卷烟燃烧速率与其包灰性能关系分析

王孝峰，张 劲，李延岩，王成虎，郑 丰，郭东锋，张亚平，周 顺*，王 健，金 宇，谢映松，张晓宇，曹 芸，管明婧，鲍 穗

1.安徽中烟工业有限责任公司 烟草行业燃烧热解研究重点实验室，合肥市高新区天达路9号230088 2.安徽中烟工业有限责任公司 烟草化学安徽省重点实验室，合肥市高新区天达路9号230088

卷烟包灰是消费者抽吸卷烟时烟支燃烧灰分状态的综合视觉体验，目前已引起消费者的日益关注和行业的广泛重视［1-2］。开发卷烟包灰调控技术的重要前提是包灰评价方法的建立及包灰影响因素的研究。目前，卷烟包灰性能评价主要采用基于图像处理或计算机视觉的方法，并形成了灰色、裂口率、缩灰率、碳线宽度、碳线整齐度等主要评价指标［3-5］。对于卷烟包灰影响因素的研究，主要是从起点参数的角度，包括卷烟纸参数（定量、透气度、纤维比例、助燃剂、填料、螺纹、包灰助剂等）［5-14］、烟丝参数（烟丝宽度、烟支质量、三丝等）［13-15］和烟支卷制工艺参数［16-17］，来揭示烟支设计参数对包灰的影响，而从燃烧过程参数的角度研究其对包灰的影响还鲜见报道［18］。因此，利用机器视觉技术测定了46个卷烟样品在ISO抽吸条件下的灰色值、裂口率、缩灰率、碳线宽度、碳线整齐度和燃烧速率，并分析了卷烟燃烧包灰指标与燃烧速率之间的相互关系，旨在为开发基于燃烧过程调控的卷烟包灰性能提升的关键技术提供支撑。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

46种不同设计参数卷烟样品由安徽中烟工业有限责任公司提供。单等级烟叶原料3种：2017年安徽皖南/云烟97/B23F；2017年福建龙岩/云烟87/C3FA；2018年贵州遵义/云烟87/C2FA。不同螺纹卷烟纸样品（横螺纹、竖螺纹和无螺纹）：定量29 g/m2，透气度60 CU，助燃剂质量分数2%，钾钠质量比1∶1，碳酸钙质量分数33%［中烟摩迪（江门）纸业有限公司］。6因素5水平设计卷烟纸样品（浙江华丰纸业科技有限公司）25种，6因素分别为定量（5水平为26、28、30、32、34 g/m2）、透气度（5水平为30、40、50、60、70 CU）、麻浆质量分数（5水平为0、15%、25%、50%、75%）、钾钠质量比（5水平为全钾、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2）、助燃剂质量分数（5水平为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，以柠檬酸根质量分数计）、碳酸钙质量分数（5水平为25%、30%、35%、38%、40%）。

XS204电子天平（感量0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司）；BACST600卷烟包灰检测仪（合肥众沃仪器技术有限公司），配备DFK33G274相机（德国Imaging Source公司，分辨率1 600×1 200）。

1.2 方法

1.2.1 卷烟样品的制备

采用相同的接装纸和滤棒卷制46种样品卷烟，具体如下：①固定卷烟纸（定量29 g/m2，透气度60 CU、助燃剂质量分数2%、钾钠质量比1∶1、碳酸钙质量分数33%），采用不同烟丝进行卷制，包括单料烟烟支3种（3种单料烟丝均采用薄板烘丝工艺制备）、不同宽度烟丝（0.8、1.0、1.2 mm）的烟支3种、不同质量［（840±10）、（900±10）、（950±10）mg］的烟支3种以及不同三丝含量的烟支9种。②固定烟丝（2018年贵州遵义/云烟87/C2FA，薄板烘丝，烟丝宽度1.0 mm），不同理化指标的正交设计卷烟纸样品25种，不同螺纹卷烟纸（横螺纹、竖螺纹、无螺纹）的烟支3种。烟支长度84 mm，烟支圆周24.4 mm，滤嘴长度25 mm。对于不以烟支质量为变量的样品，按单支质量（900±10）mg的范围进行筛选。

1.2.2 卷烟包灰测试方法

采用BACST600卷烟包灰检测仪进行卷烟样品包灰指标及燃烧速率测试，每个样品测试2组，每组6支卷烟。该仪器所检测包灰指标包括灰色、裂口率、缩灰率、碳线宽度和碳线整齐度，具体定义分别为：灰色值，卷烟燃烧灰柱非裂口区灰度均值，分布范围0~255（黑~白）；裂口率，卷烟燃烧线以上裂口区面积与灰柱区总面积之比，单位%；缩灰率，卷烟燃烧线以上灰柱宽度减小均值与燃烧前该区域烟柱宽度之比，单位%；碳线宽度，卷烟燃烧线碳化区的宽度均值，单位mm；碳线整齐度，卷烟燃烧线碳化区最高点和最低点间的高度差均值，单位mm。

卷烟样品检测前在温度（22±1）℃、相对湿度（60±3）%的环境中平衡48 h。卷烟包灰指标测试均采用单面拍照模式，烟支燃烧长度固定为40 mm，具体方法如下：①卷烟燃烧模式选择：固定烟支样品（烟丝为单等级烟叶2017年安徽皖南/云烟97/B23F），烟支非搭口区正对相机，分别在静燃模式、ISO抽吸（抽吸容量35 mL，持续时间为2 s，抽吸周期60 s）、马萨诸塞抽吸（抽吸容量45 mL，持续时间为2 s，抽吸周期30 s）和WG9B抽吸（抽吸容量60 mL，持续时间为2 s，抽吸周期30 s）模式下测试烟支包灰指标和燃烧速率。②烟支搭口区和非搭口区的选择：固定烟支样品（烟丝为单等级烟叶2017年安徽皖南/云烟97/B23F），分别在静燃和ISO抽吸模式下测试烟支搭口区正对和背对相机时的包灰指标和燃烧速率。③在ISO抽吸条件下测试样品卷烟燃烧包灰指标和燃烧速率。

1.2.3 数据处理与分析

使用Excel软件整理数据，所有统计和制图均在R软件中进行。

2 结果与讨论

2.1 卷烟燃烧包灰检测试验条件的确定

2.1.1 燃烧模式

根据表1，与静燃状态相比，ISO燃吸时卷烟燃烧速率增加近一倍，灰色值增加了12.7%，缩灰率增加了7.8%，碳线宽度增加了46.4%，碳线整齐度增加了47.9%，裂口率增加了66.6%，这说明抽吸加剧了卷烟燃烧，使灰柱收缩率增大，卷烟纸碳线变宽、碳线整齐度降低，灰柱裂口区增大，但同时由于燃烧更加剧烈充分，烟灰的灰色值增大（图1），与已有文献一致［19-20］。进一步增大抽吸容量，燃烧速率略有上升，包灰各指标也呈小幅度变化，说明与抽吸模式相比，抽吸与否是影响卷烟包灰质量指标的显著性因素。

表1 不同燃烧模式下卷烟燃烧速率和包灰质量指标Tab.1 Burning rates and ash integrity indexes of cigarettes under different puffing modes

图1 不同燃烧模式下的卷烟燃烧灰柱Fig.1 Ash column appearance of cigarettesunder different puffing modes

2.1.2 卷烟纸搭口区和非搭口区

根据表2，在烟支静燃条件下，与卷烟纸非搭口区相比，搭口区燃烧速率略快，碳线更窄更整齐，裂口率更低，灰色也更浅（图2）。在ISO燃吸条件下，与卷烟纸非搭口区相比，搭口区燃烧速率及包灰指标变化与静燃条件下基本一致，唯一区别较大的是燃吸条件下，灰柱非搭口区域裂口率增加了66.6%。另外，对于烟支搭口区域，与静燃相比，烟支燃吸时灰柱裂口率仅增加了12.2%。以上发现说明烟支搭口区域的2层卷烟纸不仅有效抑制了灰柱裂口，提高碳线质量，还可以提升灰柱白度。

表2 卷烟纸搭口区和非搭口区的卷烟燃烧速率和包灰指标Tab.2 Burning rates and ash integrity indexes of seamed and non-seamed sections of cigarette paper

图2 卷烟纸搭口区和非搭口区的烟支燃烧灰柱Fig.2 Ash column appearance of seamed and non-seamed sections of cigarette paper

2.1.3 卷烟样品质量

由表3可见，随着烟支质量增加，烟支燃烧速率降低，裂口率略有降低，但灰色值、缩灰率、碳线宽度和碳线整齐度呈现先降低而后又略升高的变化趋势。整体上，增加烟丝填充量会降低卷烟纸燃烧速率，但有利于提升卷烟燃烧包灰性能。

表3 不同质量卷烟燃烧速率和包灰指标Tab.3 Burning rates and ash integrity indexes of cigarette samples with different weights

2.2 卷烟燃烧速率和包灰指标检测结果的描述统计

由46种卷烟样品燃烧包灰各指标的描述统计结果（表4）可见，灰色值和碳线整齐度变异较小，统计变异系数均小于10%；烟支的碳线宽度、燃烧速率和缩灰率变异中等，统计变异系数在10%~15%之间；裂口率变异较大，统计变异系数达到了31.80%。

表4 卷烟燃烧包灰测试指标的描述统计Tab.4 Descriptive statistics of test indexes of cigarette ash integrity

2.3 卷烟燃烧包灰测试指标之间简单相关性分析

由卷烟样本包灰指标之间及其与燃烧速率之间Pearson相关分析结果（图3）可见，多项指标间存在较强相关性。其中，灰色值与裂口率（相关范围-0.77~-0.41）、缩灰率（相关范围-0.82~-0.52）和碳线宽度（相关范围-0.88~-0.65）在0.001水平呈显著负相关，与燃烧速率（相关范围0.12~0.60）在0.01水平显著正相关；裂口率与缩灰率（相关范围0.52~0.82）、碳线宽度（相关范围0.25~0.68）在0.001水平上显著正相关，与燃烧速率（相关范围-0.68~-0.24）在0.001水平上显著负相关；缩灰率与碳线宽度（相关范围0.59~0.85）在0.001水平上显著正相关，与燃烧速率（相关范围-0.67~-0.22）在0.001水平上显著负相关。碳线宽度与碳线整齐度（相关范围0.09~0.58）在0.05水平上显著正相关，与燃烧速率（相关范围-0.52~0.01）在0.05水平上显著负相关。此外，碳线整齐度与灰色值、裂口率、缩灰率和燃烧速率之间无显著相关性。

图3 卷烟包灰指标之间及其与燃烧速率之间散布矩阵图Fig.3 Scatter matrix among ash integrity indexes and burning rate of cigarette

2.4 卷烟燃烧包灰指标与燃烧速率之间广义可加模型分析

利用广义可加模型对包灰指标（灰色值、裂口率、缩灰率、碳线宽度和碳线整齐度）与燃烧速率之间关系进行分析，结果见表5。缩灰率与燃烧速率在0.001水平显著相关，灰色和裂口率与燃烧速率在0.01水平显著相关，方差解释率分别为22.4%、24.2%和33.1%。碳线宽度与燃烧速率在0.05水平显著相关，方差解释率为7.8%。碳线整齐度与燃烧速率不相关。该结果与Pearson相关分析结果一致。

表5 卷烟燃烧包灰指标与燃烧速率广义可加模型分析结果Tab.5 Results of generalized additive model for ash integrity indexes and burning rate of cigarette

图4给出了灰色值、裂口率、缩灰率和碳线宽度随燃烧速率变化的偏残差图。可以看出，随着卷烟燃烧速率加快，灰色值偏残差呈现先增加后趋于平稳的变化趋势，裂口率偏残差呈现先降低后增加的变化趋势，缩灰率偏残差和碳线整齐度偏残差呈现逐渐降低的变化趋势。这应与烟丝和卷烟纸之间燃烧匹配性有关，适中的燃烧速率（大约在12~14 mm/min之间）才能使烟丝和卷烟纸之间的匹配程度较好，赋予卷烟燃烧灰柱整体较好的包灰效果。

图4 卷烟包灰指标随燃烧速率变化偏残差图Fig.4 Partial residual diagrams of cigarette ash integrity indexes varying with burning rate

3 结论

①与静燃状态相比，燃吸状态下，卷烟灰柱收缩率和裂口率增大，碳线更宽、整齐度更低，烟灰灰色值升高；增大抽吸容量，燃烧速率略有上升，包灰各指标仅呈小幅度变化。②与非搭口区相比，卷烟纸搭口区碳线更窄更整齐，裂口率更低，灰色也更浅，且可有效抑制因燃吸而导致的单层卷烟纸区域灰分裂口率大幅增加的问题。③灰色值和碳线整齐度变异较小，碳线宽度、燃烧速率和缩灰率变异中等，裂口率变异较大。④燃烧速率与灰色值在0.01水平上显著正相关，与裂口率和缩灰率在0.001水平显著负相关，与碳线宽度在0.05水平上显著负相关，与碳线整齐度无显著相关性。⑤随着卷烟燃烧速率增加，灰色值先增加后趋于平稳，裂口率先降低后升高，缩灰率和碳线宽度逐渐降低。