卷煙煙絲結(jié)構(gòu)分布及其與物理質(zhì)量的關(guān)系

邵寧 徐秀峰 萬永華 李曉 江雪彬 周利軍 張明亞 姚二民

摘要：【目的】研究不同檔次卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)分布及其對卷煙物理質(zhì)量的影響，為優(yōu)化煙絲結(jié)構(gòu)以提高卷煙質(zhì)量提供參考依據(jù)?！痉椒ā坎捎弥鞒煞址治龇▽（低）、B（中）、C（高）3個檔次牌號卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)比率層進行分析，確定主成分數(shù)量并得到各煙絲結(jié)構(gòu)比率層的載荷值；再對煙絲結(jié)構(gòu)與卷煙物理指標進行相關(guān)性分析，得出煙絲結(jié)構(gòu)與物理質(zhì)量的關(guān)系?！窘Y(jié)果】3個品牌卷煙煙絲結(jié)構(gòu)具有差異性，各檔次卷煙煙絲結(jié)構(gòu)可簡化為兩個主成分，累積方差貢獻率均在80.000%以上，分別為80.689%（低）、83.982%（中）和84.001%（高），能夠代表原始8層煙絲結(jié)構(gòu)比率層的數(shù)據(jù)信息。對低檔次卷煙物理質(zhì)量影響較大的是居于主成分1的2.80～4.75 mm和≤2.00 mm煙絲；對中、高檔次卷煙物理質(zhì)量影響較大的是居于主成分1的2.00～3.35 mm和≤1.00 mm煙絲?！窘Y(jié)論】不同檔次卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)分布存在差異，煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙物理質(zhì)量的影響也不同；在實際生產(chǎn)中，卷煙企業(yè)可針對性地優(yōu)化不同檔次卷煙煙絲結(jié)構(gòu)，以提高卷煙質(zhì)量及其穩(wěn)定性。對于低檔卷煙，可提升中長絲比率，減少碎絲比率；對于中、高檔卷煙，可控制長絲比率，降低長絲對整體卷煙品質(zhì)造成的負面影響。

關(guān)鍵詞： 卷煙；煙絲結(jié)構(gòu)；物理質(zhì)量；主成分分析；相關(guān)性分析

中圖分類號： S572.092 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）05-0883-06

Cut tobacco structure distribution and its relation

with physical quality

SHAO Ning 1， XU Xiu-feng 2， WAN Yong-hua3， LI Xiao1， JIANG Xue-bin1，

ZHOU Li-jun1，ZHANG Ming-ya2， YAO Er-min1*

（1 College of Food and bioengineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450000， China； 2 Guiyang Cigarette Factory， Guizhou Tobacco Industry Co.， Ltd.， Guiyang 550001，China； 3 Luohe Cigarette Factory，

Henan Tobacco Industry Co.， Ltd.， Luohe， Henan 462000， China）

Abstract：【Objective】Distribution of different-grade cut tobacco structure and its effects on cigarette quality were studied in order to provide reference for optimizing tobacco structure to improve the quality of cigarettes. 【Method】Through principal component analysis， number of principal components and load values of each layer structure of low-（A）， medium-（B） and high-class（C） were determined. Correlation analysis between cut tobacco structure and physical indexes for cigarette were conducted to explore the relation between cut tobacco structure and physical quality. 【Result】The structure of cigarettes of three brands were different. The structure of each cigarette could be simplified into two principal components， and all the cumulative variance contribution rate were more than 80.000%， and were 80.689%（low class）， 83.982%（medium class） and 84.001%（high class） respectively. These data could represent the original eight layers of tobacco layer structure ratio. The main factors affecting the physical quality of low-class cigarettes were cut tobacco at 2.80-4.75 mm and ≤2.00 mm in main component 1； those affecting the physical quality of medium- and high-class cigarettes were cut tobacco at 2.00-3.35 mm and ≤1.00 mm in main component 1. 【Conclusion】Cut tobacco structure distributions in different-class cigarette are different， and the effects of cut tobacco structure on cigarette quality are different. In actual production， the enterprises can optimize cut tobacco structure in different-class cigarettes to improve the quality and stability. For low-class cigarette， the proportion of medium and long cut tobacco should be increased and that of short cut tobacco should be decreased. In terms of medium- and high-class cigarettes， the proportion of long cut tobacco should be controlled to reduce the negative effects of long cut tobacco on overall cigarette quality.

Key words： cigarette； cut tobacco structure； physical quality； principal component analysis； correlation analysis

0 引言

【研究意義】煙支的綜合質(zhì)量一方面取決于卷煙機自身的運行及控制狀況，另一方面取決于卷煙原料，如煙絲結(jié)構(gòu)、卷煙輔材等。煙絲結(jié)構(gòu)表示不同煙絲尺寸的分布情況，代表煙絲的均勻性及穩(wěn)定性（申曉峰等，2010），是影響卷煙質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。不同檔次卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)分布不同，從而影響其各項物理質(zhì)量指標。因此，通過對不同檔次卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)進行分析，并研究煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙物理質(zhì)量的影響，可針對性地對煙絲進行優(yōu)化，從而達到提高煙支質(zhì)量的目的。【前人研究進展】目前已有不少學(xué)者對煙絲結(jié)構(gòu)與卷煙質(zhì)量的關(guān)系進行研究。姚光明等（2003）研究煙絲結(jié)構(gòu)對煙絲填充值和卷接質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，在試驗范圍內(nèi)，整絲率與煙絲填充值、卷煙單支質(zhì)量有顯著相關(guān)性。堵勁松等（2008）采用灰色關(guān)聯(lián)法分析煙絲結(jié)構(gòu)分布與卷煙物理指標的相關(guān)性，結(jié)果表明，不同長度煙絲與卷煙物理指標具有不同的關(guān)聯(lián)性；煙絲結(jié)構(gòu)分布為2.00～4.75 mm時，可獲得較理想的卷煙物理指標及其穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減少小于1.40 mm的煙絲比例。李善蓮等（2010）通過對1種配方葉絲和3種配方煙絲進行連續(xù)多次卷制，分析了煙絲結(jié)構(gòu)與卷煙端部落絲量的相關(guān)性，結(jié)果表明，在試驗范圍內(nèi)，卷煙端部落絲量隨煙絲特征尺寸的降低而增大。劉德強等（2010）以整絲率為自變量，研究了不同整絲率及相同整絲率不同長、中絲比例的煙絲對煙支物理質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，煙絲整絲率為82%左右、煙絲長、中絲比例為4∶1時，卷制后煙支的總體質(zhì)量及穩(wěn)定性最佳。王旭峰等（2016）研究了制絲工藝參數(shù)對煙絲結(jié)構(gòu)和卷煙感官質(zhì)量的影響，提出了較適宜的參數(shù)設(shè)置：松散回潮熱風(fēng)溫度65 ℃、切絲寬度1.00 mm、葉絲回潮出口含水率18.5%、烘絲機物料流量2400 kg/h。【本研究切入點】目前煙草行業(yè)內(nèi)從設(shè)備改造和參數(shù)優(yōu)化等方面對煙支單個或多個物理指標進行改善的相關(guān)研究較多（倪克平等，2002；趙漢文和趙曉梅，2007；劉新民等，2012），但針對不同檔次卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)組成及其對煙支物理質(zhì)量貢獻率影響的研究報道較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用主成分法分析不同檔次牌號煙絲結(jié)構(gòu)差異，并將其與物理指標進行相關(guān)性分析，探究不同煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙物理質(zhì)量的影響，為優(yōu)化煙絲結(jié)構(gòu)，提高卷煙質(zhì)量提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試材料為A（低，三類卷煙）、B（中，二類卷煙）、C（高，一類卷煙）3種檔次牌號的全配方煙絲，由貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供。主要儀器設(shè)備：AS400型旋轉(zhuǎn)篩分儀（德國Retsch公司，篩網(wǎng)孔徑依次為10.00、4.75、4.00、3.35、2.80、2.00、1.00和0.50 mm）；YDX-Ⅲ型卷煙端部落絲測試儀、JMZV型煙支含末率測試儀（中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所）；KCOMI2000煙支物理質(zhì)量綜合測試臺（德國Bogwalt公司）；PROTOS70型卷煙機（德國HAUNI公司）；PL3001-SMettler電子天平（瑞士Mettle公司，感量0.001 g）。

1. 2 煙絲結(jié)構(gòu)檢測

1. 2. 1 取樣 卷煙機正常生產(chǎn)后，固定機臺、同一操作人員，在VE機料斗、SE機煙槍出口（跑條絲）和回送煙絲貯存區(qū)（回送絲）處用取樣盤各接取煙絲4000 g，用四分法縮至1000 g，各取樣點取樣3次，每隔30 min檢測、記錄1次。

1. 2. 2 篩分方法 用旋轉(zhuǎn)篩分儀對成品煙絲樣品進行篩分，每個樣品分3次篩分，每次篩分樣品質(zhì)量約330 g。分別用S1～S8表示不同長度范圍的成品煙絲試驗樣品，其中：S1>10.00 mm、4.75 mmS7≤1.00 mm、S8≤0.50 mm。煙絲結(jié)構(gòu)按照行業(yè)標準YC/T 289-2009和《卷煙工藝規(guī)范》進行測定。

1. 3 卷煙物理質(zhì)量檢測

1. 3. 1 取樣 固定機臺、同一操作人員對A、B、C 3個牌號卷煙進行取樣，每天抽樣3次，每次間隔30 min。

1. 3. 2 檢測方法 卷煙的單支質(zhì)量、端部落絲量和含末率參照《GB/T 22838.4-2009卷煙和濾棒物理性能的測定第4部分：卷煙質(zhì)量》進行測定，圓周參照《GB/T 22838.3-2009卷煙和濾棒物理性能的測定第3部分：圓周激光法》進行測定，吸阻參照《GB/T 22838.5-2009卷煙和濾棒物理性能的測定第5部分：卷煙吸阻和濾棒壓降》進行測定，硬度參照《GB/T 22838.6-2009卷煙和濾棒物理性能的測定第6部分：硬度》進行測定。

1. 4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 15.0進行主成分分析、煙絲結(jié)構(gòu)與物理指標的相關(guān)性分析（管宇，2011；張慧筠等，2011），計算相關(guān)系數(shù)矩陣、主成分特征值及累積貢獻率，主成分分析采用旋轉(zhuǎn)法。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同檔次卷煙煙絲結(jié)構(gòu)比率的主成分分析結(jié)果

主要利用篩分方法使不同尺寸的煙絲分離，結(jié)果以各層或某層篩網(wǎng)上的累積質(zhì)量占總質(zhì)量的比例表示。主成分分析是將原來眾多具有相關(guān)性指標，重新組合成新的無相關(guān)綜合指標，以替代原來的指標。本研究選取不同牌號卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)作為原始指標進行分析。由于跑條絲煙絲結(jié)構(gòu)與成品卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)基本相同，故將不同牌號的跑條絲煙絲結(jié)構(gòu)作為最終研究對象。A、B、C牌號煙絲結(jié)構(gòu)見表1。

2. 1. 1 不同檔次卷煙煙絲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)預(yù)處理 使用SPSS 15.0對試驗數(shù)據(jù)（表1）進行降維處理，經(jīng)KMO檢驗，得到煙絲結(jié)構(gòu)的KMO和Bartlett檢驗，如表2所示。3個牌號卷煙煙絲結(jié)構(gòu)的kaiser-meyer-olkin度量分別為0.546、0.538和0.554，均大于0.500；Bartlett的Sig.均為0，小于0.05。因此，煙絲結(jié)構(gòu)滿足正態(tài)分布且具有顯著性，說明原始指標中存在共線性，選用的數(shù)據(jù)適合進行主成分分析。

2. 1. 2 不同檔次卷煙煙絲結(jié)構(gòu)比率的主成分分析

分別對3種檔次卷煙的8層煙絲結(jié)構(gòu)進行主成分分析，得到各主成分的特征值、貢獻率和累計貢獻率（表3～表5）。按照成分特征值>1.000的標準，不同檔次卷煙的8層煙絲結(jié)構(gòu)比率層提取出旋轉(zhuǎn)后均為兩個主成分。其中，A、B、C牌號提取出兩個主成分的累積貢獻率分別為80.689%、83.982%和84.001%，即前兩個主成分分別代表了其原始成分的80.689%、83.982%和84.001%的信息量，且第一主成分方差貢獻率均大于第二主成分，表明主成分1中煙絲結(jié)構(gòu)層提供的信息最重要。因此，不同檔次卷煙煙絲結(jié)構(gòu)由原始8個降至2個不相關(guān)的主成分，成功實現(xiàn)降維目的。

不同檔次卷煙煙絲結(jié)構(gòu)比率參數(shù)初始因子載荷矩陣旋轉(zhuǎn)后，兩個主成分的各指標載荷值見表6。根據(jù)指標載荷絕對值超過0.700的標準，提取出各主成分的主導(dǎo)因子如下：

A牌號卷煙主成分1代替了原始數(shù)據(jù)中S1、S2、S3、S6和S7層的煙絲結(jié)構(gòu)，其中S5和S8層載荷值相對較低；主成分2代替了S5層煙絲結(jié)構(gòu)。S1、S2、S3、S6和S7層煙絲結(jié)構(gòu)比率層的載荷絕對值較大，表明其與主成分1的關(guān)系更密切，更能代表主成分1的信息；但在第一主成分的正、負方向起不同作用，其中S6和S7層煙絲結(jié)構(gòu)比率層對主成分1起負作用。S5層煙絲結(jié)構(gòu)與主成分2關(guān)系緊密，且呈負相關(guān)。

B牌號卷煙煙絲結(jié)構(gòu)中主成分1同樣代替了原始數(shù)據(jù)中S1、S2、S3、S4、S6和S7層的煙絲結(jié)構(gòu) ，主成分2代替了S5和S8層煙絲結(jié)構(gòu)。S1、S2、S3、S4、S6和S7層煙絲結(jié)構(gòu)比率層的載荷絕對值較大，表明其與主成分1的關(guān)系更密切，更能代表主成分1的信息；同時，S6和S7層對主成分1起負作用。第二主成分中包含的煙絲結(jié)構(gòu)比例層是S5和S8層，載荷值分別為-0.911和-0.730，S5層煙絲結(jié)構(gòu)與第二主成分呈負相關(guān)，且相關(guān)性較強。

C牌號卷煙煙絲結(jié)構(gòu)中主成分1代替了原始數(shù)據(jù)中S3、S4、S5、S7和S8層的煙絲結(jié)構(gòu)，主成分2代替了S1、S2和S6層煙絲結(jié)構(gòu)。其中S4、S5和S8層煙絲結(jié)構(gòu)與主成分1關(guān)系更密切，更能代表其信息；S4和S5層煙絲結(jié)構(gòu)與其正相關(guān)性較高，而S8層與其呈負相關(guān)。第二主成分中包含的煙絲結(jié)構(gòu)比率層是S1、S2和S6層，載荷值分別為0.932、0.817和-0.886；S1層煙絲結(jié)構(gòu)與第二主成分呈正相關(guān)，且相關(guān)性較強。

綜上所述，不同檔次卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)存在差異，A牌號（低檔）卷煙中短碎絲（S6～S8）在主成分1中對煙絲結(jié)構(gòu)主要起負作用，中長絲（S3～S4）對其主要起正作用；B牌號（中檔）卷煙中主要是中長絲（S3～S4）所起作用較大，同時碎絲（S7～S8）對其也有一定負作用；對C牌號（高檔）卷煙煙絲結(jié)構(gòu)起主要作用的是中絲（S4～S5），其比例越大，煙絲結(jié)構(gòu)越好。

2. 2 不同檔次卷煙煙絲結(jié)構(gòu)與物理指標的相關(guān)性分析結(jié)果

由表7可知，A牌號卷煙S3層的煙絲與單支重量、單支重量標準偏差呈極顯著正相關(guān)（P<0.01，下同），與吸阻標準偏差、硬度呈顯著正相關(guān)（P<0.05，下同）；S4層煙絲與吸阻標準偏差呈顯著正相關(guān)；S6層煙絲與吸阻標準偏差呈顯著負相關(guān)；S7～S8層煙絲與單支重量呈顯著負相關(guān)；而S1～S2及S5層煙絲與所有物理指標均無顯著相關(guān)（P>0.05）。S3層煙絲結(jié)構(gòu)與單支重量、吸阻標準偏差和硬度均具有不同程度的相關(guān)性，且S3層屬于主成分1，載荷值較大，因此對A牌號卷煙物理質(zhì)量影響最大的煙絲結(jié)構(gòu)尺寸分布為3.35～4.75 mm。

由表8可知，B牌號卷煙S3層煙絲與端部落絲量呈極顯著正相關(guān)；S4層煙絲與單支重量標準偏差呈顯著正相關(guān)，與端部落絲量呈極顯著負相關(guān)，與含末率呈顯著負相關(guān)；S5層煙絲與單支重量、吸阻及含末率均呈顯著負相關(guān)；S6層煙絲與端部落絲量呈顯著負相關(guān)；S7～S8層煙絲與吸阻標準偏差、硬度、含末率均呈顯著正相關(guān)?？梢?，S4層煙絲對單支重量標準偏差、端部落絲量和含末率等多個物理指標有較大影響；S7～S8層煙絲也是主要影響含末率。

由表9可知，C牌號卷煙S1～S2層煙絲對硬度、硬度標準偏差和含末率影響顯著，且與硬度標準偏差、含末率呈顯著負相關(guān)；S4層煙絲與單支重量呈極顯著正相關(guān)，與吸阻呈顯著正相關(guān)；S5層煙絲與圓周呈顯著負相關(guān)；S6層煙絲與硬度標準偏差呈極顯著正相關(guān)，與端部落絲量、含末率呈顯著正相關(guān)。表明S1～S2層煙絲結(jié)構(gòu)對硬度有良好的促進作用，應(yīng)增大其比率；而S6層煙絲結(jié)構(gòu)對部分物理指標有較大負作用，且S1、S2和S6層均屬于主成分2，載荷值較大，因此對C牌號卷煙物理質(zhì)量影響最大的煙絲結(jié)構(gòu)尺寸分布為≥4.75 mm與1.00～2.00 mm。

3 討論

在以往的研究中，鮮有針對不同檔次卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)及物理指標的影響進行研究。堵勁松等（2008）對1種配方葉絲和3種配方煙絲的煙絲結(jié)構(gòu)及卷制后的物理指標進行灰色關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果表明，存在一特定長度煙絲與物理指標有極高的相關(guān)性。該研究以人為控制不同配比煙絲結(jié)構(gòu)為研究對象，未對現(xiàn)有成品卷煙煙絲結(jié)構(gòu)進行針對性研究，不能為現(xiàn)有生產(chǎn)的卷煙制品提供參考。

本研究以不同檔次卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)和成品煙支的物理指標為研究對象，對不同檔次卷煙煙絲結(jié)構(gòu)進行主成分分析，結(jié)果表明，不同檔次卷煙的8層煙絲結(jié)構(gòu)均可簡化為兩個主成分，卷煙煙絲結(jié)構(gòu)的累積貢獻率分別為80.689%（低檔）、83.982%（中檔）和84.001%（高檔），均在80.000%以上，能夠代表原來8層煙絲結(jié)構(gòu)的絕大部分信息。同時，根據(jù)煙絲結(jié)構(gòu)比率層的載荷值可知該比例層與煙絲結(jié)構(gòu)的緊密程度，為研究煙絲結(jié)構(gòu)與物理指標間的關(guān)系提供參考。為進一步研究煙絲結(jié)構(gòu)與卷煙物理質(zhì)量的關(guān)系，將不同比例層的煙絲與物理指標進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，2.80～4.75 mm和≤2.00 mm的煙絲結(jié)構(gòu)對低檔卷煙品質(zhì)影響較大，其中2.80～4.75 mm（S3～S4層）居于主成分1，其煙絲結(jié)構(gòu)比例越大對中低檔卷煙品質(zhì)貢獻越大，而≤2.00 mm（S6～S8層）煙絲結(jié)構(gòu)比例對中低檔卷煙品質(zhì)影響起負作用；2.00～3.35 mm和≤1.00 mm的煙絲結(jié)構(gòu)對中高檔卷煙品質(zhì)影響較大，其中2.00～3.35 mm（S4～S5層）煙絲結(jié)構(gòu)比例越高，對中、高檔卷煙品質(zhì)貢獻越大，而主成分1中≤1.00 mm（S7～S8層）煙絲結(jié)構(gòu)比例對中、高檔卷煙品質(zhì)影響起負作用。

對于低檔卷煙，由于梗絲及再造煙葉比例較高，在卷煙生產(chǎn)中為提高卷煙品質(zhì)，應(yīng)提升中長絲比率，減少碎絲比率，使其煙絲結(jié)構(gòu)更加合理，煙支整體質(zhì)量有所改善；但對于中高檔卷煙，葉絲與膨脹絲比例較高，應(yīng)從控制長絲入手，降低長絲對整體卷煙品質(zhì)造成的負面影響，生產(chǎn)中可設(shè)置截斷裝置來改進此問題。本研究結(jié)果為實現(xiàn)不同檔次卷煙生產(chǎn)中有針對性的優(yōu)化煙絲結(jié)構(gòu)以提高質(zhì)量及其穩(wěn)定性提供參考。

4 結(jié)論

不同檔次卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)分布存在差異，煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙物理質(zhì)量的影響也不同；在實際生產(chǎn)中，卷煙企業(yè)可針對性地優(yōu)化不同檔次卷煙煙絲結(jié)構(gòu)，以提高卷煙質(zhì)量及其穩(wěn)定性。對于低檔卷煙，可提升中長絲比率，減少碎絲比率；對于中、高檔卷煙，可控制長絲比率，降低長絲對整體卷煙品質(zhì)造成的負面影響。

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（責(zé)任編輯 羅 麗）