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(1. 山東中煙工業(yè)有限責任公司 技術(shù)中心， 山東 青島 266101; 2. 濟南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 山東 濟南 250022)

卷煙的煙絲由長絲、中長絲、短絲、煙末、梗簽、梗塊等部分組成，各個部分煙絲的不同尺寸所構(gòu)成的分布即為煙絲結(jié)構(gòu)。煙絲結(jié)構(gòu)不僅是煙絲質(zhì)量的一個重要指標，也是影響卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素[1]，因此煙絲結(jié)構(gòu)的測試對卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量控制有重要意義。煙支卷制是整個卷煙生產(chǎn)的重要組成部分，也是衡量卷煙工業(yè)發(fā)展水平的重要標志，卷煙的物理指標是否符合產(chǎn)品質(zhì)量標準，對煙支的燃吸品質(zhì)有很大影響[2]。卷煙物理指標包括熄火、端部落絲量、吸阻、圓周、硬度、質(zhì)量、長度、總通風率、含末率、含水率和外觀等11項[3]。長期以來，國內(nèi)外研究者對卷煙物理指標的影響因素進行了一些研究，認為主要影響因素是來料煙絲狀態(tài)和卷制條件[4-6]。

煙絲結(jié)構(gòu)是影響卷煙質(zhì)量的重要因素之一，目前其測試主要是利用篩分法使不同尺寸的煙絲分離，結(jié)果以各層或某層篩網(wǎng)上累積質(zhì)量占總質(zhì)量的比例來表示[7]。雖然國內(nèi)外研究者在常規(guī)卷煙物理指標方面開展了不少的研究工作，逐漸改善了卷煙的卷制質(zhì)量[8-10]，但在細支卷煙的不同煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙物理指標的穩(wěn)定性影響方面還缺乏深入和系統(tǒng)的研究；因此，在煙絲結(jié)構(gòu)對卷煙物理指標穩(wěn)定性影響方面，還需要進行進一步的研究。

本文中在煙絲尺寸分布規(guī)律研究成果的基礎(chǔ)上，采用帶約束條件的混料均勻設(shè)計法進行設(shè)計優(yōu)化試驗[11-12]，并進行試驗數(shù)據(jù)的回歸分析及回歸方程的優(yōu)化計算，得到以不同評價指標為標準的最優(yōu)煙絲尺寸比例，為提高細支卷煙物理指標的穩(wěn)定性，改善煙絲結(jié)構(gòu)，優(yōu)化細支卷煙加工參數(shù)提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料包括：“泰山”品牌某規(guī)格卷煙全配方煙葉，不含有梗絲、薄片、膨脹煙絲等摻兌物；香精香料，系某規(guī)格產(chǎn)品所用料液和香精。

主要儀器包括：YQ-2型葉絲振動分選篩， 鄭州煙草研究院； Retsch AS400篩分儀， 德國Retsch公司； 電子天平(0.01 g)， 瑞士Mettler公司； 電子秤(10 g)， 瑞士Mettler公司； TWES煙支水分和密度檢測儀， 德國TEWS Elektronik公司；SODIMAT綜合測試臺， 法國SODIMAT公司； YDX-2型卷煙端部落絲測試儀，中國科學(xué)院合肥智能機械研究所； PROTOS1-8卷煙機， 德國Hauni公司； 濟南卷煙廠制絲生產(chǎn)線。

1.2 試驗方法

按照“泰山”品牌某規(guī)格卷煙正常生產(chǎn)條件下進行試驗(切絲寬度為0.85 mm)，在煙絲風送至卷煙機預(yù)分配室處取樣，然后利用煙絲篩分儀，將風送后的煙絲篩分為不同尺寸規(guī)格的煙絲，根據(jù)有限制的混料均勻設(shè)計方法，不同長度的煙絲按照不同比例(X1+X2+X3+X4=1)進行配比，即X1為長度大于6.70 mm煙絲所占比例，X2為長度為>4.32～6.70 mm煙絲所占比例，X3為長度為2.50～4.32 mm煙絲所占比例，X4為長度小于2.50 mm煙絲所占比例，然后進行摻配卷制。煙支規(guī)格：濾嘴、光煙的長度分別為30、 67 mm, 周長為17 mm。

根據(jù)正常卷煙生產(chǎn)風送后的煙絲篩分后的尺寸分布，參考影響卷煙單支質(zhì)量、煙支密度、吸阻、硬度及其穩(wěn)定性影響的最大尺寸區(qū)間的分布規(guī)律[13]，確定3層篩網(wǎng)孔徑分別為6.70、 4.32、 2.50 mm， 并確定各煙絲長度的比例范圍為0≤X1≤0.14， 0.20≤X2≤0.35， 0.30≤X3≤0.50， 0.20≤X4≤0.35。根據(jù)該約束條件， 采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有限制的混料均勻設(shè)計方法得到優(yōu)化試驗方案(見表1)。

表1 混料均勻設(shè)計方法優(yōu)化的試驗方案

卷煙物理指標按照文獻[14]中描述的方法進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同混料組合卷煙物理指標

煙絲及卷煙樣品物理指標檢驗結(jié)果見表2。根據(jù)表中的物理指標，結(jié)合消費者對物理指標對感知需求，優(yōu)先以吸阻標準偏差作為優(yōu)化標準。

2.2 數(shù)學(xué)模型分析

將試驗混料數(shù)據(jù)X1、X2、X3、X4輸入DPS系統(tǒng)中，運用二次多項式逐步回歸分析，建立4個因素與卷煙物理指標Y之間的回歸函數(shù)模型，并對回歸方程進行顯著性檢驗。通過求得函數(shù)模型的最小值，尋求最優(yōu)煙絲比例混料方案。

表2 煙絲及卷煙樣品物理指標檢測結(jié)果

通過上述回歸分析可以看出：除硬度、總通風率標準偏差和端部落絲量外，其他物理指標達到最小值時，長度大于6.70 mm的煙絲比例均小于0.08；除質(zhì)量、 硬度標準偏差外， 其他物理指標達到最小值時， 長度小于2.50 mm的煙絲比例均小于0.3； 當主要物理指標達到最小值時， 長度為>4.32～6.70、 2.50～4.32 mm的煙絲比例之和為0.5～0.8， 其中長度為2.50～4.32 mm的煙絲比例略高。

各物理指標的偏相關(guān)系數(shù)及檢驗值見表3，除端部落絲量和填充值外，其余物理指標的偏相關(guān)系數(shù)均大于0.9，方程顯著性較高。

表3 物理指標的偏相關(guān)系數(shù)檢驗

2.3 最優(yōu)混料的確定

通過對以上指標的最優(yōu)解進行比較，并不能尋找到統(tǒng)一的混料比例。為了確定最優(yōu)混料比例，本文中結(jié)合細支卷煙物理指標穩(wěn)定性的要求，主要以消費者直接感受到的吸阻穩(wěn)定性為評價指標，可以得出，X=(0.016 7，0.217 2，0.303 8，0.271 4)的混料比例組合較為適宜。

2.4 優(yōu)化后混料的檢測結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化后的混料比例進行煙絲混料，制備試樣并測試其物理指標，結(jié)果見表4。測試結(jié)果表明， 該卷煙試樣的主要指標優(yōu)于在產(chǎn)卷煙的物理指標， 同時單箱耗絲量減少了1.6%， 此混料均勻設(shè)計方法的合理性和有效性得到驗證。

3 結(jié)論

1)總結(jié)各物理指標的最優(yōu)解可知， 當吸阻標準偏差最小時， 煙絲長度大約6.70 mm的比例以0.016 7最優(yōu)， 長度為>4.32～6.70 mm的煙絲比例以0.217 2最優(yōu)， 長度為2.50～4.32 mm的煙絲比例以0.303 8最優(yōu)， 小于2.50 mm的煙絲比例以0.271 4最優(yōu)。

2)除硬度、 總通風率標準偏差和端部落絲量外， 其他物理指標達到最小值時， 長度大于6.70 mm的煙絲比例均小于0.08；除質(zhì)量、 硬度標準偏差外，其他主要物理指標達到最小值時，長度小于2.50 mm的煙絲比例均小于0.3； 當主要物理指標達到最小值時，長度為>4.32～6.70、 2.50～4.32 mm的煙絲比例之和為0.5～0.8，其中長度為2.50～4.32 mm的煙絲比例略高。

表4 混料優(yōu)化前、后各指標檢測結(jié)果

3)利用混料均勻試驗設(shè)計可以獲得煙絲尺寸最優(yōu)混料比例， 即X=(0.016 7， 0.217 2， 0.303 8， 0.271 4)。優(yōu)化后的混料比例可以滿足卷煙吸阻標準偏差達到最小，同時提高了其他物理指標的穩(wěn)定性，降低了煙絲消耗成本。

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