魯平,楚文娟,崔春,王高杰,崔廷,王蓓蓓,王豪禮,王建民

1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心,河南 鄭州450000;2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 煙草科學(xué)與工程學(xué)院,河南 鄭州 450001

0 引言

包灰性能優(yōu)良的卷煙抽吸時(shí)形成的灰柱,外形美觀、表面裂紋少、灰柱緊實(shí)且煙灰較白,反之,包灰性能差的卷煙抽吸時(shí),煙灰掉落現(xiàn)象嚴(yán)重,灰柱松散且煙灰發(fā)黑,嚴(yán)重影響消費(fèi)者的體驗(yàn)感。目前,關(guān)于卷煙包灰性能的研究主要聚焦于卷煙紙及煙絲參數(shù)的影響,如鄭豐等[1-3]研究了卷煙紙漿料、助燃劑等對(duì)包灰性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著檸檬酸根含量的增加,包灰綜合性能提升;王孝峰等[4-5]研究了煙絲及其化學(xué)成分等對(duì)包灰性能的影響,發(fā)現(xiàn)煙絲寬度小及鉀氯比高的卷煙樣品包灰性能更好。這些研究成果對(duì)于指導(dǎo)煙絲配方設(shè)計(jì)、卷煙紙參數(shù)優(yōu)化發(fā)揮了積極作用。另外,包灰性能的優(yōu)劣是在卷煙燃吸過(guò)程中體現(xiàn)出來(lái)的,必然會(huì)受到卷煙抽吸條件或燃燒狀況的影響,因而其與卷煙的煙絲填充狀態(tài)及卷制品質(zhì)同樣密切相關(guān)。汪冰云等[6]發(fā)現(xiàn),煙支質(zhì)量、密度分布與卷煙吸阻有較強(qiáng)的相關(guān)性,對(duì)煙支吸阻指標(biāo)的穩(wěn)定性也有重要影響。趙靜宜等[7]發(fā)現(xiàn),平準(zhǔn)器參數(shù)的不同會(huì)影響卷煙的填充密度,進(jìn)而影響卷煙的卷制品質(zhì)。此外,平準(zhǔn)器凹槽深度、寬度及風(fēng)室正壓、負(fù)壓等卷煙機(jī)參數(shù)會(huì)改變煙支內(nèi)煙絲的填充狀態(tài),進(jìn)而會(huì)顯著影響卷煙包灰性能[8]。由以上可知,卷煙的卷制品質(zhì)和包灰性能均與煙絲的填充狀態(tài)有關(guān),但以煙絲填充狀態(tài)為切入點(diǎn)的相關(guān)研究卻鮮有報(bào)道。

基于此,本文擬以26種不同牌號(hào)常規(guī)規(guī)格卷煙為考查對(duì)象,研究煙絲填充狀態(tài)對(duì)卷煙的卷制品質(zhì)(吸阻、硬度、總通風(fēng)率)及包灰性能的影響,以期為合理設(shè)置物理參數(shù)以提高卷制品質(zhì)、改善包灰性能、控制包灰性能的穩(wěn)定性及卷煙產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料:產(chǎn)自安徽、浙江、云南、江蘇、湖南、上海、河南等地的常規(guī)規(guī)格卷煙樣品26種,編號(hào)1#—26#,均購(gòu)于當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。

主要儀器:KBF型恒溫恒濕箱,美國(guó)BINDER公司;Borgwaldt-solutions型填充儀,德國(guó)Borgwaldt公司;TEWS 3220型微波快速煙支水分密度測(cè)量?jī)x,德國(guó)TEWS公司;SODIMAX型全功能綜合測(cè)試臺(tái),法國(guó)Sodim Instrumentation公司;BACST600型卷煙燃燒外觀性能測(cè)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。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 卷煙煙絲填充狀態(tài)參數(shù)測(cè)定使用微波快速煙支水分密度測(cè)量?jī)x對(duì)樣品的煙絲段密度分布進(jìn)行測(cè)試,每次重復(fù)測(cè)量20支,計(jì)算平均值。分別抽取各個(gè)牌號(hào)卷煙100支,將卷煙煙絲進(jìn)行剝離后,置于溫度(22±1)℃、相對(duì)濕度(60±2)%的恒溫恒濕箱中平衡48 h[9]。平衡結(jié)束后進(jìn)行稱(chēng)量,再除以剝離卷煙支數(shù),記為卷煙煙絲填充量。煙絲填充值參照文獻(xiàn)[10]的方法使用填充儀進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2 卷煙卷制品質(zhì)測(cè)定依據(jù)卷煙和濾棒物理性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法[11],使用全功能綜合測(cè)試臺(tái)測(cè)試單支卷煙長(zhǎng)度、質(zhì)量、圓周、吸阻、硬度和總通風(fēng)率,結(jié)果以30支樣品的平均值表示。

1.2.3 卷煙包灰性能指標(biāo)測(cè)定采用文獻(xiàn)[12]中的方法,使用卷煙燃燒外觀性能測(cè)定儀在標(biāo)準(zhǔn)吸煙條件下測(cè)定卷煙燃吸時(shí)的包灰性能,包括灰色值、裂口率、縮灰率、碳線(xiàn)寬度、碳線(xiàn)整齊度5項(xiàng)指標(biāo),其中灰色值越高,代表包灰性能越好,其余4項(xiàng)指標(biāo)越小,代表包灰性能越好。采用文獻(xiàn)[13]中的方法測(cè)定卷煙的自由燃燒速率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理方法主要為描述統(tǒng)計(jì)、方差分析、多元回歸,數(shù)據(jù)處理與分析軟件為Excel和Spss 22.0。

圖1 煙支密度分布圖Fig.1 Cigarette density distribution

2 結(jié)果與分析

2.1 煙絲填充狀態(tài)參數(shù)的選取

煙絲填充狀態(tài)是煙支內(nèi)煙絲填充飽滿(mǎn)程度及均勻性的綜合體現(xiàn),與煙支內(nèi)煙絲的填充值和填充量密切相關(guān)[14-15],因此,通常選擇煙支內(nèi)煙絲填充值、填充量作為表征填充狀態(tài)的參數(shù)。此外,利用煙支密度儀對(duì)煙支進(jìn)行軸向微波掃描,可提取表征煙絲填充密度及其均勻性的參數(shù)。為了解決端部落絲,卷煙機(jī)會(huì)使用含有凹槽的平準(zhǔn)盤(pán)[16-17],因此煙支兩端會(huì)各出現(xiàn)一個(gè)密度波峰(緊頭)。煙支密度分布圖如圖1所示。由圖1可知,測(cè)量結(jié)果中部分卷煙接嘴端(右端)的峰值普遍高于燃燒端(左端),這與實(shí)際情況不符,分析其原因是接裝紙上面的反光涂層導(dǎo)致微波測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差(導(dǎo)致結(jié)果偏高)。另外,當(dāng)儀器掃描至卷煙紙上印刷的鋼印時(shí),也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似情況,因此,現(xiàn)有儀器無(wú)法準(zhǔn)確反映煙絲在整支煙內(nèi)的填充密度分布情況。為此,采用僅對(duì)燃燒端密度峰值點(diǎn)至測(cè)量區(qū)域中點(diǎn)進(jìn)行局部評(píng)價(jià)的方案,以消除對(duì)煙支兩端測(cè)量結(jié)果不確定性的影響。如圖1所示,分別提取燃燒端峰值密度(簡(jiǎn)稱(chēng)緊頭密度M1)、測(cè)量區(qū)域中點(diǎn)密度(簡(jiǎn)稱(chēng)中點(diǎn)M2)、峰值點(diǎn)至中點(diǎn)區(qū)域平均密度(簡(jiǎn)稱(chēng)平均密度M3)作為原始變量,計(jì)算以下兩個(gè)衍生變量:1)中點(diǎn)與平均密度比(M4=M2/M3),M4稱(chēng)為密度指數(shù),其值越高,表示煙絲整體填充密度越高;2)緊頭與中點(diǎn)密度差(M5=M1-M2),M5稱(chēng)為密度梯度,其值越大,表示煙絲填充的均勻性越差。

煙絲填充狀態(tài)參數(shù)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,煙絲填充值、填充量?jī)身?xiàng)參數(shù)的變異較小,說(shuō)明相同規(guī)格不同牌號(hào)卷煙在該兩項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)上趨同性較強(qiáng);相比之下,除密度指數(shù)外,其他密度參數(shù)的變異則較大,即不同牌號(hào)卷煙煙絲填充狀態(tài)的差異主要表現(xiàn)在煙絲填充密度及其分布的均勻性方面。

煙絲填充狀態(tài)參數(shù)間的相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,煙絲填充值與各密度參數(shù)間的相關(guān)性均不顯著,煙絲填充量與密度指數(shù)、密度梯度之間分別呈顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān),但相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均較小;相比之下,緊頭密度與中點(diǎn)密度和平均密度之間呈極顯著正相關(guān),與密度梯度之間呈顯著正相關(guān),且相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均較大。由此可知,煙絲填充值、填充量不能完全反映煙支內(nèi)的煙絲填充狀態(tài),這主要是由于緊頭的存在改變了煙絲在整支煙內(nèi)的分布情況,因此,有必要從煙絲填充值、填充量及填充密度3個(gè)方面綜合表征煙絲的填充狀態(tài)。

2.2 煙絲填充狀態(tài)參數(shù)對(duì)卷制品質(zhì)的影響

26種卷煙樣品吸阻、硬度、總通風(fēng)率的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,相同規(guī)格不同牌號(hào)卷煙的吸阻、硬度兩項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的變異較小、趨同性較強(qiáng),總通風(fēng)率則表現(xiàn)出明顯的變異,說(shuō)明不同牌號(hào)卷煙在濾嘴通風(fēng)設(shè)計(jì)方面存在較大差異。

分別以卷煙吸阻、硬度、總通風(fēng)率為因變量,卷煙質(zhì)量、煙絲填充值、填充量、中點(diǎn)密度、平均密度、密度指數(shù)、密度梯度為自變量,進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸分析,結(jié)果見(jiàn)表4和表5。F檢驗(yàn)結(jié)果表明3個(gè)回歸模型均為極顯著,t檢驗(yàn)結(jié)果表明模型中的自變量也達(dá)到了極顯著或顯著水平。

煙絲填充值、填充量的影響主要體現(xiàn)在卷煙的吸阻和硬度兩項(xiàng)指標(biāo)上,隨著卷煙填充值、填充量的升高,吸阻和硬度均升高,這符合實(shí)際情況。卷煙填充密度則對(duì)3項(xiàng)指標(biāo)均有顯著影響,隨著密度梯度的增大,卷煙硬度降低,這是因?yàn)闊熃z填充量一定時(shí),隨著緊頭處密度增加、中點(diǎn)處密度相應(yīng)減小,而以煙支中部為測(cè)量點(diǎn)的硬度也相應(yīng)降低。相比之下,密度對(duì)吸阻和總通風(fēng)率的影響則更為復(fù)雜,其中中點(diǎn)密度、平均密度、密度指數(shù)對(duì)卷煙吸阻的影響及密度指數(shù)、密度梯度對(duì)總通風(fēng)率的影響均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,上述參數(shù)的變化反映煙絲在煙支內(nèi)整體分布的變化,這將導(dǎo)致氣流進(jìn)入卷煙的路徑分布及在卷煙內(nèi)部的流動(dòng)方式發(fā)生變化,進(jìn)而影響吸阻和總通風(fēng)率。例如,隨著密度梯度增大,氣流從燃燒端的端部進(jìn)入的阻力增大,相應(yīng)地,就會(huì)增加經(jīng)緊頭后端卷煙紙進(jìn)入的氣流量,從而導(dǎo)致總通風(fēng)率升高;隨著密度指數(shù)升高,氣流經(jīng)整個(gè)煙支段進(jìn)入、流動(dòng)阻力增大,這會(huì)增加經(jīng)濾嘴通風(fēng)孔進(jìn)入的氣流量,也會(huì)導(dǎo)致總通風(fēng)率升高。綜上所述,煙絲填充值、填充量及填充密度共同決定了煙絲在煙支內(nèi)的填充狀態(tài),進(jìn)而影響卷煙的卷制品質(zhì)。

表1 煙支填充狀態(tài)參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Cigarette filling state parameter descriptive statistics results

表2 煙絲填充狀態(tài)參數(shù)間的相關(guān)性分析結(jié)果Table 2 Correlation analysis of tobacco filling state parameters

需要注意的是,吸阻、硬度、總通風(fēng)率這3個(gè)回歸模型的決定系數(shù)總體偏低,分別為0.781、0.576、0.672,在復(fù)雜體系中煙絲填充狀態(tài)對(duì)3項(xiàng)指標(biāo)的解釋度分別為78.1%,57.6%,67.2%。這一方面是因?yàn)檠芯繉?duì)象為相同規(guī)格的成品卷煙,在物理參數(shù)(指標(biāo))設(shè)計(jì)上的趨同性較強(qiáng),本身變異較小;另一方面,樣品來(lái)自不同生產(chǎn)企業(yè),質(zhì)量等級(jí)差異也較大,使其煙絲配方、卷煙紙及濾嘴參數(shù)等均不相同,屬于存在較多干擾因素的復(fù)雜樣品體系(以下簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)雜樣品體系)。在這種情況下,煙絲填充狀態(tài)對(duì)卷煙吸阻等指標(biāo)的影響仍然表現(xiàn)出較高的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,更體現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行研究和控制的必要性。

表3 吸阻、硬度、總通風(fēng)率描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Descriptive statistics results of suction resistance, hardness and total ventilation rate

表4 卷制品質(zhì)回歸模型概述及F檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 Overview of regression model and F test results of cigarette making quality

表5 卷制品質(zhì)回歸模型系數(shù)表Table 5 Regression model coefficient table of Cigarette making quality

2.3 煙絲填充狀態(tài)參數(shù)對(duì)卷煙包灰性能的影響

不同卷煙樣品的自由燃燒速度及5項(xiàng)包灰性能指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6,為便于計(jì)算綜合包灰性能,將5項(xiàng)指標(biāo)的原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了中心化處理,以消除量綱的差異。由表6可知,包灰性能指標(biāo)的變異程度差異十分明顯,由大到小依次為裂口率>碳線(xiàn)寬度>灰色值>碳線(xiàn)整齊度>縮灰率。

分別以卷煙自由燃燒速率、灰色等包灰性能指標(biāo)為因變量,卷煙長(zhǎng)度、質(zhì)量、圓周、吸阻、硬度、總通風(fēng)率、煙絲填充值、填充量、中點(diǎn)密度、平均密度、密度指數(shù)、密度梯度為自變量進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸分析,結(jié)果見(jiàn)表7和表8。F檢驗(yàn)結(jié)果表明,所有回歸模型均極顯著或顯著,t檢驗(yàn)結(jié)果表明,模型中的自變量也達(dá)到了極顯著或顯著水平?；貧w分析結(jié)果表明:1)卷煙質(zhì)量、硬度、煙絲填充值和平均密度對(duì)自由燃燒速率具有顯著或極顯著影響,自由燃燒速率隨卷煙質(zhì)量、硬度、平均密度升高而降低,隨煙絲填充值升高而升高。這與已有研究結(jié)果[18-19]基本一致。2)卷煙的吸阻、硬度、總通風(fēng)率3項(xiàng)物理指標(biāo)對(duì)包灰性能有顯著影響,隨著吸阻的增大,灰色變白、碳線(xiàn)變窄,但縮灰效果變差;隨著總通風(fēng)率的升高,灰色變白、裂口率降低,但縮灰效果變差;隨著硬度的升高,灰色變白、裂口率升高。吸阻、硬度、總通風(fēng)率均是與卷煙抽吸條件或燃燒狀況密切相關(guān)的指標(biāo),上述結(jié)果說(shuō)明,卷煙包灰性能不僅與煙絲、卷煙紙的性質(zhì)有關(guān),還受到卷煙抽吸條件或燃燒狀況的影響。3)煙絲填充值、填充量對(duì)灰色有顯著影響,隨著煙絲填充值、填充量的升高,灰色逐漸變差;填充密度則對(duì)碳線(xiàn)寬度、整齊度2個(gè)指標(biāo)有顯著影響,隨著中點(diǎn)密度的升高,碳線(xiàn)整齊度逐漸變差,隨著平均密度的升高,碳線(xiàn)整齊度逐漸變好,隨著密度指數(shù)的升高,碳線(xiàn)變窄、碳線(xiàn)整齊度逐漸變好。

表6 卷煙燃燒及包灰性能描述統(tǒng)計(jì)Table 6 Descriptive statistics of cigarette combustion and ash integrity of cigarette

綜上所述,隨著卷煙吸阻、硬度、總通風(fēng)率的變化,卷煙的燃燒速度、包灰性能均會(huì)發(fā)生顯著變化,而煙絲填充狀態(tài)則會(huì)通過(guò)上述指標(biāo)間接或直接地影響卷煙的燃燒及包灰性能。

表7 燃燒及包灰性能回歸模型概述表Table 7 Overview of regression models of cigarette combustion and ash-packing performance

表8 燃燒及包灰指標(biāo)回歸模型系數(shù)表Table 8 Regression model coefficient table of cigarette combustion and ash integrity performance

包灰性能指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果見(jiàn)表6。按照灰色望大(取負(fù)值),裂口率、碳線(xiàn)寬度、碳線(xiàn)整齊度、縮灰率望小(取正值)進(jìn)行權(quán)重加和計(jì)算綜合包灰得分,得分越低綜合包灰性能越好。由表6可知,26種卷煙的綜合得分在0.58～1.25范圍內(nèi)。以卷煙綜合包灰性能得分為因變量,吸阻、總通風(fēng)率、煙絲填充值、填充量為自變量進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸分析,結(jié)果見(jiàn)表7和表9。F檢驗(yàn)結(jié)果表明,綜合包灰性能的回歸模型決定系數(shù)為0.391,可以在復(fù)雜樣品體系中解釋其變異的39.1%,吸阻、總通風(fēng)率對(duì)綜合得分有顯著影響,隨著吸阻、總通風(fēng)率的升高,綜合得分降低,綜合包灰性能變好;煙絲填充值對(duì)綜合得分的影響接近顯著水平(P=0.051),填充量對(duì)綜合得分的影響顯著,隨著煙絲填充值、填充量的升高,綜合得分升高,綜合包灰性能變差。

表9 綜合包灰性能回歸模型系數(shù)表Table 9 Regression model coefficient table of comprehensive score of ash integrity performance

結(jié)合單項(xiàng)得分和綜合得分回歸分析結(jié)果可知,在復(fù)雜樣品體系中,吸阻、硬度、總通風(fēng)率3項(xiàng)卷制品質(zhì)指標(biāo)對(duì)包灰性能的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,說(shuō)明除煙絲和卷煙紙外,卷煙卷制品質(zhì)也是影響包灰性能的重要因素,三者共同決定了煙支的燃燒狀況并使其呈現(xiàn)不同的包灰性狀。煙絲填充狀態(tài)不僅通過(guò)影響吸阻、硬度、總通風(fēng)率間接影響包灰性能,某些參數(shù)還會(huì)直接影響包灰性能,因此,合理控制煙絲填充狀態(tài)可使卷煙燃吸時(shí)呈現(xiàn)出更佳的包灰性能。

3 結(jié)論

本文基于煙支連續(xù)微波掃描結(jié)果提取出了表征煙絲填充密度及其均勻性的參數(shù),進(jìn)一步豐富了表征煙支內(nèi)煙絲填充狀態(tài)的參數(shù)體系,并研究了煙絲填充狀態(tài)參數(shù)對(duì)卷煙吸阻、硬度、總通風(fēng)率等卷制品質(zhì)及卷煙包灰性能的影響。

結(jié)果表明:1)不同牌號(hào)卷煙煙絲填充狀態(tài)的差異性不僅體現(xiàn)在煙支內(nèi)煙絲的填充值和填充量方面,還體現(xiàn)在煙絲填充的密度及其均勻性方面;通過(guò)填充值、填充量和填充密度能夠更全面地反映煙絲填充狀態(tài)。其中填充密度可以用煙支中點(diǎn)密度、平均密度、密度指數(shù)和梯度共同表征。緊頭密度與中點(diǎn)密度和平均密度呈極顯著正相關(guān),與密度梯度呈顯著正相關(guān),是影響煙絲填充狀態(tài)的主要因素。2)煙絲填充狀態(tài)是影響卷煙吸阻、硬度、總通風(fēng)率的重要因素,在復(fù)雜樣品體系中對(duì)3項(xiàng)指標(biāo)變異的解釋度分別為78.1%、57.6%和67.2%。3)卷煙吸阻、硬度、總通風(fēng)率及煙絲填充狀態(tài)參數(shù)均會(huì)顯著影響卷煙的包灰性能。吸阻、總通風(fēng)率、煙絲填充值和填充量對(duì)卷煙綜合包灰性能有顯著影響,在復(fù)雜樣品體系中解釋其變異的39.1%。

綜上所述,煙支內(nèi)煙絲填充狀態(tài)不僅會(huì)直接影響卷煙的卷制品質(zhì),還會(huì)直接或間接影響卷煙的包灰性能,因此,優(yōu)化和控制煙絲填充狀態(tài)對(duì)于提升卷煙綜合品質(zhì)具有重要意義。