卷煙燃燒速率與其包灰性能關系分析

王孝峰，張 勁，李延巖，王成虎，鄭 豐，郭東鋒，張亞平，周 順*，王 健，金 宇，謝映松，張曉宇，曹 蕓，管明婧，鮑 穗

1.安徽中煙工業有限責任公司 煙草行業燃燒熱解研究重點實驗室，合肥市高新區天達路9號230088 2.安徽中煙工業有限責任公司 煙草化學安徽省重點實驗室，合肥市高新區天達路9號230088

卷煙包灰是消費者抽吸卷煙時煙支燃燒灰分狀態的綜合視覺體驗，目前已引起消費者的日益關注和行業的廣泛重視［1-2］。開發卷煙包灰調控技術的重要前提是包灰評價方法的建立及包灰影響因素的研究。目前，卷煙包灰性能評價主要采用基于圖像處理或計算機視覺的方法，并形成了灰色、裂口率、縮灰率、碳線寬度、碳線整齊度等主要評價指標［3-5］。對于卷煙包灰影響因素的研究，主要是從起點參數的角度，包括卷煙紙參數（定量、透氣度、纖維比例、助燃劑、填料、螺紋、包灰助劑等）［5-14］、煙絲參數（煙絲寬度、煙支質量、三絲等）［13-15］和煙支卷制工藝參數［16-17］，來揭示煙支設計參數對包灰的影響，而從燃燒過程參數的角度研究其對包灰的影響還鮮見報道［18］。因此，利用機器視覺技術測定了46個卷煙樣品在ISO抽吸條件下的灰色值、裂口率、縮灰率、碳線寬度、碳線整齊度和燃燒速率，并分析了卷煙燃燒包灰指標與燃燒速率之間的相互關系，旨在為開發基于燃燒過程調控的卷煙包灰性能提升的關鍵技術提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

46種不同設計參數卷煙樣品由安徽中煙工業有限責任公司提供。單等級煙葉原料3種：2017年安徽皖南/云煙97/B23F；2017年福建龍巖/云煙87/C3FA；2018年貴州遵義/云煙87/C2FA。不同螺紋卷煙紙樣品（橫螺紋、豎螺紋和無螺紋）：定量29 g/m2，透氣度60 CU，助燃劑質量分數2%，鉀鈉質量比1∶1，碳酸鈣質量分數33%［中煙摩迪（江門）紙業有限公司］。6因素5水平設計卷煙紙樣品（浙江華豐紙業科技有限公司）25種，6因素分別為定量（5水平為26、28、30、32、34 g/m2）、透氣度（5水平為30、40、50、60、70 CU）、麻漿質量分數（5水平為0、15%、25%、50%、75%）、鉀鈉質量比（5水平為全鉀、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2）、助燃劑質量分數（5水平為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，以檸檬酸根質量分數計）、碳酸鈣質量分數（5水平為25%、30%、35%、38%、40%）。

XS204電子天平（感量0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司）；BACST600卷煙包灰檢測儀（合肥眾沃儀器技術有限公司），配備DFK33G274相機（德國Imaging Source公司，分辨率1 600×1 200）。

1.2 方法

1.2.1 卷煙樣品的制備

采用相同的接裝紙和濾棒卷制46種樣品卷煙，具體如下：①固定卷煙紙（定量29 g/m2，透氣度60 CU、助燃劑質量分數2%、鉀鈉質量比1∶1、碳酸鈣質量分數33%），采用不同煙絲進行卷制，包括單料煙煙支3種（3種單料煙絲均采用薄板烘絲工藝制備）、不同寬度煙絲（0.8、1.0、1.2 mm）的煙支3種、不同質量［（840±10）、（900±10）、（950±10）mg］的煙支3種以及不同三絲含量的煙支9種。②固定煙絲（2018年貴州遵義/云煙87/C2FA，薄板烘絲，煙絲寬度1.0 mm），不同理化指標的正交設計卷煙紙樣品25種，不同螺紋卷煙紙（橫螺紋、豎螺紋、無螺紋）的煙支3種。煙支長度84 mm，煙支圓周24.4 mm，濾嘴長度25 mm。對于不以煙支質量為變量的樣品，按單支質量（900±10）mg的范圍進行篩選。

1.2.2 卷煙包灰測試方法

采用BACST600卷煙包灰檢測儀進行卷煙樣品包灰指標及燃燒速率測試，每個樣品測試2組，每組6支卷煙。該儀器所檢測包灰指標包括灰色、裂口率、縮灰率、碳線寬度和碳線整齊度，具體定義分別為：灰色值，卷煙燃燒灰柱非裂口區灰度均值，分布范圍0~255（黑~白）；裂口率，卷煙燃燒線以上裂口區面積與灰柱區總面積之比，單位%；縮灰率，卷煙燃燒線以上灰柱寬度減小均值與燃燒前該區域煙柱寬度之比，單位%；碳線寬度，卷煙燃燒線碳化區的寬度均值，單位mm；碳線整齊度，卷煙燃燒線碳化區最高點和最低點間的高度差均值，單位mm。

卷煙樣品檢測前在溫度（22±1）℃、相對濕度（60±3）%的環境中平衡48 h。卷煙包灰指標測試均采用單面拍照模式，煙支燃燒長度固定為40 mm，具體方法如下：①卷煙燃燒模式選擇：固定煙支樣品（煙絲為單等級煙葉2017年安徽皖南/云煙97/B23F），煙支非搭口區正對相機，分別在靜燃模式、ISO抽吸（抽吸容量35 mL，持續時間為2 s，抽吸周期60 s）、馬薩諸塞抽吸（抽吸容量45 mL，持續時間為2 s，抽吸周期30 s）和WG9B抽吸（抽吸容量60 mL，持續時間為2 s，抽吸周期30 s）模式下測試煙支包灰指標和燃燒速率。②煙支搭口區和非搭口區的選擇：固定煙支樣品（煙絲為單等級煙葉2017年安徽皖南/云煙97/B23F），分別在靜燃和ISO抽吸模式下測試煙支搭口區正對和背對相機時的包灰指標和燃燒速率。③在ISO抽吸條件下測試樣品卷煙燃燒包灰指標和燃燒速率。

1.2.3 數據處理與分析

使用Excel軟件整理數據，所有統計和制圖均在R軟件中進行。

2 結果與討論

2.1 卷煙燃燒包灰檢測試驗條件的確定

2.1.1 燃燒模式

根據表1，與靜燃狀態相比，ISO燃吸時卷煙燃燒速率增加近一倍，灰色值增加了12.7%，縮灰率增加了7.8%，碳線寬度增加了46.4%，碳線整齊度增加了47.9%，裂口率增加了66.6%，這說明抽吸加劇了卷煙燃燒，使灰柱收縮率增大，卷煙紙碳線變寬、碳線整齊度降低，灰柱裂口區增大，但同時由于燃燒更加劇烈充分，煙灰的灰色值增大（圖1），與已有文獻一致［19-20］。進一步增大抽吸容量，燃燒速率略有上升，包灰各指標也呈小幅度變化，說明與抽吸模式相比，抽吸與否是影響卷煙包灰質量指標的顯著性因素。

表1 不同燃燒模式下卷煙燃燒速率和包灰質量指標Tab.1 Burning rates and ash integrity indexes of cigarettes under different puffing modes

圖1 不同燃燒模式下的卷煙燃燒灰柱Fig.1 Ash column appearance of cigarettesunder different puffing modes

2.1.2 卷煙紙搭口區和非搭口區

根據表2，在煙支靜燃條件下，與卷煙紙非搭口區相比，搭口區燃燒速率略快，碳線更窄更整齊，裂口率更低，灰色也更淺（圖2）。在ISO燃吸條件下，與卷煙紙非搭口區相比，搭口區燃燒速率及包灰指標變化與靜燃條件下基本一致，唯一區別較大的是燃吸條件下，灰柱非搭口區域裂口率增加了66.6%。另外，對于煙支搭口區域，與靜燃相比，煙支燃吸時灰柱裂口率僅增加了12.2%。以上發現說明煙支搭口區域的2層卷煙紙不僅有效抑制了灰柱裂口，提高碳線質量，還可以提升灰柱白度。

表2 卷煙紙搭口區和非搭口區的卷煙燃燒速率和包灰指標Tab.2 Burning rates and ash integrity indexes of seamed and non-seamed sections of cigarette paper

圖2 卷煙紙搭口區和非搭口區的煙支燃燒灰柱Fig.2 Ash column appearance of seamed and non-seamed sections of cigarette paper

2.1.3 卷煙樣品質量

由表3可見，隨著煙支質量增加，煙支燃燒速率降低，裂口率略有降低，但灰色值、縮灰率、碳線寬度和碳線整齊度呈現先降低而后又略升高的變化趨勢。整體上，增加煙絲填充量會降低卷煙紙燃燒速率，但有利于提升卷煙燃燒包灰性能。

表3 不同質量卷煙燃燒速率和包灰指標Tab.3 Burning rates and ash integrity indexes of cigarette samples with different weights

2.2 卷煙燃燒速率和包灰指標檢測結果的描述統計

由46種卷煙樣品燃燒包灰各指標的描述統計結果（表4）可見，灰色值和碳線整齊度變異較小，統計變異系數均小于10%；煙支的碳線寬度、燃燒速率和縮灰率變異中等，統計變異系數在10%~15%之間；裂口率變異較大，統計變異系數達到了31.80%。

表4 卷煙燃燒包灰測試指標的描述統計Tab.4 Descriptive statistics of test indexes of cigarette ash integrity

2.3 卷煙燃燒包灰測試指標之間簡單相關性分析

由卷煙樣本包灰指標之間及其與燃燒速率之間Pearson相關分析結果（圖3）可見，多項指標間存在較強相關性。其中，灰色值與裂口率（相關范圍-0.77~-0.41）、縮灰率（相關范圍-0.82~-0.52）和碳線寬度（相關范圍-0.88~-0.65）在0.001水平呈顯著負相關，與燃燒速率（相關范圍0.12~0.60）在0.01水平顯著正相關；裂口率與縮灰率（相關范圍0.52~0.82）、碳線寬度（相關范圍0.25~0.68）在0.001水平上顯著正相關，與燃燒速率（相關范圍-0.68~-0.24）在0.001水平上顯著負相關；縮灰率與碳線寬度（相關范圍0.59~0.85）在0.001水平上顯著正相關，與燃燒速率（相關范圍-0.67~-0.22）在0.001水平上顯著負相關。碳線寬度與碳線整齊度（相關范圍0.09~0.58）在0.05水平上顯著正相關，與燃燒速率（相關范圍-0.52~0.01）在0.05水平上顯著負相關。此外，碳線整齊度與灰色值、裂口率、縮灰率和燃燒速率之間無顯著相關性。

圖3 卷煙包灰指標之間及其與燃燒速率之間散布矩陣圖Fig.3 Scatter matrix among ash integrity indexes and burning rate of cigarette

2.4 卷煙燃燒包灰指標與燃燒速率之間廣義可加模型分析

利用廣義可加模型對包灰指標（灰色值、裂口率、縮灰率、碳線寬度和碳線整齊度）與燃燒速率之間關系進行分析，結果見表5。縮灰率與燃燒速率在0.001水平顯著相關，灰色和裂口率與燃燒速率在0.01水平顯著相關，方差解釋率分別為22.4%、24.2%和33.1%。碳線寬度與燃燒速率在0.05水平顯著相關，方差解釋率為7.8%。碳線整齊度與燃燒速率不相關。該結果與Pearson相關分析結果一致。

表5 卷煙燃燒包灰指標與燃燒速率廣義可加模型分析結果Tab.5 Results of generalized additive model for ash integrity indexes and burning rate of cigarette

圖4給出了灰色值、裂口率、縮灰率和碳線寬度隨燃燒速率變化的偏殘差圖。可以看出，隨著卷煙燃燒速率加快，灰色值偏殘差呈現先增加后趨于平穩的變化趨勢，裂口率偏殘差呈現先降低后增加的變化趨勢，縮灰率偏殘差和碳線整齊度偏殘差呈現逐漸降低的變化趨勢。這應與煙絲和卷煙紙之間燃燒匹配性有關，適中的燃燒速率（大約在12~14 mm/min之間）才能使煙絲和卷煙紙之間的匹配程度較好，賦予卷煙燃燒灰柱整體較好的包灰效果。

圖4 卷煙包灰指標隨燃燒速率變化偏殘差圖Fig.4 Partial residual diagrams of cigarette ash integrity indexes varying with burning rate

3 結論

①與靜燃狀態相比，燃吸狀態下，卷煙灰柱收縮率和裂口率增大，碳線更寬、整齊度更低，煙灰灰色值升高；增大抽吸容量，燃燒速率略有上升，包灰各指標僅呈小幅度變化。②與非搭口區相比，卷煙紙搭口區碳線更窄更整齊，裂口率更低，灰色也更淺，且可有效抑制因燃吸而導致的單層卷煙紙區域灰分裂口率大幅增加的問題。③灰色值和碳線整齊度變異較小，碳線寬度、燃燒速率和縮灰率變異中等，裂口率變異較大。④燃燒速率與灰色值在0.01水平上顯著正相關，與裂口率和縮灰率在0.001水平顯著負相關，與碳線寬度在0.05水平上顯著負相關，與碳線整齊度無顯著相關性。⑤隨著卷煙燃燒速率增加，灰色值先增加后趨于平穩，裂口率先降低后升高，縮灰率和碳線寬度逐漸降低。