接裝紙透氣度及煙絲結(jié)構(gòu)對細(xì)支卷煙逐口吸阻波動(dòng)的影響

喻賽波，王詩太，金 勇，范紅梅，陳 潛，譚海風(fēng)，劉 琦，李 克，譚 超

湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，長沙市勞動(dòng)中路386號 410007

細(xì)支卷煙由于煙支直徑小，煙絲易卷曲成團(tuán)，混合均勻度低從而導(dǎo)致其品質(zhì)穩(wěn)定性不高，卷煙吸阻及感官質(zhì)量波動(dòng)較大［1］?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對煙支吸阻穩(wěn)定性的研究大多是在煙支未點(diǎn)燃的靜態(tài)條件下進(jìn)行的［2-5］。而煙支被點(diǎn)燃后抽吸過程中的逐口吸阻會(huì)帶給消費(fèi)者更加直觀的感受。關(guān)于卷煙燃吸過程中的吸阻研究，國內(nèi)外都有文獻(xiàn)報(bào)道。早在1975年Baker［6］對恒流抽吸過程中點(diǎn)燃的煙支吸阻變化、不含燃燒錐部分的煙支吸阻、熄滅前后的煙支吸阻等進(jìn)行了研究。Colard［7］研發(fā)了一種能夠測定卷煙抽吸過程中吸阻的裝置，并考察了死體積、劍橋?yàn)V片等對吸阻帶來的影響。朱懷遠(yuǎn)等［8］設(shè)計(jì)了一套實(shí)時(shí)測定卷煙抽吸期間壓降連續(xù)變化行為的系統(tǒng)，研究了逐口區(qū)帶壓降的變化規(guī)律與區(qū)帶溫度、逐口煙氣常規(guī)成分釋放量之間的關(guān)系。劉歡等［9］自行研制出卷煙燃燒動(dòng)態(tài)吸阻裝置，測試了肯塔基參比卷煙3R4F在不同抽吸模式下的動(dòng)態(tài)吸阻，并探討了動(dòng)態(tài)吸阻與煙支密度之間的關(guān)系。

煙支吸阻的文獻(xiàn)中關(guān)于逐口吸阻波動(dòng)的報(bào)道較少。逐口吸阻變化的幅度決定了煙支抽吸過程中感官體驗(yàn)上的前后一致程度，波動(dòng)小則抽吸平穩(wěn)流暢，感官上更舒適。因此探尋細(xì)支卷煙逐口吸阻波動(dòng)的影響因素以及如何減少逐口吸阻波動(dòng)將有利于提升產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)?；诖?，研究了接裝紙透氣度、煙絲結(jié)構(gòu)對細(xì)支卷煙燃吸期間逐口吸阻波動(dòng)的影響，旨在尋找降低細(xì)支卷煙逐口吸阻波動(dòng)、改善抽吸體驗(yàn)的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備與儀器

實(shí)驗(yàn)對象為試制的細(xì)支卷煙，包括：5個(gè)不同透氣度（0、100、300、500、1 000 CU）接裝紙樣品煙，編號依次為A~E；2個(gè)不同平準(zhǔn)器（六槽平準(zhǔn)器和全平平準(zhǔn)器）樣品煙；15個(gè)煙絲結(jié)構(gòu)樣品煙，編號為1#~15#。所有卷煙樣品均在湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司細(xì)支卷煙生產(chǎn)車間現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備上進(jìn)行卷制，生產(chǎn)工藝參數(shù)和卷煙原輔材料均與“天天向上”牌號細(xì)支卷煙相同（特別指出除外）。

XP404S電子分析天平（感量：0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；QUANTUM卷煙/濾棒物理綜合測試臺（英國Cerulean公司）；YQ-2型煙絲結(jié)構(gòu)振動(dòng)分選篩（中國煙草總公司鄭州煙草研究院）；SM450直線型吸煙機(jī)（英國Cerulean公司）；逐口吸阻檢測裝置（自行研發(fā)）；MW3220型微波密度水分分析儀（德國TEWS公司）；煙絲尺寸檢測儀（深圳市鷹眼在線電子科技有限公司）。

逐口吸阻檢測裝置參照文獻(xiàn)［7］中描述的原理搭建，圖1為裝置核心部分（微壓差傳感器、數(shù)據(jù)采集及信號轉(zhuǎn)換器）實(shí)物圖以及整套系統(tǒng)示意圖，數(shù)據(jù)采集頻率為5次/s。

1.2 卷煙樣品制備

1.2.1 不同透氣度接裝紙樣品制備

圖1 逐口吸阻檢測裝置實(shí)物與示意圖Fig.1 Picture and schematic diagram of puff-by-puff draw resistance measuring system

采用長沙鶴祥包裝材料有限公司提供的接裝紙樣品，透氣度分別為：0、100、300、500、1 000 CU（0 CU未打孔，其余4種為預(yù)打孔），按湖南中煙的“天天向上”牌號細(xì)支卷煙工藝參數(shù)試制。

1.2.2 平準(zhǔn)器樣品的制備

不同平準(zhǔn)器樣品通過更換不同型號的平準(zhǔn)器試制。六槽平準(zhǔn)器有6個(gè)均勻分布的相同的槽，每個(gè)槽的寬度為16 mm，深度為2.5 mm。全平平準(zhǔn)器上沒有槽，試制出的煙支煙絲分布相對均勻。

1.2.3 煙絲結(jié)構(gòu)樣品的制備

采用 YC/T 178—2003［10］規(guī)定的方法，從篩網(wǎng)出口收集箱收集分離后的“天天向上”牌號細(xì)支卷煙配方煙絲。將3.35、2.50、1.00 mm篩網(wǎng)上的煙絲分別作為長絲、中絲、短絲。將長中短絲按照預(yù)設(shè)的15種比例混合均勻后卷接成煙支，得到不同煙絲結(jié)構(gòu)的15個(gè)樣品。由于卷接過程中煙絲造碎不可避免，實(shí)際比例已不再是預(yù)設(shè)比例，需要重新測定。剖開煙支收集煙絲，按YC/T 178—2003［10］測定，結(jié)果見表1。

1.3 煙絲尺寸測定

每個(gè)細(xì)支煙樣品取3支，將3支卷煙的煙絲同時(shí)置入煙絲尺寸檢測儀中進(jìn)行檢測。在壓縮空氣的作用力下，煙絲分散懸浮于水中并從高速相機(jī)鏡頭下的透明管道通過。每個(gè)樣品拍攝1 000幀圖片，由機(jī)器視覺系統(tǒng)識別計(jì)算每一根捕捉到的煙絲影像的長度、平均寬度。

表1 不同煙絲結(jié)構(gòu)樣品的長中短絲實(shí)際比例①Tab.1 Proportions of long,medium and short strands in samples with different cut tobacco structure（%）

1.4 逐口吸阻檢測

所有煙支樣品均按照 GB/T 16447—2004［11］規(guī)定的溫濕度條件進(jìn)行平衡、檢測。實(shí)驗(yàn)過程中吸煙機(jī)選擇ISO標(biāo)準(zhǔn)抽吸模式。用4種煙草專用吸阻標(biāo)準(zhǔn)棒考察逐口吸阻檢測裝置的重復(fù)性，標(biāo)稱值分別為 495、974、3 893、3 909 Pa。采用逐口吸阻檢測裝置自動(dòng)連續(xù)采集煙支靜燃以及抽吸過程中的吸阻。

2 結(jié)果與討論

2.1 逐口吸阻檢測裝置的重復(fù)性

4種煙草專用吸阻標(biāo)準(zhǔn)濾棒各測出20組ISO吸阻峰值，計(jì)算出平均值及變異系數(shù)，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，ISO抽吸模式下吸阻峰值的變異系數(shù)均小于1%，說明自行研發(fā)的逐口吸阻檢測裝置重復(fù)性好。

2.2 接裝紙透氣度對逐口吸阻的影響

2.2.1 不同透氣度接裝紙樣品的逐口吸阻

0、100、300、500、1 000 CU透氣度接裝紙所制卷煙樣品（編號依次為A~E）的逐口吸阻測量結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，在保證最后一口燃燒線距離接裝紙不小于3 mm的前提下，A、B最大抽吸口數(shù)為5口，C、D、E最大抽吸口數(shù)為6口。5個(gè)樣品均表現(xiàn)出前兩口吸阻大，第3、4口有所變小，最后1口吸阻又增大的趨勢。這可能由于試制煙所用的六槽平準(zhǔn)器使煙絲分布呈松緊頭（即中間松兩頭緊）導(dǎo)致［12］。樣品A、B、C吸阻均值最低的是第4口，樣品D、E的是第5口，這是由于燃吸速率隨接裝紙透氣度上升而降低造成的。接裝紙透氣度小的樣品，抽吸到第3、4口時(shí)，燃燒線移到了煙絲填充量最少的煙支中部，而接裝紙透氣度大的樣品則需要抽吸4、5口時(shí)燃燒線才能移到相同位置。

表2 4種標(biāo)準(zhǔn)濾棒的吸阻峰值和變異系數(shù)Tab.2 Peak value and coefficient of variation of draw resistance of 4 kind standard filter rods

圖2 不同透氣度接裝紙樣品煙支的逐口吸阻Fig.2 Puff-by-puff draw resistance of cigarettes with different tipping paper permeability

2.2.2 不同平準(zhǔn)器樣品的逐口吸阻

比較圖3的兩個(gè)樣品可以發(fā)現(xiàn)，六槽平準(zhǔn)器樣品的第1、2口吸阻稍高于全平平準(zhǔn)器樣品，第3、4口稍低，第5口差別不大。這說明松緊頭對吸阻波動(dòng)的影響存在但并不明顯。第3、4口吸阻比第1、2口的低的原因是煙支燃燒變短，第5口的吸阻因焦油沉積轉(zhuǎn)而上升?？傮w來說，煙絲段的松緊頭、長度變化、焦油沉積的共同作用造成了起始和末尾吸阻高，中間吸阻低。

2.2.3 接裝紙透氣度對吸阻波動(dòng)的影響

圖3 不同平準(zhǔn)器樣品的逐口吸阻（實(shí)線）及煙支密度（虛線）Fig.3 Puff-by-puff draw resistance(full line)and tobacco rod density(dotted line)of samples from different ecreteurs

煙絲段變化造成的逐口吸阻波動(dòng)可以通過加大接裝紙透氣度來改善。由表3可知，隨著打孔接裝紙的透氣度升高，逐口吸阻間的極差和變異系數(shù)均呈減小趨勢。這是因?yàn)榻友b紙打孔的樣品抽吸時(shí)一部分氣流從打的孔進(jìn)入，孔的總面積越大則流經(jīng)煙絲段的氣流越少，煙絲段氣流在17.5 mL/s的總抽吸容量中的占比就越小，逐口吸阻波動(dòng)也越小。實(shí)際生產(chǎn)中如考慮提高接裝紙透氣度以減小逐口吸阻波動(dòng)，一般不會(huì)大幅調(diào)整以免吸味改變過大。而小幅調(diào)整時(shí)應(yīng)注意預(yù)打孔接裝紙自身透氣度的穩(wěn)定性，若穩(wěn)定性不好則可能削減接裝紙透氣度對逐口吸阻波動(dòng)的減小作用。

表3 不同透氣度接裝紙樣品的煙支吸阻及波動(dòng)Tab.3 Draw resistance and its fluctuation of cigarettes with different tipping paper permeability

2.3 煙絲結(jié)構(gòu)對逐口吸阻的影響

2.3.1 不同煙絲結(jié)構(gòu)樣品的逐口吸阻波動(dòng)

為了能夠直觀比較各個(gè)樣品之間的差異，防止數(shù)據(jù)在小區(qū)域內(nèi)密集的偏態(tài)分布，采用最小-最大值法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使結(jié)果映射到［0,1］的區(qū)間［13］。歸一化處理后的不同煙絲結(jié)構(gòu)樣品的逐口吸阻變異系數(shù)結(jié)果見圖4，圖中小球的體積反映因變量變異系數(shù)的大小，其中12#樣品因歸一化后數(shù)據(jù)成為0所以相應(yīng)位置為空?？梢钥闯?，填充煙支的煙絲所含短絲比例越高，逐口吸阻的變異系數(shù)越小，典型代表是8#、12#、14#、15#樣品。填充煙支的煙絲所含中長絲比例越高，逐口吸阻的變異系數(shù)越大，典型代表是1#、2#、3#、4#、7#樣品。

圖4 歸一化處理后的不同煙絲結(jié)構(gòu)樣品的逐口吸阻變異系數(shù)（%）Fig.4 Coefficient of variation of draw resistance of samples with different cut tobacco structure after normalization

2.3.2 較大狹長絲含量與逐口吸阻波動(dòng)的關(guān)系

圖5是煙絲尺寸檢測儀捕捉到的煙絲影像。較大狹長絲（圖5A）是長寬比大于6且寬度大于每根煙絲寬度平均值的煙絲，呈狹長形狀，明顯異于其他普通煙絲（圖5B），其含量對煙絲尺寸均勻性的影響較大。

歸一化處理后不同煙絲結(jié)構(gòu)樣品中較大狹長絲的百分含量結(jié)果見圖6。從圖中能夠看出，較大狹長絲在中長絲比例高的樣品中百分含量高，而在短絲比例高的樣品中百分含量低。試制的樣品使用的是同一批煙絲，切絲寬度受控，不會(huì)有特別大的煙絲寬度變動(dòng)［14］，因此尺寸差異更多的是體現(xiàn)在長度上。

圖5 煙絲尺寸檢測儀捕捉到的煙絲影像Fig.5 Images of strands captured by cut tobacco size measuring instrument

圖6 不同煙絲結(jié)構(gòu)樣品中較大狹長絲的百分含量（%）Fig.6 Percentage of longer strand in samples with different cut tobacco structure

圖4 和圖6的變化趨勢相似，以短絲比例最高的樣品小球?yàn)閰⒄拯c(diǎn)，距離參照點(diǎn)越遠(yuǎn)的小球體積越大。15個(gè)樣品中較大狹長絲含量最低為3.7%，最高為13.6%。如果一個(gè)樣品的較大狹長絲比例高，一方面會(huì)造成煙絲尺寸的不均勻，另一方面因其填充支撐能力更強(qiáng)，煙絲之間形成的間隙更大，使得煙絲填充均勻性差，煙支燃吸到不同位置時(shí)容易出現(xiàn)吸阻的波動(dòng)。為進(jìn)一步了解較大狹長絲的含量對逐口吸阻波動(dòng)的影響，對二者進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見圖7。相關(guān)系數(shù)顯著性的F檢驗(yàn)表明：逐口吸阻變異系數(shù)與較大狹長絲含量相關(guān)系數(shù)的 F=58.9>F0.05（1，14）=4.6，說明二者顯著相關(guān)，皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.91。

圖7 較大狹長絲含量與逐口吸阻變異系數(shù)的相關(guān)性Fig.7 Correlation between longer strand percentage and coefficient of variation of puff?by?puff draw resistance

3 結(jié)論

接裝紙透氣度對逐口吸阻的影響是：打孔接裝紙能夠減小細(xì)支卷煙燃吸過程中逐口吸阻的波動(dòng)，并且接裝紙透氣度越高，逐口吸阻的波動(dòng)越小。

煙絲結(jié)構(gòu)對逐口吸阻的影響是：①短絲比例高時(shí)逐口吸阻波動(dòng)小，中長絲比例高時(shí)逐口吸阻波動(dòng)大。②長寬比大于6且寬度大于全部寬度數(shù)據(jù)平均值的較大狹長絲在中長絲比例高的樣品中百分含量高，而在短絲比例高的樣品中百分含量低。較大狹長絲一方面會(huì)造成煙絲尺寸不均勻，另一方面會(huì)使得煙絲填充均勻性差。③逐口吸阻變異系數(shù)與較大狹長絲含量相關(guān)系數(shù)F檢驗(yàn)達(dá)到了顯著水平，皮爾森相關(guān)系數(shù)0.91。減少煙絲中較大狹長絲的含量是實(shí)現(xiàn)逐口吸阻波動(dòng)降低的一個(gè)途徑。