喻賽波，譚 超，王詩太，趙 瑜，伍毅子，范紅梅，李 克，譚海風，劉 琦，陳 潛，金 勇

湖南中煙工業(yè)有限責任公司，長沙市勞動中路386號410007

細支卷煙（細支煙）由于煙支圓周小，煙支內部煙絲填充少，原輔材料的細微變化易于被放大而直接導致產品質量波動［1-3］。為此，在細支煙生產過程中，國內各單位對卷煙生產工藝條件進行了相應研究并逐步優(yōu)化［4-6］，經過短短幾年時間的努力，國內細支煙的產品質量穩(wěn)定性有了很大的提高。但由于其煙支結構的特殊性，卷煙質量在某些方面仍存在不足，其中較為突出的問題是：細支煙燃燒錐的持有能力不及常規(guī)卷煙，易導致燃燒錐落頭。卷煙燃燒錐落頭會使煙支抽吸中斷，降低消費者對卷煙品牌的認可度，甚至還可能帶來火災隱患?，F有關于燃燒錐落頭的研究主要是以常規(guī)卷煙為研究對象。趙秋蓉、云雪和喬月梅等［7-10］分別探討過煙絲結構、制絲工藝、煙絲平衡濕度環(huán)境以及卷煙紙參數對燃燒錐落頭的影響。近期，王亮等［11］報道了煙絲結構分布對燃燒錐落頭的影響，闡述了煙絲結構分布、煙支密度以及燃燒錐結構與細支煙燃燒錐落頭的關系。對于一支卷煙而言，影響燃燒錐落頭傾向的因素很多，其中既包括煙支結構及煙支內煙絲的結構與分布，也包括卷煙紙?zhí)卣骷熬頍熂埮c煙絲的燃燒匹配性能，以及各因素之間的相互影響。為了能綜合評價影響細支煙燃燒錐落頭傾向的因素，選取可能對燃燒錐落頭傾向影響較大的因素，其中包括卷煙煙支單支質量、卷煙紙助燃劑含量、煙絲含水率和煙絲中梗簽含量，考察各因素對細支煙燃燒錐落頭傾向的影響規(guī)律，并采用PLS回歸分析方法評價多因素對細支卷煙燃燒錐落頭傾向影響的顯著程度。

為了評價卷煙燃燒錐落頭質量缺陷，2018年，在消費者行為學調查［12］的基礎上，煙草行業(yè)發(fā)布了具有普適性的卷煙燃燒錐落頭傾向測試行業(yè)標準［13］。考慮到燃燒錐落頭給消費者帶來的不良體驗及其對品牌的不良影響，借鑒該標準，采用敲擊法測試細支煙燃燒錐落頭傾向，且有意加大敲擊力度，以更嚴格地表征卷煙燃燒錐落頭傾向，從而更好地為生產廠家提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 卷煙樣品的制備

所有卷煙樣品均在湖南中煙工業(yè)有限責任公司細支卷煙生產車間現有生產設備上進行卷制，卷煙原輔材料和生產工藝參數以相應品牌為準。

A系列卷煙：以湖南中煙A品牌細支卷煙為樣本試制。

A1系列卷煙：分別設計煙支平均單支質量為0.500、0.530、0.560、0.590和0.620 g 5個規(guī)格卷煙，使用助燃劑1.30%的全麻卷煙紙、含水率為11.8%的A品牌煙絲，試制過程中剔梗量控制在70 g/min并卷制煙支，A1系列卷煙用于考察煙支單支質量對燃燒錐落頭傾向的影響。

A2系列卷煙：采用民豐特種紙股份有限公司提供的助燃劑含量呈梯度遞增的卷煙紙樣品，其中助燃劑添加量（以檸檬酸根計算）分別為0.51%、0.69%、1.08%、1.28%、1.65%、2.01%、2.35%，卷煙紙原紙含麻20%，助燃劑為鉀、鈉檸檬酸混鹽（比例為1.5∶1），試制A2系列卷煙。A2系列卷煙煙支平均單支質量控制在0.535 g/支，煙絲含水率為11.9%，試制過程中剔梗量控制在70 g/min。A2系列卷煙用于考察卷煙紙助燃劑含量對燃燒錐落頭傾向的影響。

A3系列卷煙：取A品牌卷煙煙絲在不同濕度條件下將煙絲含水率分別調節(jié)至11.9%、12.5%、12.9%、13.8%，用助燃劑為1.30%的全麻紙卷接煙支，卷接過程中剔梗量控制在70 g/min，煙支平均單支質量控制在0.535 g/支。A3系列卷煙用于考察煙絲含水率對燃燒錐落頭傾向的影響。

A4系列卷煙：取A品牌卷煙煙絲，用振篩將煙末和梗簽進行篩分得到比較純凈的煙絲，同時將篩分得到的梗簽進一步篩選出尺寸較大的梗簽，然后將純凈的煙絲與篩分得到的大梗簽（3.35 mm×3.35 mm，篩網上層）分別按1%、3%、5%的比例進行回摻，制備了不同梗簽含量的A4系列卷煙。試制卷煙紙為助燃劑含量1.30%的全麻紙，卷接過程中煙支平均單支質量控制在0.535 g/支。A4系列卷煙用于考察煙絲中梗簽含量對燃燒錐落頭傾向的影響。

B系列卷煙：以湖南中煙B品牌細支煙為樣本，所使用卷煙紙為全麻紙，按表1設計參數更換相應卷煙原輔材料和調節(jié)工藝參數試制卷煙。

1.2 設備與儀器

XP404S電子分析天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；RM-200A、LM5+全自動吸煙機（德國Borgwaldt公司）；MW3220煙支密度儀（德國TEWS-Elektronik公司）；QUANTUM綜合測試臺（英國Cerulean公司）；FED240烘箱（德國Binder公司）；ASTM E 11試驗篩（美國Gilson公司）；燃燒錐落頭傾向檢測儀（實驗室自行開發(fā)）。

1.3 燃燒錐落頭傾向測試

為了測試卷煙樣品燃燒錐落頭傾向，借鑒鄭州煙草研究院研究的敲擊法測試燃燒錐落頭傾向的方法［13］，自行開發(fā)了敲擊式燃燒錐落頭傾向測試儀（示意圖見圖1），用以評價實驗卷煙燃燒錐落頭傾向。

表1 B系列卷煙多因素實驗設計參數Tab.1 Design parameters of multi-factor experiment for Series B cigarettes

圖1燃燒錐落頭傾向測試儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of CCFP test instrument

卷煙燃燒錐落頭測試參數及方法［14］：敲擊式卷煙燃燒錐落頭傾向測試儀采用敲擊頭自上而下連續(xù)兩次垂直敲擊模式，敲擊頭進入預備狀態(tài)時距煙支承載臺11 mm，敲擊作用在煙支上的中心位置距濾嘴端部30 mm，連續(xù)兩次敲擊間隔時間0.2 s。采用氣缸驅動敲擊頭，氣缸壓力為0.6 MPa。

燃燒錐落頭檢測從卷煙抽吸至第2口開始，敲擊動作從抽吸動作完成2 s后開始，直到卷煙燃燒錐落頭或卷煙抽吸完成。燃燒錐落頭傾向（CCFP）為測試過程中卷煙燃燒錐落頭支數與被測卷煙總支數的百分比值。在卷煙燃燒錐落頭傾向評測中，每個卷煙樣品平行測試兩組數據，每組50支煙，取兩組檢測數據的平均值。

1.4 卷煙煙氣常規(guī)成分檢測

分別 按 照國 標GB/T 19609—2004［15］、GB/T 23355—2009［16］、GB/T 23203.1—2008［17］測定煙氣總粒相物（TPM）、焦油、煙堿和水分。

1.5 煙支靜燃速率檢測

按照文獻［18］測定卷煙靜燃速率，記錄從距接裝紙43 mm到3 mm之間的40 mm煙柱靜燃所消耗的時間，每個卷煙測試20支，求平均靜燃速率。

1.6 燃燒錐長度測試

在ISO抽吸模式下抽吸煙支，當卷煙抽吸至第3口時從吸煙機拔下來并用一個直徑約6 mm、一頭封閉的玻璃管悶熄煙支，用洗耳球輕輕將燃燒錐外的煙灰吹掉，然后用游標卡尺測量燃燒錐長度。

1.7 煙絲含水率檢測

按照YC/T 31—1996《煙草及煙草制品試樣的制備和水分測定烘箱法》的要求測定。

2 結果與討論

2.1 卷煙燃燒錐落頭傾向檢測方法的可行性考察

首先對燃燒錐落頭傾向測試儀檢測過程中的敲擊力度穩(wěn)定性進行考察，基于壓力傳感器檢測到的電信號，連續(xù)敲擊30次測試結果的標準偏差僅為0.076 V，由此證明燃燒錐落頭傾向測試儀在檢測過程中敲擊力度是相對穩(wěn)定的。

然后分別取湖南中煙A品牌和B品牌細支卷煙樣品各5條，按GB/T 16447—2004實驗條件平衡卷煙樣品，并按煙支單支質量中心值±0.005 g的質量偏差分別選取300支卷煙，每個卷煙品牌分為6組，每組50支，然后按1.3節(jié)所述卷煙燃燒錐落頭傾向檢測方法分別測試兩個卷煙樣品的落頭傾向，檢測結果如表2所示。可以看出，采用實驗室自行開發(fā)的卷煙燃燒錐落頭傾向測試儀按照給定的檢測方法測試卷煙抽吸時燃燒錐落頭傾向得到的檢測結果波動性小，分6組連續(xù)檢測300支卷煙所得的結果標準偏差不超過3%。本實驗是在假定兩個卷煙樣品質量穩(wěn)定，燃燒錐落頭傾向基本一致的前提下開展的，在此假設成立的條件下，可以認為使用實驗室自制的卷煙燃燒錐落頭傾向測試儀檢測卷煙燃燒錐落頭傾向的方法可行，所得結果也是可靠的。

表2兩種卷煙樣品燃燒錐落頭傾向檢測結果Tab.2 CCFP test results for two types of cigarettes（%）

2.2 影響細支煙燃燒錐落頭傾向單因素分析

2.2.1 煙支單支質量對細支卷煙燃燒錐落頭傾向的影響

試制卷煙在進行燃燒錐落頭傾向檢測實驗前按煙支單支質量目標值±0.005 g的質量偏差選煙，試制卷煙相關參數和燃燒錐落頭傾向檢測結果如表3所示。

從表3可以看出，隨著煙支單支質量增加，煙支吸阻逐漸增大，煙支密度也逐漸增大，煙支靜燃速率明顯減小，卷煙在抽吸過程中燃燒錐長度逐漸減?。ū?中呈現的數據為卷煙抽吸到第3口時的燃燒錐長度），與此同時卷煙燃燒錐落頭傾向急劇減小。煙支單支質量較大的樣品由于煙支內部煙絲填充量增多，結構密實，煙支靜燃減慢，同時抽吸時煙支燃燒速率也變慢，因而卷煙燃燒錐變短。單支質量較大的樣品，煙絲在煙支軸向上分布會更均勻，通過進一步測試各卷煙煙支密度分布也可證實這一點（圖2）。

表3不同煙支單支質量卷煙關鍵參數與落頭傾向Tab.3 Key parameters and CCFP results for cigarettes of different weights

圖2煙支密度分布圖Fig.2 Distribution of tobacco density along the cigarette rod

為了減少卷煙端部落絲，在煙支卷接時經常會使用三深三淺的平準器。從圖2中可以看到煙支在軸向上煙絲總體分布為煙支前端和嘴端密實、中間部分疏松。煙支在軸向上前緊后松的結構導致卷煙抽吸到由緊至松的節(jié)點時燃燒線前端質量較大，而燃燒線后端煙絲疏松，尤其是單支質量較小的煙支這一現象更明顯，所以當受到外界的敲擊時容易導致燃燒錐落頭。在研究過程中通過統(tǒng)計得到卷煙在抽吸至第2或第3口時發(fā)生燃燒錐落頭的比例占比很大，具體統(tǒng)計結果見表4。

從表4可以看出當煙支單支質量較小時，卷煙燃燒錐落頭傾向大，而且燃燒錐落頭基本發(fā)生在卷煙抽吸到第2或第3口時，對應位置在距煙支前段的20～30 mm區(qū)域，該段煙支煙絲分布不均勻，存在煙支密度由至高到至低的拐點。隨著煙絲單支質量增加，煙絲分布差異減?。▓D2），燃燒錐落頭傾向降低，第2或第3口燃燒錐落頭占比也降低。這一結論與王亮等［11］所闡述的燃燒錐結構是吻合的。

表4卷煙燃燒錐落頭傾向與抽吸口數的關系Tab.4 Relationship between CCFP and puffing number of cigarette

以煙支單支質量與卷煙燃燒錐落頭傾向數據作圖，結果如圖3所示。煙支單支質量與燃燒錐落頭傾向呈良好的線性關系，二者呈負相關，R2值為0.968 8，且在調整煙支單支質量的整個實驗過程中燃燒錐落頭傾向的變化區(qū)間非常大，說明煙支單支質量對卷煙燃燒錐落頭傾向的影響非常大。

2.2.2 卷煙紙助燃劑含量對卷煙燃燒錐落頭傾向的影響

圖3煙支單支質量與燃燒錐落頭傾向關系Fig.3 Relationship between cigarette weight and CCFP outcome

表5卷煙紙助燃劑含量不同的試制卷煙檢測結果Tab.5 Test results for cigarettes with different combustion promoter contents in cigarette paper

將采用不同助燃劑含量卷煙紙試制得到的A2系列卷煙經平衡后分別測試卷煙的靜燃速率、燃燒錐長度和燃燒錐落頭傾向，結果如表5所示。由表5可知，在鉀、鈉配比一致的條件下，卷煙紙助燃劑添加比例增大，煙支靜燃速率增加，且在煙支抽吸時由于卷煙紙的燃燒性能增強，導致整個煙支燃燒速率增加，卷煙在抽吸時產生的燃燒錐長度增長。表5中提供了卷煙抽吸至第3口時的燃燒錐長度，隨卷煙紙助燃劑含量增加，卷煙燃燒錐長度呈明顯增加趨勢，燃燒錐增長將直接導致燃燒錐體積增大，李斌等［19］在討論卷煙紙助燃劑對常規(guī)卷煙燃燒錐落頭傾向影響時，也證實卷煙紙助燃劑的增加會使卷煙靜燃時的燃燒錐體積呈增大趨勢。煙支抽吸時燃燒錐增大，燃燒錐的質量增加，容易導致燃燒錐測試時相應的落頭傾向增加。另外，助燃劑含量多的卷煙紙在卷煙抽吸過程中燃燒線后方更容易發(fā)生炭化，在卷煙落頭傾向檢測敲擊時卷煙紙對燃燒錐的裹持能力也會下降。因此適當減少卷煙紙助燃劑含量，在卷煙燃燒過程中可降低卷煙紙燃燒速率，有助于降低細支卷煙燃燒錐的落頭傾向。

2.2.3 煙絲含水率對卷煙燃燒錐落頭傾向的影響A3系列試制卷煙不經過平衡處理直接測試煙支靜燃速率、燃燒錐長度和卷煙燃燒錐落頭傾向，同時剖開煙支取煙絲進行整絲率分析［20］，結果見表6。

表6不同煙絲含水率卷煙檢測結果Tab.6 Test results for cigarettes with different moisture contents in cut tobacco

由表6可知，煙絲含水率不同，在卷煙加工過程中煙絲的造碎性能不一樣，含水率低的煙絲（A3-1、A3-2）在卷接加工過程中易造碎，煙支中煙絲過于細碎對卷煙品質影響較大，煙絲間相互作用力弱化，容易造成煙支空頭和燃燒錐落頭；含水率較高的煙絲（A3-3、A3-4）經卷接后造碎程度降低，煙支中的煙絲整絲率提高，燃燒錐落頭傾向明顯減小。另外煙絲含水率高，其自身的燃燒速率會降低，導致煙支燃燒速率降低，這一點從表6中的煙支靜燃速率可以看出。煙絲燃燒性能降低，抽吸時相應的卷煙燃燒錐長度也會減短，燃燒錐前端質量也相應地減小。綜合上述因素，不同煙絲含水率的卷煙在抽吸時由于煙支燃燒速率和煙絲結構發(fā)生改變，所以導致卷煙燃吸狀態(tài)改變，抽吸時燃燒錐落頭傾向也發(fā)生改變，具體分析解釋可見之前文獻報道［14］。煙絲含水率略微提高，卷煙燃燒錐落頭傾向明顯降低。A3-3與A3-4兩個樣品落頭傾向接近，且煙絲含水率增加其落頭傾向略有回升趨勢，原因可能是在煙支單支質量一致的情況下，A3-4干煙絲量比A3-3略少，在煙支單支質量和煙絲含水率兩個因素共同作用下使得兩種卷煙落頭傾向趨近。

2.2.4 梗簽含量對細支煙燃燒錐落頭傾向的影響

將A4系列卷煙分別測試煙支靜燃速率、燃燒錐長度和燃燒錐落頭傾向，測試結果如表7所示。燃燒錐落頭傾向與梗簽摻兌量的擬合直線如圖4所示。

表7不同梗簽摻兌量試制卷煙檢測結果Tab.7 Test results for cigarettes with different stem contents in cut tobacco

圖4梗簽摻兌量與燃燒錐落頭傾向關系Fig.4 Relationship between stem content in cut tobacco and CCFP results

從表7可以看出梗簽摻兌量與煙支的靜燃速率和燃燒錐長度關系不明顯，但對卷煙燃燒錐落頭傾向有一定的影響，增加梗簽摻兌量卷煙燃燒錐落頭傾向呈增加的趨勢。A4系列試制卷煙燃燒錐落頭傾向絕對值普遍偏高，分析其原因應該是試制卷煙的煙絲經三次剔梗后造碎比較嚴重，和正常的配方煙絲結構有較大差異。由于梗簽形狀和柔軟度都有別于煙絲，因此摻兌梗簽會不同程度地破壞煙支內煙絲之間的相互纏繞狀態(tài)，因而當煙支受到敲擊時燃燒錐后端通過煙絲纏繞產生的夾持力會受到影響。從整體而言，增加梗簽摻兌比例，燃燒錐落頭傾向實際增加值并不是太大，這說明在卷煙中梗簽對卷煙燃燒錐落頭傾向的影響并不大。但從圖4中可以看出梗簽摻兌比例與卷煙落頭傾向二者的線性關系較好，R2值為0.933 1。

2.3 影響細支煙燃燒錐落頭傾向多因素分析

本實驗中基于卷煙生產的工藝可行性和卷煙感官質量需求，在設計過程中盡量縮小了各因素的變化范圍，另外卷制過程中直接通過控制剔梗量實現對煙絲中梗簽含量的調節(jié)。卷煙試制完成后針對每組不同剔梗量的煙支進行分析：剖開50根煙支挑選出梗簽，計算梗簽量與煙絲總量的比值，所得數據作為煙支中實際梗簽含量。試制卷煙的實際參數和卷煙燃燒錐落頭傾向檢測數據如表8所示?？梢钥闯?，在煙支單支質量、卷煙紙助燃劑含量、煙絲含水率和剔梗量4個參數較小的變化區(qū)間內，14組試制卷煙間燃燒錐落頭傾向變化區(qū)間大，樣品B1與B8燃燒錐落頭傾向相差達40%，檢測結果顯示燃燒錐落頭傾向大的樣品煙支單支質量相對較輕、卷煙紙助燃劑含量較高。

采用Minitab統(tǒng)計軟件對上述細支卷煙燃燒錐落頭傾向結果進行偏最小二乘法（PLS）回歸分析，采用逐一剔除法對回歸方程進行交叉驗證，最終提取分量數為4，燃燒錐落頭傾向與各影響因素PLS回歸方程方差分析結果如表9所示。

表8 B系列卷煙實際參數和落頭傾向檢測結果Tab.8 Parameters and CCFP results for Series B cigarettes

表9細支煙燃燒錐落頭傾向PLS回歸方程方差分析結果Tab.9 Results of partial least square regression analysis of variance for CCFP of slim cigarette

本方差分析中變量為細支煙燃燒錐落頭傾向，自變量為卷煙紙助燃劑含量、卷煙煙支單支質量、煙絲含水率和剔梗量。方差分析結果顯示所考察的4個因素與細支卷煙燃燒錐落頭傾向PLS回歸方程的顯著性檢驗P值為0.000，小于0.01，表明預測模型的自變量和因變量之間線性關系極顯著，說明該模型具有合理性。

細支煙燃燒錐落頭傾向預測模型的非標準化系數和標準化系數如表10所示?；貧w系數表明：卷煙紙助燃劑含量與細支卷煙燃燒錐落頭傾向呈正相關，煙支單支質量、煙絲含水率和剔梗量與細支卷煙燃燒錐落頭傾向呈負相關。根據標準化回歸系數分析，煙支單支質量是影響細支卷煙燃燒錐落頭傾向的最主要因素，各因素對卷煙燃燒錐落頭傾向影響程度從大到小依次是卷煙煙支單支質量、卷煙紙助燃劑含量、煙絲含水率和剔梗量，且剔梗量的影響遠遠低于其他3個因素。由于剔梗量與煙絲中梗簽含量為負相關關系，剔梗量越低煙絲中的梗簽含量越高，卷煙燃燒錐落頭傾向增加。從上述分析可知影響細支煙燃燒錐落頭傾向因素的PLS回歸分析結論與卷煙燃燒錐落頭傾向單因素分析結論一致。

表10細支煙燃燒錐落頭傾向模型的回歸系數Tab.10 Regression coefficient of the model for CCFP of slim cigarette

2.4 細支煙燃燒錐落頭傾向研究對卷煙生產的指導

根據上述研究結果可知在細支卷煙生產過程中煙支單支質量是影響卷煙燃燒錐落頭傾向的主要因素，為了有效減少細支卷煙燃燒錐落頭現象，對市場上某品牌細支卷煙生產工藝進行調整，提高卷煙煙支單支質量，調整前和調整后取卷煙生產樣品測試燃燒錐落頭傾向，檢測結果如表11所示?？芍?，兩組卷煙原輔材料除煙絲含水率略有不同外，其他參數一致，煙支卷接過程中小幅度提高煙支單支質量能有效改善卷煙燃燒錐落頭現象。

表11調整前和調整后燃燒錐落頭傾向的檢測結果Tab.11 Test results of CCFP of slim cigarette before and after adjustment

3 結論

采用自開發(fā)敲擊式燃燒錐落頭測試儀系統(tǒng)評價了卷煙煙支單支質量、卷煙紙助燃劑含量、煙絲含水率和煙絲中梗簽含量對細支煙燃燒錐落頭傾向的影響。從單因素角度分析，在上述因素中，卷煙紙助燃劑含量和煙絲中梗簽含量與細支煙燃燒錐落頭傾向呈正相關關系，煙支單支質量和煙絲含水率與細支煙燃燒錐落頭傾向呈負相關關系。從多因素角度出發(fā)采用偏最小二乘法（PLS）分析了4個因素對細支煙落頭傾向影響的顯著程度，4個因素排序依次為：煙支單支質量、卷煙紙助燃劑含量、煙絲含水率、煙絲中梗簽含量，其中煙支單支質量是影響細支卷煙燃燒錐落頭傾向的最主要因素。將研究結論應用于實際卷煙生產中，適當提高煙支單支質量，卷煙燃燒錐落頭傾向明顯降低。由于影響卷煙燃燒錐落頭傾向的因素很多，本研究中僅選擇了對實際生產工藝有明顯關聯且方便調控的幾個因素，以便指導生產，后續(xù)還將對其他因素進行完善研究。