煙絲和卷煙機參數對卷煙包灰性能的影響

許艷冉，劉舒暢，穆林，惠建權*，王建民，李歡，常冰冰

1.鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，鄭州高新技術產業開發區科學大道136號450001

2.貴州中煙工業有限責任公司技術中心，貴陽市小河區開發大道96號550009

隨著國內外煙草行業的不斷發展，消費者對卷煙的包灰效果極為重視，卷煙作為一種特殊的消費品，人們對其品質的要求越來越高。卷煙包灰性能是衡量卷煙綜合品質的重要方面，包灰性能的好壞直接影響消費者的抽吸體驗，因此，改善卷煙的包灰性能進而提高其檔次感日益受到關注。大量研究表明影響卷煙包灰性能的因素主要包括卷煙紙參數如定量［1-4］、透氣度［2-6］、螺紋方式［1］、抗張強度［7］等，以及煙絲特性如切絲寬度［4,8］、葉組配方中三絲摻配比例等。此外，通過添加卷煙紙助劑［1,9-13］也能明顯改善卷煙包灰性能。綜上所述，針對特定煙絲合理搭配卷煙紙是改善卷煙包灰性能的主要途徑。另一方面，包灰性能的優劣是卷煙燃燒的結果，必然會受到卷煙卷制特性如卷煙機參數的影響，但相關研究則少見報道。因此，以切絲寬度、煙絲含水率及卷煙機參數（風室正壓、風室負壓、回絲量、二次剔梗量、平準器凹槽寬度及深度）為試驗因素，采用均勻試驗設計、回歸分析等方法，系統研究煙絲、卷煙機參數對卷煙包灰性能的影響規律，旨在為改善和控制卷煙包灰性能提供方法支撐和依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

貴州中煙工業有限責任公司提供的由不同煙絲和卷煙機參數卷制的12種國酒香品牌卷煙。

卷煙包灰性能測試箱（自行設計并搭建）［14］；KBF240恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；佳能EOS70D數碼相機［佳能（中國）有限公司］；WSB-X型智能白度測定儀（杭州大吉光電儀器有限公司）。

軟 件：Image J和Adobe Photoshop CC2017圖像分析軟件；SPSS數據分析軟件。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案及樣品制備

選擇煙絲含水率、切絲寬度、平準器凹槽深度及寬度（簡稱槽深和槽寬）、風室正壓及負壓、回絲量、二次剔梗量等8項煙絲及卷煙機參數，每項指標取3個水平、采用均勻設計法設計12個參數組合，見表1。在同一臺卷煙機上、使用相同材料、卷制相同規格及單支質量的卷煙樣品。按照試驗方案更換煙絲、平準器、調節卷煙機參數，待設備運行平穩后取樣待測。

表1均勻試驗設計表Tab.1 Uniform test design table

1.2.2 試驗指標及測定方法

選擇包灰值、灰度值、白度值、錐高、碳化圈寬度5項指標。其中包灰值、灰度值、碳化圈寬度為望小型指標，白度值為望大型指標，錐高為望目型指標［15］。

包灰值、灰度值、白度值、錐高分別參考文獻［14，16-18］的方法測定。

碳化圈寬度測定方法如下：如圖1所示，將所采集的卷煙燃燒錐圖片輸入電腦，啟動Image J圖像處理軟件。使用Open（打開）功能打開需要處理的圖片，使用Straight Light（直線選取）工具設置比例。使用Rectangular Selections（矩形選框）工具選取碳化圈區域并復制圖片，寬度和高度分別為1.85和0.94 mm。使用Split Channels（分開色頻）功能對碳化圈圖片分離三原色，并選擇分離后的Blue（藍色）基色。使用Adjust Threshold（調節閾值）功能使區域內黑色碳化圈部分盡可能顯色并應用。運行Plugins（插件）功能打開已安裝的Macros（宏），并計算碳化圈的黑白比例，其中Percent White（白色所占比例）即為碳化圈寬度，單位%。

2 結果與分析

圖1碳化圈寬度計算結果示意圖Fig.1 Schematic diagram to illustrate the method to calculate carbonation ring width

2.1 均勻試驗結果的直觀分析

不同煙絲和卷制參數組合對應的各項指標的檢測結果見表2。可知，包灰值、灰度值、白度值、錐高和碳化圈寬度的平均值分別在1.901～3.339、0.328～0.379、35.7～37.0、8.731～10.022 mm和18.828%～24.547%之間，重復測定結果的RSD分別在11.71%～23.45%、2.58%～9.14%、0.27%～1.29%、3.2%～9.2%和6.15%～18.15%之間。其中包灰值、碳化圈寬度的RSD整體偏高，這與該項指標自身穩定性較差有關［14］。包灰值、灰度值、白度值、錐高和碳化圈寬度的變化幅度分別為43.1%、13.5%、2.5%、16.5%和24.5%。可見煙絲和卷煙機參數組合對各項包灰性能指標均有一定影響，且對包灰值和碳化圈寬度的影響最大。

表2均勻試驗結果Tab.2 Uniform test results

直觀分析可以看出，8#樣品的包灰值最低、灰度值中等偏低、白度值最高、錐高適中、碳化圈寬度最窄，綜合包灰性能最好，對應的參數組合為煙絲含水率12.6%、切絲寬度0.8 mm、平準器凹槽深度2.8 mm、寬度24 mm、風室正壓10 kPa、負壓105 kPa、回絲量30%、二次剔梗量65 g/min。

2.2 均勻試驗結果的回歸分析

2.2.1 回歸模型概述

分別以包灰值、灰度值、白度值、錐高和碳化圈寬度為因變量，以煙絲含水率（x1）、切絲寬度（x2）、槽深（x3）、槽寬（x4）、風室正壓（x5）、風室負壓（x6）、回絲量（x7）、二次剔梗量（x8）為自變量進行多元回歸分析，結果表明5項指標回歸模型的方差檢驗結果均為極顯著，P值分別為0.000、0.001、0.000、0.002、0.000，決定系數分別為0.980、0.971、0.998、0.962、0.995。

各項指標回歸模型的回歸系數檢驗結果如表3～表7所示。由表可知，①切絲寬度、平準器凹槽寬度、風室正壓及負壓對5項指標均有顯著影響。②煙絲含水率對灰度值、白度值、錐高3項指標有顯著影響，回絲量對包灰值、白度值、碳化圈寬度3項指標有顯著影響，槽深對包灰值和錐高有顯著影響，二次剔梗量僅對白度值有顯著影響。③由標準化回歸系數可知，槽深、槽寬及槽深與回絲量的交互作用對包灰值的影響較大；風室正壓及其與風室負壓的交互作用對灰度值的影響較大；風室負壓與回絲量、槽寬的交互作用對白度值的影響較大；風室正壓及其與槽寬的交互作用對錐高、碳化圈寬度的影響較大。

總的來說，所涉及的煙絲和卷煙機參數對卷煙包灰性能不僅影響大且影響機理十分復雜：一是參數間存在復雜的交互作用；二是各參數對不同指標的影響程度不同。

表3包灰值回歸系數檢驗表Tab.3 Regression coefficient checklistfor ash integrity value

表4灰度值回歸系數檢驗表Tab.4 Regression coefficient checklist for grayness value

表5白度值回歸系數檢驗表Tab.5 Regression coefficient checklist for whiteness value

表6錐高回歸系數檢驗表Tab.6 Regression coefficient checklist for cone height

表7碳化圈寬度回歸系數檢驗表Tab.7 Regression coefficient checklist for carbonization ring width

2.2.2 交互作用及影響趨勢分析

2.2.2.1 包灰值

由包灰值回歸模型可知，顯著影響因素包括切絲寬度、槽深、槽寬、風室正壓、風室負壓和回絲量，其中槽寬與切絲寬度、槽寬與風室正壓、槽寬與風室負壓、槽深與回絲量之間存在交互作用。如圖2所示，隨著槽寬、槽深增加包灰值降低，隨著切絲寬度、風室正壓、風室負壓和回絲量增加包灰值升高。

當切絲寬度、槽寬、槽深、風室正壓、風室負壓和回絲量分別取0.8 mm、3.0 mm、24 mm、6 kPa、90 kPa和30%時包灰值最低。

圖2煙絲和卷煙機參數對包灰值的交互影響Fig.2 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on ash integrity value

2.2.2.2灰度值

由灰度值回歸模型可知，顯著影響因素包括煙絲含水率、切絲寬度、槽寬、風室正壓、風室負壓，其中煙絲含水率與切絲寬度、煙絲含水率與槽寬、煙絲含水率與風室負壓、風室正壓與風室負壓間存在交互作用。如圖3所示，隨著煙絲含水率增加灰度值升高，隨著切絲寬度增加灰度值先降低后升高。風室正壓與風室負壓之間的交互作用較強烈，致使風室正壓和負壓對灰度值的影響趨勢因交互作用因子的取值變化而變化。

當煙絲含水率、切絲寬度、槽寬、風室正壓和風室負壓分別取11.8%、1.0 mm、24 mm、10 kPa、120 kPa時灰度值最低。

圖3煙絲和卷煙機參數對灰度值的交互影響Fig.3 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on grayness value

2.2.2.3 白度值

由白度值回歸模型可知，顯著影響因素包括煙絲含水率、切絲寬度、槽寬、風室正壓、風室負壓、回絲量，其中煙絲含水率與回絲量、風室負壓與回絲量、槽寬與風室負壓、槽寬與切絲寬度、切絲寬度與風室正壓間存在交互作用。如圖4所示，隨煙絲含水率、槽寬、風室正壓、回絲量增加白度值升高，隨切絲寬度、風室負壓增加白度值降低。

當煙絲含水率、切絲寬度、槽寬、風室正壓、風室負壓、回絲量、二次剔梗量分別取12.6%、0.8 mm、24 mm、10 kPa、90 kPa、40%、40 g/min時白度值最高。

圖4煙絲和卷煙機參數對白度值的交互影響Fig.4 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on whiteness value

2.2.2.4 錐高

由錐高回歸模型可知，顯著影響因素包括煙絲含水率、切絲寬度、槽深、槽寬、風室正壓和風室負壓，其中煙絲含水率與切絲寬度、槽深與槽寬、風室正壓與槽寬、風室負壓與槽寬間存在交互作用。如圖5所示，隨著煙絲含水率、切絲寬度、槽深、風室負壓增加錐高降低，槽寬和風室正壓、槽寬與槽深之間的交互作用較強烈。

當煙絲含水率、切絲寬度、槽深、槽寬、風室正壓和風室負壓分別取12.6%、1.2 mm、3 mm、24 mm、10 kPa、120 kPa時錐高最低。

2.2.2.5 碳化圈寬度

由碳化圈寬度回歸模型可知，顯著影響因素包括切絲寬度、槽寬、風室正壓、風室負壓和回絲量，其中切絲寬度與槽寬、切絲寬度與風室正壓、切絲寬度與回絲量、槽寬與風室正壓、風室負壓與回絲量間存在交互作用。如圖6所示，隨著切絲寬度、槽寬、風室正壓回絲量增加碳化圈寬度變窄，隨著風室負壓增加碳化圈寬度變寬。

圖5煙絲和卷煙機參數對錐高的交互影響Fig.5 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on cone height

當切絲寬度、槽寬、風室正壓、風室負壓和回絲量分別取1.2 mm、24 mm、10 kPa、90 kPa、40%時碳化圈寬度最窄。

圖6煙絲和卷煙機參數對碳化圈寬度的交互影響Fig.6 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on carbonization ring width

綜上可知，除槽深、槽寬和二次剔梗量外，其他參數取值均因指標不同存在矛盾之處，因此對煙絲和卷煙機參數進行優化時需要綜合平衡不同指標的要求。

2.3 最優參數組合的遴選方法

由于不同指標對應的最優參數組合不一致，需要進行綜合平衡。為此，可以利用所建回歸模型求煙絲和卷煙機參數所有組合（8因素，3水平共38=6 561個）的各項指標預測值，然后按照綜合優化目標從中遴選最優組合。

如表8所示，各項指標預測值的取值范圍均包含了表2中12個試驗樣品的取值范圍，且均值接近，說明根據試驗結果建立的回歸方程能夠較好地反映試驗范圍內煙絲和卷煙機參數組合對包灰性能的實際影響情況，并一定程度反映了試驗結果的可靠性。基于全組合預測結果進行的指標間的相關分析結果見表9，許多指標間存在極顯著相關性，且某些指標間呈顯著負相關關系，這可以解釋為什么不同指標對應的最優參數組合不一致。

已知包灰值、灰度值、碳化圈寬度為望小型指標，白度值為望大型指標，錐高為望目型指標，以表2中8#組合各項指標的實測值為基準預設各項指標的優化目標，即包灰值≤2.0、灰度值≤0.35、碳化圈寬度≤19%、白度值≥37、錐高介于8.5～9.5 mm。按照上述優化目標從6 561個全組合中依次刪除不符合要求的組合，最終得到3個同時滿足各項指標優化目標要求的組合，如表10所示。表10中同時列出了8#組合各項指標的預測值，可以看出進一步優選出的3套參數組合與8#組合基本一致，各項指標的預測結果也很接近，因此，考慮到選用8#組合時無需重新加工平準器，因此可將該組合作為改善卷煙包灰性能的最優參數組合。

表8全組合預測結果的統計表Tab.8 Statistical table of prediction results of the whole combination

表9指標間的相關性分析結果①Tab.9 Results of correlation analysis between the five indicators

表10煙絲和卷煙機最優參數組合Tab.10 Optimal parameter combination of cut tobacco and cigarette maker

需要指出的是，隨著煙絲和卷煙機參數的改變煙支內煙絲的分布必然會發生相應的變化，這不僅會影響卷煙的包灰性能，必然也會影響卷煙的燃燒錐、端部落絲量以及焦油等煙氣成分的釋放量。因此，上述研究結果僅是針對包灰性能而言的，實際進行煙絲和卷煙機參數優化時還必須考慮上述指標要求，方能體現“系統化設計”的思想。

3 結論

（1）煙絲和卷煙機參數對包灰值、灰度值、白度值、錐高、碳化圈寬度的綜合影響均具有高度統計學意義，且決定系數均在95%以上，說明通過煙絲和卷煙機參數的優化能明顯改善卷煙包灰性能。

（2）切絲寬度、平準器凹槽寬度、風室正壓和負壓對包灰值、灰度值、白度值、錐高、碳化圈寬度5項指標均有顯著影響，是影響卷煙包灰性能的主要參數。其中平準器凹槽寬度對各指標的影響趨勢一致，適當增加槽寬有利于改善綜合包灰性能。

（3）煙絲和卷煙機參數對不同包灰性能指標影響的趨勢和程度不同，需要進行綜合平衡。在對參數間全部組合預測值進行分析的基礎上，確定了參數間的最優組合為煙絲含水率12.6%、切絲寬度0.8 mm、平準器凹槽深度2.8 mm、寬度24 mm、風室正壓10 kPa、負壓105 kPa、回絲量30%、二次剔梗量65 g/min。