOU Jia-ying, ZHANG Qian, ZHANG Wei, HUA Qing, WU Da, FEI Ting, LU Jie

(Technical Center, Shanghai Tobacco Group Co., Ltd., Shanghai 201315, China)

The work aims to study the effect of cigarette multi-layer packaging on moisture barrier in a dry environment in view of that the barrier performance of cigarette packaging plays a key role in the quality stability of cigarette products. A self-developed testing system, dynamic moisture analysis climate box, was employed to investigate the moisture diffusion process of different packaging materials under specific temperature and humidity conditions, calculate the moisture transmission rate and quantitatively characterize the moisture barrier performance of packaging materials. The evaluation method of moisture barrier performance of multi-layer packaging of cigarette packet could accurately quantify and characterize the moisture barrier performance of the packaging. Under low humidity conditions, the amounts of moisture permeating through the clearances and materials of each layer of the cigarette packaging were different. For Bopp film, more than 60% of the moisture mainly diffused through the material. For different label paper and lining paper, the distribution ratios of moisture diffusing through the material and the clearances were different. For the moisture barrier performance of the overall packaging, the Bopp film played a decisive role in the moisture stability of cigarette, of which the contribution was above 90%. The moisture barrier performance of hard packaging was better than that of the soft packaging. The moisture diffusion rate of cigarette in different packaging was predicted accurately. Under low humidity condition, the moisture diffusion rate of hard-packed cigarette was significantly lower than that of soft-packed cigarette. The moisture barrier test and evaluation method of cigarette multi-layer packaging are established. The moisture barrier performance of each layer and different parts of cigarette packet is quantitatively characterized. Finally, the key factors that affect the moisture stability of cigarette in packet are identified.

cigarette; multi-layer packaging; clearance; moisture transmission rate; moisture barrier performance

TB487

A

1001-3563(2023)03-0217-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.03.027

2022?07?14

中國(guó)煙草總公司科技重點(diǎn)項(xiàng)目（110201802004）；上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司2021年度科技項(xiàng)目（2021–1–017P）

樓佳穎（1985—），女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊煵莼瘜W(xué)。

陸捷（1971—），男，本科，工程師，主要研究方向?yàn)榫頍煯a(chǎn)品。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋