烟丝和卷烟机参数对卷烟包灰性能的影响

许艳冉，刘舒畅，穆林，惠建权*，王建民，李欢，常冰冰

1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，郑州高新技术产业开发区科学大道136号450001

2.贵州中烟工业有限责任公司技术中心，贵阳市小河区开发大道96号550009

随着国内外烟草行业的不断发展，消费者对卷烟的包灰效果极为重视，卷烟作为一种特殊的消费品，人们对其品质的要求越来越高。卷烟包灰性能是衡量卷烟综合品质的重要方面，包灰性能的好坏直接影响消费者的抽吸体验，因此，改善卷烟的包灰性能进而提高其档次感日益受到关注。大量研究表明影响卷烟包灰性能的因素主要包括卷烟纸参数如定量［1-4］、透气度［2-6］、螺纹方式［1］、抗张强度［7］等，以及烟丝特性如切丝宽度［4,8］、叶组配方中三丝掺配比例等。此外，通过添加卷烟纸助剂［1,9-13］也能明显改善卷烟包灰性能。综上所述，针对特定烟丝合理搭配卷烟纸是改善卷烟包灰性能的主要途径。另一方面，包灰性能的优劣是卷烟燃烧的结果，必然会受到卷烟卷制特性如卷烟机参数的影响，但相关研究则少见报道。因此，以切丝宽度、烟丝含水率及卷烟机参数（风室正压、风室负压、回丝量、二次剔梗量、平准器凹槽宽度及深度）为试验因素，采用均匀试验设计、回归分析等方法，系统研究烟丝、卷烟机参数对卷烟包灰性能的影响规律，旨在为改善和控制卷烟包灰性能提供方法支撑和依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

贵州中烟工业有限责任公司提供的由不同烟丝和卷烟机参数卷制的12种国酒香品牌卷烟。

卷烟包灰性能测试箱（自行设计并搭建）［14］；KBF240恒温恒湿箱（德国Binder公司）；佳能EOS70D数码相机［佳能（中国）有限公司］；WSB-X型智能白度测定仪（杭州大吉光电仪器有限公司）。

软 件：Image J和Adobe Photoshop CC2017图像分析软件；SPSS数据分析软件。

1.2 试验方法

1.2.1 试验方案及样品制备

选择烟丝含水率、切丝宽度、平准器凹槽深度及宽度（简称槽深和槽宽）、风室正压及负压、回丝量、二次剔梗量等8项烟丝及卷烟机参数，每项指标取3个水平、采用均匀设计法设计12个参数组合，见表1。在同一台卷烟机上、使用相同材料、卷制相同规格及单支质量的卷烟样品。按照试验方案更换烟丝、平准器、调节卷烟机参数，待设备运行平稳后取样待测。

表1均匀试验设计表Tab.1 Uniform test design table

1.2.2 试验指标及测定方法

选择包灰值、灰度值、白度值、锥高、碳化圈宽度5项指标。其中包灰值、灰度值、碳化圈宽度为望小型指标，白度值为望大型指标，锥高为望目型指标［15］。

包灰值、灰度值、白度值、锥高分别参考文献［14，16-18］的方法测定。

碳化圈宽度测定方法如下：如图1所示，将所采集的卷烟燃烧锥图片输入电脑，启动Image J图像处理软件。使用Open（打开）功能打开需要处理的图片，使用Straight Light（直线选取）工具设置比例。使用Rectangular Selections（矩形选框）工具选取碳化圈区域并复制图片，宽度和高度分别为1.85和0.94 mm。使用Split Channels（分开色频）功能对碳化圈图片分离三原色，并选择分离后的Blue（蓝色）基色。使用Adjust Threshold（调节阈值）功能使区域内黑色碳化圈部分尽可能显色并应用。运行Plugins（插件）功能打开已安装的Macros（宏），并计算碳化圈的黑白比例，其中Percent White（白色所占比例）即为碳化圈宽度，单位%。

2 结果与分析

图1碳化圈宽度计算结果示意图Fig.1 Schematic diagram to illustrate the method to calculate carbonation ring width

2.1 均匀试验结果的直观分析

不同烟丝和卷制参数组合对应的各项指标的检测结果见表2。可知，包灰值、灰度值、白度值、锥高和碳化圈宽度的平均值分别在1.901～3.339、0.328～0.379、35.7～37.0、8.731～10.022 mm和18.828%～24.547%之间，重复测定结果的RSD分别在11.71%～23.45%、2.58%～9.14%、0.27%～1.29%、3.2%～9.2%和6.15%～18.15%之间。其中包灰值、碳化圈宽度的RSD整体偏高，这与该项指标自身稳定性较差有关［14］。包灰值、灰度值、白度值、锥高和碳化圈宽度的变化幅度分别为43.1%、13.5%、2.5%、16.5%和24.5%。可见烟丝和卷烟机参数组合对各项包灰性能指标均有一定影响，且对包灰值和碳化圈宽度的影响最大。

表2均匀试验结果Tab.2 Uniform test results

直观分析可以看出，8#样品的包灰值最低、灰度值中等偏低、白度值最高、锥高适中、碳化圈宽度最窄，综合包灰性能最好，对应的参数组合为烟丝含水率12.6%、切丝宽度0.8 mm、平准器凹槽深度2.8 mm、宽度24 mm、风室正压10 kPa、负压105 kPa、回丝量30%、二次剔梗量65 g/min。

2.2 均匀试验结果的回归分析

2.2.1 回归模型概述

分别以包灰值、灰度值、白度值、锥高和碳化圈宽度为因变量，以烟丝含水率（x1）、切丝宽度（x2）、槽深（x3）、槽宽（x4）、风室正压（x5）、风室负压（x6）、回丝量（x7）、二次剔梗量（x8）为自变量进行多元回归分析，结果表明5项指标回归模型的方差检验结果均为极显著，P值分别为0.000、0.001、0.000、0.002、0.000，决定系数分别为0.980、0.971、0.998、0.962、0.995。

各项指标回归模型的回归系数检验结果如表3～表7所示。由表可知，①切丝宽度、平准器凹槽宽度、风室正压及负压对5项指标均有显著影响。②烟丝含水率对灰度值、白度值、锥高3项指标有显著影响，回丝量对包灰值、白度值、碳化圈宽度3项指标有显著影响，槽深对包灰值和锥高有显著影响，二次剔梗量仅对白度值有显著影响。③由标准化回归系数可知，槽深、槽宽及槽深与回丝量的交互作用对包灰值的影响较大；风室正压及其与风室负压的交互作用对灰度值的影响较大；风室负压与回丝量、槽宽的交互作用对白度值的影响较大；风室正压及其与槽宽的交互作用对锥高、碳化圈宽度的影响较大。

总的来说，所涉及的烟丝和卷烟机参数对卷烟包灰性能不仅影响大且影响机理十分复杂：一是参数间存在复杂的交互作用；二是各参数对不同指标的影响程度不同。

表3包灰值回归系数检验表Tab.3 Regression coefficient checklistfor ash integrity value

表4灰度值回归系数检验表Tab.4 Regression coefficient checklist for grayness value

表5白度值回归系数检验表Tab.5 Regression coefficient checklist for whiteness value

表6锥高回归系数检验表Tab.6 Regression coefficient checklist for cone height

表7碳化圈宽度回归系数检验表Tab.7 Regression coefficient checklist for carbonization ring width

2.2.2 交互作用及影响趋势分析

2.2.2.1 包灰值

由包灰值回归模型可知，显著影响因素包括切丝宽度、槽深、槽宽、风室正压、风室负压和回丝量，其中槽宽与切丝宽度、槽宽与风室正压、槽宽与风室负压、槽深与回丝量之间存在交互作用。如图2所示，随着槽宽、槽深增加包灰值降低，随着切丝宽度、风室正压、风室负压和回丝量增加包灰值升高。

当切丝宽度、槽宽、槽深、风室正压、风室负压和回丝量分别取0.8 mm、3.0 mm、24 mm、6 kPa、90 kPa和30%时包灰值最低。

图2烟丝和卷烟机参数对包灰值的交互影响Fig.2 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on ash integrity value

2.2.2.2灰度值

由灰度值回归模型可知，显著影响因素包括烟丝含水率、切丝宽度、槽宽、风室正压、风室负压，其中烟丝含水率与切丝宽度、烟丝含水率与槽宽、烟丝含水率与风室负压、风室正压与风室负压间存在交互作用。如图3所示，随着烟丝含水率增加灰度值升高，随着切丝宽度增加灰度值先降低后升高。风室正压与风室负压之间的交互作用较强烈，致使风室正压和负压对灰度值的影响趋势因交互作用因子的取值变化而变化。

当烟丝含水率、切丝宽度、槽宽、风室正压和风室负压分别取11.8%、1.0 mm、24 mm、10 kPa、120 kPa时灰度值最低。

图3烟丝和卷烟机参数对灰度值的交互影响Fig.3 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on grayness value

2.2.2.3 白度值

由白度值回归模型可知，显著影响因素包括烟丝含水率、切丝宽度、槽宽、风室正压、风室负压、回丝量，其中烟丝含水率与回丝量、风室负压与回丝量、槽宽与风室负压、槽宽与切丝宽度、切丝宽度与风室正压间存在交互作用。如图4所示，随烟丝含水率、槽宽、风室正压、回丝量增加白度值升高，随切丝宽度、风室负压增加白度值降低。

当烟丝含水率、切丝宽度、槽宽、风室正压、风室负压、回丝量、二次剔梗量分别取12.6%、0.8 mm、24 mm、10 kPa、90 kPa、40%、40 g/min时白度值最高。

图4烟丝和卷烟机参数对白度值的交互影响Fig.4 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on whiteness value

2.2.2.4 锥高

由锥高回归模型可知，显著影响因素包括烟丝含水率、切丝宽度、槽深、槽宽、风室正压和风室负压，其中烟丝含水率与切丝宽度、槽深与槽宽、风室正压与槽宽、风室负压与槽宽间存在交互作用。如图5所示，随着烟丝含水率、切丝宽度、槽深、风室负压增加锥高降低，槽宽和风室正压、槽宽与槽深之间的交互作用较强烈。

当烟丝含水率、切丝宽度、槽深、槽宽、风室正压和风室负压分别取12.6%、1.2 mm、3 mm、24 mm、10 kPa、120 kPa时锥高最低。

2.2.2.5 碳化圈宽度

由碳化圈宽度回归模型可知，显著影响因素包括切丝宽度、槽宽、风室正压、风室负压和回丝量，其中切丝宽度与槽宽、切丝宽度与风室正压、切丝宽度与回丝量、槽宽与风室正压、风室负压与回丝量间存在交互作用。如图6所示，随着切丝宽度、槽宽、风室正压回丝量增加碳化圈宽度变窄，随着风室负压增加碳化圈宽度变宽。

图5烟丝和卷烟机参数对锥高的交互影响Fig.5 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on cone height

当切丝宽度、槽宽、风室正压、风室负压和回丝量分别取1.2 mm、24 mm、10 kPa、90 kPa、40%时碳化圈宽度最窄。

图6烟丝和卷烟机参数对碳化圈宽度的交互影响Fig.6 Interaction effects between cut tobacco and cigarette maker on carbonization ring width

综上可知，除槽深、槽宽和二次剔梗量外，其他参数取值均因指标不同存在矛盾之处，因此对烟丝和卷烟机参数进行优化时需要综合平衡不同指标的要求。

2.3 最优参数组合的遴选方法

由于不同指标对应的最优参数组合不一致，需要进行综合平衡。为此，可以利用所建回归模型求烟丝和卷烟机参数所有组合（8因素，3水平共38=6 561个）的各项指标预测值，然后按照综合优化目标从中遴选最优组合。

如表8所示，各项指标预测值的取值范围均包含了表2中12个试验样品的取值范围，且均值接近，说明根据试验结果建立的回归方程能够较好地反映试验范围内烟丝和卷烟机参数组合对包灰性能的实际影响情况，并一定程度反映了试验结果的可靠性。基于全组合预测结果进行的指标间的相关分析结果见表9，许多指标间存在极显著相关性，且某些指标间呈显著负相关关系，这可以解释为什么不同指标对应的最优参数组合不一致。

已知包灰值、灰度值、碳化圈宽度为望小型指标，白度值为望大型指标，锥高为望目型指标，以表2中8#组合各项指标的实测值为基准预设各项指标的优化目标，即包灰值≤2.0、灰度值≤0.35、碳化圈宽度≤19%、白度值≥37、锥高介于8.5～9.5 mm。按照上述优化目标从6 561个全组合中依次删除不符合要求的组合，最终得到3个同时满足各项指标优化目标要求的组合，如表10所示。表10中同时列出了8#组合各项指标的预测值，可以看出进一步优选出的3套参数组合与8#组合基本一致，各项指标的预测结果也很接近，因此，考虑到选用8#组合时无需重新加工平准器，因此可将该组合作为改善卷烟包灰性能的最优参数组合。

表8全组合预测结果的统计表Tab.8 Statistical table of prediction results of the whole combination

表9指标间的相关性分析结果①Tab.9 Results of correlation analysis between the five indicators

表10烟丝和卷烟机最优参数组合Tab.10 Optimal parameter combination of cut tobacco and cigarette maker

需要指出的是，随着烟丝和卷烟机参数的改变烟支内烟丝的分布必然会发生相应的变化，这不仅会影响卷烟的包灰性能，必然也会影响卷烟的燃烧锥、端部落丝量以及焦油等烟气成分的释放量。因此，上述研究结果仅是针对包灰性能而言的，实际进行烟丝和卷烟机参数优化时还必须考虑上述指标要求，方能体现“系统化设计”的思想。

3 结论

（1）烟丝和卷烟机参数对包灰值、灰度值、白度值、锥高、碳化圈宽度的综合影响均具有高度统计学意义，且决定系数均在95%以上，说明通过烟丝和卷烟机参数的优化能明显改善卷烟包灰性能。

（2）切丝宽度、平准器凹槽宽度、风室正压和负压对包灰值、灰度值、白度值、锥高、碳化圈宽度5项指标均有显著影响，是影响卷烟包灰性能的主要参数。其中平准器凹槽宽度对各指标的影响趋势一致，适当增加槽宽有利于改善综合包灰性能。

（3）烟丝和卷烟机参数对不同包灰性能指标影响的趋势和程度不同，需要进行综合平衡。在对参数间全部组合预测值进行分析的基础上，确定了参数间的最优组合为烟丝含水率12.6%、切丝宽度0.8 mm、平准器凹槽深度2.8 mm、宽度24 mm、风室正压10 kPa、负压105 kPa、回丝量30%、二次剔梗量65 g/min。