卷烟燃烧包灰与烟丝化学成分的关系

王孝峰，郭东锋，张晓宇，曹 芸，周 顺*，张亚平，张 朝，张 超，李延岩，金 宇

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，一直受到消费者的关注［1-2］。卷烟纸和烟丝是影响卷烟燃烧包灰的直接因素。通过研究卷烟包灰的影响因素，揭示卷烟设计参数、燃烧参数等对包灰性能的影响，可为卷烟包灰调控关键技术的开发提供重要理论支撑。目前，关于卷烟包灰影响因素的研究多集中在卷烟纸参数［3-11］、烟丝参数［11-13］、烟支卷制工艺参数［14-15］、燃烧参数［16-18］以及抽吸参数［13，19］等方面，如郑丰等［3］和程占刚等［11］研究发现提高卷烟纸定量和透气度、降低钾盐和钠盐质量比、增加碳酸钙质量分数，可以提升卷烟包灰性能；王道宽等［12］和程占刚等［11］研究发现低切丝宽度和烟丝填充适中的卷烟包灰性能更好；许艳冉等发现通过优化平准器凹槽深度、风室正负压、回丝量、二次剔梗量等卷烟机参数可以明显改善卷烟包灰性能［14］，还发现适度控制燃烧速率有利于卷烟包灰性能的改善［16］；马胜楠等［17］发现卷烟烟灰燃烧完全性是影响灰色的重要因素，烟灰燃烧越完全，灰色越浅。但从烟丝化学成分角度研究其对卷烟燃烧包灰性能的影响则鲜有报道。为此，利用卷烟包灰检测仪测定了84种卷烟样品在ISO抽吸条件下的灰色值、裂口率、缩灰率、炭线宽度、炭线整齐度和燃烧速率，并采用统计分析方法研究了卷烟包灰指标和燃烧速率与烟丝化学成分之间的关系，旨在为从烟丝化学成分调控角度提升卷烟燃烧包灰性能提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

42种单等级烟叶（安徽中烟工业有限责任公司技术中心提供），具体信息见表1；卷烟纸（定量29 g/m2，透气度60 CU，华丰纸业股份有限公司提供）；接装纸（定量35.5 g，安徽集友纸业包装有限公司提供）；滤棒（规格：24.2 mm×100 mm，吸阻2 800 Pa，所用丝束规格为3.0Y/32 000，合肥双维伊士曼纤维有限公司提供）。

Vario EL型元素分析系统（德国Elementar Analysen Systeme公司）；AA3连续流动分析仪（德国Bran+luebbe公司）；XS204电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；BACST600卷烟包灰检测仪（合肥众沃仪器技术有限公司）；500 kg/h制丝试验线（德国HAUNI公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷烟样品的制备

将42种单等级烟叶制丝，切丝宽度为1.0 mm，分别采用薄板烘丝和气流烘丝两种工艺干燥烟丝，得到84种待卷制烟丝。采用相同的辅材卷制成84种卷烟样品。烟支长度为84 mm，烟支圆周为24.4 mm，滤嘴长度为25 mm。

1.2.2 卷烟包灰指标和燃烧速率测试

采用文献［18］的方法测试卷烟包灰指标和燃烧速率。

1.2.3 烟丝化学成分分析

参考文献［20］的方法测定C、H、O、S和N元素的质量分数（用α表示）。分别按照行业标准YC/T 162—

2011［21］、YC/T 217—2007［22］、YC/T 159—2019［23］、YC/T 160—2002［24］测定Cl元素、K元素、总糖和还原糖及烟碱的质量分数。

1.2.4 数据处理与分析

利用Excel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 卷烟包灰指标、燃烧速率和烟丝化学成分检测结果的描述统计

对84种卷烟样品包灰指标、燃烧速率和烟丝化学成分进行描述统计，结果见表2。αC、αO、αH、αS、αN、mC/mO、mC/mH、灰色值、缩灰率、炭线宽度、炭线整齐度和燃烧速率变异较小，变异系数均小于15.00%；α变异中等，变异系数处于15.00%~30.00%之间；αCl、糖碱比、mK/mCl、mK/mS和裂口率变异较大，变异系数分别达32.95%、31.01%、40.84%、40.10%和32.36%。

表2 卷烟包灰指标、燃烧速率和烟丝化学成分检测结果的描述统计Tab.2 Descriptive statistics of test results of ash integrity indexes and burning rate of lit cigarettes and chemical components in cut filler

2.2 卷烟包灰指标和燃烧速率与烟丝化学成分的简单相关性分析

卷烟包灰指标和燃烧速率与烟丝化学成分之间Pearson相关分析结果如表3所示。可见，灰色值与α烟碱和αS在0.05水平上显著负相关。裂口率与αS和α烟碱分别在0.01和0.05水平上显著正相关，与αK和mK/mCl在0.05水平上显著负相关，与mK/mS和mKmCl+mS分别在0.01和0.001水平上显著负相关。缩灰率与αS在0.01水平上显著正相关，与αH和α烟碱在0.05水平上显著正相关，与αK和mK/mCl在0.05水平上显著负相关，与mK/mS和分别在0.01和0.001水平上显著负相关。炭线宽度与α总糖、α还原糖和αH在0.05水平上显著正相关，与αK和mC/mH分别在0.01和0.05水平上显著负相关，与mK/mCl、mK/mS和均在0.001水平上显著负相关。炭线整齐度与α烟碱和αS分别在0.01和0.05水平上显著正相关。燃烧速率与αK和mK/mS均在0.05水平上显著正相关，与在0.01水平上显著正相关。

表3 卷烟包灰指标和燃烧速率与烟丝化学成分的相关分析结果①Tab.3 Correlation analyseson ash integrity indexesand burning rateof lit cigaretteswith chemical componentsin cut filler

K、Cl、S和N元素是影响烟草燃烧的重要元素。一般来说，K元素可促进烟草燃烧，Cl、S和N元素则对烟草燃烧有抑制作用［25］。通过卷烟包灰指标与烟丝化学成分之间的相关分析（表3），可以确定αK是影响卷烟包灰性能的正向因素，αS和αCl是负向因素；mK/mCl、mK/mS以及仍然为正向因素，且相关的显著性水平进一步提高，说明调控mK/mCl、mK/mS以及将是提升卷烟包灰性能的重要手段。此外，烟碱与多项包灰指标显著相关，是影响卷烟包灰性能的负向指标，或许与其含有抑制烟草燃烧的N元素有关。

2.3 卷烟包灰指标和燃烧速率与烟丝化学成分的回归分析

为进一步揭示烟丝化学成分与卷烟燃烧包灰指标和燃烧速率之间的关系，对烟丝化学成分与包灰指标和燃烧速率进行回归分析，方程的回归模型及回归系数的检验结果分别见表4和表5。可见，包灰指标和燃烧速率与烟丝化学成分之间的回归方程均通过了统计检验。其中，裂口率与总糖、还原糖、α烟碱、αN、αK、αS、mK/mCl和糖碱比回归方程的决定系数（R2）最高，为0.59；灰色值、缩灰率、炭线宽度和燃烧速率与烟丝化学成分的回归方程的R2均在0.35~0.40之间；炭线整齐度与α烟碱、mK/mS和糖碱比回归方程的R2较低，仅为0.17。

表4 烟丝化学成分与包灰指标和燃烧速率之间回归模型检验结果Tab.4 Regression model test results of ash integrity indexes and burning rate of lit cigarettes with chemical components in cut filler

由表5可知，随α烟碱和糖碱比的降低、αN和mK/mS的增加，卷烟燃烧灰柱灰色变浅；灰柱裂口率随α总糖、αN、αK和mK/mCl的升高而减小，随α还原糖、α烟碱、αS和糖碱比的升高而增大；缩灰率随α烟碱、αK和糖碱比的升高而增加，随αN和的升高而降低；随α烟碱和糖碱比的增加以及mK/mS的降低，炭线更宽，且更不整齐；随αC和的增加，卷烟燃烧速率加快，而随α烟碱、αO、mC/mO和糖碱比的升高，卷烟燃烧速率变慢。

表5 （续）

另外，α烟碱和糖碱比均为6个回归方程的自变量，且随该两项指标升高，燃烧速率变慢，灰色变深，裂口率、缩灰率、炭线宽度和炭线整齐度均增加。mK/mCl、mK/mS或者中至少有1个为6个回归方程的自变量，且随这些指标数值的增大，燃烧速率加快，灰色变浅，裂口率、缩灰率、炭线宽度和炭线整齐度均减小。

3 结论

①αC、αO、αH、αS、αN、mC/mO、mC/mH、灰色值、缩灰率、炭线宽度、炭线整齐度和燃烧速率变异较小，α总糖、α还原糖、α烟碱、αK和变异中等，而αCl、糖碱比、mK/mCl、mK/mS和裂口率变异较大。②αK、mK/mCl、mK/mS和与裂口率、缩灰率、炭线宽度均显著负相关，与燃烧速率均显著正相关（mK/mCl除外）；α烟碱和αS与灰色值显著负相关，与裂口率、缩灰率和炭线整齐度显著正相关；炭线宽度与α总糖、α还原糖和αH显著正相关，与mC/mH显著负相关。③回归分析表明，随α烟碱和糖碱比增加，燃烧速率变慢，灰色变深，裂口率、缩灰率、炭线宽度和炭线整齐度均增加；随mK/mCl、mK/mS或者增加，燃烧速率加快，灰色变浅，裂口率、缩灰率、炭线宽度和炭线整齐度均减小。