基于卷煙紙參數(shù)的卷煙靜態(tài)包灰綜合評價(jià)方法

楚文娟，崔建華，王建民，馮銀龍，田海英，紀(jì)曉楠，郭麗霞，魯 平*，董 浩

1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街8號450000

2.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)開發(fā)區(qū)科學(xué)大道136號450002

3.國家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)翠竹街6號450001

卷煙包灰性能是指卷煙燃燒過程中消費(fèi)者所感受的煙灰外觀視覺效果，是消費(fèi)者評價(jià)卷煙質(zhì)量、區(qū)別卷煙檔次的重要指標(biāo)［1］。近年來煙草行業(yè)致力于提升卷煙結(jié)構(gòu)，卷煙包灰性能越來越受到各卷煙工業(yè)企業(yè)的重視，并被列為開發(fā)中高檔卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量目標(biāo)。因此，改善卷煙包灰性能，提高消費(fèi)者滿意度，對于提升卷煙產(chǎn)品競爭優(yōu)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(shù)和葉組配方對卷煙包灰性能的影響，采用目測方法評價(jià)了包灰松緊度、外翻灰片數(shù)量、灰分顏色和灰面裂紋，結(jié)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(shù)的概念，研究結(jié)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(fā)現(xiàn)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(zhì)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(fā)現(xiàn)卷煙紙的灰分、助燃劑種類及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)、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(jī)拍照相結(jié)合的方法研究了卷煙紙參數(shù)對卷煙包灰性能的影響，結(jié)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(shù)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)卷煙紙的定量、羅紋方式、助燃劑種類與質(zhì)量分?jǐn)?shù)、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(fā)現(xiàn)卷煙紙的透氣度、定量、凝灰助劑、助燃劑含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、再造煙葉比例以及濾嘴長度等因素會對卷煙包灰效果產(chǎn)生影響。鄭豐等［10］采用層次分析法建立了定量評價(jià)卷煙包灰綜合性能的方法，并研究了卷煙紙參數(shù)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(biāo)，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(shè)備自動化程度較低，測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和客觀性存在一定問題。為此，基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)研究了卷煙紙透氣度等參數(shù)對卷煙靜態(tài)包灰性能的影響規(guī)律，旨在為改善卷煙包灰性能提供技術(shù)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(yè)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(shí)業(yè)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(shù)均相同，煙絲的配方和批次相同（河南中煙工業(yè)有限責(zé)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(xué)精密機(jī)械研究所聯(lián)合研制）；ZJ17卷接機(jī)組（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；GDX2包裝機(jī)組(意大利GD公司)。

1.2 方法

1.2.1 卷煙紙樣品設(shè)計(jì)與制備

基準(zhǔn)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(zhì)量/（檸檬酸鉀質(zhì)量+檸檬酸鈉質(zhì)量）×100%］，助燃劑含量為1.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），灰分為20%，包灰助劑為磷酸鹽且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%。按照每次只變化一個參數(shù)，其他參數(shù)固定的原則制備卷煙紙樣品（用于單因素實(shí)驗(yàn)），設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。再采用同一配方煙絲，使用同一卷包設(shè)備、同一組操作人員制備卷煙樣品。

表1 卷煙紙樣品的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of cigarette paper samples

1.2.2 卷煙紙參數(shù)測定

按照國家或煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［11-14］規(guī)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(shù)。

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(huán)境中平衡不少于48 h，然后按照平均質(zhì)量（20支卷煙總質(zhì)量/20）±0.02 g的標(biāo)準(zhǔn)篩選待測煙支。

1.2.4 檢測方法

采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，通過輪廓檢測、連通域形態(tài)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(shù)；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(nèi)的圖像，分別計(jì)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(jié)果，取20支卷煙的平均值作為最終測定結(jié)果。

1.2.5 靜態(tài)包灰指標(biāo)

（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(qū)域，獲取非裂口平均灰色值；按照標(biāo)準(zhǔn)白板的標(biāo)定系數(shù)對平均灰色值進(jìn)行校正，并將校正結(jié)果作為區(qū)域內(nèi)灰燼的灰色值，數(shù)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(jì)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(shù)值越小，包灰能力越強(qiáng)。

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

（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(jìn)行拍照，計(jì)算y軸方向碳線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差作為碳線整齊度，數(shù)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(jì)算煙支燃燒前后煙支直徑的比值作為縮灰率，數(shù)值越小，包灰越緊。

1.2.6 統(tǒng)計(jì)分析方法

采用SPSS 19.0軟件［19］進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其中，相關(guān)性分析、多元線性回歸分析運(yùn)用SPSS 19.0進(jìn)行Pearson簡單相關(guān)分析和雙側(cè)t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 卷煙紙參數(shù)測定結(jié)果

卷煙紙樣品單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2?？梢?，實(shí)測值與設(shè)計(jì)值基本一致，數(shù)值間隔較均勻，能夠滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求。

2.2 卷煙紙參數(shù)對靜態(tài)包灰指標(biāo)的影響

相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）能夠消除不同量綱差異對分析結(jié)果的影響，客觀地反映卷煙紙參數(shù)對靜態(tài)包灰指標(biāo)的影響程度?；诒?中數(shù)據(jù)通過計(jì)算實(shí)測值的RSD分析卷煙紙參數(shù)對靜態(tài)包灰指標(biāo)的影響，結(jié)果見表3?？梢?，同一卷煙紙參數(shù)對不同靜態(tài)包灰指標(biāo)的影響差異較大，同一靜態(tài)包灰指標(biāo)受不同卷煙紙參數(shù)的影響差異也較大。卷煙紙參數(shù)對靜態(tài)包灰指標(biāo)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(tài)包灰指標(biāo)受5個卷煙紙參數(shù)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(shù)對靜態(tài)包灰指標(biāo)的影響具有復(fù)雜性。

表2 卷煙紙參數(shù)設(shè)計(jì)值及實(shí)測值Tab.2 Design parameters and measured values of cigarette paper samples

表3 卷煙紙參數(shù)對靜態(tài)包灰指標(biāo)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(shù)與靜態(tài)包灰指標(biāo)間的定性關(guān)系

卷煙紙參數(shù)與靜態(tài)包灰指標(biāo)間簡單相關(guān)分析結(jié)果見表4。結(jié)合相關(guān)系數(shù)和P值可知，透氣度與裂口率、碳線寬度間呈極顯著正相關(guān)，與碳線整齊度間呈正相關(guān)關(guān)系且接近顯著水平；定量與灰色間呈極顯著正相關(guān)，與裂口率間呈極顯著負(fù)相關(guān)，與縮灰率間呈正相關(guān)關(guān)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(guān)，與灰色間呈極顯著負(fù)相關(guān)，與縮灰率間呈顯著負(fù)相關(guān)；助燃劑中鉀占比與灰色、裂口率間呈極顯著正相關(guān)；灰分與灰色、縮灰率間呈極顯著正相關(guān)，與裂口率、碳線寬度間呈極顯著負(fù)相關(guān)，與碳線整齊度呈顯著正相關(guān)。

表4 卷煙紙參數(shù)與靜態(tài)包灰指標(biāo)間簡單相關(guān)分析結(jié)果Tab.4 Results of simple correlation analysis between cigarette paper parameters and ash integration indexes of statically burning cigarette

靜態(tài)包灰指標(biāo)與卷煙紙參數(shù)的多元線性回歸分析結(jié)果見表5。由1.2.5節(jié)可知，當(dāng)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(tài)包灰性能呈向好趨勢，反之則呈向差趨勢。結(jié)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(shù)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(tài)包灰指標(biāo)與卷煙紙參數(shù)的多元線性回歸分析結(jié)果Tab.5 Results of multiple linear regression analysis between ash integration indexes of statically burning cigarette and cigarette paper parameters

根據(jù)相關(guān)分析、多元線性回歸分析結(jié)果可得到卷煙紙參數(shù)與靜態(tài)包灰指標(biāo)的定性關(guān)系，見表6。結(jié)合表4、表5可知，相關(guān)分析結(jié)果與多元線性回歸分析結(jié)果基本一致，其中灰分對5個靜態(tài)包灰指標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(shù)與卷煙靜態(tài)包灰指標(biāo)間的定性關(guān)系Tab.6 Qualitative relationships between cigarette paper parameters and ash integration indexes of statically burning cigarette

2.4 卷煙靜態(tài)包灰綜合評價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建

由于不同靜態(tài)包灰指標(biāo)受卷煙紙參數(shù)的影響程度不同，在對卷煙紙參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時應(yīng)重點(diǎn)考慮影響大的指標(biāo)、兼顧影響小的指標(biāo)。為此，構(gòu)建了一個卷煙靜態(tài)包灰綜合評價(jià)指標(biāo)：①對表3中各個指標(biāo)的平均RSD進(jìn)行歸一化處理得到各個指標(biāo)的權(quán)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(biāo)轉(zhuǎn)換為T得分以統(tǒng)一量綱；③將5個指標(biāo)的T得分進(jìn)行權(quán)重加和得到綜合T得分（T綜合）?？紤]到各項(xiàng)指標(biāo)的要求且希望綜合T得分為正，在進(jìn)行加和時裂口率、縮灰率、碳線整齊度、碳線寬度4項(xiàng)望小型指標(biāo)取正值，望大型指標(biāo)灰色取負(fù)值。因此，綜合T得分為望小型指標(biāo)。卷煙紙參數(shù)及靜態(tài)包灰指標(biāo)的實(shí)測值及T得分見表7，結(jié)果表明隨著卷煙紙參數(shù)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(shù)及靜態(tài)包灰指標(biāo)的實(shí)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(shù)的靜態(tài)包灰綜合評價(jià)指標(biāo)預(yù)測模型

將25個卷煙樣品的靜態(tài)包灰綜合評價(jià)指標(biāo)T綜合與透氣度、定量、助燃劑含量、助燃劑中鉀占比、灰分進(jìn)行多元線性回歸分析，結(jié)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(shù)R2為0.851，說明該回歸方程有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義［20］，由于標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)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(shù)對綜合靜態(tài)包灰性能的影響順序?yàn)榛曳郑径浚局紕┖浚局紕┲锈浾急龋就笟舛?。卷煙紙參?shù)與T綜合的定性關(guān)系為：隨著灰分、定量的升高，T綜合降低，綜合靜態(tài)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(tài)包灰性能向差，這與前面的研究結(jié)果一致。

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

表9 回歸系數(shù)檢驗(yàn)表①Tab.9 Test results of regression coefficients

為進(jìn)一步驗(yàn)證該回歸方程計(jì)算值的準(zhǔn)確性，對T綜合進(jìn)行了內(nèi)部驗(yàn)證，結(jié)果見圖1?？梢姡貧w方程預(yù)測值與實(shí)際值的線性相關(guān)線斜率為0.840，R2為0.851，說明計(jì)算值與實(shí)測值吻合度較好。表明可以利用該回歸方程調(diào)節(jié)卷煙紙參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)卷煙靜態(tài)包灰性能的調(diào)控。

圖1 T綜合內(nèi)部驗(yàn)證圖Fig.1 Internal verification of Tcomprehensive

3 結(jié)論

綜合RSD分析、簡單相關(guān)分析和多元線性回歸分析結(jié)果可知，卷煙靜態(tài)包灰指標(biāo)受5個卷煙紙參數(shù)的影響程度不同，由高到低的順序?yàn)榱芽诼剩咎季€寬度＞灰色＞縮灰率＞碳線整齊度。依據(jù)各靜態(tài)包灰指標(biāo)受卷煙紙參數(shù)影響的程度設(shè)定權(quán)重，構(gòu)建了一個卷煙靜態(tài)包灰綜合評價(jià)指標(biāo)，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(shù)的預(yù)測模型。由預(yù)測模型可知，卷煙紙參數(shù)對卷煙綜合靜態(tài)包灰性能的影響順序?yàn)榛曳郑径浚局紕┖浚局紕┲锈浾急龋就笟舛?，且隨著灰分、定量的升高，靜態(tài)包灰綜合指標(biāo)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(tài)包灰綜合指標(biāo)呈向差趨勢。