卷煙包灰及燃燒性能間的關系

許艷冉，王建民*，惠建全，穆 林，劉舒暢

（1.鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，河南 鄭州 450000；2.貴州中煙工業有限責任公司技術中心，貴州 貴陽 550009）

包灰性能是指卷煙燃燒形成的灰柱及煙灰的外觀等特性的統稱，如持灰能力、表面裂紋及灰片外翻程度、灰柱及煙灰顏色[1-4]等。包灰性能好的卷煙形成的煙灰柱美觀，表面裂紋較少，灰柱緊實且煙灰較白；包灰性能差的卷煙抽吸時煙灰掉落比較嚴重，灰柱松散且煙灰發黑。包灰性能的好壞會影響吸煙者的抽吸感受，因此如何改善卷煙包灰情況，提高卷煙檔次成為近年來卷煙產品設計者關注的重點。查閱文獻發現相關研究主要集中在卷煙紙[1,5-10]、煙絲[8,11]、助劑[2-5,12,13]等對卷煙包灰性能的影響方面，且均是從某一方面進行的研究。考慮到包灰性能歸根結底是卷煙燃燒狀況不同產生的結果，因此，從燃燒性能視角分析包灰性能的差異性，有可能從總體上了解、把握包灰性能的變化規律。

為此，本文選擇包灰值、灰度值、白度值作為表征包灰性能的指標，選擇自由燃燒速度、錐高、實際可燃率作為表征燃燒性能的指標，以48種國產常規規格卷煙為樣本，運用相關分析、聚類分析等方法進行了包灰與燃燒性能間的關系研究。希望能為包灰性能研究及改善提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試驗材料：48種不同牌號的國產常規規格卷煙，市場銷售價格介于5～100元/包。

測量儀器：自行設計并搭建的卷煙包灰性能測試箱；KBF240恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；佳能EOS70D數碼相機（佳能（中國） 有限公司）；智能白度測定儀（WSB-X型）；SZJ接嘴機切斷裝置；刻度尺；試管；吸耳球；棉線；手術刀片。

圖像分析軟件：Image J；Adobe Photoshop CC2017。

數據分析軟件：Excel；SPSS。

1.2 試驗方法

1.2.1 包灰值、灰度值、錐高測定方法

包灰值、灰度值、錐高的測定分別參考文獻《基于ImageJ的卷煙包灰值定量測定方法優化》[14]、《卷煙煙灰灰度值測定方法的建立及應用》[15]、《卷煙包灰性能測定方法研究》。

1.2.2 白度值測定方法

將收集的各牌號的卷煙煙灰分別置于研缽中，研磨2～3min使煙灰混合均勻。將煙灰用藥匙放入盛樣器中，并用壓粉器將煙灰壓實，采用智能白度儀開始測量，每個樣品重復三次，用三次白度值的平均值表示測試樣品的灰白程度，其中白度值越大，說明卷煙煙灰顏色越白，煙支燃燒越完全。

1.2.3 自由燃燒速度測定方法

在距離煙支前端10mm和50mm處分別劃線做標記，將煙支橫放在煙支燃燒架上，并在標記處固定棉線。點燃卷煙，當煙支燃燒到10mm處棉線斷裂時開始用秒表計時，燃燒到50mm處棉線斷裂時終止計時，并立刻沿卷煙軸向垂直剪下煙灰柱，收集并稱量煙灰質量。

1.2.4 實際可燃率測定方法準備與測自由燃燒速度相同的煙支樣品，在

相同位置分別作標記，用SZJ接嘴機的切斷裝置將煙支在標記處分別切斷，然后用手術刀片將兩段煙支的煙絲分別剝離并稱量，記錄稱量結果。

2 結果與分析

2.1 卷煙包灰及燃燒性能指標的描述統計

表1是各指標的描述性統計結果，包灰值、灰度值、白度值、錐高、自由燃燒速度、實際可燃率的變化范圍依次為1.7622～6.7851、0.2807～0.3918、 21.8 ～33.6、 6.6041mm ～14.0167mm、4.4050mg/min ～6.3773mg/min、 83.0252% ～87.4628%。可見，不同牌號卷煙的包灰及燃燒性能差異較大，其中包灰值和錐高的變化最大，變異系數分別為33.586%、11.944%。

表1 各指標描述統計

2.2 卷煙包灰及燃燒性能指標間的簡單相關性分析

表2所示是卷煙包灰及燃燒性能指標間的簡單相關分析結果。①包灰性能指標中，包灰與灰度值間呈極顯著正相關關系。②燃燒性能指標間，自由燃燒速度與錐高間呈極顯著正相關關系、與實際可燃率間呈極顯著負相關關系。③包灰與燃燒性能指標間，白度值與實際可燃率間呈極顯著的正相關關系、與錐高和自由燃燒速度間呈極顯著的負相關關系。

綜上所述，卷煙燃燒性能是影響煙灰白度值的重要因素，具體表現為自由燃燒速度越慢、煙絲燃燒越充分，燃燒后形成的煙灰越白。而燃燒性能與包灰值、灰度值兩項指標間的關系則有待于進一步研究。

2.3 卷煙樣品的多指標聚類分析

表2 相關性分析

簡單相關分析結果表明燃燒性能與包灰值、灰度值兩項指標間的關系不顯著，可能與以下原因有關：1）影響卷煙包灰及燃燒性能的因素多且復雜，如煙絲組成及其理化特性，卷煙紙定量、透氣度及助劑類型、添加量等；2）上述因素對卷煙包灰及燃燒性能的影響趨勢不完全一致，影響程度因卷煙樣品不同而不同。簡言之，可能是因為影響因素復雜性和不確定性的干擾，導致卷煙包灰值、灰度值兩項指標與燃燒性能間看似沒有關系。為此，擬通過多指標聚類分析法首先將不同卷煙樣品分成三類，然后通過對各類樣品包灰及燃燒性能的比較，達到排除個性干擾、從總體上了解包灰與燃燒性能間關系的目的。

2.3.1 聚類方法的選擇

在SPSS分析軟件中，利用K-均值（KMeans）或層次（Hierarchical）聚類法均可進行多指標的樣品聚類。利用層次聚類法進行聚類時，有平方歐式距離（Se）、夾角余弦（Co）、相關系數（Pc）、切比曉夫距離（Ch）、馬氏距離（Bl）、明可斯基距離（Mi）等6種測算樣品間距離或相似性的方法；有組間聯接法（Bgl）、組內聯接法（Wgl）、最短距離法（Ne）、最長距離法（Fe）、重心法（Cc）、中間距離法（Mc）、離差平方和法（Wm）等7種測算類間距離或相似性的方法；兩兩組合共可形成42種不同的層次聚類法。考慮到不同聚類方法得到的結果可能不一樣，分別從類間樣品數的均衡性和類間各項指標的差異性兩方面對不同方法得到的聚類結果進行比較，從而選擇適合的聚類方法。

1）不同聚類方法對類間樣品數均衡性的影響，表3所示是采用不同方法聚類時，所得到的三個類中最小樣品數與最大樣品數的統計結果。可以看出聚類方法對類間樣品數均衡性的影響很大，如采用相似性系數（Co） 測算樣品間相似性、組間平均距離法（Bgl）測算類間距離時，聚類結果的最小/最大樣品數之比為1/46，即48個樣品中的46個被歸為一類，剩余2個樣品分別被歸為另外兩個類；采用相似性系數（Co）測算樣品間相似性、重心法（Cc） 測算類間距離時，聚類結果的最小/最大樣品數之比為16/16，即48個樣品被平均分到了三類中。48種卷煙可以看作為一個隨機選取的樣品集，類間樣品數的均衡性過高或過低時均可視為聚類效果不佳。在本研究中，將K-Means聚類結果的類間樣品數均衡性（5/22）作為最低限，并去掉均衡性為16/16的兩種方法，將剩余均衡性介于5/22～14/19的聚類結果作為進一步分析的對象，對應方法見表3。

表3 不同聚類方法聚類結果對比

2）不同聚類方法對類間差異性的影響，在通過類間樣品數均衡性比較初步選擇方法的基礎上，通過類間各項指標的差異性分析進一步選擇聚類方法。具體步驟是：首先根據不同聚類方法的聚類結果將48種卷煙樣品分成三類，然后分別對各項指標進行類間方差分析及LSD多重比較，結果見表4。聚類分析的目的是將性質接近的樣品歸為一類，將性質差異明顯的樣品分為不同的類，因此，若類間全部或大多數指標差異顯著，則說明聚類效果好；反之，若類間大多數指標差異不顯著，則說明聚類效果不好。依據上述原則統計不同聚類結果類間差異達到顯著水平的指標數量，結果如表4所示。①K-均值聚類法的聚類效果最差，包灰值、灰度值兩項指標的類間總體差異不顯著；②夾角余弦-離差平方和法（Co-Wm） 和馬氏距離-離差平方和法（Bl-Wm）聚類的效果最好，6項指標的類間總體差異均顯著，且灰度值、白度值、錐高和自由燃燒速度達到了類間彼此差異顯著。

分析Co-Wm和Bl-Wm聚類結果的樣品組成，結果表明除少數（3個）樣品外，其它樣品的分組情況相同，說明這兩種方法的分類結果基本一致、且均能較好地對所研究的樣品進行分類。

2.3.2 基于聚類分析的卷煙包灰及燃燒性能間的關系

由表4所示Co-Wm和Bl-Wm的聚類結果及類間多重比較結果看出：①第二類樣品的包灰和灰度值最低、白度值次高，綜合包灰性能最好；相應地，該類樣品的自由燃燒速度和錐高中等、實際可燃率中等偏低。②第一類樣品的白度值最高、灰度值次低、包灰值次低偏高，綜合包灰性能中等；相應地，該類樣品的自由燃燒速度最慢、錐高次低、實際可燃率最高。③第三類樣品的灰度最高、白度值最低、包灰值次低偏高，綜合包灰性能最差；相應地，該類樣品的自由燃燒速度最快、錐高最高、實際可燃率最低。綜上所述，卷煙綜合燃燒性能適中時包灰性能最好，燃燒速度過快、錐高過高時不僅會導致包灰、灰度值升高，并會由于實際可燃率降低導致煙灰顏色變黑。

表4 不同聚類方法多重比較結果

與簡單相關分析結果相比，將樣品聚類后類間樣品的自由燃燒速度、錐高與包灰性能間呈現出了明顯的相關性，說明卷煙的包灰性能確實會受到其燃燒狀況，如燃燒速度、完全性的影響。因此，雖然提高卷煙的自由燃燒速度有利于降低煙氣焦油釋放量，但也應兼顧包灰性能方面的要求。

3 結論

1）簡單相關分析表明，白度值與實際可燃率呈極顯著的正相關關系，與錐高、自由燃燒速度呈極顯著的負相關關系；包灰及灰度值與燃燒性能各指標間無顯著相關性。2）采用多指標聚類法將48個樣品分為三類后，類間樣品在燃燒性與包灰性能間呈現出了明顯的關聯性。表現為：卷煙綜合燃燒性能適中時包灰性能最好，燃燒速度過快、錐高過高時均會導致包灰、灰度值升高，白度值降低。

綜上所述，盡管存在個體差異性并導致部分包灰與燃燒性能指標間的相關性不顯著，但從總體上看包灰與燃燒性能間存在著內在聯系，即包灰性能會受到煙支燃燒狀態的影響。