基于卷煙紙參數的卷煙靜態包灰綜合評價方法

楚文娟，崔建華，王建民，馮銀龍，田海英，紀曉楠，郭麗霞，魯 平*，董 浩

1.河南中煙工業有限責任公司技術中心，鄭州市經濟技術開發區第三大街8號450000

2.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450002

3.國家煙草質量監督檢驗中心，鄭州高新技術產業開發區翠竹街6號450001

卷煙包灰性能是指卷煙燃燒過程中消費者所感受的煙灰外觀視覺效果，是消費者評價卷煙質量、區別卷煙檔次的重要指標［1］。近年來煙草行業致力于提升卷煙結構，卷煙包灰性能越來越受到各卷煙工業企業的重視，并被列為開發中高檔卷煙產品的質量目標。因此，改善卷煙包灰性能，提高消費者滿意度，對于提升卷煙產品競爭優勢具有重要意義。卷煙紙、葉組配方作為直接參與卷煙燃燒的兩大主體，是影響卷煙包灰性能的主要因素［1-3］。陳慧斌等［4］研究了卷煙紙參數和葉組配方對卷煙包灰性能的影響，采用目測方法評價了包灰松緊度、外翻灰片數量、灰分顏色和灰面裂紋，結果顯示卷煙紙的透氣度、定量、助燃劑含量、包灰助劑以及葉組配方中的再造煙葉摻兌量對卷煙包灰性影響顯著。張瑩等［5］提出了卷煙凝灰指數的概念，研究結果表明卷煙紙對卷煙的凝灰性具有重要作用。王道寬等［6］研究發現隨著卷煙紙助燃劑的減少以及助燃劑中鉀鈉比（檸檬酸鉀與檸檬酸鈉的質量比，下同）的降低，卷煙包灰性能改善明顯；三絲對卷煙包灰性能的影響程度為膨脹煙絲＜再造煙葉絲＜梗絲。趙宏［7］研究發現卷煙紙的灰分、助燃劑種類及其質量分數、紙張均勻性、紙張的兩面差（由于卷煙紙背面即與煙絲接觸面涂布有助燃劑，造成卷煙紙的正面與背面有一定差異）等因素均會影響卷煙包灰性能。鄒中亮等［8］采用人眼觀察和相機拍照相結合的方法研究了卷煙紙參數對卷煙包灰性能的影響，結果表明卷煙紙定量越大其包灰效果越好，燃燒速度越快，但定量超過一定數值后卷煙紙與煙絲的燃燒匹配性變差，容易造成“炸灰”“落頭”等現象，而透氣度對卷煙紙的包灰性能影響較小。于龍國［1］研究發現卷煙紙的定量、羅紋方式、助燃劑種類與質量分數、鉀鈉比等因素對卷煙的包灰值（裂口率）有較大影響。程占剛等［9］研究發現卷煙紙的透氣度、定量、凝灰助劑、助燃劑含量（質量分數）、再造煙葉比例以及濾嘴長度等因素會對卷煙包灰效果產生影響。鄭豐等［10］采用層次分析法建立了定量評價卷煙包灰綜合性能的方法，并研究了卷煙紙參數對包灰綜合性能的影響。雖然對于卷煙包灰性能已有較多研究，但大多集中在裂口率及灰色等指標，未能客觀全面地表征卷煙包灰性能，測試方法多采用主觀判斷方式，測試設備自動化程度較低，測試結果的準確性和客觀性存在一定問題。為此，基于計算機視覺技術研究了卷煙紙透氣度等參數對卷煙靜態包灰性能的影響規律，旨在為改善卷煙包灰性能提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

材料：卷煙紙（牡丹江恒豐紙業股份有限公司）；接裝紙（定量41 g/m2，長度64 mm，透氣度150 CU的燙印接裝紙，河南省新鄭金芒果實業總公司）；濾棒（圓周24.1 mm，長度100 mm，壓降3 000 Pa，焦作市卷煙材料有限公司）；其余輔材參數均相同，煙絲的配方和批次相同（河南中煙工業有限責任公司提供）。

儀器：BACST600型卷煙燃燒外觀性能測定儀（河南中煙與中科院安徽光學精密機械研究所聯合研制）；ZJ17卷接機組（常德煙草機械有限責任公司）；GDX2包裝機組(意大利GD公司)。

1.2 方法

1.2.1 卷煙紙樣品設計與制備

基準卷煙紙定量為32 g/m2，透氣度為60 CU，助燃劑中鉀占比為50%［檸檬酸鉀質量/（檸檬酸鉀質量+檸檬酸鈉質量）×100%］，助燃劑含量為1.3%（質量分數），灰分為20%，包灰助劑為磷酸鹽且質量分數為0.7%。按照每次只變化一個參數，其他參數固定的原則制備卷煙紙樣品（用于單因素實驗），設計參數見表1。再采用同一配方煙絲，使用同一卷包設備、同一組操作人員制備卷煙樣品。

表1 卷煙紙樣品的設計參數Tab.1 Design parameters of cigarette paper samples

1.2.2 卷煙紙參數測定

按照國家或煙草行業標準［11-14］規定的方法分別測定卷煙紙透氣度、定量、助燃劑中鉀占比、助燃劑含量、灰分共5個參數。

1.2.3 卷煙樣品的平衡與篩選

檢測前卷煙樣品在溫度（22±1）℃、相對濕度（60±3）%的環境中平衡不少于48 h，然后按照平均質量（20支卷煙總質量/20）±0.02 g的標準篩選待測煙支。

1.2.4 檢測方法

采用計算機視覺技術，通過輪廓檢測、連通域形態分析、骨架提取等圖像分析方法［15-17］，得到卷煙樣品的燃燒外觀性能參數；再采用基于meanshift均值漂移的圖像分割算法［18］，提取煙支長度在30%～80%范圍內的圖像，分別計算不同燃燒面（卷煙正面、卷煙紙搭口面）的灰色、裂口率、碳線寬度、碳線整齊度、縮灰率，取2個燃燒面的平均值作為該支卷煙的測定結果，取20支卷煙的平均值作為最終測定結果。

1.2.5 靜態包灰指標

（1）灰色，表征灰色的白度。將煙支豎直靜燃，采用基于meanshift均值漂移的圖像分割算法提取卷煙燃燒區域，獲取非裂口平均灰色值；按照標準白板的標定系數對平均灰色值進行校正，并將校正結果作為區域內灰燼的灰色值，數值越大，灰色越白。

（2）裂口率，表征卷煙燃燒包灰能力。煙支豎直靜燃后，計算卷煙紙灰燼上裂口面積（S裂口）與卷煙紙灰燼總面積（S灰燼）的比值作為裂口率，數值越小，包灰能力越強。

（3）碳線寬度，表征碳線的粗細。將煙支豎直靜燃，每隔60 s對煙支進行拍照，計算碳線區面積與骨架長度的比值作為卷煙紙陰燃處碳線寬度值，數值越小，碳線越細。

（4）碳線整齊度，表征碳線上下方向的整齊度。將煙支豎直靜燃，每隔60 s對煙支進行拍照，計算y軸方向碳線最高點與最低點的高度差作為碳線整齊度，數值越小，碳線越整齊。

（5）縮灰率，表征卷煙燃燒包灰松緊能力。計算煙支燃燒前后煙支直徑的比值作為縮灰率，數值越小，包灰越緊。

1.2.6 統計分析方法

采用SPSS 19.0軟件［19］進行統計分析。其中，相關性分析、多元線性回歸分析運用SPSS 19.0進行Pearson簡單相關分析和雙側t檢驗。

2 結果與討論

2.1 卷煙紙參數測定結果

卷煙紙樣品單因素實驗結果見表2。可見，實測值與設計值基本一致，數值間隔較均勻，能夠滿足后續實驗要求。

2.2 卷煙紙參數對靜態包灰指標的影響

相對標準偏差（RSD）能夠消除不同量綱差異對分析結果的影響，客觀地反映卷煙紙參數對靜態包灰指標的影響程度。基于表2中數據通過計算實測值的RSD分析卷煙紙參數對靜態包灰指標的影響，結果見表3。可見，同一卷煙紙參數對不同靜態包灰指標的影響差異較大，同一靜態包灰指標受不同卷煙紙參數的影響差異也較大。卷煙紙參數對靜態包灰指標的影響程度由高到低是灰分＞定量＞助燃劑中鉀占比＞助燃劑含量＞透氣度，靜態包灰指標受5個卷煙紙參數的影響程度由高到低是裂口率＞碳線寬度＞灰色＞縮灰率＞碳線整齊度。表明卷煙紙參數對靜態包灰指標的影響具有復雜性。

表2 卷煙紙參數設計值及實測值Tab.2 Design parameters and measured values of cigarette paper samples

表3 卷煙紙參數對靜態包灰指標的影響Tab.3 Significance of cigarette paper parameters on ash integration indexes of statically burning cigarette（%）

2.3 卷煙紙參數與靜態包灰指標間的定性關系

卷煙紙參數與靜態包灰指標間簡單相關分析結果見表4。結合相關系數和P值可知，透氣度與裂口率、碳線寬度間呈極顯著正相關，與碳線整齊度間呈正相關關系且接近顯著水平；定量與灰色間呈極顯著正相關，與裂口率間呈極顯著負相關，與縮灰率間呈正相關關系且接近顯著水平；助燃劑含量與碳線寬度間呈極顯著正相關，與灰色間呈極顯著負相關，與縮灰率間呈顯著負相關；助燃劑中鉀占比與灰色、裂口率間呈極顯著正相關；灰分與灰色、縮灰率間呈極顯著正相關，與裂口率、碳線寬度間呈極顯著負相關，與碳線整齊度呈顯著正相關。

表4 卷煙紙參數與靜態包灰指標間簡單相關分析結果Tab.4 Results of simple correlation analysis between cigarette paper parameters and ash integration indexes of statically burning cigarette

靜態包灰指標與卷煙紙參數的多元線性回歸分析結果見表5。由1.2.5節可知，當灰色增大、裂口率減小、縮灰率減小、碳線寬度減小、碳線整齊度減小時，靜態包灰性能呈向好趨勢，反之則呈向差趨勢。結合表5分析可知：①定量、助燃劑含量、助燃劑中鉀占比和灰分對灰色有極顯著影響，隨著定量、助燃劑中鉀占比和灰分的升高灰色呈向好趨勢，隨著助燃劑含量的升高灰色呈向差趨勢；②定量、助燃劑中鉀占比和灰分對裂口率有極顯著影響，透氣度對裂口率有顯著影響,且隨著定量和灰分的升高裂口率呈向好趨勢，隨著透氣度和鉀占比升高裂口率呈向差趨勢；③助燃劑含量和灰分對縮灰率有極顯著影響，隨著助燃劑含量的升高縮灰率呈向好趨勢，隨著灰分的升高縮灰率呈向差趨勢；④透氣度、助燃劑含量、助燃劑中鉀占比和灰分對碳線整齊度有顯著或接近極顯著影響，隨著4個參數的升高碳線整齊度均呈向差趨勢；⑤助燃劑含量和灰分對碳線寬度有極顯著影響，隨著灰分的升高碳線寬度呈向好趨勢，隨助燃劑含量的升高碳線寬度呈向差趨勢。

表5 靜態包灰指標與卷煙紙參數的多元線性回歸分析結果Tab.5 Results of multiple linear regression analysis between ash integration indexes of statically burning cigarette and cigarette paper parameters

根據相關分析、多元線性回歸分析結果可得到卷煙紙參數與靜態包灰指標的定性關系，見表6。結合表4、表5可知，相關分析結果與多元線性回歸分析結果基本一致，其中灰分對5個靜態包灰指標均有極顯著或顯著影響，隨著灰分的升高灰色、裂口率、碳線寬度呈向好趨勢，縮灰率、碳線整齊度呈向差趨勢；助燃劑含量對灰色、縮灰率、碳線寬度和整齊度有極顯著或顯著影響，隨著助燃劑含量的增加縮灰率呈向好趨勢，其他3個指標呈向差趨勢；助燃劑中鉀占比對灰色、裂口率、碳線整齊度有極顯著影響，隨著助燃劑中鉀占比的升高灰色呈向好趨勢，裂口率、碳線整齊度呈向差趨勢；透氣度對裂口率、碳線整齊度、碳線寬度有極顯著或顯著影響，隨著透氣度的增加3個指標均呈向差趨勢；定量對灰色、裂口率有極顯著影響，隨著定量的增加灰色、裂口率均呈向好趨勢，縮灰率呈向差趨勢。

表6 卷煙紙參數與卷煙靜態包灰指標間的定性關系Tab.6 Qualitative relationships between cigarette paper parameters and ash integration indexes of statically burning cigarette

2.4 卷煙靜態包灰綜合評價指標的構建

由于不同靜態包灰指標受卷煙紙參數的影響程度不同，在對卷煙紙參數進行優化時應重點考慮影響大的指標、兼顧影響小的指標。為此，構建了一個卷煙靜態包灰綜合評價指標：①對表3中各個指標的平均RSD進行歸一化處理得到各個指標的權重，依次是灰色0.114，裂口率0.593，縮灰率0.045，碳線整齊度0.039，碳線寬度0.209；②將各個指標轉換為T得分以統一量綱；③將5個指標的T得分進行權重加和得到綜合T得分（T綜合）。考慮到各項指標的要求且希望綜合T得分為正，在進行加和時裂口率、縮灰率、碳線整齊度、碳線寬度4項望小型指標取正值，望大型指標灰色取負值。因此，綜合T得分為望小型指標。卷煙紙參數及靜態包灰指標的實測值及T得分見表7，結果表明隨著卷煙紙參數的變化，綜合T得分介于38.17~41.68 之間，平均得分為40.17。

表7 卷煙紙參數及靜態包灰指標的實測值及T得分Tab.7 Measured values and T scores of cigarette paper parameters and ash integration indexes of statically burning cigarette

2.5 基于卷煙紙參數的靜態包灰綜合評價指標預測模型

將25個卷煙樣品的靜態包灰綜合評價指標T綜合與透氣度、定量、助燃劑含量、助燃劑中鉀占比、灰分進行多元線性回歸分析，結果見表8和表9。由表8可知，該回歸方程的P值小于0.05，決定系數R2為0.851，說明該回歸方程有統計學意義［20］，由于標準化系數的絕對值越大，對T綜合的影響越大，由表9可知，卷煙紙參數對綜合靜態包灰性能的影響順序為灰分＞定量＞助燃劑含量＞助燃劑中鉀占比＞透氣度。卷煙紙參數與T綜合的定性關系為：隨著灰分、定量的升高，T綜合降低，綜合靜態包灰性能向好；隨著透氣度、助燃劑含量和助燃劑中鉀占比的升高，T綜合升高，綜合靜態包灰性能向差，這與前面的研究結果一致。

表8 回歸模型概述表Tab.8 Overview of regression model

表9 回歸系數檢驗表①Tab.9 Test results of regression coefficients

為進一步驗證該回歸方程計算值的準確性，對T綜合進行了內部驗證，結果見圖1。可見，回歸方程預測值與實際值的線性相關線斜率為0.840，R2為0.851，說明計算值與實測值吻合度較好。表明可以利用該回歸方程調節卷煙紙參數，進而實現卷煙靜態包灰性能的調控。

圖1 T綜合內部驗證圖Fig.1 Internal verification of Tcomprehensive

3 結論

綜合RSD分析、簡單相關分析和多元線性回歸分析結果可知，卷煙靜態包灰指標受5個卷煙紙參數的影響程度不同，由高到低的順序為裂口率＞碳線寬度＞灰色＞縮灰率＞碳線整齊度。依據各靜態包灰指標受卷煙紙參數影響的程度設定權重，構建了一個卷煙靜態包灰綜合評價指標，然后采用多元線性回歸分析的方法建立了基于5個卷煙紙參數的預測模型。由預測模型可知，卷煙紙參數對卷煙綜合靜態包灰性能的影響順序為灰分＞定量＞助燃劑含量＞助燃劑中鉀占比＞透氣度，且隨著灰分、定量的升高，靜態包灰綜合指標呈向好趨勢，隨著助燃劑含量、助燃劑中鉀占比和透氣度的升高，靜態包灰綜合指標呈向差趨勢。