基于干燥動力學的煙草含水率快速檢測方法

王樂，畢思強，鄧國棟，梁淼，王兵，郭亮，付麗麗*，孟慶華*，李斌

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001 2.山東中煙工業(yè)有限責任公司青州卷煙廠，山東省青州市玲瓏山北路1818號 262500 3.鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，鄭州高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)科學大道136號 450001

煙草加工過程中，歷經回潮、加料、烘絲等多個濕熱處理工序，及時獲取煙絲含水率是實現(xiàn)煙草加工過程中生產條件精準調控的基礎。烘箱法作為煙草物料含水率檢測的標準方法［1］，在煙草行業(yè)內廣泛使用。目前市場上出現(xiàn)了多款快速水分檢測儀［2-3］，此類儀器通過提高烘干溫度，加快水分遷移速度，從而縮短烘干時間，實現(xiàn)對樣品含水率的快速檢測［4-5］。對于煙草物料，烘箱法測量時間超過2 h，無法及時反饋生產線上煙草樣品含水率動態(tài)變化，而現(xiàn)有的快速水分檢測儀烘干溫度過高會導致其易揮發(fā)性成分烘出，降低測量準確性。因此，建立一種快速、準確、穩(wěn)定的煙草物料含水率檢測方法十分必要。煙草含水率快速檢測手段的開發(fā)應以煙草的干燥特性為理論基礎［6］，涉及經驗、半經驗及傳熱傳質機理三大類模型。鄭松錦等［7-9］、陳國欽等［10］分別基于Fick第二定律的薄層模型研究片煙的吸濕與煙絲的干燥，得到了不同處理條件下的吸濕與干燥動力學參數(shù)。黃鋒等［11-14］利用Newton、Midilli等6種模型對比分析片煙的吸濕與干燥動力學特性，研究表明Newton干燥動力學模型在預測煙草含水率方面具有較強的穩(wěn)定性和準確性。

因此，以Newton干燥動力學模型為基礎，利用煙草干燥過程動力學特征，建立煙草質量隨時間變化的干燥過程模型，開發(fā)一種快速、準確、穩(wěn)定的檢測煙草物料含水率的方法（以下簡稱快速含水率檢測方法），旨在提高煙草物料含水率的檢測效率，為卷煙生產過程中相關濕熱條件的精準調控提供科學方法，進一步提升卷煙產品質量。

1 材料、設備與儀器

2019年福建南平B1F、B2F、B3F、B4F、C1F、C2F、C3F、C4F、X1F、X2F、X3F、X4F共12個等級煙葉，剪切成寬度1 mm煙絲；“哈德門（壹號）”成品煙絲（山東中煙工業(yè)有限責任公司青州卷煙廠）。

LC-223型烘箱（上海愛斯佩克環(huán)境設備有限公司）；PL3001-S天平（感量：0.01 g，瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司）；煙草/材料宏量熱分析儀（中國煙草總公司鄭州煙草研究院）及配套網狀坩堝，其結構示意圖分別如圖1與圖2所示。

圖1 煙草/材料宏量熱分析儀結構示意圖Fig.1 A schematic diagram for a macro-calorimetry analyzer for tobacco/material

圖2 網狀坩堝Fig.2 A mesh crucible used as a sample holder

2 煙草含水率快速檢測方法

2.1 檢測原理

煙絲干燥速率與含水率之間的關系如圖3所示。從圖中可以看出，在100℃的干燥溫度下，不同初始干基含水率的煙絲干燥速率隨干基含水率的變化曲線基本重合，表現(xiàn)出相同的干燥動力學表征；忽略干燥過程初期煙絲失水速率增加的階段，各樣品干燥速率與含水率基本呈線性相關關系。因此，對于普遍適用于生產現(xiàn)場的10%～30%煙絲干基含水率范圍內，可以建立統(tǒng)一的煙絲干燥速率動力學模型。

圖3 不同初始含水率煙絲的干燥速率Fig.3 Drying rate of cut tobacco samples with different initial moisture contents

2.2 模型建立

煙絲干燥過程的Newton干燥模型為：

式中：Mt表示煙絲實時干基含水率（%）；M0表示初始干基含水率（%）；Me表示平衡干基含水率（%）；k表示干燥速率常數(shù)（s-1）；t表示干燥時間（s）。

通過對不同初始含水率樣品的干燥過程進行監(jiān)測，對干燥速率與含水率數(shù)據(jù)進行線性擬合，可分別獲得不同樣品的干燥速率常數(shù)k。由于10%～30%區(qū)間內不同初始含水率煙絲干燥速率斜率基本重合，可對不同樣品初始含水率的干燥速率模型取相同的干燥速率常數(shù)。

根據(jù)初始干基含水率、實時干基含水率以及平衡含水率的定義，將Newton干燥模型改寫為質量形式為：

即為：

式中：mt表示t時刻樣品總質量（g）；mw表示待測樣品初始水分質量（g）；md表示樣品干基質量（g）；me表示樣品平衡時水分質量（g）。

通過干燥實驗獲得k值，并將樣品實時質量mt與時間的指數(shù)exp（-k·t）作圖擬合，即可由式（3）求出該線性擬合的截距為me+md，斜率為mw-me；當干燥氣流溫度為100℃時，me=0；即可獲得md與mw，進而最終通過公式（4）求出初始干基含水率Md。

2.3 干燥速率常數(shù)

為了獲得Newton模型的干燥速率常數(shù)，利用4份“哈德門”成品煙絲進行100℃下干燥試驗，由樣品干燥速率和干基含水率線性擬合后求得斜率k，如圖4所示。對圖中求得的斜率k求平均可得k=-0.004。

圖4 樣品干基含水率和干燥速率的線性擬合Fig.4 Linear fitting of moisture content and drying rate on dry weight basis

2.4 干燥溫度的選擇

根據(jù)含水率檢測原理可知，提高干燥溫度有助于加快水分遷移速度，減少檢測時間，但溫度超過100℃會造成樣品中揮發(fā)性物質過度揮發(fā)，導致檢測準確性降低。為此，分別采用烘箱和宏量熱分析儀，分析相應加熱條件下煙絲中煙堿和甘油組分熱釋放損失與加熱溫度的關系。取含水率11%的“哈德門”成品煙絲，配置成質量1 g的3份樣品，分別在110℃干燥30 min、120℃干燥20 min、130℃干燥15 min后檢測烘后煙絲中甘油和煙堿的含量（質量分數(shù)），重復兩次取平均值。甘油和煙堿含量檢測結果見圖5。從圖中可以看出，隨著干燥溫度的升高，即使縮短樣品干燥時間，樣品中甘油和煙堿含量仍有所降低，這是由于溫度越高，樣品中的揮發(fā)性物質揮發(fā)得越多，含水率檢測結果正偏差越大。當揮發(fā)性物質檢測不限于甘油和煙堿時，檢測結果偏差會更大，尤其是在檢測加料工序、加香工序前后所含化學物質差異較大的煙草物料時，必然會帶來無法控制的偏差。因此確定加熱溫度為100℃，且試驗時，需要將宏量熱分析儀預熱至100℃后再放入樣品。

圖5 不同干燥條件甘油和煙堿含量Fig.5 Contents of glycerol and nicotine under different drying conditions

2.5 樣品質量的選擇

樣品質量的選擇對于煙絲干燥過程的擴散效應、測試結果重復性均有影響。當樣品裝填過多時，樣品在坩堝內部堆積過于緊密，影響內部傳熱，會出現(xiàn)干燥速率滯后和峰值減小等現(xiàn)象；當樣品量過少時，傳熱速率過快，樣品在放入和取出過程中的預熱和冷卻階段會由于水分散失而影響檢測數(shù)據(jù)精確性，不利于后續(xù)干燥過程數(shù)據(jù)辨識。選取含水率11%，質量分別為0.3、0.4、0.5、0.6 g“哈德門”煙絲樣品在100℃干燥30 min，發(fā)現(xiàn)質量在0.5 g以上時檢測結果已基本穩(wěn)定，如圖6所示。因此確定樣品質量為0.5 g，可滿足檢測準確性和檢測速度的要求。

圖6 不同樣品質量含水率檢測結果Fig.6 Detection results of moisture content in samples of different masses

2.6 氣體流量的選擇

由于煙絲質量較小，100℃烘干速率較快，且網狀坩堝網孔較大，為了盡量減少氣流對煙絲內外干燥速率的影響，選擇氣體流量為0 mL/min。

2.7 干燥時間的選擇

縮短干燥時間有利于提高檢測效率，但干燥時間過短會造成檢測精確度降低。將福建南平B1F煙葉切絲配置成含水率為12%、14%、16%、18%、20%的樣品，分別考察10、15、20、25、30 min干燥時間對不同含水率煙絲檢測結果的影響，結果如圖7所示。從圖7可以看出，除含水率14%樣品外，其余樣品隨著干燥時間的增加檢測結果越接近實際值，并在20 min后數(shù)值趨于穩(wěn)定。這是由于隨著干燥時間的增加，單位時間內樣品質量變化率逐漸穩(wěn)定，同時用來計算的熱失重數(shù)據(jù)量不斷增多，精確度隨之提高。因此檢測時間確定為20 min。

3 方法的準確度、重復性、穩(wěn)定性與一致性

3.1 方法準確度和重復性

測，結果如表1所示。表1中顯示5個標準樣品檢測結果的變異系數(shù)均小于3.71%，相對偏差小于2.89%，表明該方法準確度和重復性良好。

表1 標準樣品準確度和重復性評價Tab.1 Accuracy assessment results for standard samples

3.2 方法穩(wěn)定性

3.2.1 不同部位對煙絲含水率檢測結果的影響

將不同部位（上部、中部、下部）煙葉切絲，配置成12%、14%、16%、18%、20%共5個含水率梯度，分別制備平行測試樣品4份，取4次測定結果平均值為樣品含水率，具體檢測結果如圖8所示。從圖中可以看出，不同部位煙絲的檢測結果基本一致，利用多重分析，確定不同含水率下不同部位煙絲含水率檢測結果無顯著差異，最小P值為0.118。與相同含水率真實值相比絕對偏差小于0.40%，說明本方法適用于各部位煙絲樣品含水率檢測。

圖8 不同部位煙絲含水率測量值與真實值比較Fig.8 Comparison between detected and actual moisture contents in cut tobacco from different stalk positions

3.2.2 不同等級對煙絲含水率檢測結果的影響

將不同等級（1F、2F、3F、4F）煙葉切絲，配置成12%、14%、16%、18%、20%共5個含水率梯度，各含水率樣品進行3次重復實驗，檢測結果如圖9所示。從圖9可以看出，不同等級煙絲的含水率檢測結果基本一致，利用多重分析，確定不同等級煙絲含水率檢測結果無顯著差異，不同含水率下不同等級P值最小為0.495。與相同含水率真實值相比絕對偏差均小于0.26%，說明本方法適用于不同等級煙絲樣品含水率檢測。

圖9 不同等級煙絲含水率測量值與真實值比較Fig.9 Comparison between detected and actual moisture contents in cut tobacco of different grades

3.2.3 不同含水率對煙絲含水率檢測結果的影響

選取12%、14%、16%、18%、20%共5個含水率梯度的煙絲樣品開展10次平行實驗，以10次測試結果平均值作為樣品含水率，檢測結果如圖10所示。從圖中可以看出，不同含水率煙絲檢測結果穩(wěn)定性較好，含水率絕對偏差小于0.46%，標準偏差在0.81%以下。說明本方法適用于不同含水率煙絲樣品的含水率檢測。

圖10 不同含水率煙絲測量值與真實值比較Fig.10 Comparison between detected and actual moisture contents in cut tobacco with different moisture contents

3.3 方法一致性

3.3.1 與烘箱法比較

配置10份不同含水率“哈德門”成品煙絲樣品（含水率范圍在10%～25%），分別采用烘箱法與快速含水率檢測法對比檢測，以烘箱法檢測結果為橫坐標，快速含水率檢測法結果為縱坐標繪制散點圖并進行擬合，如圖11所示。圖11中擬合曲線斜率為0.958 57，截距為0.707 9，相關系數(shù)R為0.995 6，表明兩種方法檢測結果線性相關性良好，一致性較高。

圖11 快速含水率檢測法與烘箱法檢測煙絲含水率結果一致性比較Fig.11 Comparison of consistency between the developed rapid moisture content detection method and oven method

3.3.2 與熱濕分析儀稱重法比較

比較快速含水率檢測法和利用熱濕分析儀稱重法（干燥20 min后初始質量減去終止質量，認為失去質量為全部水分）檢測結果，兩種方法含水率檢測結果如表2所示。從表2中可以看出，僅烘干20 min稱重法，檢測值明顯小于快速含水率檢測法的檢測值，含水率最小絕對偏差為0.66%，最大絕對偏差為1.52%。檢測值和真實值之間的偏差整體呈現(xiàn)含水率越大偏差越大的趨勢，說明20 min不足以使煙草物料脫去所有水分，尤其是含水率較高的樣品。

表2 稱重法與快速含水率檢測法的一致性比較Tab.2 Comparison of consistency between weighing method and the developed rapid moisture content detection method （%）

3.3.3 5種含水率檢測方法的綜合比較

比較烘箱法、高溫快速水分檢測法（123℃，30 min）［2］、快速含水率檢測法（本文中方法）以及紅外水分儀檢測5種方法的檢測精度、檢測時間及設備復雜程度，結果如表3所示。從表中可以看出，快速含水率檢測法具有精度較高、檢測時間較短、控制精準的特點。未來通過對干燥動力學模型的修正，其檢測精度仍可進一步提升，如該法經過后續(xù)通風速率等試驗，預計檢測時間可以進一步縮短。

表3 快速含水率檢測法與現(xiàn)有含水率檢測方法比較Tab.3 Comparison of the developed rapid moisture content detection method with the existing methods

4 結論

基于Newton干燥動力學模型，建立了煙草物料質量隨時間變化的干燥模型，通過質量變化曲線計算煙草干基質量，開發(fā)了一種煙草含水率的快速檢測方法。確定了本方法試驗參數(shù)：干燥速率常數(shù)k=-0.004，干燥溫度100℃，樣品質量0.5 g。該檢測方法具有以下特點：①檢測時間短，可控制在20 min內；②檢測方法穩(wěn)定，含水率檢測相對偏差和變異系數(shù)分別在2.89%和3.71%以下；③檢測結果準確，與烘箱法的相關系數(shù)R高達0.995 6；④該方法具有較好的普適性，對2019年福建南平4個等級、3個部位、5個含水率煙絲樣品絕對偏差均在0.46%以內；⑤與4種常用含水率檢測方法比較，快速含水率檢測法具有精度較高、檢測時間較短，控制精準及檢測精度可進一步提高的特點。