接裝紙透氣度及煙絲結構對細支卷煙逐口吸阻波動的影響

喻賽波，王詩太，金 勇，范紅梅，陳 潛，譚海風，劉 琦，李 克，譚 超

湖南中煙工業有限責任公司技術研發中心，長沙市勞動中路386號 410007

細支卷煙由于煙支直徑小，煙絲易卷曲成團，混合均勻度低從而導致其品質穩定性不高，卷煙吸阻及感官質量波動較大［1］?，F有文獻對煙支吸阻穩定性的研究大多是在煙支未點燃的靜態條件下進行的［2-5］。而煙支被點燃后抽吸過程中的逐口吸阻會帶給消費者更加直觀的感受。關于卷煙燃吸過程中的吸阻研究，國內外都有文獻報道。早在1975年Baker［6］對恒流抽吸過程中點燃的煙支吸阻變化、不含燃燒錐部分的煙支吸阻、熄滅前后的煙支吸阻等進行了研究。Colard［7］研發了一種能夠測定卷煙抽吸過程中吸阻的裝置，并考察了死體積、劍橋濾片等對吸阻帶來的影響。朱懷遠等［8］設計了一套實時測定卷煙抽吸期間壓降連續變化行為的系統，研究了逐口區帶壓降的變化規律與區帶溫度、逐口煙氣常規成分釋放量之間的關系。劉歡等［9］自行研制出卷煙燃燒動態吸阻裝置，測試了肯塔基參比卷煙3R4F在不同抽吸模式下的動態吸阻，并探討了動態吸阻與煙支密度之間的關系。

煙支吸阻的文獻中關于逐口吸阻波動的報道較少。逐口吸阻變化的幅度決定了煙支抽吸過程中感官體驗上的前后一致程度，波動小則抽吸平穩流暢，感官上更舒適。因此探尋細支卷煙逐口吸阻波動的影響因素以及如何減少逐口吸阻波動將有利于提升產品內在品質?；诖?，研究了接裝紙透氣度、煙絲結構對細支卷煙燃吸期間逐口吸阻波動的影響，旨在尋找降低細支卷煙逐口吸阻波動、改善抽吸體驗的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料、設備與儀器

實驗對象為試制的細支卷煙，包括：5個不同透氣度（0、100、300、500、1 000 CU）接裝紙樣品煙，編號依次為A~E；2個不同平準器（六槽平準器和全平平準器）樣品煙；15個煙絲結構樣品煙，編號為1#~15#。所有卷煙樣品均在湖南中煙工業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，生產工藝參數和卷煙原輔材料均與“天天向上”牌號細支卷煙相同（特別指出除外）。

XP404S電子分析天平（感量：0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；QUANTUM卷煙/濾棒物理綜合測試臺（英國Cerulean公司）；YQ-2型煙絲結構振動分選篩（中國煙草總公司鄭州煙草研究院）；SM450直線型吸煙機（英國Cerulean公司）；逐口吸阻檢測裝置（自行研發）；MW3220型微波密度水分分析儀（德國TEWS公司）；煙絲尺寸檢測儀（深圳市鷹眼在線電子科技有限公司）。

逐口吸阻檢測裝置參照文獻［7］中描述的原理搭建，圖1為裝置核心部分（微壓差傳感器、數據采集及信號轉換器）實物圖以及整套系統示意圖，數據采集頻率為5次/s。

1.2 卷煙樣品制備

1.2.1 不同透氣度接裝紙樣品制備

圖1 逐口吸阻檢測裝置實物與示意圖Fig.1 Picture and schematic diagram of puff-by-puff draw resistance measuring system

采用長沙鶴祥包裝材料有限公司提供的接裝紙樣品，透氣度分別為：0、100、300、500、1 000 CU（0 CU未打孔，其余4種為預打孔），按湖南中煙的“天天向上”牌號細支卷煙工藝參數試制。

1.2.2 平準器樣品的制備

不同平準器樣品通過更換不同型號的平準器試制。六槽平準器有6個均勻分布的相同的槽，每個槽的寬度為16 mm，深度為2.5 mm。全平平準器上沒有槽，試制出的煙支煙絲分布相對均勻。

1.2.3 煙絲結構樣品的制備

采用 YC/T 178—2003［10］規定的方法，從篩網出口收集箱收集分離后的“天天向上”牌號細支卷煙配方煙絲。將3.35、2.50、1.00 mm篩網上的煙絲分別作為長絲、中絲、短絲。將長中短絲按照預設的15種比例混合均勻后卷接成煙支，得到不同煙絲結構的15個樣品。由于卷接過程中煙絲造碎不可避免，實際比例已不再是預設比例，需要重新測定。剖開煙支收集煙絲，按YC/T 178—2003［10］測定，結果見表1。

1.3 煙絲尺寸測定

每個細支煙樣品取3支，將3支卷煙的煙絲同時置入煙絲尺寸檢測儀中進行檢測。在壓縮空氣的作用力下，煙絲分散懸浮于水中并從高速相機鏡頭下的透明管道通過。每個樣品拍攝1 000幀圖片，由機器視覺系統識別計算每一根捕捉到的煙絲影像的長度、平均寬度。

表1 不同煙絲結構樣品的長中短絲實際比例①Tab.1 Proportions of long,medium and short strands in samples with different cut tobacco structure（%）

1.4 逐口吸阻檢測

所有煙支樣品均按照 GB/T 16447—2004［11］規定的溫濕度條件進行平衡、檢測。實驗過程中吸煙機選擇ISO標準抽吸模式。用4種煙草專用吸阻標準棒考察逐口吸阻檢測裝置的重復性，標稱值分別為 495、974、3 893、3 909 Pa。采用逐口吸阻檢測裝置自動連續采集煙支靜燃以及抽吸過程中的吸阻。

2 結果與討論

2.1 逐口吸阻檢測裝置的重復性

4種煙草專用吸阻標準濾棒各測出20組ISO吸阻峰值，計算出平均值及變異系數，結果如表2所示。從表2可以看出，ISO抽吸模式下吸阻峰值的變異系數均小于1%，說明自行研發的逐口吸阻檢測裝置重復性好。

2.2 接裝紙透氣度對逐口吸阻的影響

2.2.1 不同透氣度接裝紙樣品的逐口吸阻

0、100、300、500、1 000 CU透氣度接裝紙所制卷煙樣品（編號依次為A~E）的逐口吸阻測量結果見圖2。由圖2可以看出，在保證最后一口燃燒線距離接裝紙不小于3 mm的前提下，A、B最大抽吸口數為5口，C、D、E最大抽吸口數為6口。5個樣品均表現出前兩口吸阻大，第3、4口有所變小，最后1口吸阻又增大的趨勢。這可能由于試制煙所用的六槽平準器使煙絲分布呈松緊頭（即中間松兩頭緊）導致［12］。樣品A、B、C吸阻均值最低的是第4口，樣品D、E的是第5口，這是由于燃吸速率隨接裝紙透氣度上升而降低造成的。接裝紙透氣度小的樣品，抽吸到第3、4口時，燃燒線移到了煙絲填充量最少的煙支中部，而接裝紙透氣度大的樣品則需要抽吸4、5口時燃燒線才能移到相同位置。

表2 4種標準濾棒的吸阻峰值和變異系數Tab.2 Peak value and coefficient of variation of draw resistance of 4 kind standard filter rods

圖2 不同透氣度接裝紙樣品煙支的逐口吸阻Fig.2 Puff-by-puff draw resistance of cigarettes with different tipping paper permeability

2.2.2 不同平準器樣品的逐口吸阻

比較圖3的兩個樣品可以發現，六槽平準器樣品的第1、2口吸阻稍高于全平平準器樣品，第3、4口稍低，第5口差別不大。這說明松緊頭對吸阻波動的影響存在但并不明顯。第3、4口吸阻比第1、2口的低的原因是煙支燃燒變短，第5口的吸阻因焦油沉積轉而上升。總體來說，煙絲段的松緊頭、長度變化、焦油沉積的共同作用造成了起始和末尾吸阻高，中間吸阻低。

2.2.3 接裝紙透氣度對吸阻波動的影響

圖3 不同平準器樣品的逐口吸阻（實線）及煙支密度（虛線）Fig.3 Puff-by-puff draw resistance(full line)and tobacco rod density(dotted line)of samples from different ecreteurs

煙絲段變化造成的逐口吸阻波動可以通過加大接裝紙透氣度來改善。由表3可知，隨著打孔接裝紙的透氣度升高，逐口吸阻間的極差和變異系數均呈減小趨勢。這是因為接裝紙打孔的樣品抽吸時一部分氣流從打的孔進入，孔的總面積越大則流經煙絲段的氣流越少，煙絲段氣流在17.5 mL/s的總抽吸容量中的占比就越小，逐口吸阻波動也越小。實際生產中如考慮提高接裝紙透氣度以減小逐口吸阻波動，一般不會大幅調整以免吸味改變過大。而小幅調整時應注意預打孔接裝紙自身透氣度的穩定性，若穩定性不好則可能削減接裝紙透氣度對逐口吸阻波動的減小作用。

表3 不同透氣度接裝紙樣品的煙支吸阻及波動Tab.3 Draw resistance and its fluctuation of cigarettes with different tipping paper permeability

2.3 煙絲結構對逐口吸阻的影響

2.3.1 不同煙絲結構樣品的逐口吸阻波動

為了能夠直觀比較各個樣品之間的差異，防止數據在小區域內密集的偏態分布，采用最小-最大值法對原始數據進行歸一化處理，使結果映射到［0,1］的區間［13］。歸一化處理后的不同煙絲結構樣品的逐口吸阻變異系數結果見圖4，圖中小球的體積反映因變量變異系數的大小，其中12#樣品因歸一化后數據成為0所以相應位置為空。可以看出，填充煙支的煙絲所含短絲比例越高，逐口吸阻的變異系數越小，典型代表是8#、12#、14#、15#樣品。填充煙支的煙絲所含中長絲比例越高，逐口吸阻的變異系數越大，典型代表是1#、2#、3#、4#、7#樣品。

圖4 歸一化處理后的不同煙絲結構樣品的逐口吸阻變異系數（%）Fig.4 Coefficient of variation of draw resistance of samples with different cut tobacco structure after normalization

2.3.2 較大狹長絲含量與逐口吸阻波動的關系

圖5是煙絲尺寸檢測儀捕捉到的煙絲影像。較大狹長絲（圖5A）是長寬比大于6且寬度大于每根煙絲寬度平均值的煙絲，呈狹長形狀，明顯異于其他普通煙絲（圖5B），其含量對煙絲尺寸均勻性的影響較大。

歸一化處理后不同煙絲結構樣品中較大狹長絲的百分含量結果見圖6。從圖中能夠看出，較大狹長絲在中長絲比例高的樣品中百分含量高，而在短絲比例高的樣品中百分含量低。試制的樣品使用的是同一批煙絲，切絲寬度受控，不會有特別大的煙絲寬度變動［14］，因此尺寸差異更多的是體現在長度上。

圖5 煙絲尺寸檢測儀捕捉到的煙絲影像Fig.5 Images of strands captured by cut tobacco size measuring instrument

圖6 不同煙絲結構樣品中較大狹長絲的百分含量（%）Fig.6 Percentage of longer strand in samples with different cut tobacco structure

圖4 和圖6的變化趨勢相似，以短絲比例最高的樣品小球為參照點，距離參照點越遠的小球體積越大。15個樣品中較大狹長絲含量最低為3.7%，最高為13.6%。如果一個樣品的較大狹長絲比例高，一方面會造成煙絲尺寸的不均勻，另一方面因其填充支撐能力更強，煙絲之間形成的間隙更大，使得煙絲填充均勻性差，煙支燃吸到不同位置時容易出現吸阻的波動。為進一步了解較大狹長絲的含量對逐口吸阻波動的影響，對二者進行相關分析，結果見圖7。相關系數顯著性的F檢驗表明：逐口吸阻變異系數與較大狹長絲含量相關系數的 F=58.9>F0.05（1，14）=4.6，說明二者顯著相關，皮爾森相關系數為0.91。

圖7 較大狹長絲含量與逐口吸阻變異系數的相關性Fig.7 Correlation between longer strand percentage and coefficient of variation of puff?by?puff draw resistance

3 結論

接裝紙透氣度對逐口吸阻的影響是：打孔接裝紙能夠減小細支卷煙燃吸過程中逐口吸阻的波動，并且接裝紙透氣度越高，逐口吸阻的波動越小。

煙絲結構對逐口吸阻的影響是：①短絲比例高時逐口吸阻波動小，中長絲比例高時逐口吸阻波動大。②長寬比大于6且寬度大于全部寬度數據平均值的較大狹長絲在中長絲比例高的樣品中百分含量高，而在短絲比例高的樣品中百分含量低。較大狹長絲一方面會造成煙絲尺寸不均勻，另一方面會使得煙絲填充均勻性差。③逐口吸阻變異系數與較大狹長絲含量相關系數F檢驗達到了顯著水平，皮爾森相關系數0.91。減少煙絲中較大狹長絲的含量是實現逐口吸阻波動降低的一個途徑。