叶片结构与烟丝结构的相关关系

江雪彬，胡开利，吴雪芹，朱建新，韩 明，杨永杰，李 晓，姚二民

(1.湖北中烟武汉卷烟厂，湖北武汉 430051；2.郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州 450000；3.河南中烟工业有限责任公司安阳卷烟厂，河南安阳 455006)

叶片片型和结构决定烟丝结构，烟丝结构是影响卷烟质量的重要因素之一[1-2]。打叶复烤过程中，控制合理的叶片片型、结构是保障卷烟质量稳定性的前提，明确叶片结构与叶丝结构的关系是打叶复烤后片烟结构优化的关键[3]。近年来，国内外学者对叶片结构与叶丝结构的关系开展了大量研究。罗登山等通过综述叶片结构对卷烟质量影响的研究进展指出，影响叶片结构的主要因素为烟叶原料的物理特性、加工工艺和加工设备等，同时不同尺寸叶片的比例变化会对烟丝结构产生影响，并随之影响卷烟的卷制质量[3]。刘志平等对叶片大小与叶丝尺寸关系进行探讨发现，>12.7 mm的叶片对>3.2 mm的叶丝有显著影响，≤12.7 mm的叶片对 ≤1.4 mm 的叶丝有显著影响[4]。Jakob Stephen利用响应面设计法对叶片结构和烟丝结构的关系进行分析，结果表明，3目(5.9 mm)以上的烟丝主要来源于3/2英寸(38.1 mm)或3/4英寸(19.05 mm)以上的叶片；6目(3.3 mm)和10目(2.0 mm)以上的烟丝主要来源于3/8英寸(9.53 mm)以上的叶片；14目(1.4 mm)以上的烟丝来源于3/8英寸筛上和筛下的叶片；20目(0.85 mm)以上、28目(0.59 mm)以上的烟丝主要来源于3/8英寸之下的叶片[5]。雷诺公司的研究结果表明，3目(5.9 mm)以上的烟丝主要来自3/2英寸以上的叶片，6目以上的叶丝主要来自3/4英寸以上的叶片。目前，关于此方面多为对叶片结构与烟丝结构关系的定性研究，由于研究者们所采用的叶片结构和烟丝结构的筛分方法及尺寸区间的划分不同，因此对叶片结构与烟丝结构的关系并没有较为一致的结论[6]。本试验采用简单相关分析、因子分析、回归分析等方法研究卷烟叶片结构各指标与烟丝结构各指标间的相关关系，建立数学模型，这些模型能够较好地预测不同结构叶片切后对应烟丝的尺寸分布，为制定在线叶片结构检测标准及在打叶复烤上优化叶片结构以获得良好的卷烟物理指标提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

某牌号卷烟原料烟片、卷烟烟丝，由河南中烟工业有限责任公司提供。

JDX-A01型叶片再切生产线(开封市金建烟草机械有限责任公司)；TQ-2型叶片振动分选筛(郑州烟草研究院)；YQ-2型烟丝振动分选筛(郑州烟草研究院)；PL3001-S Mettler电子天平(感量0.1 g，瑞士Mettle公司)；BINDER恒温恒湿箱(香港路易企业有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 烟丝取样 取正常生产时，制丝线进料流量分别为 6 500、5 000、3 500 kg/h时，经JDX-A型叶片再切生产线处理的叶片以及不经该设备处理的正常叶片，作为叶片试验样品，共44组，贴好标签待用；对生产线上的各组叶片样品进行切丝，分别取切后所对应的烟丝作为试验样品，共44组，贴好标签待用。取样均在机台运行稳定的状态下进行，在 JDX-A01 型截短机出口处取叶片样品，每组取样3次，每次随机取样4 000 g，所取样品混合均匀后，采用四分法将其缩减至1 000 g。烟丝样品取样点为烘丝后，具体取样方法参照叶片取样。若取样与检测时间间隔过长，则将样品放入恒温恒湿室贮存备用。

1.2.2 烟丝检测 将待测样品平衡48 h后，进行叶片结构及烟丝结构测试，检测方法均参照国标规定GB/T 21137—2007《烟叶 片烟大小的测定》、YC/T 146—2001《烟叶 打叶复烤 工艺规范》等执行[7-8]。

叶片结构指标的检测利用叶片振动分选筛对烟片样品进行筛分，检测烟片的大片率(>25.40 mm叶片率)、中片率(>12.70～25.40 mm叶片率)、小片率(>6.35～12.70 mm叶片率)、碎片率(2.36～6.35 mm叶片率)。烟丝结构指标的检测利用烟丝振动分选筛对烟丝样品进行筛分，检测长丝(>3.35 mm)、中丝(>2.50～3.35 mm)、短丝(1.00～2.50 mm)以及碎丝(<1.00 mm)在烟丝中所占的比例。

2 结果与分析

2.1 叶片结构与烟丝结构的简单相关性分析

对各组试验样品的叶片结构及制丝后对应的烟丝结构各指标进行测试，用SPSS软件对各项指标的检测结果进行简单相关性分析[9]，得到叶片结构各指标与制丝后对应烟丝结构各指标间的相关系数矩阵(表1)。

表1 叶片结构与烟丝结构的简单相关性

注：“*”表示显著相关，“**”表示极显著相关。

分析结果(表1)表明，叶片结构各指标与烟丝结构各指标呈现出不同相关性(正负相关)。长丝率与叶片结构各指标间均存在极显著的相关关系，具体表现为长丝率与大片率呈现极显著的正相关关系，与中片率、小片率、碎片率呈极显著负相关关系。中丝率仅与中片率呈显著的正相关关系，与其他各项叶片结构指标间的相关性均不显著，因此若要提高中丝率，必须相应提高中片率。短丝率与叶片结构各指标间均存在极显著的相关关系，具体表现为短丝率与大片率呈极显著负相关关系，与中片率、小片率、碎片率呈极显著正相关关系。整丝率与大片率呈极显著正相关关系，与中片率、小片率、碎片率呈极显著负相关关系，因此要提高整丝率，应尽量增加大片率。碎丝率与大片率呈现显著负相关关系，即制丝后碎丝率随着原料烟片大片率的增加而降低，碎丝率与中片率呈极显著正相关关系。

综上所述，烟丝结构各指标与叶片结构具有不同程度的相关性，即叶片结构直接影响切后的烟丝结构。大片率的增加有助于提高整丝率，降低碎丝率，但同时也会导致长丝率增加，中丝率降低。中片率和小片率的增加均会导致切后碎丝率增加。中丝率与中片率呈显著的正相关关系。

2.2 叶片结构与烟丝结构关系模型的建立

用SPSS软件对检测所得的叶片结构各指标进行简单相关性分析得到叶片结构各指标间的相关系数矩阵，结果见表2。

表2 叶片结构各指标间的简单相关性

由表2可以看出，叶片结构各指标间均具有较强的相关性。若直接用其表征烟丝结构，存在共线性问题，无法消除各变量之间的相关性影响。为解决上述问题，应对叶片结构各指标进行因子分析提取主成分，构建一个能够客观反映叶片结构的综合指标，以期为叶片结构对烟丝结构影响的研究及主成分分析法主成分的合理分组提供依据。

根据叶片结构各指标间的相关系数矩阵，采用主成分分析法，运用SPSS软件对叶片结构各指标进行因子分析，提取主成分，提取因子的方差贡献率见表3。由于第1个主成分的累积贡献率已达到81.295%，故提出1个因子变量，作为综合因子变量，表4为经方差极大法旋转的因子载荷矩阵，因子主要表征叶片结构，除与大片率指标呈负相关外，与其他各指标均为正相关关系。

表3 提取因子的方差贡献率

表4 因子载荷矩阵

由于表3、表4得出的因子载荷矩阵的载荷系数并不能直接用于表征综合因子变量，需要将所得因子载荷系数进行数据变换。将叶片结构各指标的方差贡献率归一化[各指标因子载荷系数除以提取因子的方差贡献率中主成分特征值(3.252)的平方根]得到转换后各指标的权重系数依次为：-0.546、0.464、0.531、0.452，进而得到表征叶片结构综合因子x的表达式：

x=-0.546x1+0.464x2+0.531x3+0.452x4。

式中：x1表示大片率；x2表示中片率；x3表示小片率；x4表示碎片率。

将综合因子变量x设为自变量，将各项烟丝结构指标设为因变量y(y1、y2、y3、y4、y5分别表示长丝率、中丝率、短丝率、碎丝率、整丝率)，用SPSS软件进行多元回归分析。根据逐步回归原理，采用SPSS统计软件对叶片结构指标x与各项烟丝指标y1、y2、y3、y4、y5依次进行逐步回归分析，得到多元回归方程及显著性检验结果见表5、表6。

表5 综合因子变量与烟丝结构各指标间的多元回归分析结果

注：“—”表示此项无数据。

表6 综合因子变量与烟丝结构各指标间的显著性检验结果

回归分析结果(表5、表6)表明，叶片结构与长丝率、短丝率、整丝率均存在极显著的相关关系，与碎丝率呈显著相关关系，而中丝率指标与综合因子变量间的相关关系不显著，故模型构建失败，这可能是由于中丝率指标受多种因素影响，因此不适合用该叶片结构构建的模型来预测。按照R2排序，各项烟丝结构指标与叶片结构之间的关系密切程度由强到弱的顺序依次为短丝率、整丝率、长丝率、碎丝率、中丝率，即烟片的叶片结构对切丝后烟丝的短丝率、整丝率的影响较大[10]。

根据烟丝结构各指标与综合因子变量x的拟合所得方程，将构建的综合因子变量x=-0.546x1+0.464x2+0.531x3+0.452x4代回方程，得到烟丝结构各指标与叶片结构各指标间的关系模型如下：

y1=0.172x1-0.146x2-0.300x3-0.256x4+61.063；

y3=-0.115x1+0.098x2+0.112x3+0.095x4+13.700；

y4=-0.010x1+0.009x2+0.010x3+0.009x4+1.460；

y5=0.135x1-0.115x2-0.131x3-0.112x4+84.893。

2.3 模型验证

将检测所得的各项叶片结构数据带入所建模型可得到对应烟丝结构的各项数据，将计算值与实测值进行比较，结果见图1至图4。可以看出，用模型所求出的烟丝结构各指标计算值与实测值吻合程度较好，R2分别为长丝率 0.923，短丝率0.973，碎丝率0.958，整丝率0.967，表明利用所建立的模型能够较好地预测不同结构叶片切后烟丝的尺寸分布。

上述模型建立了叶片结构与烟丝结构的定量关系，对进一步研究烟丝的合理性生产和利用具有至关重要的作用。利用叶片结构与烟丝结构的关系模型来预测制丝后对应烟丝的尺寸分布可为在线叶片结构检测标准的制定提供依据。监测叶片结构的波动情况对保证成丝到卷包过程中烟丝结构所涉及物理指标的合格具有重要意义，可根据一定尺寸范围的烟丝含量选择增减相应大小叶片比例，为打叶复烤优化叶片结构提供依据[12-14]。

3 结论与讨论

烟丝结构的各指标与叶片结构具有不同程度的相关性，叶片结构直接影响切后的烟丝结构。大片率的增加有助于提高整丝率、降低碎丝率，但同时也会导致长丝率增加、中丝率降低。中片率和小片率的增加，均会导致切后碎丝率增加，中丝率与中片率呈显著的正相关关系。

建立叶片结构各指标与烟丝结构各指标之间的关系模型，且用所建立模型求出的烟丝结构各指标计算值与实测值吻合程度较好，其R2分别为长丝率0.923，短丝率0.973，碎丝率0.958，整丝率0.967，能够较好地预测不同结构叶片切后叶丝的尺寸分布。

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