卷烟纸参数对卷烟持灰能力的影响

李 欢 王建民 王豪礼 代存迪

(郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南 郑州 450000)

包灰性能是指卷烟燃烧形成的灰柱及烟灰的外观特性的统称，如持灰能力、灰柱表面裂纹及灰片外翻程度、灰柱及烟灰颜色[1-3]等，因会影响消费体验而日益受到关注。其中，持灰能力是指卷烟燃吸过程中烟灰持续保持、不频繁脱落的能力，持灰能力差的卷烟燃吸过程中烟灰会频繁脱落，严重影响消费体验。然而，相对于灰柱表面裂纹等包灰性能指标，目前针对持灰能力的研究较少，且主要集中在测定方法研究方面[4-5]，针对持灰能力评价、影响因素等方面的研究则未见报道。另一方面，许多研究[2,6-9]表明卷烟纸是影响卷烟包灰性能的重要因素，并将卷烟纸参数设计、优化作为改善卷烟包灰性能的重要手段，然而，已有研究中也未涉及到持灰能力。

试验拟在文献[4—5]的基础上对持灰能力测定方法进行改进，并以卷烟纸定量、透气度、碳酸镁添加量、助燃剂钠钾比、酸根类型和助燃剂用量为变量，运用均匀设计法研究卷烟纸参数对持灰能力的影响，旨在为改善卷烟的持灰能力提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

碳酸镁：分析纯，湖北楚烁生物科技有限公司；

柠檬酸钾：分析纯，广州利硕分离科学研究所；

柠檬酸钠：分析纯，湖南晶磊鑫进出口有限公司；

氯化钾、氯化钠：分析纯，天津市大茂化学试剂厂；

13种不同卷烟纸参数的卷烟样品：某中烟工业有限责任公司；

卷烟包灰性能测试箱：参照文献[10]自行搭建；

恒温恒湿箱：KBF240型，美国Binder公司；

摄像机：IMX498型，深圳华为技术有限公司。

1.2 方法

1.2.1 卷烟纸参数组合方案设计及卷烟样品制备 选择卷烟纸定量、透气度、碳酸镁添加量、助燃剂钠钾比、助燃剂酸根类型、助燃剂用量6项卷烟纸参数，参照文献[11]中定量、透气度、助燃剂量、钠钾比4项参数水平的选取范围，结合实际生产情况，设计各项卷烟纸参数水平如表1所示，其中酸根类型取0和1两个水平，0为柠檬酸盐，1为氯化盐。采用U12(1212)均匀设计表的第1、2、6、8、9、10列设计试验方案[12-14]，共12种不同参数组合的卷烟纸，分别记为1#，2#，…，12#。利用相同烟丝、在同一台卷烟机上卷制相同规格、相同卷制质量要求的卷烟样品。

表1 卷烟纸参数水平设计表

1.2.2 卷烟持灰能力测定方法

(1)样品制备：每种不同卷烟纸参数的卷烟样品各随机选取16支，置于温度(22±1)℃，相对湿度(60±2)%的恒温恒湿箱中平衡48 h[15]。

(2)持灰能力测定：参照文献[4—5]的原理建立持灰能力测定方法，即通过录像获取卷烟燃吸过程视频、截取灰柱断裂瞬间的图像并借助图像分析方法测定持灰能力。具体过程包括：打开自行搭建的包灰性能测试箱中的光源，将“L”型玻璃导管一端插入包灰性能测试箱的底座中，通过柔性导管和注射器连接，组建抽吸气路系统，“L”型玻璃导管另外一端插入卷烟并使其保持水平。将手机放置在箱体上部，打开视频录制功能，点击录制。点燃卷烟后，按照ISO 3308:2000中ISO抽吸模式抽吸卷烟并对卷烟燃烧过程进行全程录像。抽吸结束后分别截取烟支未燃烧时和灰柱断裂瞬间的照片。然后利用Photoshop图像分析软件中的标尺工具测量照片中烟支的长度，运用式(1)计算卷烟的持灰长度。以4支卷烟为一个测量单元，用测量单元内卷烟持灰长度的均值表征持灰能力。

(1)

式中：

L——持灰能力，mm；

H——卷烟的实际长度，mm；

D1——烟支未燃烧时的像素，PX；

D2——抽吸端到碳线的像素，PX。

1.3 数据处理

主要数据处理方法包括图示法、LSD多重比较、多元回归分析等，作图及数据处理软件包括SPSS 11.5、Minitab 18、Origin 2019b等。

2 结果与讨论

2.1 持灰能力

表2所示是12种不同卷烟纸参数组合对应的卷烟持灰能力测定结果，持灰能力介于39.07～43.76 mm，相对标准偏差RSD介于1.69%～7.23%。可见，在烟丝及卷制质量相同的情况下，随着卷烟纸参数的改变持灰能力及其稳定性均发生了明显变化。

表2 不同参数卷烟纸的卷烟持灰能力测定结果

2.2 卷烟纸参数对持灰能力的影响

2.2.1 单一卷烟纸参数对持灰能力的影响 以各项卷烟纸参数为横坐标、持灰能力为纵坐标作误差棒图，并按参数进行不同水平间的最小显著差数法(LSD)多重比较，结果如图1所示。LSD多重比较结果表明，定量、透气度、碳酸镁添加量、钠钾比的某些水平间表现出了显著差异性，酸根类型和助燃剂用量的水平间差异不显著。由各因素、水平对应的持灰能力均值可以看出，随着透气度升高持灰能力呈明显的先升高后降低趋势，随着碳酸镁添加量增加持灰能力呈降低趋势，随着钠钾比升高持灰能力呈先降低后升高趋势，其他几项参数对持灰能力的影响趋势则有待进一步研究、确定。同一因素取不同水平时持灰能力均值置信区间变化十分明显，且各项参数均存在一个均值置信区间最小的水平，依次是定量30 g/m2、透气度50 CU、碳酸镁添加量0%、钠钾比5.0%、酸根类型氯离子、助燃剂用量2.0%。除酸根类型外，其他5项参数取上述水平时对应的持灰能力均值也最高。

小写字母不同表示差异达到显著水平(P<0.05)，大写字母不同表示差异达到极显著水平(P<0.01)

已知均匀设计缺乏综合可比性，分析单一参数的影响时会受到其他参数的干扰。尽管如此，透气度、碳酸镁添加量和钠钾比3个参数的影响仍然表现出了较明显的规律性，说明上述参数是影响持灰能力的重要卷烟纸参数。

2.2.2 卷烟纸参数对持灰能力的影响 以卷烟纸定量(x1)、透气度(x2)、碳酸镁添加量(x3)、钠钾比(x4)、酸根类型(x5)、助燃剂量(x6)为自变量，持灰能力为因变量进行多元回归分析，建立含定性变量的回归模型[16-17]，结果见表3和表4。由表3可知，回归方程极显著，且对持灰能力变异的解释程度达到了92.3%。由表4可知，① 透气度、碳酸镁添加量、钠钾比和酸根类型对持灰能力的影响达到了极显著或显著水平，主次顺序为透气度、钠钾比、碳酸镁添加量、酸根类型；定量和助燃剂用量未进入回归方程。② 随透气度增加持灰能力呈先升高后降低趋势、最大值出现在49.2 CU处；随钠钾比增加持灰能力呈先降低后升高趋势、最小值出现在2.97处；随着碳酸镁添加量增加持灰能力降低；酸根类型为氯离子时优于柠檬酸根，持灰能力平均升高1.1 mm。

表3 回归模型概述表

表4 回归系数检验表

回归分析结果进一步证明透气度、碳酸镁添加量、钠钾比是影响持灰能力的重要参数，且影响趋势与单一参数分析结果一致。由回归方程可知，透气度、碳酸镁添加量、钠钾比、酸根类型分别取50 CU、0%、5.0或0.0、氯离子时可获得最大持灰能力，结合2.2.1部分分析结果，4个参数分别取50 CU、0%、5.0、氯离子时可获得高且稳定的持灰能力。

2.2.3 控制干扰后定量和助燃剂用量对持灰能力的影响

单一参数及多元回归分析结果表明，定量和助燃剂用量是影响持灰能力的次要因素，且由于受到透气度等主要因素的干扰未表现出明显的规律性。为此，拟通过控制干扰因素进一步分析两个参数对持灰能力的影响趋势。

图2 控制干扰后定量对持灰能力的影响

图3 控制干扰后助燃剂用量对持灰能力的影响

分别以(x1,z)和(x6,z)为自变量进行回归分析，研究在控制z值的情况下定量和助燃剂用量对持灰能力的影响，结果见表5和表6。对比表3和表5可知，考虑定量或助燃剂用量后回归方程的调整决定系数略有升高、回归标准差略有降低，说明定量、助燃剂用量的影响有限，但根据回归方程可以定性分析其影响趋势。由表6可知，控制z值后两个参数对持灰能力的影响均达到了极显著水平，且均与z值间存在交互作用。由回归方程可知，定量、助燃剂用量与持灰能力间均呈线性关系，斜率分别为0.031z-0.547和0.617z-10.257。可见，随着定量或助燃剂用量增加，持灰能力变化的方向和程度与z值有关，高z值、高定量、高助燃剂量有利于提高持灰能力。该现象与韩路等[18]研究结果具有一致性，表明在一定的范围内，高定量、高助燃剂量卷烟纸的组织结构更疏松，均匀性和自然孔隙度得到改善，纸张燃烧速度加快，与烟丝燃烧性能的匹配度提高，掉火头倾向降低，持灰能力增强。

表5 回归模型概述表

表6 回归系数检验表

2.3 卷烟纸参数优化方案设计

综合单一参数及两次回归分析结果，6项卷烟纸参数与持灰能力间的定性关系为：持灰能力随卷烟纸透气度增加先升高后降低，随碳酸镁添加量增加而降低，随钠钾比增加先降低后升高，助燃剂酸根类型为氯离子时有利于提高持灰能力；持灰能力随定量、助燃剂用量增加线性增减，变化的方向和程度则取决于透气度、碳酸镁添加量、钠钾比和酸根类型4项参数的组合情况。6项卷烟纸参数对持灰能力的影响程度不同，具体表现为：持灰能力主要受透气度、碳酸镁添加量、钠钾比和酸根类型4项参数组合的影响，其中尤以透气度和钠钾比的影响最大；定量和助燃剂用量对持灰能力的影响则较小。

提高卷烟持灰能力的关键是透气度、碳酸镁添加量、钠钾比和酸根类型4项参数的组合。对于研究所涉及的卷烟产品而言，上述4项参数的优组合及其预测结果如表7所示，该组合与2#样品的参数组合接近、差别在于酸根类型不同，2#样品同时具备高z值、高定量、高助燃剂量特征。2#样品的实测持灰能力在优组合的预测区间之内，若将酸根类型改为氯离子后持灰能力可以提高1 mm左右，与预测结果更吻合，卷烟纸各项参数的优组合为定量40 g/m2、透气度50 CU、碳酸镁添加量0%、钠钾比5.0、酸根类型氯离子、助燃剂用量2.0%。

表7 卷烟纸参数的优组合及预测结果

按照各卷烟纸参数优组合重新制样并测定其持灰能力，5次测量结果介于43.79～44.47 mm，均值为44.11 mm，RSD为0.54%，平均持灰能力出现在优组合的预测区间内，证明上述卷烟纸参数组合能够明显改善卷烟的持灰能力。

3 结论

(1)在烟丝、卷烟规格及卷制质量一定时，随着定量、透气度、碳酸镁添加量、助燃剂钠钾比、酸根类型及助燃剂用量等卷烟纸参数组合的变化，卷烟的持灰能力及其稳定性发生了明显变化，表明卷烟纸是影响卷烟持灰能力的重要因素。

(2)透气度、钠钾比、碳酸镁添加量、酸根类型4项参数是影响持灰能力的主要因素，主次顺序为透气度>钠钾比>碳酸镁添加量>酸根类型。定量、助燃剂量是影响持灰能力的次要因素。

(3)控制透气度、钠钾比、碳酸镁添加量、酸根类型4项参数间的组合(z值)的情况下，定量和助燃剂用量与持灰能力间呈显著线性关系，但影响的方向和程度与z值有关，高z值、高定量、高助燃剂量有利于提高持灰能力。

研究了卷烟纸参数对卷烟持灰能力的影响，并证明了通过卷烟纸参数优化能够明显改善卷烟的持灰能力。但此研究还存在以下不足之处：研究结论是针对特定规格、特定烟丝和卷制特性的卷烟样品得出的，考虑到烟丝与卷烟纸间配合的复杂性，随着上述条件的变化这些结论是否仍然适用需要在不断的实践中加以验证。另外，随着卷烟纸参数变化卷烟的烟气指标以及其他包灰性能指标也会发生变化，因此，实际确定卷烟纸参数的优组合式还应考虑其他指标的要求。