卷煙燃燒包灰與煙絲化學成分的關系

王孝峰，郭東鋒，張曉宇，曹 蕓，周 順*，張亞平，張 朝，張 超，李延巖，金 宇

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，一直受到消費者的關注［1-2］。卷煙紙和煙絲是影響卷煙燃燒包灰的直接因素。通過研究卷煙包灰的影響因素，揭示卷煙設計參數、燃燒參數等對包灰性能的影響，可為卷煙包灰調控關鍵技術的開發提供重要理論支撐。目前，關于卷煙包灰影響因素的研究多集中在卷煙紙參數［3-11］、煙絲參數［11-13］、煙支卷制工藝參數［14-15］、燃燒參數［16-18］以及抽吸參數［13，19］等方面，如鄭豐等［3］和程占剛等［11］研究發現提高卷煙紙定量和透氣度、降低鉀鹽和鈉鹽質量比、增加碳酸鈣質量分數，可以提升卷煙包灰性能；王道寬等［12］和程占剛等［11］研究發現低切絲寬度和煙絲填充適中的卷煙包灰性能更好；許艷冉等發現通過優化平準器凹槽深度、風室正負壓、回絲量、二次剔梗量等卷煙機參數可以明顯改善卷煙包灰性能［14］，還發現適度控制燃燒速率有利于卷煙包灰性能的改善［16］；馬勝楠等［17］發現卷煙煙灰燃燒完全性是影響灰色的重要因素，煙灰燃燒越完全，灰色越淺。但從煙絲化學成分角度研究其對卷煙燃燒包灰性能的影響則鮮有報道。為此，利用卷煙包灰檢測儀測定了84種卷煙樣品在ISO抽吸條件下的灰色值、裂口率、縮灰率、炭線寬度、炭線整齊度和燃燒速率，并采用統計分析方法研究了卷煙包灰指標和燃燒速率與煙絲化學成分之間的關系，旨在為從煙絲化學成分調控角度提升卷煙燃燒包灰性能提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

42種單等級煙葉（安徽中煙工業有限責任公司技術中心提供），具體信息見表1；卷煙紙（定量29 g/m2，透氣度60 CU，華豐紙業股份有限公司提供）；接裝紙（定量35.5 g，安徽集友紙業包裝有限公司提供）；濾棒（規格：24.2 mm×100 mm，吸阻2 800 Pa，所用絲束規格為3.0Y/32 000，合肥雙維伊士曼纖維有限公司提供）。

Vario EL型元素分析系統（德國Elementar Analysen Systeme公司）；AA3連續流動分析儀（德國Bran+luebbe公司）；XS204電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；BACST600卷煙包灰檢測儀（合肥眾沃儀器技術有限公司）；500 kg/h制絲試驗線（德國HAUNI公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷煙樣品的制備

將42種單等級煙葉制絲，切絲寬度為1.0 mm，分別采用薄板烘絲和氣流烘絲兩種工藝干燥煙絲，得到84種待卷制煙絲。采用相同的輔材卷制成84種卷煙樣品。煙支長度為84 mm，煙支圓周為24.4 mm，濾嘴長度為25 mm。

1.2.2 卷煙包灰指標和燃燒速率測試

采用文獻［18］的方法測試卷煙包灰指標和燃燒速率。

1.2.3 煙絲化學成分分析

參考文獻［20］的方法測定C、H、O、S和N元素的質量分數（用α表示）。分別按照行業標準YC/T 162—

2011［21］、YC/T 217—2007［22］、YC/T 159—2019［23］、YC/T 160—2002［24］測定Cl元素、K元素、總糖和還原糖及煙堿的質量分數。

1.2.4 數據處理與分析

利用Excel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 卷煙包灰指標、燃燒速率和煙絲化學成分檢測結果的描述統計

對84種卷煙樣品包灰指標、燃燒速率和煙絲化學成分進行描述統計，結果見表2。αC、αO、αH、αS、αN、mC/mO、mC/mH、灰色值、縮灰率、炭線寬度、炭線整齊度和燃燒速率變異較小，變異系數均小于15.00%；α變異中等，變異系數處于15.00%~30.00%之間；αCl、糖堿比、mK/mCl、mK/mS和裂口率變異較大，變異系數分別達32.95%、31.01%、40.84%、40.10%和32.36%。

表2 卷煙包灰指標、燃燒速率和煙絲化學成分檢測結果的描述統計Tab.2 Descriptive statistics of test results of ash integrity indexes and burning rate of lit cigarettes and chemical components in cut filler

2.2 卷煙包灰指標和燃燒速率與煙絲化學成分的簡單相關性分析

卷煙包灰指標和燃燒速率與煙絲化學成分之間Pearson相關分析結果如表3所示。可見，灰色值與α煙堿和αS在0.05水平上顯著負相關。裂口率與αS和α煙堿分別在0.01和0.05水平上顯著正相關，與αK和mK/mCl在0.05水平上顯著負相關，與mK/mS和mKmCl+mS分別在0.01和0.001水平上顯著負相關。縮灰率與αS在0.01水平上顯著正相關，與αH和α煙堿在0.05水平上顯著正相關，與αK和mK/mCl在0.05水平上顯著負相關，與mK/mS和分別在0.01和0.001水平上顯著負相關。炭線寬度與α總糖、α還原糖和αH在0.05水平上顯著正相關，與αK和mC/mH分別在0.01和0.05水平上顯著負相關，與mK/mCl、mK/mS和均在0.001水平上顯著負相關。炭線整齊度與α煙堿和αS分別在0.01和0.05水平上顯著正相關。燃燒速率與αK和mK/mS均在0.05水平上顯著正相關，與在0.01水平上顯著正相關。

表3 卷煙包灰指標和燃燒速率與煙絲化學成分的相關分析結果①Tab.3 Correlation analyseson ash integrity indexesand burning rateof lit cigaretteswith chemical componentsin cut filler

K、Cl、S和N元素是影響煙草燃燒的重要元素。一般來說，K元素可促進煙草燃燒，Cl、S和N元素則對煙草燃燒有抑制作用［25］。通過卷煙包灰指標與煙絲化學成分之間的相關分析（表3），可以確定αK是影響卷煙包灰性能的正向因素，αS和αCl是負向因素；mK/mCl、mK/mS以及仍然為正向因素，且相關的顯著性水平進一步提高，說明調控mK/mCl、mK/mS以及將是提升卷煙包灰性能的重要手段。此外，煙堿與多項包灰指標顯著相關，是影響卷煙包灰性能的負向指標，或許與其含有抑制煙草燃燒的N元素有關。

2.3 卷煙包灰指標和燃燒速率與煙絲化學成分的回歸分析

為進一步揭示煙絲化學成分與卷煙燃燒包灰指標和燃燒速率之間的關系，對煙絲化學成分與包灰指標和燃燒速率進行回歸分析，方程的回歸模型及回歸系數的檢驗結果分別見表4和表5。可見，包灰指標和燃燒速率與煙絲化學成分之間的回歸方程均通過了統計檢驗。其中，裂口率與總糖、還原糖、α煙堿、αN、αK、αS、mK/mCl和糖堿比回歸方程的決定系數（R2）最高，為0.59；灰色值、縮灰率、炭線寬度和燃燒速率與煙絲化學成分的回歸方程的R2均在0.35~0.40之間；炭線整齊度與α煙堿、mK/mS和糖堿比回歸方程的R2較低，僅為0.17。

表4 煙絲化學成分與包灰指標和燃燒速率之間回歸模型檢驗結果Tab.4 Regression model test results of ash integrity indexes and burning rate of lit cigarettes with chemical components in cut filler

由表5可知，隨α煙堿和糖堿比的降低、αN和mK/mS的增加，卷煙燃燒灰柱灰色變淺；灰柱裂口率隨α總糖、αN、αK和mK/mCl的升高而減小，隨α還原糖、α煙堿、αS和糖堿比的升高而增大；縮灰率隨α煙堿、αK和糖堿比的升高而增加，隨αN和的升高而降低；隨α煙堿和糖堿比的增加以及mK/mS的降低，炭線更寬，且更不整齊；隨αC和的增加，卷煙燃燒速率加快，而隨α煙堿、αO、mC/mO和糖堿比的升高，卷煙燃燒速率變慢。

表5 （續）

另外，α煙堿和糖堿比均為6個回歸方程的自變量，且隨該兩項指標升高，燃燒速率變慢，灰色變深，裂口率、縮灰率、炭線寬度和炭線整齊度均增加。mK/mCl、mK/mS或者中至少有1個為6個回歸方程的自變量，且隨這些指標數值的增大，燃燒速率加快，灰色變淺，裂口率、縮灰率、炭線寬度和炭線整齊度均減小。

3 結論

①αC、αO、αH、αS、αN、mC/mO、mC/mH、灰色值、縮灰率、炭線寬度、炭線整齊度和燃燒速率變異較小，α總糖、α還原糖、α煙堿、αK和變異中等，而αCl、糖堿比、mK/mCl、mK/mS和裂口率變異較大。②αK、mK/mCl、mK/mS和與裂口率、縮灰率、炭線寬度均顯著負相關，與燃燒速率均顯著正相關（mK/mCl除外）；α煙堿和αS與灰色值顯著負相關，與裂口率、縮灰率和炭線整齊度顯著正相關；炭線寬度與α總糖、α還原糖和αH顯著正相關，與mC/mH顯著負相關。③回歸分析表明，隨α煙堿和糖堿比增加，燃燒速率變慢，灰色變深，裂口率、縮灰率、炭線寬度和炭線整齊度均增加；隨mK/mCl、mK/mS或者增加，燃燒速率加快，灰色變淺，裂口率、縮灰率、炭線寬度和炭線整齊度均減小。