孫東亮，張大波，李 艷，張莎莎，宿 朋，魯 平，楊健榮，史艷霞，席年生，公茂剛，姚光明

1. 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟南卷煙廠，濟南市高新東區(qū)科航路2006 號 250104

2. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

3. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街8 號 450000

與常規(guī)卷煙相比，細支卷煙直徑小且存在過程損耗高、生產(chǎn)效率低、吸阻波動大、滿足感不強以及梗絲難以摻配使用[1]等共性問題。堵勁松等[2]認為煙絲長度與卷煙物理指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性存在分界點，分界點兩側(cè)長度對物理指標(biāo)的影響趨勢相反；姚二民等[3]證實煙絲結(jié)構(gòu)對物理指標(biāo)的影響程度由大到小依次為圓周、單支質(zhì)量、硬度標(biāo)準(zhǔn)偏差、含末率、吸阻和硬度；而邵寧等[4]認為煙絲結(jié)構(gòu)對物理指標(biāo)的影響與卷煙檔次有關(guān)，低檔卷煙應(yīng)提高中長絲比例、減少碎絲率，而中高檔卷煙則應(yīng)降低長絲率。同時，白曉莉等[5]認為天然煙絲組織干癟、排列緊密，膨脹絲的組織光滑膨大，兩者的熱穩(wěn)定性差別不大；趙佳成等[6]則認為煙絲寬度與煙絲結(jié)構(gòu)具有較大的關(guān)聯(lián)性。因此，解決細支卷煙的共性難題，必然涉及煙絲的長度和寬度問題[7]。細支卷煙的直徑小，相同尺寸的煙絲占煙支內(nèi)空間的比例變大，導(dǎo)致進一步放大了煙絲寬度、長度對細支卷煙質(zhì)量的影響，這種影響包括對煙支中煙絲分布的影響、對抽吸過程燃燒性的影響、對測試氣流通過狀態(tài)的影響等[8-13]。所以煙絲寬度、長度與細支卷煙規(guī)格的匹配性，是解決細支卷煙共性問題的重要研究方向。因此分別研究了不同煙絲寬度、長度及長度混料配比對細支卷煙的煙絲分布、物理指標(biāo)、主流煙氣指標(biāo)的影響，旨在找到適宜細支卷煙質(zhì)量的煙絲寬度和長度配比，從而為煙絲結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)及其裝備的開發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗材料

TS（XY）牌號細支卷煙（三價類，烤煙型）的配方葉組，配套煙用材料若干。

1.1.2 儀器與設(shè)備

TQ-2 葉片分選篩（鄭州嘉德機電科技有限公司）；PROTOS 1-8 卷煙機（德國HAUNI 公司）；Quantum NEO 綜合測 試 臺（英 國CERULEAN 公司）；SM400 直線型吸煙機（英國FILTRONA 公司）；FED240 多功能熱風(fēng)循環(huán)烘箱（德國BINDER公司）；EV-2515 葉絲寬度影像測量儀（珠海怡信測量科技有限公司）；YDX-II 卷煙端部落絲測定儀（中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所）；JMQ-3型卷煙含末率測定儀（鄭州煙草研究院）；PB153-S/FACT 電子 天 平（感 量：0.001 g，瑞 士METTLER-TOLEDO 公司）；MW3220 水分密度儀（德國TEWS 公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品煙絲的制備

1.2.1.1 煙絲長度段的劃分

《葉絲整絲率、碎絲率的測定方法（YC/T 178-2003）》中將煙絲分為≤1.0 mm（碎絲）、1.0～2.5 mm（短絲）、2.5～3.5 mm（中絲）和＞3.5 mm（長絲）4個長度段。如采用此法制備各長度段煙絲樣品，一是篩分速度慢，難以在生產(chǎn)中直接復(fù)制推廣；二是篩分出的碎絲極少，且無法直接卷制成煙支；三是長絲比例過高（＞65%），在卷制過程中長絲造碎后會極大干擾其他長度段煙絲對卷煙質(zhì)量的影響，導(dǎo)致卷煙質(zhì)量不確定性增加。且基于該方法進行煙絲結(jié)構(gòu)與質(zhì)量特性關(guān)系的研究，只能用數(shù)學(xué)建模方式展開[2-5]，結(jié)論差異大且難以再現(xiàn)。

因此，將TQ-2 葉片振動分選篩的篩網(wǎng)規(guī)格更改為22.0、6.80、4.32、2.29 mm。其中22.0 mm 篩網(wǎng)主要用于提高篩分效率，其網(wǎng)上煙絲并入6.80 mm篩網(wǎng)的網(wǎng)上煙絲。從而可將煙絲長度分為≤2.29 mm、2.29～4.32 mm、4.32～6.80 mm 和＞6.80 mm 共4 個長度段。

1.2.1.2 不同長度段煙絲的制備

將TS（XY）細支卷煙所用配方葉組，分別加工為寬度0.75、0.85、0.95 mm 的煙絲。用改造后的TQ-2 葉片振動分選篩對3 種寬度煙絲分別篩分，分別制得4 種長度段煙絲，共制備12 種不同寬度、長度段的煙絲樣品。稱量其質(zhì)量并計算各長度段煙絲的原配比（質(zhì)量分數(shù)），結(jié)果見表1。

1.2.1.3 不同長度段混料煙絲的制備

取表1 中12 種樣品煙絲，按表2 方案制備出不同長度組合的混料煙絲樣品。表2 中，各長度段煙絲配比均設(shè)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4 個水平，其中＞6.80 mm長度段煙絲作為預(yù)定煙絲調(diào)控的主對象[4]，其調(diào)控水平從Ⅰ水平到Ⅳ水平依次?。涸浔?、2/3 原配比、1/3 原配比和無添加，且其對應(yīng)的混料煙絲依次 編 為A#、B#、C#、D#；≤2.29 mm、4.32～6.80 mm 長度段的煙絲混料的水平間距設(shè)為3%。而原配比最大的2.29～4.32 mm 長度段煙絲，待其他3 種長度段煙絲配方比確定后，按照約束性混料試驗[14]的配方比例之和100%予以補足。

表1 12 種不同寬度、長度段煙絲原配比（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Original proportions of cut tobacco of different widths and lengths（by mass） （%）

表2 煙絲長度段的混料方案①Tab.2 Blending design of cut tobacco length

1.2.2 細支卷煙樣品的制備

1.2.2.1 不同長度段煙絲的細支卷煙樣品制備取表1 中寬度0.85 mm 的4 種長度段煙絲樣品，按同一卷制參數(shù)分別卷制97（30+67）mm×17.0 mm×550 mg 的4 個細支卷煙樣品，按長度段≤2.29 mm、2.29～4.32 mm、4.32～6.80 mm 和＞6.80 mm的順序依次編號為1#、2#、3#和4#。其中卷煙機平準(zhǔn)盤為深度2.5 mm 的等槽結(jié)構(gòu)。

1.2.2.2 不同長度段混料煙絲的細支卷煙樣品制備取表2 中12 種煙絲樣品，按同一卷制參數(shù)分別卷制97（30+67）mm×17.0 mm×550 mg 的12 個細支卷煙樣品，其編號同表2 中煙絲樣品編號。其中卷煙機平準(zhǔn)盤為深度2.5 mm 的等槽結(jié)構(gòu)。

1.2.2.3 樣品平衡

所有樣品均置入（22±2）℃、相對濕度（60±5）%環(huán)境中平衡48 h 待用。

1.2.3 樣品的檢測與分析

（1）取1#～4#細支卷煙樣品，按照《YC/T 476—2013 煙支煙絲密度測定 微波法》和《GB/T 22838—2009 卷煙和濾棒物理性能的測定》以及《GB5606.5 卷煙 第5 部分：主流煙氣》的要求，測量其煙支密度以及物理指標(biāo)各5 次。煙支密度分別計算煙支軸向各序點密度的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值；物理指標(biāo)分別計算其均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值。測量其主流煙氣指標(biāo)2 次，計算各主流煙氣指標(biāo)的均值，并用指標(biāo)轉(zhuǎn)換、均值比較、極差比較等直觀分析方式[15]，考察煙絲長度對煙支密度、物理指標(biāo)、主流煙氣指標(biāo)的影響。

（2）取3 種寬度的A#～D#細支卷煙樣品，檢測與分析方法同上，考察寬度、長度配比對煙支密度、物理指標(biāo)、主流煙氣指標(biāo)的影響。

（3）綜合實驗結(jié)果，篩選出相對較優(yōu)的煙絲寬度、長度組合，并對優(yōu)化方案進行生產(chǎn)驗證。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙絲長度及其配比對煙支中煙絲分布的影響

2.1.1 煙支密度理論值與檢測值的比較

在卷煙機平準(zhǔn)盤的切削下，煙支中的煙絲分布必然為兩端壓實、中間填充狀態(tài)，在密度值折線圖上則表現(xiàn)為沿?zé)熤лS向的“凹”形結(jié)構(gòu)。采用等槽深的平準(zhǔn)盤時，切槽的形態(tài)直接決定了密度值折線的“凹”形應(yīng)為左右對稱。但樣品的煙支密度實際檢測結(jié)果與理論不符，如1#細支卷煙樣品的密度檢測值曲線與預(yù)測值折線存在明顯差異（圖1），說明沿?zé)熤лS向序點的密度檢測值受相鄰位置物料的影響而與理論值不一致。為準(zhǔn)確評價煙絲在煙支中的軸向分布情況，用軸向序[5，9]和[17，52]區(qū)間的密度檢測值來分別代表壓實段和填充段的密度值，并用壓實比（壓實段/填充段）來反映壓實段與填充段的煙絲分布關(guān)系。

圖1 煙支密度理論值與檢測值的比較Fig.1 Comparison of density of tobacco rod between theoretical and measured values

2.1.2 煙支密度與煙絲長度的關(guān)系

1#～4#細支卷煙樣品的煙支密度分析結(jié)果見表3。表3 表明，①壓實段的煙支密度均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差均明顯高于填充段，因此平準(zhǔn)盤的槽形結(jié)構(gòu)對煙支內(nèi)煙絲分布有較大影響；②在壓實段，煙支密度與煙絲長度呈負相關(guān)，且長度≤2.29 mm時煙支密度陡然增高；③在壓實段和填充段，煙支密度標(biāo)準(zhǔn)偏差均與煙絲長度正相關(guān)；④從壓實段與填充段的關(guān)系看，壓實比的均值與煙絲長度負相關(guān)，壓實比的標(biāo)準(zhǔn)偏差以2.29～4.32 mm 長度段的最低值為分界點，隨著長度的增加而先降低后增高。因此，煙絲長度越短，煙支壓實段密度和壓實比越高，且壓實段和填充段的煙絲填充量波動小，煙支端面飽滿，從而有利于卷煙濾嘴的接裝。

2.1.3 煙支密度與煙絲長度配比的關(guān)系

3 種寬度的A#～D#細支卷煙樣品的煙支密度分析結(jié)果見表4。表4 表明，①在壓實段，煙支密度的平均值與煙絲寬度負相關(guān)，而其標(biāo)準(zhǔn)偏差與煙絲寬度正相關(guān)；②在壓實段和填充段，寬度0.85mm 的A#～D#樣品的煙支密度極差均明顯高于同一編號其他寬度煙絲的樣品，更適合煙絲調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用；③寬度0.85 mm 煙絲的A#～D#樣品，煙支密度標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值在填充段最小，有利于吸阻的穩(wěn)定?？傮w看寬度0.75、0.85 mm 的C#樣品（＞6.80 mm 長度段煙絲配比為原配比的1/3），壓實段的煙支密度及其壓實比高，且壓實段和填充段的煙絲填充量波動小、煙支端面較飽滿，有利于卷煙的濾嘴接裝。

表3 1#～4#樣品的煙支密度及標(biāo)準(zhǔn)偏差Tab.3 Density and its standard deviation of tobacco rod samples No.1 to No.4

表4 與表3 相比，寬度0.85 mm A#～D#樣品的煙支密度平均值，在壓實段提升約3 mg·cm-3、在填充段降低1 mg·cm-3以上，而標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值在填充段和壓實段均有所降低。說明不同長度煙絲混料可減少煙支中煙絲填充量的波動，且煙支端面更飽滿，有利于濾嘴接裝和物理質(zhì)量穩(wěn)定。

表4 各寬度A#～D#樣品的煙支密度及標(biāo)準(zhǔn)偏差Tab.4 Density and its standard deviation of tobacco rod samples No.A to No.D with different cut tobacco widths

2.2 煙絲長度及其配比對物理指標(biāo)的影響

2.2.1 煙絲長度與物理指標(biāo)的關(guān)系

1#～4#細支卷煙樣品的物理指標(biāo)檢測結(jié)果見表5。對表5 中均值的數(shù)據(jù)進行分析可知，①煙絲長度與含末率、端部落絲量、吸阻、硬度、濾嘴通風(fēng)率均呈負相關(guān)，這與壓實段煙支密度、壓實比均負相關(guān)于煙絲長度的結(jié)論一致，可認為煙絲長度會影響煙支密度，進而對細支卷煙物理指標(biāo)也有影響。②1#樣品除濾嘴通風(fēng)率外，其他4 個物理指標(biāo)的檢測值均陡然增高。因此通過增加≤2.29 mm煙絲比例，有助于提高煙支的硬度、吸阻和濾嘴通風(fēng)率，從而可以獲得較好的輕松感、滿足感[16]，但端部落絲量、含末率等指標(biāo)會明顯變差。

對表5 中標(biāo)準(zhǔn)偏差進行分析可知：①端部落絲量的標(biāo)準(zhǔn)偏差與煙絲長度負相關(guān)，即煙絲越短，端部落絲量波動越大；②1#樣品的含末率標(biāo)準(zhǔn)偏差陡然增高，說明長度≤2.29 mm 的煙絲在煙支中的組成不夠穩(wěn)定；③1#、4#樣品的硬度、吸阻、濾嘴通風(fēng)率的標(biāo)準(zhǔn)偏差低，其指標(biāo)波動小?？梢婇L度≤2.29 mm、＞6.80 mm 的煙絲有利于重要物理指標(biāo)的穩(wěn)定，但長度＞6.80 mm 的煙絲同時更有利于含末率和端部落絲量的穩(wěn)定。因此調(diào)控?zé)熃z結(jié)構(gòu)也要保留一定比例長度＞6.80 mm 的煙絲。

表5 1#～4#樣品的物理指標(biāo)Tab.5 Physical indexes of samples No.1 to No.4

2.2.2 煙絲長度配比與物理指標(biāo)的關(guān)系

3 種寬度A#～D#細支卷煙樣品的物理指標(biāo)檢測結(jié)果見表6。對表6 中的極差進行比較可知：硬度、濾嘴通風(fēng)率和吸阻的平均值，以及濾嘴通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)偏差這4 個指標(biāo)，不同切絲寬度間指標(biāo)值的極差高于相同切絲寬度不同煙絲長度間指標(biāo)值的極差；而硬度標(biāo)準(zhǔn)偏差則相反。說明通過調(diào)整切絲寬度，可以調(diào)控硬度、濾嘴通風(fēng)率和吸阻的大??；而通過調(diào)控不同長度煙絲的比例，則可調(diào)控硬度和吸阻的穩(wěn)定性。

表6 各寬度煙絲A#～D#樣品的物理指標(biāo)Tab.6 Physical indexes of samples No.A to No.D with different cut tobacco widths

對表6 中的平均值進行比較可知：①切絲寬度為0.85 mm 的A#～D#樣品，較其他切絲寬度煙絲的硬度、吸阻低，且濾嘴通風(fēng)、端部落絲量和含末率較高，因而輕松感好，但經(jīng)濟性差。②除含末率外，切絲寬度為0.85 mm 的A#～D#樣品有4 個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均最低，指標(biāo)波動小；③0.85 mm-C#樣品（＞6.80 mm 長度段煙絲比例為原配比的33%），硬度、吸阻最低，端部落絲量、含末率偏低，且濾嘴通風(fēng)率最高，其輕松感、經(jīng)濟性均呈現(xiàn)較高水平。切絲寬度為0.85 mm 樣品的總體特征與個體特性的矛盾，證明其不但適合煙絲調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用，同時通過調(diào)控也能獲得較好的細支卷煙質(zhì)量。

2.3 煙絲長度及其混料配比對主流煙氣指標(biāo)的影響

2.3.1 煙絲長度與主流煙氣指標(biāo)的關(guān)系

1#～4#細支卷煙樣品的主流煙氣指標(biāo)檢測結(jié)果見圖2。圖2 表明，①主流煙氣中總粒相物、焦油量、水分、CO 量均正相關(guān)于煙絲長度，且單因素的重復(fù)方差分析結(jié)果[17-19]表明其為極顯著正相關(guān)；②除長度1#樣品外，其他長度段煙絲樣品的煙堿量基本一致。可見煙絲長度與總粒相物、焦油量、CO 量、水分的正相關(guān)性，可能與煙支燃燒狀態(tài)[20]有關(guān)，而煙支的燃燒狀態(tài)則與煙支中的煙絲分布相關(guān)。

2.3.2 煙絲長度混料配比與主流煙氣指標(biāo)的關(guān)系

圖2 1～4#不同長度煙絲樣品的主流煙氣指標(biāo)的值Fig.2 Test results of mainstream smoke of samples No.1 to No.4

3 種寬度A#～D#細支卷煙樣品的主流煙氣指標(biāo)測試結(jié)果見表7。對表7 中的寬度間極差和長度混料間極差進行對比分析可知：①CO 量的寬度間極差明顯大于長度混料間極差；②抽吸口數(shù)的長度混料間極差略大于寬度間極差；③寬度0.85 mm的A#～D#樣品，各指標(biāo)的極差均呈現(xiàn)最高或次高水平。說明通過調(diào)控長度配比可以控制抽吸口數(shù)，通過調(diào)控寬度可以控制水分、CO 量，且寬度0.85 mm 的煙絲所卷制的細支卷煙主流煙氣指標(biāo)的調(diào)控效果較好。

對表7 中主流煙氣指標(biāo)檢測值進行對比分析可知：①寬度0.95 mm 的A#～D#樣品，其抽吸口數(shù)平均值高，燃燒性較差；②寬度0.85 mm 的A#～D#樣品，總體上煙堿量高、水分高、CO 量偏低，有利于抽吸品質(zhì)中滿足感和潤感的保持[16]；③0.85 mm-C#樣品（＞6.80 mm 長度段煙絲配比為原配比的1/3）的主流煙氣指標(biāo)，抽吸口數(shù)、CO 量、總粒相物和焦油量最低或接近最低，煙堿量、水分中等，說明燃燒性好，安全性指標(biāo)較好，滿足感、潤感中等[16]。

表7 各寬度A#～D#樣品的主流煙氣檢測結(jié)果Tab.7 Test results of mainstream smoke of samples No.A to No.D with different cut tobacco widths

2.4 細支卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及生產(chǎn)驗證

通過對煙絲寬度、長度及長度配比對細支卷煙TS（XY）質(zhì)量的影響分析可知，寬度0.85 mm 是煙絲寬度對細支卷煙質(zhì)量影響的分界點，且有利于細支卷煙質(zhì)量；長度＞6.80 mm 煙絲的配比宜從原始配比的13.8%降低為4%（水平Ⅲ）。因此，確定優(yōu)化方案見表8。表8 表明，降低超長絲（長度＞6.80 mm 煙絲）、降低短碎絲（長度≤2.29 mm 段煙絲）、切絲寬度0.85 mm，是細支卷煙煙絲結(jié)構(gòu)調(diào)控的重要技術(shù)方向。常見的片狀梗絲，在寬度形態(tài)上與煙絲存在根本性區(qū)別，而不利于細支卷煙質(zhì)量；同時降低超長絲過程必然會導(dǎo)致短碎絲的增加，所以需在生產(chǎn)中兼顧超長絲和短碎絲間的配比平衡。因此，可將細支卷煙制絲關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)概括為“控長、控碎、控寬（指非等寬，甚至達到片狀）”。

表8 適宜細支卷煙質(zhì)量的煙絲結(jié)構(gòu)方案Tab.8 Suitable cut tobacco structure for making slim cigarettes

以本研究的結(jié)論為依據(jù)，自主開發(fā)絲狀梗絲制造、在線超長絲篩分、烘后柔性斷絲、三級篩片等系列煙絲調(diào)控技術(shù)并進行生產(chǎn)應(yīng)用。經(jīng)鄭州煙草研究院測試和生產(chǎn)驗證，效果見表9[1]。由表9可以看出，煙絲調(diào)控后長度＞6.80 mm 的煙絲下降幅度較大且接近優(yōu)化方案，長度≤2.29 mm 的煙絲比例增高（與優(yōu)化方案中并不一致），這與斷絲技術(shù)在工程應(yīng)用中必然會產(chǎn)生的造碎有關(guān)。同時煙絲的碎絲率雖然增加0.4 百分點，但由于卷包過程的剔除率降低1.0 百分點以上，卷煙機運行提升至額定生產(chǎn)能力，從而單箱消耗明顯下降。同時吸阻穩(wěn)定性明顯提升，硬度穩(wěn)定性略有改進。

表9 生產(chǎn)驗證的效果Tab.9 Effects of production verification

3 結(jié)論

在本研究范圍內(nèi)，①煙支壓實段密度檢測值、壓實比均與煙絲長度呈負相關(guān)，而煙支密度標(biāo)準(zhǔn)偏差與煙絲長度呈正相關(guān)；煙支吸阻、硬度、濾嘴通風(fēng)率、含末率、端部落絲量等物理指標(biāo)與煙絲長度負相關(guān)；TPM、焦油量、水分、CO 量與煙絲長度極顯著正相關(guān)。②寬度0.85 mm 的煙絲，呈現(xiàn)出良好的煙支密度、物理指標(biāo)、主流煙氣指標(biāo)上的可調(diào)控性，且水分高而穩(wěn)定，有利于抽吸品質(zhì)中潤感的保持；當(dāng)長度＞6.80 mm 的煙絲混料配比4.0%時，煙支壓實比高，硬度、吸阻低，濾嘴通風(fēng)率高，且指標(biāo)穩(wěn)定性好，主流煙氣的焦油量和CO 量均相對較低，煙堿量適中。③煙絲長度影響煙支軸向密度，進而通過煙支密度影響細支卷煙的物理指標(biāo)和主流煙氣指標(biāo)。④通過對長度＞6.80 mm和≤2.29 mm煙絲的混料配比進行控制以及梗片的絲狀處理，碎絲率增加約0.4 百分點，卷制機剔除率降低約1.0 百分點，吸阻穩(wěn)定性提升，硬度略有增加，細支卷煙機運行效率有所提升。