CN104198318B - 一种预测烟草及烟草制品混合体系水活度和各组分含水率的方法 - Google Patents
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Abstract
一种预测烟草及烟草制品混合体系水活度和各组分含水率的方法，其特征在于：该方法通过对烟草及烟草制品混合前各组分的吸湿等温工作曲线的绘制，利用DLP模型获取各组分的吸湿等温工作曲线方程的相关参数，根据各组分的干重百分比计算混合体系的DLP模型参数，建立混合体系的吸湿等温工作曲线方程，并结合混合体系的含水率，预测混合体系平衡时的水活度及混合体系中各组分的平衡含水率。本发明的有益效果在于：首次提供了一种预测烟草及烟草制品混合体系水活度和各组分平衡含水率的方法，能够为烟草企业产品设计的水分控制方面指明方向，减少烟叶原料、辅助材料及包装材料等各组分筛选的盲目性。
Description
技术领域
本发明涉及一种预测烟草及烟草制品混合体系水活度和各组分含水率的方法，该方法在烟草行业可以广泛用于指导产品配方设计、筛选辅助材料及包装材料、减少水分迁移维持烟草及烟草制品品质稳定等多个方面。
背景技术
烟草含水率及水活度，是影响烟草及烟草制品感官品质的重要因素。含水率，是指样品中水分的质量占样品总质量的比率，以百分数表示。烟草行业对卷烟产品的含水率设定了检验方法[1]和范围要求（10.50%~13.50%）[2]，将卷烟含水率列为一项重要的检测指标；在实际工作中，研究人员认为，12%~13%的含水率对正常卷烟较为适宜[3]。水活度，是指样品中水分的饱和蒸汽压与相同温度下纯水的饱和蒸汽压的比值，以aw表示；水活度值越低，说明样品中的水分越稳定。食品行业对食品变性与水活度范围之间的关系进行了研究[4]，发现在水活度小于0.65的条件下，大部分变性反应均难以发生。基于烟草水分的重要性，烟草行业工作人员在设计卷烟产品时，一方面需要选择合适的烟草原料、辅助材料和包装材料，以满足卷烟产品的含水率要求；另一方面需要减少卷烟产品的水分散失，维持产品品质稳定。因此，建立一种烟草混合体系水活度和各组分含水率的预测方法，对于指导卷烟产品配方设计、筛选辅助材料和包装材料、维持产品品质稳定而言具有重要的意义和价值。
吸湿等温线（MSI，moisturesorptionisotherm）是恒定温度下样品水活度与水分含量的关系图。在食品行业，研究者利用GAB（理论模型）[5,6]、Peleg（半经验模型）[5]、DLP（经验模型）[6]等数学模型，建立了一系列根据原料的吸湿等温线用以研究样品中的水分性质，根据吸湿等温线可对样品在一定条件下的含水率或水活度进行预测。目前，这些方法被广泛应用于食品的化学成分及微生物稳定性预测，以指导食品的产品配方设计和生产加工过程。
发明内容
本发明的目的在于基于上述现有技术状况，提供一种预测烟草及烟草制品混合体系水活度和各组分含水率的方法。该方法能够根据烟草原料各组分的吸湿等温线和水分含量，利用DLP（DoubleLogPolynomial）模型预测混合后产品平衡时的水活度，并可进一步获得混合体系中各组分的平衡含水率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种预测烟草及烟草制品混合体系水活度和各组分含水率的方法：首先绘制各组分的吸湿等温工作曲线，利用DLP模型获取各组分的吸湿等温工作曲线方程的相关参数，根据各组分的干重百分比计算混合体系的DLP模型参数，建立混合体系的吸湿等温工作曲线方程，并结合混合体系的含水率，预测混合体系平衡时的水活度及混合体系中各组分的平衡含水率，具体步骤如下：
1）根据恒定温度下各组分含水率与水活度的关系绘制吸湿等温工作曲线；
2）利用DLP模型
…………（1）
获取各组分的吸湿等温工作曲线方程：
…………（2）
其中，
―m为样品含水率，
，
b0~b3为经验常数，
j为烟草原料组分数。
3）根据各组分混合前的质量和起始含水率，利用公式
…………（3）
计算各组分的干重百分比，利用公式
…………（4）
计算混合体系的吸湿等温工作曲线方程参数b0~b3，获得混合体系的DLP模型方程：
…………（5）
其中，
―W为样品质量，
b为各组分DLP模型拟合方程的相关参数，
i=0、1、2、3，
为各组分的干重百分比。
4）假设混合体系无水分散失，利用公式
…………（6）
计算混合体系的含水率。
5）根据通过步骤4）得到的混合体系含水率，利用公式（5）计算出混合体系的水活度aw，从而实现对混合体系水活度的预测；
6）根据通过步骤5）得到的混合体系水活度aw，利用公式（2）计算出混合体系中各组分的含水率m，从而实现对混合体系各组分平衡含水率的预测。
本发明的有益效果在于：首次提供了一种预测烟草及烟草制品混合体系水活度和各组分平衡含水率的方法，能够为烟草企业产品设计的水分控制方面指明方向，减少烟叶原料、辅助材料及包装材料等各组分筛选的盲目性。
附图说明
图1为本发明技术方案流程图
图2为本发明实施例1三个组分的吸湿等温工作曲线。
图3为本发明实施例2两个组分的吸湿等温工作曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明方法进行说明：
实施例1
1）选择烟丝（A）、梗丝（B）和薄片（C）各一种，在22℃条件下分别测定三个组分的含水率与水活度的关系，绘制相应的吸湿等温工作曲线（见图2）；
2）利用DLP模型（公式（1））获取烟丝A、梗丝B和薄片C的吸湿等温工作曲线方程（表1）如下；
3）分别取一定质量的烟丝A、梗丝B和薄片C，三组样品基本信息（表2）如下：
表2三组样品基本信息
| 湿重（g） | 含水率 | 干重（g） | 干重百分比 | |
| 烟丝A | 50 | 13.13% | 43.44 | 49.94% |
| 梗丝B | 25 | 14.40% | 21.40 | 24.60% |
| 薄片C | 25 | 11.42% | 22.14 | 25.46% |
4）利用公式（4）计算混合体系的吸湿等温工作曲线方程参数b0~b3，获得混合体系的DLP模型方程：
m=-0.0099χ3+0.0406χ2-0.0664χ+0.0782…………（7）
5）将烟丝A、梗丝B和薄片C在密闭条件下混合，利用公式（6）计算得出混合体系的含水率为13.02%。
6）根据步骤5）计算结果，利用公式（7）对混合体系的水活度aw进行计算，并将计算结果与实测结果进行对比，具体结果（表3）如下：
表3混合体系预测与实测水活度值
| 预测水活度 | 实测水活度 | 相对偏差3 --> | |
| 混合后体系 | 0.612 | 0.608 | 0.66% |
7）根据步骤6）计算获得的预测水活度值，利用三个组分样品DLP模型拟合方程（见表1），计算烟丝A、梗丝B和薄片C在混合体系中各自的含水率，具体结果（表4）如下：
表4三组样品在混合体系中各自含水率预测值
| 含水率 | |
| 烟丝A | 12.70% |
| 梗丝B | 15.39% |
| 薄片C | 11.25% |
综合上述内容，三组样品的配比满足烟草行业对含水率的要求，该混合体系的水活度能够避免大部分变性反应的发生，且进一步证实了在混合过程中水分主要从烟丝A传递至梗丝B。
实施例2
1）选择某品牌卷烟的烟支（D）和盒包材料（E），在22℃条件下分别测定两个组分的含水率与水活度的关系，绘制相应的吸湿等温工作曲线（见图3）；
2）利用DLP模型（公式（1））获取烟支D和盒包材料E的吸湿等温工作曲线方程（表5）如下；
3）将一盒该品牌卷烟的烟支和盒包材料分开，并测得两组样品基本信息（表6）如下：
表6两组样品基本信息
| 干重（g） | 干重百分比 | |
| 烟支D | 15.68 | 69.89% |
| 盒包材料E | 6.75 | 30.11% |
4）利用公式（4）计算混合体系的吸湿等温工作曲线方程参数b0~b3，获得混合体系的DLP模型方程：
m=-0.0061χ3+0.0200χ2-0.0562χ+0.0709…………（8）
5）在卷烟的正常生产中，烟丝的最终含水率为11.5%~12.5%之间，对应的水活度为0.5565~0.5891之间，即整个体系的最终水活度应在0.5565~0.5891之间，利用表6与公式（8）计算得出正常卷烟的含水量应在2.4129~2.6097g之间。
6）若烟支在包装前的含水率已确定为12.28%，计算得出烟支的含水量为2.1946g，则所用盒包材料的含水量应在0.2183~0.4151g之间，对应盒包材料的初始含水率应在3.13%~5.79%之间。因此，在确定烟支包装前的含水率为12.28%的前提下，选择初始含水率在3.13%~5.79%之间的盒包材料可以满足卷烟的正常生产需要。
上述实施例可以证明，该方法能够较好地应用于烟草及烟草制品混合体系水活度和各组分含水率的预测，以及对盒包材料等辅助材料的筛选。
参考文献：
[1]GB/T22838.8-2009卷烟和滤棒物理性能的测定第8部分：含水率.
[2]GB5606.3-2005卷烟第3部分包装、卷制技术要求及贮运.
[3]孙雯.烟丝含水率对卷烟燃吸品质、烟气水分及粒相物挥发性成分的影响.烟草科技[J].2009,11,33-39.
[4]曾庆孝.食品加工与保藏原理[M].化学工业出版社,2002.
[5]J.I.ENRIONE.SorptionBehaviorofMixturesofGlycerolandStarch.J.Agric.FoodChem.[J],2007,8,2956-2963.
[6]B.Nurtama.MoistureSorptionIsothermCharacteristicsofTaroFlour.WorldJournalofDairy&FoodSciences.[J],2010,1,1-6.
Claims (1)
1.一种预测烟草及烟草制品混合体系水活度和各组分含水率的方法，其特征在于：该方法通过对烟草及烟草制品混合前各组分的吸湿等温工作曲线的绘制，利用DLP模型获取各组分的吸湿等温工作曲线方程的相关参数，根据各组分的干重百分比计算混合体系的DLP模型参数，建立混合体系的吸湿等温工作曲线方程，并结合混合体系的含水率，预测混合体系平衡时的水活度及混合体系中各组分的平衡含水率；具体步骤如下：
1）根据恒定温度下各组分含水率与水活度的关系绘制吸湿等温工作曲线；
2）利用DLP模型
…………（1）
获取各组分的吸湿等温工作曲线方程：
…………（2）
其中，
―m为样品含水率，
，
b0~b3为经验常数，
j为烟草原料组分数；
3）根据各组分混合前的质量和起始含水率，利用公式
计算各组分的干重百分比，利用公式
…………（4）
计算混合体系的吸湿等温工作曲线方程参数b0~b3，获得混合体系的DLP模型方程：
…………（5）
其中，
―W为样品质量，
b为各组分DLP模型拟合方程的相关参数，
i=0、1、2、3，
为各组分的干重百分比；
4）假设混合体系无水分散失，利用公式
计算混合体系的含水率；
5）根据通过步骤4）得到的混合体系含水率，利用公式（5）计算出混合体系的水活度aw，从而实现对混合体系水活度的预测；
6）根据通过步骤5）得到的混合体系水活度aw，利用公式（2）计算出混合体系中各组分的含水率m，从而实现对混合体系各组分平衡含水率的预测。
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