细支卷烟燃烧锥落头倾向的影响因素

喻赛波，谭 超，王诗太，赵 瑜，伍毅子，范红梅，李 克，谭海风，刘 琦，陈 潜，金 勇

湖南中烟工业有限责任公司，长沙市劳动中路386号410007

细支卷烟（细支烟）由于烟支圆周小，烟支内部烟丝填充少，原辅材料的细微变化易于被放大而直接导致产品质量波动［1-3］。为此，在细支烟生产过程中，国内各单位对卷烟生产工艺条件进行了相应研究并逐步优化［4-6］，经过短短几年时间的努力，国内细支烟的产品质量稳定性有了很大的提高。但由于其烟支结构的特殊性，卷烟质量在某些方面仍存在不足，其中较为突出的问题是：细支烟燃烧锥的持有能力不及常规卷烟，易导致燃烧锥落头。卷烟燃烧锥落头会使烟支抽吸中断，降低消费者对卷烟品牌的认可度，甚至还可能带来火灾隐患。现有关于燃烧锥落头的研究主要是以常规卷烟为研究对象。赵秋蓉、云雪和乔月梅等［7-10］分别探讨过烟丝结构、制丝工艺、烟丝平衡湿度环境以及卷烟纸参数对燃烧锥落头的影响。近期，王亮等［11］报道了烟丝结构分布对燃烧锥落头的影响，阐述了烟丝结构分布、烟支密度以及燃烧锥结构与细支烟燃烧锥落头的关系。对于一支卷烟而言，影响燃烧锥落头倾向的因素很多，其中既包括烟支结构及烟支内烟丝的结构与分布，也包括卷烟纸特征及卷烟纸与烟丝的燃烧匹配性能，以及各因素之间的相互影响。为了能综合评价影响细支烟燃烧锥落头倾向的因素，选取可能对燃烧锥落头倾向影响较大的因素，其中包括卷烟烟支单支质量、卷烟纸助燃剂含量、烟丝含水率和烟丝中梗签含量，考察各因素对细支烟燃烧锥落头倾向的影响规律，并采用PLS回归分析方法评价多因素对细支卷烟燃烧锥落头倾向影响的显著程度。

为了评价卷烟燃烧锥落头质量缺陷，2018年，在消费者行为学调查［12］的基础上，烟草行业发布了具有普适性的卷烟燃烧锥落头倾向测试行业标准［13］。考虑到燃烧锥落头给消费者带来的不良体验及其对品牌的不良影响，借鉴该标准，采用敲击法测试细支烟燃烧锥落头倾向，且有意加大敲击力度，以更严格地表征卷烟燃烧锥落头倾向，从而更好地为生产厂家提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 卷烟样品的制备

所有卷烟样品均在湖南中烟工业有限责任公司细支卷烟生产车间现有生产设备上进行卷制，卷烟原辅材料和生产工艺参数以相应品牌为准。

A系列卷烟：以湖南中烟A品牌细支卷烟为样本试制。

A1系列卷烟：分别设计烟支平均单支质量为0.500、0.530、0.560、0.590和0.620 g 5个规格卷烟，使用助燃剂1.30%的全麻卷烟纸、含水率为11.8%的A品牌烟丝，试制过程中剔梗量控制在70 g/min并卷制烟支，A1系列卷烟用于考察烟支单支质量对燃烧锥落头倾向的影响。

A2系列卷烟：采用民丰特种纸股份有限公司提供的助燃剂含量呈梯度递增的卷烟纸样品，其中助燃剂添加量（以柠檬酸根计算）分别为0.51%、0.69%、1.08%、1.28%、1.65%、2.01%、2.35%，卷烟纸原纸含麻20%，助燃剂为钾、钠柠檬酸混盐（比例为1.5∶1），试制A2系列卷烟。A2系列卷烟烟支平均单支质量控制在0.535 g/支，烟丝含水率为11.9%，试制过程中剔梗量控制在70 g/min。A2系列卷烟用于考察卷烟纸助燃剂含量对燃烧锥落头倾向的影响。

A3系列卷烟：取A品牌卷烟烟丝在不同湿度条件下将烟丝含水率分别调节至11.9%、12.5%、12.9%、13.8%，用助燃剂为1.30%的全麻纸卷接烟支，卷接过程中剔梗量控制在70 g/min，烟支平均单支质量控制在0.535 g/支。A3系列卷烟用于考察烟丝含水率对燃烧锥落头倾向的影响。

A4系列卷烟：取A品牌卷烟烟丝，用振筛将烟末和梗签进行筛分得到比较纯净的烟丝，同时将筛分得到的梗签进一步筛选出尺寸较大的梗签，然后将纯净的烟丝与筛分得到的大梗签（3.35 mm×3.35 mm，筛网上层）分别按1%、3%、5%的比例进行回掺，制备了不同梗签含量的A4系列卷烟。试制卷烟纸为助燃剂含量1.30%的全麻纸，卷接过程中烟支平均单支质量控制在0.535 g/支。A4系列卷烟用于考察烟丝中梗签含量对燃烧锥落头倾向的影响。

B系列卷烟：以湖南中烟B品牌细支烟为样本，所使用卷烟纸为全麻纸，按表1设计参数更换相应卷烟原辅材料和调节工艺参数试制卷烟。

1.2 设备与仪器

XP404S电子分析天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；RM-200A、LM5+全自动吸烟机（德国Borgwaldt公司）；MW3220烟支密度仪（德国TEWS-Elektronik公司）；QUANTUM综合测试台（英国Cerulean公司）；FED240烘箱（德国Binder公司）；ASTM E 11试验筛（美国Gilson公司）；燃烧锥落头倾向检测仪（实验室自行开发）。

1.3 燃烧锥落头倾向测试

为了测试卷烟样品燃烧锥落头倾向，借鉴郑州烟草研究院研究的敲击法测试燃烧锥落头倾向的方法［13］，自行开发了敲击式燃烧锥落头倾向测试仪（示意图见图1），用以评价实验卷烟燃烧锥落头倾向。

表1 B系列卷烟多因素实验设计参数Tab.1 Design parameters of multi-factor experiment for Series B cigarettes

图1燃烧锥落头倾向测试仪示意图Fig.1 Schematic diagram of CCFP test instrument

卷烟燃烧锥落头测试参数及方法［14］：敲击式卷烟燃烧锥落头倾向测试仪采用敲击头自上而下连续两次垂直敲击模式，敲击头进入预备状态时距烟支承载台11 mm，敲击作用在烟支上的中心位置距滤嘴端部30 mm，连续两次敲击间隔时间0.2 s。采用气缸驱动敲击头，气缸压力为0.6 MPa。

燃烧锥落头检测从卷烟抽吸至第2口开始，敲击动作从抽吸动作完成2 s后开始，直到卷烟燃烧锥落头或卷烟抽吸完成。燃烧锥落头倾向（CCFP）为测试过程中卷烟燃烧锥落头支数与被测卷烟总支数的百分比值。在卷烟燃烧锥落头倾向评测中，每个卷烟样品平行测试两组数据，每组50支烟，取两组检测数据的平均值。

1.4 卷烟烟气常规成分检测

分别 按 照国 标GB/T 19609—2004［15］、GB/T 23355—2009［16］、GB/T 23203.1—2008［17］测定烟气总粒相物（TPM）、焦油、烟碱和水分。

1.5 烟支静燃速率检测

按照文献［18］测定卷烟静燃速率，记录从距接装纸43 mm到3 mm之间的40 mm烟柱静燃所消耗的时间，每个卷烟测试20支，求平均静燃速率。

1.6 燃烧锥长度测试

在ISO抽吸模式下抽吸烟支，当卷烟抽吸至第3口时从吸烟机拔下来并用一个直径约6 mm、一头封闭的玻璃管闷熄烟支，用洗耳球轻轻将燃烧锥外的烟灰吹掉，然后用游标卡尺测量燃烧锥长度。

1.7 烟丝含水率检测

按照YC/T 31—1996《烟草及烟草制品试样的制备和水分测定烘箱法》的要求测定。

2 结果与讨论

2.1 卷烟燃烧锥落头倾向检测方法的可行性考察

首先对燃烧锥落头倾向测试仪检测过程中的敲击力度稳定性进行考察，基于压力传感器检测到的电信号，连续敲击30次测试结果的标准偏差仅为0.076 V，由此证明燃烧锥落头倾向测试仪在检测过程中敲击力度是相对稳定的。

然后分别取湖南中烟A品牌和B品牌细支卷烟样品各5条，按GB/T 16447—2004实验条件平衡卷烟样品，并按烟支单支质量中心值±0.005 g的质量偏差分别选取300支卷烟，每个卷烟品牌分为6组，每组50支，然后按1.3节所述卷烟燃烧锥落头倾向检测方法分别测试两个卷烟样品的落头倾向，检测结果如表2所示。可以看出，采用实验室自行开发的卷烟燃烧锥落头倾向测试仪按照给定的检测方法测试卷烟抽吸时燃烧锥落头倾向得到的检测结果波动性小，分6组连续检测300支卷烟所得的结果标准偏差不超过3%。本实验是在假定两个卷烟样品质量稳定，燃烧锥落头倾向基本一致的前提下开展的，在此假设成立的条件下，可以认为使用实验室自制的卷烟燃烧锥落头倾向测试仪检测卷烟燃烧锥落头倾向的方法可行，所得结果也是可靠的。

表2两种卷烟样品燃烧锥落头倾向检测结果Tab.2 CCFP test results for two types of cigarettes（%）

2.2 影响细支烟燃烧锥落头倾向单因素分析

2.2.1 烟支单支质量对细支卷烟燃烧锥落头倾向的影响

试制卷烟在进行燃烧锥落头倾向检测实验前按烟支单支质量目标值±0.005 g的质量偏差选烟，试制卷烟相关参数和燃烧锥落头倾向检测结果如表3所示。

从表3可以看出，随着烟支单支质量增加，烟支吸阻逐渐增大，烟支密度也逐渐增大，烟支静燃速率明显减小，卷烟在抽吸过程中燃烧锥长度逐渐减小（表3中呈现的数据为卷烟抽吸到第3口时的燃烧锥长度），与此同时卷烟燃烧锥落头倾向急剧减小。烟支单支质量较大的样品由于烟支内部烟丝填充量增多，结构密实，烟支静燃减慢，同时抽吸时烟支燃烧速率也变慢，因而卷烟燃烧锥变短。单支质量较大的样品，烟丝在烟支轴向上分布会更均匀，通过进一步测试各卷烟烟支密度分布也可证实这一点（图2）。

表3不同烟支单支质量卷烟关键参数与落头倾向Tab.3 Key parameters and CCFP results for cigarettes of different weights

图2烟支密度分布图Fig.2 Distribution of tobacco density along the cigarette rod

为了减少卷烟端部落丝，在烟支卷接时经常会使用三深三浅的平准器。从图2中可以看到烟支在轴向上烟丝总体分布为烟支前端和嘴端密实、中间部分疏松。烟支在轴向上前紧后松的结构导致卷烟抽吸到由紧至松的节点时燃烧线前端质量较大，而燃烧线后端烟丝疏松，尤其是单支质量较小的烟支这一现象更明显，所以当受到外界的敲击时容易导致燃烧锥落头。在研究过程中通过统计得到卷烟在抽吸至第2或第3口时发生燃烧锥落头的比例占比很大，具体统计结果见表4。

从表4可以看出当烟支单支质量较小时，卷烟燃烧锥落头倾向大，而且燃烧锥落头基本发生在卷烟抽吸到第2或第3口时，对应位置在距烟支前段的20～30 mm区域，该段烟支烟丝分布不均匀，存在烟支密度由至高到至低的拐点。随着烟丝单支质量增加，烟丝分布差异减小（图2），燃烧锥落头倾向降低，第2或第3口燃烧锥落头占比也降低。这一结论与王亮等［11］所阐述的燃烧锥结构是吻合的。

表4卷烟燃烧锥落头倾向与抽吸口数的关系Tab.4 Relationship between CCFP and puffing number of cigarette

以烟支单支质量与卷烟燃烧锥落头倾向数据作图，结果如图3所示。烟支单支质量与燃烧锥落头倾向呈良好的线性关系，二者呈负相关，R2值为0.968 8，且在调整烟支单支质量的整个实验过程中燃烧锥落头倾向的变化区间非常大，说明烟支单支质量对卷烟燃烧锥落头倾向的影响非常大。

2.2.2 卷烟纸助燃剂含量对卷烟燃烧锥落头倾向的影响

图3烟支单支质量与燃烧锥落头倾向关系Fig.3 Relationship between cigarette weight and CCFP outcome

表5卷烟纸助燃剂含量不同的试制卷烟检测结果Tab.5 Test results for cigarettes with different combustion promoter contents in cigarette paper

将采用不同助燃剂含量卷烟纸试制得到的A2系列卷烟经平衡后分别测试卷烟的静燃速率、燃烧锥长度和燃烧锥落头倾向，结果如表5所示。由表5可知，在钾、钠配比一致的条件下，卷烟纸助燃剂添加比例增大，烟支静燃速率增加，且在烟支抽吸时由于卷烟纸的燃烧性能增强，导致整个烟支燃烧速率增加，卷烟在抽吸时产生的燃烧锥长度增长。表5中提供了卷烟抽吸至第3口时的燃烧锥长度，随卷烟纸助燃剂含量增加，卷烟燃烧锥长度呈明显增加趋势，燃烧锥增长将直接导致燃烧锥体积增大，李斌等［19］在讨论卷烟纸助燃剂对常规卷烟燃烧锥落头倾向影响时，也证实卷烟纸助燃剂的增加会使卷烟静燃时的燃烧锥体积呈增大趋势。烟支抽吸时燃烧锥增大，燃烧锥的质量增加，容易导致燃烧锥测试时相应的落头倾向增加。另外，助燃剂含量多的卷烟纸在卷烟抽吸过程中燃烧线后方更容易发生炭化，在卷烟落头倾向检测敲击时卷烟纸对燃烧锥的裹持能力也会下降。因此适当减少卷烟纸助燃剂含量，在卷烟燃烧过程中可降低卷烟纸燃烧速率，有助于降低细支卷烟燃烧锥的落头倾向。

2.2.3 烟丝含水率对卷烟燃烧锥落头倾向的影响A3系列试制卷烟不经过平衡处理直接测试烟支静燃速率、燃烧锥长度和卷烟燃烧锥落头倾向，同时剖开烟支取烟丝进行整丝率分析［20］，结果见表6。

表6不同烟丝含水率卷烟检测结果Tab.6 Test results for cigarettes with different moisture contents in cut tobacco

由表6可知，烟丝含水率不同，在卷烟加工过程中烟丝的造碎性能不一样，含水率低的烟丝（A3-1、A3-2）在卷接加工过程中易造碎，烟支中烟丝过于细碎对卷烟品质影响较大，烟丝间相互作用力弱化，容易造成烟支空头和燃烧锥落头；含水率较高的烟丝（A3-3、A3-4）经卷接后造碎程度降低，烟支中的烟丝整丝率提高，燃烧锥落头倾向明显减小。另外烟丝含水率高，其自身的燃烧速率会降低，导致烟支燃烧速率降低，这一点从表6中的烟支静燃速率可以看出。烟丝燃烧性能降低，抽吸时相应的卷烟燃烧锥长度也会减短，燃烧锥前端质量也相应地减小。综合上述因素，不同烟丝含水率的卷烟在抽吸时由于烟支燃烧速率和烟丝结构发生改变，所以导致卷烟燃吸状态改变，抽吸时燃烧锥落头倾向也发生改变，具体分析解释可见之前文献报道［14］。烟丝含水率略微提高，卷烟燃烧锥落头倾向明显降低。A3-3与A3-4两个样品落头倾向接近，且烟丝含水率增加其落头倾向略有回升趋势，原因可能是在烟支单支质量一致的情况下，A3-4干烟丝量比A3-3略少，在烟支单支质量和烟丝含水率两个因素共同作用下使得两种卷烟落头倾向趋近。

2.2.4 梗签含量对细支烟燃烧锥落头倾向的影响

将A4系列卷烟分别测试烟支静燃速率、燃烧锥长度和燃烧锥落头倾向，测试结果如表7所示。燃烧锥落头倾向与梗签掺兑量的拟合直线如图4所示。

表7不同梗签掺兑量试制卷烟检测结果Tab.7 Test results for cigarettes with different stem contents in cut tobacco

图4梗签掺兑量与燃烧锥落头倾向关系Fig.4 Relationship between stem content in cut tobacco and CCFP results

从表7可以看出梗签掺兑量与烟支的静燃速率和燃烧锥长度关系不明显，但对卷烟燃烧锥落头倾向有一定的影响，增加梗签掺兑量卷烟燃烧锥落头倾向呈增加的趋势。A4系列试制卷烟燃烧锥落头倾向绝对值普遍偏高，分析其原因应该是试制卷烟的烟丝经三次剔梗后造碎比较严重，和正常的配方烟丝结构有较大差异。由于梗签形状和柔软度都有别于烟丝，因此掺兑梗签会不同程度地破坏烟支内烟丝之间的相互缠绕状态，因而当烟支受到敲击时燃烧锥后端通过烟丝缠绕产生的夹持力会受到影响。从整体而言，增加梗签掺兑比例，燃烧锥落头倾向实际增加值并不是太大，这说明在卷烟中梗签对卷烟燃烧锥落头倾向的影响并不大。但从图4中可以看出梗签掺兑比例与卷烟落头倾向二者的线性关系较好，R2值为0.933 1。

2.3 影响细支烟燃烧锥落头倾向多因素分析

本实验中基于卷烟生产的工艺可行性和卷烟感官质量需求，在设计过程中尽量缩小了各因素的变化范围，另外卷制过程中直接通过控制剔梗量实现对烟丝中梗签含量的调节。卷烟试制完成后针对每组不同剔梗量的烟支进行分析：剖开50根烟支挑选出梗签，计算梗签量与烟丝总量的比值，所得数据作为烟支中实际梗签含量。试制卷烟的实际参数和卷烟燃烧锥落头倾向检测数据如表8所示。可以看出，在烟支单支质量、卷烟纸助燃剂含量、烟丝含水率和剔梗量4个参数较小的变化区间内，14组试制卷烟间燃烧锥落头倾向变化区间大，样品B1与B8燃烧锥落头倾向相差达40%，检测结果显示燃烧锥落头倾向大的样品烟支单支质量相对较轻、卷烟纸助燃剂含量较高。

采用Minitab统计软件对上述细支卷烟燃烧锥落头倾向结果进行偏最小二乘法（PLS）回归分析，采用逐一剔除法对回归方程进行交叉验证，最终提取分量数为4，燃烧锥落头倾向与各影响因素PLS回归方程方差分析结果如表9所示。

表8 B系列卷烟实际参数和落头倾向检测结果Tab.8 Parameters and CCFP results for Series B cigarettes

表9细支烟燃烧锥落头倾向PLS回归方程方差分析结果Tab.9 Results of partial least square regression analysis of variance for CCFP of slim cigarette

本方差分析中变量为细支烟燃烧锥落头倾向，自变量为卷烟纸助燃剂含量、卷烟烟支单支质量、烟丝含水率和剔梗量。方差分析结果显示所考察的4个因素与细支卷烟燃烧锥落头倾向PLS回归方程的显著性检验P值为0.000，小于0.01，表明预测模型的自变量和因变量之间线性关系极显著，说明该模型具有合理性。

细支烟燃烧锥落头倾向预测模型的非标准化系数和标准化系数如表10所示。回归系数表明：卷烟纸助燃剂含量与细支卷烟燃烧锥落头倾向呈正相关，烟支单支质量、烟丝含水率和剔梗量与细支卷烟燃烧锥落头倾向呈负相关。根据标准化回归系数分析，烟支单支质量是影响细支卷烟燃烧锥落头倾向的最主要因素，各因素对卷烟燃烧锥落头倾向影响程度从大到小依次是卷烟烟支单支质量、卷烟纸助燃剂含量、烟丝含水率和剔梗量，且剔梗量的影响远远低于其他3个因素。由于剔梗量与烟丝中梗签含量为负相关关系，剔梗量越低烟丝中的梗签含量越高，卷烟燃烧锥落头倾向增加。从上述分析可知影响细支烟燃烧锥落头倾向因素的PLS回归分析结论与卷烟燃烧锥落头倾向单因素分析结论一致。

表10细支烟燃烧锥落头倾向模型的回归系数Tab.10 Regression coefficient of the model for CCFP of slim cigarette

2.4 细支烟燃烧锥落头倾向研究对卷烟生产的指导

根据上述研究结果可知在细支卷烟生产过程中烟支单支质量是影响卷烟燃烧锥落头倾向的主要因素，为了有效减少细支卷烟燃烧锥落头现象，对市场上某品牌细支卷烟生产工艺进行调整，提高卷烟烟支单支质量，调整前和调整后取卷烟生产样品测试燃烧锥落头倾向，检测结果如表11所示。可知，两组卷烟原辅材料除烟丝含水率略有不同外，其他参数一致，烟支卷接过程中小幅度提高烟支单支质量能有效改善卷烟燃烧锥落头现象。

表11调整前和调整后燃烧锥落头倾向的检测结果Tab.11 Test results of CCFP of slim cigarette before and after adjustment

3 结论

采用自开发敲击式燃烧锥落头测试仪系统评价了卷烟烟支单支质量、卷烟纸助燃剂含量、烟丝含水率和烟丝中梗签含量对细支烟燃烧锥落头倾向的影响。从单因素角度分析，在上述因素中，卷烟纸助燃剂含量和烟丝中梗签含量与细支烟燃烧锥落头倾向呈正相关关系，烟支单支质量和烟丝含水率与细支烟燃烧锥落头倾向呈负相关关系。从多因素角度出发采用偏最小二乘法（PLS）分析了4个因素对细支烟落头倾向影响的显著程度，4个因素排序依次为：烟支单支质量、卷烟纸助燃剂含量、烟丝含水率、烟丝中梗签含量，其中烟支单支质量是影响细支卷烟燃烧锥落头倾向的最主要因素。将研究结论应用于实际卷烟生产中，适当提高烟支单支质量，卷烟燃烧锥落头倾向明显降低。由于影响卷烟燃烧锥落头倾向的因素很多，本研究中仅选择了对实际生产工艺有明显关联且方便调控的几个因素，以便指导生产，后续还将对其他因素进行完善研究。