煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)對(duì)卷煙包灰性能的影響

許艷冉，劉舒暢，穆林，惠建權(quán)*，王建民，李歡，常冰冰

1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)科學(xué)大道136號(hào)450001

2.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴陽(yáng)市小河區(qū)開(kāi)發(fā)大道96號(hào)550009

隨著國(guó)內(nèi)外煙草行業(yè)的不斷發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)卷煙的包灰效果極為重視，卷煙作為一種特殊的消費(fèi)品，人們對(duì)其品質(zhì)的要求越來(lái)越高。卷煙包灰性能是衡量卷煙綜合品質(zhì)的重要方面，包灰性能的好壞直接影響消費(fèi)者的抽吸體驗(yàn)，因此，改善卷煙的包灰性能進(jìn)而提高其檔次感日益受到關(guān)注。大量研究表明影響卷煙包灰性能的因素主要包括卷煙紙參數(shù)如定量［1-4］、透氣度［2-6］、螺紋方式［1］、抗張強(qiáng)度［7］等，以及煙絲特性如切絲寬度［4,8］、葉組配方中三絲摻配比例等。此外，通過(guò)添加卷煙紙助劑［1,9-13］也能明顯改善卷煙包灰性能。綜上所述，針對(duì)特定煙絲合理搭配卷煙紙是改善卷煙包灰性能的主要途徑。另一方面，包灰性能的優(yōu)劣是卷煙燃燒的結(jié)果，必然會(huì)受到卷煙卷制特性如卷煙機(jī)參數(shù)的影響，但相關(guān)研究則少見(jiàn)報(bào)道。因此，以切絲寬度、煙絲含水率及卷煙機(jī)參數(shù)（風(fēng)室正壓、風(fēng)室負(fù)壓、回絲量、二次剔梗量、平準(zhǔn)器凹槽寬度及深度）為試驗(yàn)因素，采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)、回歸分析等方法，系統(tǒng)研究煙絲、卷煙機(jī)參數(shù)對(duì)卷煙包灰性能的影響規(guī)律，旨在為改善和控制卷煙包灰性能提供方法支撐和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供的由不同煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)卷制的12種國(guó)酒香品牌卷煙。

卷煙包灰性能測(cè)試箱（自行設(shè)計(jì)并搭建）［14］；KBF240恒溫恒濕箱（德國(guó)Binder公司）；佳能EOS70D數(shù)碼相機(jī)［佳能（中國(guó)）有限公司］；WSB-X型智能白度測(cè)定儀（杭州大吉光電儀器有限公司）。

軟 件：Image J和Adobe Photoshop CC2017圖像分析軟件；SPSS數(shù)據(jù)分析軟件。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)方案及樣品制備

選擇煙絲含水率、切絲寬度、平準(zhǔn)器凹槽深度及寬度（簡(jiǎn)稱槽深和槽寬）、風(fēng)室正壓及負(fù)壓、回絲量、二次剔梗量等8項(xiàng)煙絲及卷煙機(jī)參數(shù)，每項(xiàng)指標(biāo)取3個(gè)水平、采用均勻設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)12個(gè)參數(shù)組合，見(jiàn)表1。在同一臺(tái)卷煙機(jī)上、使用相同材料、卷制相同規(guī)格及單支質(zhì)量的卷煙樣品。按照試驗(yàn)方案更換煙絲、平準(zhǔn)器、調(diào)節(jié)卷煙機(jī)參數(shù)，待設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)后取樣待測(cè)。

表1均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Tab.1 Uniform test design table

1.2.2 試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)定方法

選擇包灰值、灰度值、白度值、錐高、碳化圈寬度5項(xiàng)指標(biāo)。其中包灰值、灰度值、碳化圈寬度為望小型指標(biāo)，白度值為望大型指標(biāo)，錐高為望目型指標(biāo)［15］。

包灰值、灰度值、白度值、錐高分別參考文獻(xiàn)［14，16-18］的方法測(cè)定。

碳化圈寬度測(cè)定方法如下：如圖1所示，將所采集的卷煙燃燒錐圖片輸入電腦，啟動(dòng)Image J圖像處理軟件。使用Open（打開(kāi)）功能打開(kāi)需要處理的圖片，使用Straight Light（直線選?。┕ぞ咴O(shè)置比例。使用Rectangular Selections（矩形選框）工具選取碳化圈區(qū)域并復(fù)制圖片，寬度和高度分別為1.85和0.94 mm。使用Split Channels（分開(kāi)色頻）功能對(duì)碳化圈圖片分離三原色，并選擇分離后的Blue（藍(lán)色）基色。使用Adjust Threshold（調(diào)節(jié)閾值）功能使區(qū)域內(nèi)黑色碳化圈部分盡可能顯色并應(yīng)用。運(yùn)行Plugins（插件）功能打開(kāi)已安裝的Macros（宏），并計(jì)算碳化圈的黑白比例，其中Percent White（白色所占比例）即為碳化圈寬度，單位%。

2 結(jié)果與分析

圖1碳化圈寬度計(jì)算結(jié)果示意圖Fig.1 Schematic diagram to illustrate the method to calculate carbonation ring width

2.1 均勻試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析

不同煙絲和卷制參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2?？芍抑?、灰度值、白度值、錐高和碳化圈寬度的平均值分別在1.901～3.339、0.328～0.379、35.7～37.0、8.731～10.022 mm和18.828%～24.547%之間，重復(fù)測(cè)定結(jié)果的RSD分別在11.71%～23.45%、2.58%～9.14%、0.27%～1.29%、3.2%～9.2%和6.15%～18.15%之間。其中包灰值、碳化圈寬度的RSD整體偏高，這與該項(xiàng)指標(biāo)自身穩(wěn)定性較差有關(guān)［14］。包灰值、灰度值、白度值、錐高和碳化圈寬度的變化幅度分別為43.1%、13.5%、2.5%、16.5%和24.5%?？梢?jiàn)煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)組合對(duì)各項(xiàng)包灰性能指標(biāo)均有一定影響，且對(duì)包灰值和碳化圈寬度的影響最大。

表2均勻試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Uniform test results

直觀分析可以看出，8#樣品的包灰值最低、灰度值中等偏低、白度值最高、錐高適中、碳化圈寬度最窄，綜合包灰性能最好，對(duì)應(yīng)的參數(shù)組合為煙絲含水率12.6%、切絲寬度0.8 mm、平準(zhǔn)器凹槽深度2.8 mm、寬度24 mm、風(fēng)室正壓10 kPa、負(fù)壓105 kPa、回絲量30%、二次剔梗量65 g/min。

2.2 均勻試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析

2.2.1 回歸模型概述

分別以包灰值、灰度值、白度值、錐高和碳化圈寬度為因變量，以煙絲含水率（x1）、切絲寬度（x2）、槽深（x3）、槽寬（x4）、風(fēng)室正壓（x5）、風(fēng)室負(fù)壓（x6）、回絲量（x7）、二次剔梗量（x8）為自變量進(jìn)行多元回歸分析，結(jié)果表明5項(xiàng)指標(biāo)回歸模型的方差檢驗(yàn)結(jié)果均為極顯著，P值分別為0.000、0.001、0.000、0.002、0.000，決定系數(shù)分別為0.980、0.971、0.998、0.962、0.995。

各項(xiàng)指標(biāo)回歸模型的回歸系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果如表3～表7所示。由表可知，①切絲寬度、平準(zhǔn)器凹槽寬度、風(fēng)室正壓及負(fù)壓對(duì)5項(xiàng)指標(biāo)均有顯著影響。②煙絲含水率對(duì)灰度值、白度值、錐高3項(xiàng)指標(biāo)有顯著影響，回絲量對(duì)包灰值、白度值、碳化圈寬度3項(xiàng)指標(biāo)有顯著影響，槽深對(duì)包灰值和錐高有顯著影響，二次剔梗量?jī)H對(duì)白度值有顯著影響。③由標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)可知，槽深、槽寬及槽深與回絲量的交互作用對(duì)包灰值的影響較大；風(fēng)室正壓及其與風(fēng)室負(fù)壓的交互作用對(duì)灰度值的影響較大；風(fēng)室負(fù)壓與回絲量、槽寬的交互作用對(duì)白度值的影響較大；風(fēng)室正壓及其與槽寬的交互作用對(duì)錐高、碳化圈寬度的影響較大。

總的來(lái)說(shuō)，所涉及的煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)對(duì)卷煙包灰性能不僅影響大且影響機(jī)理十分復(fù)雜：一是參數(shù)間存在復(fù)雜的交互作用；二是各參數(shù)對(duì)不同指標(biāo)的影響程度不同。

表3包灰值回歸系數(shù)檢驗(yàn)表Tab.3 Regression coefficient checklistfor ash integrity value

表4灰度值回歸系數(shù)檢驗(yàn)表Tab.4 Regression coefficient checklist for grayness value

表5白度值回歸系數(shù)檢驗(yàn)表Tab.5 Regression coefficient checklist for whiteness value

表6錐高回歸系數(shù)檢驗(yàn)表Tab.6 Regression coefficient checklist for cone height

表7碳化圈寬度回歸系數(shù)檢驗(yàn)表Tab.7 Regression coefficient checklist for carbonization ring width

2.2.2 交互作用及影響趨勢(shì)分析

2.2.2.1 包灰值

由包灰值回歸模型可知，顯著影響因素包括切絲寬度、槽深、槽寬、風(fēng)室正壓、風(fēng)室負(fù)壓和回絲量，其中槽寬與切絲寬度、槽寬與風(fēng)室正壓、槽寬與風(fēng)室負(fù)壓、槽深與回絲量之間存在交互作用。如圖2所示，隨著槽寬、槽深增加包灰值降低，隨著切絲寬度、風(fēng)室正壓、風(fēng)室負(fù)壓和回絲量增加包灰值升高。

當(dāng)切絲寬度、槽寬、槽深、風(fēng)室正壓、風(fēng)室負(fù)壓和回絲量分別取0.8 mm、3.0 mm、24 mm、6 kPa、90 kPa和30%時(shí)包灰值最低。

圖2煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)對(duì)包灰值的交互影響Fig.2 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on ash integrity value

2.2.2.2灰度值

由灰度值回歸模型可知，顯著影響因素包括煙絲含水率、切絲寬度、槽寬、風(fēng)室正壓、風(fēng)室負(fù)壓，其中煙絲含水率與切絲寬度、煙絲含水率與槽寬、煙絲含水率與風(fēng)室負(fù)壓、風(fēng)室正壓與風(fēng)室負(fù)壓間存在交互作用。如圖3所示，隨著煙絲含水率增加灰度值升高，隨著切絲寬度增加灰度值先降低后升高。風(fēng)室正壓與風(fēng)室負(fù)壓之間的交互作用較強(qiáng)烈，致使風(fēng)室正壓和負(fù)壓對(duì)灰度值的影響趨勢(shì)因交互作用因子的取值變化而變化。

當(dāng)煙絲含水率、切絲寬度、槽寬、風(fēng)室正壓和風(fēng)室負(fù)壓分別取11.8%、1.0 mm、24 mm、10 kPa、120 kPa時(shí)灰度值最低。

圖3煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)對(duì)灰度值的交互影響Fig.3 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on grayness value

2.2.2.3 白度值

由白度值回歸模型可知，顯著影響因素包括煙絲含水率、切絲寬度、槽寬、風(fēng)室正壓、風(fēng)室負(fù)壓、回絲量，其中煙絲含水率與回絲量、風(fēng)室負(fù)壓與回絲量、槽寬與風(fēng)室負(fù)壓、槽寬與切絲寬度、切絲寬度與風(fēng)室正壓間存在交互作用。如圖4所示，隨煙絲含水率、槽寬、風(fēng)室正壓、回絲量增加白度值升高，隨切絲寬度、風(fēng)室負(fù)壓增加白度值降低。

當(dāng)煙絲含水率、切絲寬度、槽寬、風(fēng)室正壓、風(fēng)室負(fù)壓、回絲量、二次剔梗量分別取12.6%、0.8 mm、24 mm、10 kPa、90 kPa、40%、40 g/min時(shí)白度值最高。

圖4煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)對(duì)白度值的交互影響Fig.4 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on whiteness value

2.2.2.4 錐高

由錐高回歸模型可知，顯著影響因素包括煙絲含水率、切絲寬度、槽深、槽寬、風(fēng)室正壓和風(fēng)室負(fù)壓，其中煙絲含水率與切絲寬度、槽深與槽寬、風(fēng)室正壓與槽寬、風(fēng)室負(fù)壓與槽寬間存在交互作用。如圖5所示，隨著煙絲含水率、切絲寬度、槽深、風(fēng)室負(fù)壓增加錐高降低，槽寬和風(fēng)室正壓、槽寬與槽深之間的交互作用較強(qiáng)烈。

當(dāng)煙絲含水率、切絲寬度、槽深、槽寬、風(fēng)室正壓和風(fēng)室負(fù)壓分別取12.6%、1.2 mm、3 mm、24 mm、10 kPa、120 kPa時(shí)錐高最低。

2.2.2.5 碳化圈寬度

由碳化圈寬度回歸模型可知，顯著影響因素包括切絲寬度、槽寬、風(fēng)室正壓、風(fēng)室負(fù)壓和回絲量，其中切絲寬度與槽寬、切絲寬度與風(fēng)室正壓、切絲寬度與回絲量、槽寬與風(fēng)室正壓、風(fēng)室負(fù)壓與回絲量間存在交互作用。如圖6所示，隨著切絲寬度、槽寬、風(fēng)室正壓回絲量增加碳化圈寬度變窄，隨著風(fēng)室負(fù)壓增加碳化圈寬度變寬。

圖5煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)對(duì)錐高的交互影響Fig.5 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on cone height

當(dāng)切絲寬度、槽寬、風(fēng)室正壓、風(fēng)室負(fù)壓和回絲量分別取1.2 mm、24 mm、10 kPa、90 kPa、40%時(shí)碳化圈寬度最窄。

圖6煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)對(duì)碳化圈寬度的交互影響Fig.6 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on carbonization ring width

綜上可知，除槽深、槽寬和二次剔梗量外，其他參數(shù)取值均因指標(biāo)不同存在矛盾之處，因此對(duì)煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)需要綜合平衡不同指標(biāo)的要求。

2.3 最優(yōu)參數(shù)組合的遴選方法

由于不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)組合不一致，需要進(jìn)行綜合平衡。為此，可以利用所建回歸模型求煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)所有組合（8因素，3水平共38=6 561個(gè)）的各項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測(cè)值，然后按照綜合優(yōu)化目標(biāo)從中遴選最優(yōu)組合。

如表8所示，各項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測(cè)值的取值范圍均包含了表2中12個(gè)試驗(yàn)樣品的取值范圍，且均值接近，說(shuō)明根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立的回歸方程能夠較好地反映試驗(yàn)范圍內(nèi)煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)組合對(duì)包灰性能的實(shí)際影響情況，并一定程度反映了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性?；谌M合預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行的指標(biāo)間的相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表9，許多指標(biāo)間存在極顯著相關(guān)性，且某些指標(biāo)間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可以解釋為什么不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)組合不一致。

已知包灰值、灰度值、碳化圈寬度為望小型指標(biāo)，白度值為望大型指標(biāo)，錐高為望目型指標(biāo)，以表2中8#組合各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值為基準(zhǔn)預(yù)設(shè)各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)化目標(biāo)，即包灰值≤2.0、灰度值≤0.35、碳化圈寬度≤19%、白度值≥37、錐高介于8.5～9.5 mm。按照上述優(yōu)化目標(biāo)從6 561個(gè)全組合中依次刪除不符合要求的組合，最終得到3個(gè)同時(shí)滿足各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)要求的組合，如表10所示。表10中同時(shí)列出了8#組合各項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)值，可以看出進(jìn)一步優(yōu)選出的3套參數(shù)組合與8#組合基本一致，各項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)結(jié)果也很接近，因此，考慮到選用8#組合時(shí)無(wú)需重新加工平準(zhǔn)器，因此可將該組合作為改善卷煙包灰性能的最優(yōu)參數(shù)組合。

表8全組合預(yù)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)表Tab.8 Statistical table of prediction results of the whole combination

表9指標(biāo)間的相關(guān)性分析結(jié)果①Tab.9 Results of correlation analysis between the five indicators

表10煙絲和卷煙機(jī)最優(yōu)參數(shù)組合Tab.10 Optimal parameter combination of cut tobacco and cigarette maker

需要指出的是，隨著煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)的改變煙支內(nèi)煙絲的分布必然會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這不僅會(huì)影響卷煙的包灰性能，必然也會(huì)影響卷煙的燃燒錐、端部落絲量以及焦油等煙氣成分的釋放量。因此，上述研究結(jié)果僅是針對(duì)包灰性能而言的，實(shí)際進(jìn)行煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)優(yōu)化時(shí)還必須考慮上述指標(biāo)要求，方能體現(xiàn)“系統(tǒng)化設(shè)計(jì)”的思想。

3 結(jié)論

（1）煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)對(duì)包灰值、灰度值、白度值、錐高、碳化圈寬度的綜合影響均具有高度統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且決定系數(shù)均在95%以上，說(shuō)明通過(guò)煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)的優(yōu)化能明顯改善卷煙包灰性能。

（2）切絲寬度、平準(zhǔn)器凹槽寬度、風(fēng)室正壓和負(fù)壓對(duì)包灰值、灰度值、白度值、錐高、碳化圈寬度5項(xiàng)指標(biāo)均有顯著影響，是影響卷煙包灰性能的主要參數(shù)。其中平準(zhǔn)器凹槽寬度對(duì)各指標(biāo)的影響趨勢(shì)一致，適當(dāng)增加槽寬有利于改善綜合包灰性能。

（3）煙絲和卷煙機(jī)參數(shù)對(duì)不同包灰性能指標(biāo)影響的趨勢(shì)和程度不同，需要進(jìn)行綜合平衡。在對(duì)參數(shù)間全部組合預(yù)測(cè)值進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定了參數(shù)間的最優(yōu)組合為煙絲含水率12.6%、切絲寬度0.8 mm、平準(zhǔn)器凹槽深度2.8 mm、寬度24 mm、風(fēng)室正壓10 kPa、負(fù)壓105 kPa、回絲量30%、二次剔梗量65 g/min。