董 浩，王 澍，周明珠，徐羽鵬，李曉輝，林杰驊，邢 軍，劉 勇*，胡清源*

1.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥市蜀山湖路350號(hào) 230031 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥市金寨路96號(hào) 230026 3.國(guó)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(hào) 450001 4.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司上海卷煙廠，上海市長(zhǎng)陽(yáng)路733號(hào) 200082

卷煙是通過燃燒來完成消費(fèi)過程的消費(fèi)品，卷煙燃燒屬于固體可燃物的陰燃，產(chǎn)生煙霧并伴有溫度升高，但無(wú)可見火光［1］。消費(fèi)者在卷煙燃燒的抽吸過程中主要通過味覺、嗅覺與視覺三種感官來評(píng)價(jià)卷煙質(zhì)量，味覺、嗅覺感知的是煙氣質(zhì)量，視覺感知的是煙支燃燒過程的外觀形貌，因此，卷煙燃燒過程表觀性能的評(píng)價(jià)對(duì)于卷煙產(chǎn)品質(zhì)量和消費(fèi)者體驗(yàn)具有重要意義?；谙M(fèi)者行為調(diào)查研究，卷煙燃燒過程的表觀性能主要包含以下評(píng)價(jià)指標(biāo)：燃燒錐落頭、包灰顏色、包灰裂口率、包灰收縮率、燃燒碳線的寬度以及整齊度。圍繞卷煙燃燒過程的研究主要集中在卷煙燃燒的機(jī)理［2-3］、溫度［4-5］、裂解與煙氣的關(guān)系［6-7］等領(lǐng)域。卷煙燃燒過程表觀性能是行業(yè)近年來的研究熱點(diǎn)，針對(duì)燃燒錐落頭，已經(jīng)開發(fā)了檢測(cè)設(shè)備［7-8］，形成了標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法［9-10］，開展了系統(tǒng)的影響因素分析研究［11-13］；基于計(jì)算機(jī)視覺方法對(duì)包灰性能進(jìn)行檢測(cè)與分析的相關(guān)研究已逐漸出現(xiàn)，研究的熱點(diǎn)是方法開發(fā)［14-15］、原輔材料對(duì)包灰性能的影響［16-17］、包灰性能的表征［18］等。對(duì)卷煙表觀燃燒性能的研究，多是通過實(shí)證研究的模式，設(shè)計(jì)樣品，針對(duì)性地開展影響因素研究，隨著以數(shù)據(jù)科學(xué)為核心的科學(xué)研究的發(fā)展，通過數(shù)據(jù)挖掘方式從數(shù)據(jù)中提取見解成為一種新途徑［19］。因此，圍繞卷煙燃燒過程表觀性能的檢測(cè)與分析，參考固體燃燒相關(guān)文獻(xiàn)［20-21］，研究提出了表觀燃燒性能概念和指標(biāo)體系，對(duì)行業(yè)近3年來主要規(guī)格的卷煙產(chǎn)品進(jìn)行了表觀燃燒性能指標(biāo)測(cè)試，基于測(cè)試結(jié)果和樣品關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的挖掘，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)、原輔材料參數(shù)、煙絲配方結(jié)構(gòu)等角度分析了不同類型產(chǎn)品的表觀燃燒性能，旨在全面了解卷煙表觀燃燒性能質(zhì)量狀況，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)、原輔材料選擇提供技術(shù)依據(jù)，從而提高卷煙表觀燃燒質(zhì)量，改善消費(fèi)者消費(fèi)體驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 樣品

2019—2021年間市售卷煙樣品436個(gè)，包含國(guó)內(nèi)19家卷煙工業(yè)企業(yè)的57個(gè)品牌，其中常規(guī)卷煙（圓周24.00～25.00 mm）319個(gè)（含長(zhǎng)度74.0 mm的短支煙13個(gè)），中支卷煙（圓周20.00～22.00 mm）28個(gè)，細(xì)支卷煙（圓周16.00～17.00 mm）89個(gè)。樣品的卷煙紙、煙絲等信息如表1所示。

表1 樣品信息Tab.1 Cigarette sample information

1.2 方法

建立了表觀燃燒性能指標(biāo)體系，分別以包灰顏色、外觀形貌、燃燒匹配性和燃燒錐落頭來表征消費(fèi)者視覺感知到的燃燒過程參數(shù)，如圖1所示。表觀燃燒性能的測(cè)試均采用ISO抽吸方案，包灰顏色、外觀形貌、燃燒匹配性通過計(jì)算機(jī)視覺方法測(cè)定，采用色溫5 600～7 000 K的單一照明光源，視場(chǎng)范圍30 mm×150 mm，圖像分辨率518像素×874像素，每個(gè)規(guī)格測(cè)試30支，以30支樣品的算術(shù)平均值表示相應(yīng)結(jié)果。卷煙質(zhì)量、圓周、硬度、長(zhǎng)度、卷煙紙透氣度、煙絲寬度的測(cè)定均采用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法［22-27］。

圖1 卷煙表觀燃燒性能指標(biāo)體系Fig.1 Index system for overall characteristics of combustion cone of lit cigarettes

1.2.1 落頭傾向

燃燒錐落頭傾向的測(cè)試參照煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法［10］，以每40支樣品落頭的比例表征，單位為%，中支卷煙的測(cè)試參數(shù)設(shè)置與細(xì)支卷煙相同。

1.2.2 包灰顏色、外觀形貌、燃燒匹配性

參照文獻(xiàn)［28］的方法測(cè)試包灰顏色、裂口率、縮灰率、碳線寬度和碳線整齊度，測(cè)試區(qū)域?yàn)闊熤Х谴羁趨^(qū)。

1.3 儀器

CFP800A卷煙燃燒錐落頭傾向測(cè)試儀、BACST600卷煙燃燒灰燼特征參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、CWT200煙絲寬度測(cè)量?jī)x（合肥眾沃儀器技術(shù)有限公司）；OM-VL卷煙物理性能綜合測(cè)試臺(tái)（北京歐美利華科技有限公司）；A20透氣度測(cè)量?jī)x（德國(guó)Borgwaldt公司）。

2 結(jié)果與分析

2.1 燃燒錐落頭

2.1.1 落頭位置

卷煙燃燒錐落頭后一般有兩種狀態(tài)：一種是燃燒錐不完全掉落，錐體與煙支似藕斷絲連，影響消費(fèi)者抽吸感受，如圖2a、圖2b所示；一種是燃燒錐完全掉落，風(fēng)險(xiǎn)較大，如圖2c所示。當(dāng)落頭不可避免出現(xiàn)時(shí)，落頭位置也會(huì)影響消費(fèi)體驗(yàn)，落頭位置主要受軸向煙絲密度分布均勻性、燃燒匹配性和燃燒速率的影響［9,11-13］，圖3是落頭位置的測(cè)試結(jié)果。常規(guī)煙和細(xì)支煙的落頭位置分布范圍較廣，從中位值看，常規(guī)煙的落頭多發(fā)于燃燒30 mm左右的中部靠上位置，細(xì)支煙的落頭多發(fā)于燃燒50 mm左右的偏下部位置，中支煙和短支煙均在中部靠下位置，細(xì)支煙燃燒錐落頭對(duì)于消費(fèi)體驗(yàn)的影響較小。

圖2 燃燒錐落頭的不同狀態(tài)Fig.2 Falling states of combustion cones

圖3 不同長(zhǎng)度卷煙燃燒錐落頭位置Fig.3 Falling positions of combustion cones of cigarettes with different lengths

2.1.2 落頭傾向

落頭傾向的測(cè)試結(jié)果如表2所示，樣品總體落頭傾向1.58%。由表2可知，①?gòu)膱A周來看，常規(guī)煙的落頭傾向低于細(xì)支煙，中支煙的落頭傾向較低。常規(guī)煙對(duì)于燃燒錐落頭的控制仍然好于細(xì)支煙，但差異不大，中支煙由于長(zhǎng)度更接近常規(guī)煙，同時(shí)考慮樣品數(shù)量較少的原因，落頭傾向低于常規(guī)煙和細(xì)支煙。②從長(zhǎng)度來看，長(zhǎng)度最長(zhǎng)的97.0 mm規(guī)格樣品的落頭傾向最高；90.0 mm長(zhǎng)度的樣品一般為中支煙，落頭傾向較低；75.0 mm規(guī)格的樣品雖然只有13個(gè)，但落頭傾向高于總體，其設(shè)計(jì)和加工制造水平仍有提高空間。③從質(zhì)量來看，質(zhì)量較小的樣品基本為細(xì)支煙，落頭傾向略高，質(zhì)量0.700 g左右的為中支煙，落頭傾向較低。④分析了樣品數(shù)量較多的細(xì)支、常規(guī)煙，為了便于分析，將每個(gè)類型分為高中低3個(gè)硬度范圍，結(jié)果表明，細(xì)支煙落頭傾向隨硬度增加明顯降低，硬度較大的常規(guī)煙落頭傾向也低于硬度較小的樣品。

表2 各類型卷煙落頭傾向Tab.2 Falling propensity of combustion cones of different types of cigarettes

2.1.3 原輔材料參數(shù)與落頭傾向

影響卷煙燃燒錐落頭傾向的原輔材料參數(shù)主要是卷煙紙?jiān)O(shè)計(jì)指標(biāo)和煙絲結(jié)構(gòu)、煙絲寬度等，表3是不同設(shè)計(jì)參數(shù)卷煙的燃燒錐落頭傾向，主要分析了現(xiàn)有文獻(xiàn)中較少報(bào)道的卷煙紙透氣度、羅紋類型、煙絲寬度、煙絲結(jié)構(gòu)等參數(shù)，樣品量較小的中支煙未參與分析。由表3可知，卷煙紙透氣度60 CU的樣品落頭傾向最低，橫羅紋卷煙紙樣品落頭傾向略低于豎羅紋卷煙紙樣品，煙絲寬度為0.8 mm的樣品落頭傾向最高，煙絲寬度1.1 mm的樣品落頭傾向最低，全葉絲樣品的落頭傾向低于含梗絲樣品。卷煙紙透氣度60 CU的樣品由于數(shù)量和產(chǎn)量較多，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較好，落頭傾向最低，全葉絲樣品落頭傾向較低的原因是長(zhǎng)絲率明顯高于含梗絲樣品，敲擊或彈擊時(shí)不易落頭［11,13］，但同時(shí)也應(yīng)注意長(zhǎng)絲率過高可能會(huì)引起燃燒錐體積過大，也會(huì)導(dǎo)致落頭傾向的增加，因此長(zhǎng)絲率指標(biāo)應(yīng)在合適的范圍內(nèi)，并非越大越好。

表3 不同設(shè)計(jì)參數(shù)卷煙落頭傾向Tab.3 Falling propensity of combustion cones of cigarettes with different design parameters

2.2 包灰顏色

卷煙包灰顏色反映的是燃燒后卷煙紙灰分的整體顏色特征，感知的物體顏色由物體反射的光的性質(zhì)決定，燃燒錐反射的是沒有顏色的單色光，其唯一屬性是亮度，因此，可以用從黑到白的數(shù)值范圍，即灰度級(jí)來表征，一般以0～255級(jí)灰度表征圖像從黑到白［29］。圖4是所有樣品的灰度值累積分布，90%左右的樣品灰度均在124～152范圍內(nèi)，呈灰白色，對(duì)比圖1中實(shí)際的包灰圖像，由于卷煙灰柱表面有大量的裂口，因此，人眼視覺感知到的灰色會(huì)比實(shí)際測(cè)試的灰色偏白。表4和表5分別為各圓周類型和各類設(shè)計(jì)參數(shù)卷煙的包灰顏色、外觀和燃燒匹配性，細(xì)支煙的包灰顏色最白、其次是中支煙，常規(guī)煙顏色最深；橫羅紋細(xì)支煙的包灰顏色比豎羅紋細(xì)支煙白，煙絲結(jié)構(gòu)、煙絲寬度、卷煙紙透氣度對(duì)包灰顏色的影響無(wú)明顯規(guī)律。

表4 各圓周類型卷煙燃燒錐顏色、外觀和燃燒匹配性Tab.4 Color,appearance and combustion compatibility of combustion cones of different types of cigarettes

圖4 包灰顏色灰度值累積分布Fig.4 Cumulative distribution of ash color of cigarettes denoted by gray level

2.3 燃燒錐外觀

2.3.1 裂口率

灰柱裂口是造成抽吸時(shí)煙灰飛散的主要原因，裂口率越低，包灰效果越好，圖5是所有樣品的裂口率累積分布，80%左右的樣品裂口率分布范圍在3.1%～9.8%。裂口率10%以內(nèi)表明包灰性能較好，裂口率主要受卷煙紙燃燒性能的影響［16,18］。從表4可以看出，細(xì)支煙裂口率最低，中支煙次之，常規(guī)煙最高。從表5可以看出，常規(guī)煙和細(xì)支煙受各參數(shù)的影響規(guī)律一致，細(xì)支煙裂口率低于常規(guī)煙；卷煙紙橫羅紋樣品裂口率較低；全葉絲樣品的裂口率低于含梗絲樣品；卷煙紙透氣度高的樣品裂口率相對(duì)較低。綜合文獻(xiàn)報(bào)道［14-18,30］和表4結(jié)果來看，裂口率受各種因素的交互作用影響，細(xì)支煙由于燃燒表面積小，陰燃速率高，切絲寬度小且多為全葉絲樣品，因此裂口率較低。豎羅紋樣品裂口率顯著高于橫羅紋主要是由于包灰裂口多為豎向，豎羅紋的存在引起的豎向表面不均勻性加劇了燃燒時(shí)裂口的產(chǎn)生。

圖5 包灰裂口率累積分布Fig.5 Cumulative distribution of ash crack rate

表5 不同設(shè)計(jì)參數(shù)卷煙燃燒錐顏色、外觀和燃燒匹配性Tab.5 Color,appearance and combustion compatibility of combustion cones of cigarettes with different design parameters

2.3.2 縮灰率

縮灰率表征的是卷煙燃燒后的收縮程度，縮灰率低的卷煙燃燒后較為緊致。圖6是縮灰率的累積分布，80%的樣品縮灰率在75.5%～87.3%之間。不同的文獻(xiàn)對(duì)于縮灰率對(duì)包灰效果的影響權(quán)重理解不同，尚未形成一致觀點(diǎn)?？s灰率主要受卷煙孔隙率和孔隙分布的影響，孔隙率高，大孔多的樣品縮灰率較低，因此縮灰率與卷煙紙參數(shù)關(guān)系較小，從表4和表5可以看出，中支煙和常規(guī)煙的縮灰率均低于細(xì)支煙，細(xì)支煙一方面由于葉絲比例高，另一方面直徑較小，縮灰率略高，卷煙紙橫羅紋樣品縮灰率略高于卷煙紙豎羅紋樣品，煙絲結(jié)構(gòu)、煙絲寬度、卷煙紙透氣度對(duì)縮灰率沒有明顯的規(guī)律性影響。

圖6 包灰縮灰率累積分布Fig.6 Cumulative distribution of ash shrink rate

2.4 燃燒匹配性

2.4.1 碳線寬度

碳線寬度能夠表征卷煙燃燒時(shí)卷煙紙和煙絲的匹配性，一般認(rèn)為，碳線寬度小的樣品，燃燒匹配性較好。圖7是碳線寬度的累積分布，碳線寬度的分布較分散，超過1.0 mm寬度的樣品約占10%左右，寬度低于1.0 mm時(shí)視覺上不會(huì)有明顯差異。由于碳線區(qū)域并不是黑白界限分明，而是有一定程度的顏色過渡，因此碳線寬度的測(cè)量結(jié)果受算法分割閾值的影響較大，測(cè)試結(jié)果會(huì)略小于實(shí)際視覺效果。從表4和表5可以看出，細(xì)支煙的碳線寬度低于常規(guī)煙，卷煙紙橫羅紋樣品的碳線寬度略低于卷煙紙豎羅紋樣品，卷煙紙透氣度、煙絲結(jié)構(gòu)、煙絲寬度對(duì)碳線寬度沒有明顯的規(guī)律性影響。

圖7 燃燒錐碳線寬度累積分布Fig.7 Cumulative distribution of burn line width of combustion cone

2.4.2 碳線整齊度

碳線整齊度能夠同時(shí)表征卷煙燃燒時(shí)卷煙紙和煙絲的匹配性以及燃燒線的均勻性，碳線整齊度低的樣品燃燒匹配性和均勻性較好。圖8是碳線整齊度的累積分布，可見碳線整齊度分布較為分散，半數(shù)樣品的碳線整齊度大于2.0 mm，視覺效果較為明顯。從表4和表5可以看出，碳線整齊度隨圓周的減小明顯變小，細(xì)支和中支煙的碳線整齊度均小于常規(guī)煙；卷煙紙豎羅紋樣品的碳線整齊度較小；全葉絲樣品的燃燒均勻性比含梗絲樣品好，碳線整齊度較??；煙絲寬度越小，燃燒的均勻性越好，碳線整齊度越??；卷煙紙透氣度高的樣品燃燒時(shí)氧氣量更加充足，燃燒線區(qū)域碳化程度低，碳線整齊度較小。

圖8 燃燒錐碳線整齊度累積分布Fig.8 Cumulative distribution of burn line uniformity of combustion cone

3 結(jié)論

①所挑選的436個(gè)市售卷煙樣品總體燃燒錐落頭傾向1.58%，中支煙落頭傾向最低，細(xì)支煙最高，煙支硬度越大落頭傾向越低，卷煙紙透氣度60 CU的樣品落頭傾向最低，橫羅紋卷煙紙樣品落頭傾向略低于豎羅紋卷煙紙樣品，煙絲寬度為0.8 mm的樣品落頭傾向最高，煙絲寬度1.1 mm的樣品落頭傾向最低，全葉絲樣品的落頭傾向明顯低于含梗絲樣品。常規(guī)煙落頭多發(fā)于中部靠上位置，細(xì)支煙的落頭多發(fā)于偏下部位置，中支煙和短支煙均在中部靠下位置，細(xì)支煙燃燒錐落頭位置對(duì)于消費(fèi)體驗(yàn)影響較小。②細(xì)支煙的包灰顏色最白，常規(guī)煙包灰顏色最深；橫羅紋細(xì)支煙的包灰顏色比豎羅紋細(xì)支煙白。③細(xì)支煙包灰裂口率最低，常規(guī)煙最高，卷煙紙橫羅紋、煙絲寬度小和卷煙紙透氣度高的樣品包灰裂口率較低，包灰效果較好。④中支煙縮灰率最低，細(xì)支煙最高，卷煙紙橫羅紋縮灰率較高，包灰較緊致。⑤細(xì)支和中支煙的燃燒匹配性均比常規(guī)煙好，卷煙紙透氣度高、全葉絲、煙絲寬度較小的樣品燃燒匹配性較好。