卷煙包灰及燃燒性能間的關(guān)系

許艷冉，王建民*，惠建全，穆 林，劉舒暢

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴州 貴陽(yáng) 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(tǒng)稱(chēng)，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(shí)且煙灰較白；包灰性能差的卷煙抽吸時(shí)煙灰掉落比較嚴(yán)重，灰柱松散且煙灰發(fā)黑。包灰性能的好壞會(huì)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(lái)卷煙產(chǎn)品設(shè)計(jì)者關(guān)注的重點(diǎn)。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)相關(guān)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(duì)卷煙包灰性能的影響方面，且均是從某一方面進(jìn)行的研究?？紤]到包灰性能歸根結(jié)底是卷煙燃燒狀況不同產(chǎn)生的結(jié)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(guī)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(biāo)，選擇自由燃燒速度、錐高、實(shí)際可燃率作為表征燃燒性能的指標(biāo)，以48種國(guó)產(chǎn)常規(guī)規(guī)格卷煙為樣本，運(yùn)用相關(guān)分析、聚類(lèi)分析等方法進(jìn)行了包灰與燃燒性能間的關(guān)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(yàn)材料：48種不同牌號(hào)的國(guó)產(chǎn)常規(guī)規(guī)格卷煙，市場(chǎng)銷(xiāo)售價(jià)格介于5～100元/包。

測(cè)量?jī)x器：自行設(shè)計(jì)并搭建的卷煙包灰性能測(cè)試箱；KBF240恒溫恒濕箱（德國(guó)Binder公司）；佳能EOS70D數(shù)碼相機(jī)（佳能（中國(guó)） 有限公司）；智能白度測(cè)定儀（WSB-X型）；SZJ接嘴機(jī)切斷裝置；刻度尺；試管；吸耳球；棉線(xiàn)；手術(shù)刀片。

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

數(shù)據(jù)分析軟件：Excel；SPSS。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 包灰值、灰度值、錐高測(cè)定方法

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

1.2.2 白度值測(cè)定方法

將收集的各牌號(hào)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(shí)，采用智能白度儀開(kāi)始測(cè)量，每個(gè)樣品重復(fù)三次，用三次白度值的平均值表示測(cè)試樣品的灰白程度，其中白度值越大，說(shuō)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(cè)定方法

在距離煙支前端10mm和50mm處分別劃線(xiàn)做標(biāo)記，將煙支橫放在煙支燃燒架上，并在標(biāo)記處固定棉線(xiàn)。點(diǎn)燃卷煙，當(dāng)煙支燃燒到10mm處棉線(xiàn)斷裂時(shí)開(kāi)始用秒表計(jì)時(shí)，燃燒到50mm處棉線(xiàn)斷裂時(shí)終止計(jì)時(shí)，并立刻沿卷煙軸向垂直剪下煙灰柱，收集并稱(chēng)量煙灰質(zhì)量。

1.2.4 實(shí)際可燃率測(cè)定方法準(zhǔn)備與測(cè)自由燃燒速度相同的煙支樣品，在

相同位置分別作標(biāo)記，用SZJ接嘴機(jī)的切斷裝置將煙支在標(biāo)記處分別切斷，然后用手術(shù)刀片將兩段煙支的煙絲分別剝離并稱(chēng)量，記錄稱(chēng)量結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 卷煙包灰及燃燒性能指標(biāo)的描述統(tǒng)計(jì)

表1是各指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，包灰值、灰度值、白度值、錐高、自由燃燒速度、實(shí)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%?？梢?jiàn)，不同牌號(hào)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(shù)分別為33.586%、11.944%。

表1 各指標(biāo)描述統(tǒng)計(jì)

2.2 卷煙包灰及燃燒性能指標(biāo)間的簡(jiǎn)單相關(guān)性分析

表2所示是卷煙包灰及燃燒性能指標(biāo)間的簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果。①包灰性能指標(biāo)中，包灰與灰度值間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。②燃燒性能指標(biāo)間，自由燃燒速度與錐高間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系、與實(shí)際可燃率間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。③包灰與燃燒性能指標(biāo)間，白度值與實(shí)際可燃率間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系、與錐高和自由燃燒速度間呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)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(xiàn)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(xiàng)指標(biāo)間的關(guān)系則有待于進(jìn)一步研究。

2.3 卷煙樣品的多指標(biāo)聚類(lèi)分析

表2 相關(guān)性分析

簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果表明燃燒性能與包灰值、灰度值兩項(xiàng)指標(biāo)間的關(guān)系不顯著，可能與以下原因有關(guān)：1）影響卷煙包灰及燃燒性能的因素多且復(fù)雜，如煙絲組成及其理化特性，卷煙紙定量、透氣度及助劑類(lèi)型、添加量等；2）上述因素對(duì)卷煙包灰及燃燒性能的影響趨勢(shì)不完全一致，影響程度因卷煙樣品不同而不同。簡(jiǎn)言之，可能是因?yàn)橛绊懸蛩貜?fù)雜性和不確定性的干擾，導(dǎo)致卷煙包灰值、灰度值兩項(xiàng)指標(biāo)與燃燒性能間看似沒(méi)有關(guān)系。為此，擬通過(guò)多指標(biāo)聚類(lèi)分析法首先將不同卷煙樣品分成三類(lèi)，然后通過(guò)對(duì)各類(lèi)樣品包灰及燃燒性能的比較，達(dá)到排除個(gè)性干擾、從總體上了解包灰與燃燒性能間關(guān)系的目的。

2.3.1 聚類(lèi)方法的選擇

在SPSS分析軟件中，利用K-均值（KMeans）或?qū)哟危℉ierarchical）聚類(lèi)法均可進(jìn)行多指標(biāo)的樣品聚類(lèi)。利用層次聚類(lèi)法進(jìn)行聚類(lèi)時(shí)，有平方歐式距離（Se）、夾角余弦（Co）、相關(guān)系數(shù)（Pc）、切比曉夫距離（Ch）、馬氏距離（Bl）、明可斯基距離（Mi）等6種測(cè)算樣品間距離或相似性的方法；有組間聯(lián)接法（Bgl）、組內(nèi)聯(lián)接法（Wgl）、最短距離法（Ne）、最長(zhǎng)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(cè)算類(lèi)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(lèi)法?？紤]到不同聚類(lèi)方法得到的結(jié)果可能不一樣，分別從類(lèi)間樣品數(shù)的均衡性和類(lèi)間各項(xiàng)指標(biāo)的差異性?xún)煞矫鎸?duì)不同方法得到的聚類(lèi)結(jié)果進(jìn)行比較，從而選擇適合的聚類(lèi)方法。

1）不同聚類(lèi)方法對(duì)類(lèi)間樣品數(shù)均衡性的影響，表3所示是采用不同方法聚類(lèi)時(shí)，所得到的三個(gè)類(lèi)中最小樣品數(shù)與最大樣品數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯鼍垲?lèi)方法對(duì)類(lèi)間樣品數(shù)均衡性的影響很大，如采用相似性系數(shù)（Co） 測(cè)算樣品間相似性、組間平均距離法（Bgl）測(cè)算類(lèi)間距離時(shí)，聚類(lèi)結(jié)果的最小/最大樣品數(shù)之比為1/46，即48個(gè)樣品中的46個(gè)被歸為一類(lèi)，剩余2個(gè)樣品分別被歸為另外兩個(gè)類(lèi)；采用相似性系數(shù)（Co）測(cè)算樣品間相似性、重心法（Cc） 測(cè)算類(lèi)間距離時(shí)，聚類(lèi)結(jié)果的最小/最大樣品數(shù)之比為16/16，即48個(gè)樣品被平均分到了三類(lèi)中。48種卷煙可以看作為一個(gè)隨機(jī)選取的樣品集，類(lèi)間樣品數(shù)的均衡性過(guò)高或過(guò)低時(shí)均可視為聚類(lèi)效果不佳。在本研究中，將K-Means聚類(lèi)結(jié)果的類(lèi)間樣品數(shù)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(lèi)結(jié)果作為進(jìn)一步分析的對(duì)象，對(duì)應(yīng)方法見(jiàn)表3。

表3 不同聚類(lèi)方法聚類(lèi)結(jié)果對(duì)比

2）不同聚類(lèi)方法對(duì)類(lèi)間差異性的影響，在通過(guò)類(lèi)間樣品數(shù)均衡性比較初步選擇方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)類(lèi)間各項(xiàng)指標(biāo)的差異性分析進(jìn)一步選擇聚類(lèi)方法。具體步驟是：首先根據(jù)不同聚類(lèi)方法的聚類(lèi)結(jié)果將48種卷煙樣品分成三類(lèi)，然后分別對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行類(lèi)間方差分析及LSD多重比較，結(jié)果見(jiàn)表4。聚類(lèi)分析的目的是將性質(zhì)接近的樣品歸為一類(lèi)，將性質(zhì)差異明顯的樣品分為不同的類(lèi)，因此，若類(lèi)間全部或大多數(shù)指標(biāo)差異顯著，則說(shuō)明聚類(lèi)效果好；反之，若類(lèi)間大多數(shù)指標(biāo)差異不顯著，則說(shuō)明聚類(lèi)效果不好。依據(jù)上述原則統(tǒng)計(jì)不同聚類(lèi)結(jié)果類(lèi)間差異達(dá)到顯著水平的指標(biāo)數(shù)量，結(jié)果如表4所示。①K-均值聚類(lèi)法的聚類(lèi)效果最差，包灰值、灰度值兩項(xiàng)指標(biāo)的類(lèi)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(lèi)的效果最好，6項(xiàng)指標(biāo)的類(lèi)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(dá)到了類(lèi)間彼此差異顯著。

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

2.3.2 基于聚類(lèi)分析的卷煙包灰及燃燒性能間的關(guān)系

由表4所示Co-Wm和Bl-Wm的聚類(lèi)結(jié)果及類(lèi)間多重比較結(jié)果看出：①第二類(lèi)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(yīng)地，該類(lèi)樣品的自由燃燒速度和錐高中等、實(shí)際可燃率中等偏低。②第一類(lèi)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(yīng)地，該類(lèi)樣品的自由燃燒速度最慢、錐高次低、實(shí)際可燃率最高。③第三類(lèi)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(yīng)地，該類(lèi)樣品的自由燃燒速度最快、錐高最高、實(shí)際可燃率最低。綜上所述，卷煙綜合燃燒性能適中時(shí)包灰性能最好，燃燒速度過(guò)快、錐高過(guò)高時(shí)不僅會(huì)導(dǎo)致包灰、灰度值升高，并會(huì)由于實(shí)際可燃率降低導(dǎo)致煙灰顏色變黑。

表4 不同聚類(lèi)方法多重比較結(jié)果

與簡(jiǎn)單相關(guān)分析結(jié)果相比，將樣品聚類(lèi)后類(lèi)間樣品的自由燃燒速度、錐高與包灰性能間呈現(xiàn)出了明顯的相關(guān)性，說(shuō)明卷煙的包灰性能確實(shí)會(huì)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(yīng)兼顧包灰性能方面的要求。

3 結(jié)論

1）簡(jiǎn)單相關(guān)分析表明，白度值與實(shí)際可燃率呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與錐高、自由燃燒速度呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；包灰及灰度值與燃燒性能各指標(biāo)間無(wú)顯著相關(guān)性。2）采用多指標(biāo)聚類(lèi)法將48個(gè)樣品分為三類(lèi)后，類(lèi)間樣品在燃燒性與包灰性能間呈現(xiàn)出了明顯的關(guān)聯(lián)性。表現(xiàn)為：卷煙綜合燃燒性能適中時(shí)包灰性能最好，燃燒速度過(guò)快、錐高過(guò)高時(shí)均會(huì)導(dǎo)致包灰、灰度值升高，白度值降低。

綜上所述，盡管存在個(gè)體差異性并導(dǎo)致部分包灰與燃燒性能指標(biāo)間的相關(guān)性不顯著，但從總體上看包灰與燃燒性能間存在著內(nèi)在聯(lián)系，即包灰性能會(huì)受到煙支燃燒狀態(tài)的影響。