郑 丰，肖翠翠，王小平*，张亚平，黄启志，项 磊

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. 中烟摩迪（江门）纸业有限公司（CTM），广东省江门市棠下镇堡棠路1 号 529085

消费者对卷烟包灰长期以来都很重视，卷烟包灰也是工业企业关注的问题之一。因此，细支、中支等卷烟在设计时，包灰也是重点关注内容。研究表明在卷烟包灰的影响因素中，卷烟纸只是其中一个调节手段，烟叶类型、叶组结构等对包灰的影响也很明显［1-7］。近年来国内外对烟支灰分的研究较多，集中在包灰性能影响因素研究、改善包灰功能性卷烟纸研究等。李桂珍等［8］建立了卷烟包灰性能的定量测定方法，通过Image J 软件分析烟灰裂口面积占总面积的比值。冯亚婕等［9］优化了基于Image J 的卷烟包灰值定量测定方法，分别从卷烟燃烧面选择、燃烧灰柱高度及图像选择区域宽度3 个方面对该方法进行优化。穆林等［10］利用Photoshop 图像分析技术，建立了一种基于平均灰度值的卷烟灰分颜色定量测定方法。然而关于如何评价卷烟包灰综合性能、如何利用卷烟纸优化卷烟包灰性能，目前还鲜有该方面的报道。因此，从确定包灰评价指标入手，应用层次分析法确定包灰各指标的权重，尝试科学定量卷烟纸特性对卷烟包灰的影响，旨在定量研究卷烟纸特性对卷烟包灰性能的影响，从卷烟纸角度，为改善卷烟包灰性能提供解决思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

14 种不同特性卷烟纸的卷烟（安徽中烟工业有限责任公司提供），见表1。

XS204电子天平（感量：0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司）；卷烟包灰检测仪［中烟摩迪（江门）纸业有限公司，专利设备（专利号：ZL 201320862264.9）］；50D 数码单反相机（日本佳能公司）；PIA-6000 图像分析软件（瑞士保捷拿公司）。

表1 不同卷烟纸配方信息Tab.1 Information on cigarette paper formula

1.2 方法

1.2.1 卷烟样品的制备

采用相同的接装纸和滤棒，14 种不同特性的卷烟纸，使用同一牌号及同一批次的烟丝在同一卷接机组上制备测试卷烟。烟支长度84 mm，烟支圆周24.4 mm，滤嘴长度25 mm。按（单支质量±70）mg 的范围筛选卷烟。

1.2.2 检测方法

从烟丝端面开始对卷烟样品进行标线，标线位置分别为1、15、30、45 mm。所有卷烟样品检测前均在温度为（22±1）℃、湿度为（60±3）%的环境中平衡48 h。

1.2.2.1 持灰力

测量卷烟烟丝端面至接装纸的距离L，将卷烟搭口朝上水平静燃，当灰柱第一次断裂脱落时，测量碳线至接装纸的长度L1，则：

1.2.2.2 白度

将卷烟搭口背对相机竖直静燃，在烟支燃烧至45 mm 标线处时拍照，用软件对照片进行分析，检测整支灰柱投影面积的白度。

1.2.2.3 裂口率

将卷烟搭口背对相机竖直静燃，在烟支燃烧至45 mm 标线处时拍照，用PIA-6000 图像分析软件对照片进行分析，测定灰柱裂口面积占灰柱总面积的比例为：

式中：F 为裂口率，%；∑S 为裂口率总面积，(px)2（像素pixels，简写为px）；S 为灰柱面积，(px)2。

1.2.2.4 缩灰率

缩灰率是碳线上方固定距离内灰柱的收缩程度。将卷烟搭口背对相机竖直静燃，在烟支燃烧至15 mm 标线处时拍照，用PIA-6000 图像分析软件对照片进行分析，缩灰率的检测方法可表达为：

式中：β为缩灰率，%；S1为碳线以上15 mm 内灰柱的垂直投影面积，(px)2；S 为未燃烧时此段烟支的投影面积，(px)2。

1.2.2.5 碳线整齐度

将卷烟搭口背对相机竖直静燃，分别在烟支燃烧至15、30 和45 mm 处时拍照，并用PIA-6000图像分析软件对照片进行分析，测量碳线最高点与最低点的距离，用px 表示。

1.2.3 层次分析法计算卷烟包灰5个指标权重向量

对包灰各指标进行两两对比，并按其重要性程度评定等级。aij为指标i 与指标j 重要性比较结果，表2 是9 个重要性等级及其赋值。按两两比较结果构成的矩阵称作判断矩阵A，见表3。

表2 比例标度Tab.2 Scales for factors

表3 判断矩阵ATab.3 Decision matrix A

标准化判断矩阵为B 矩阵：即将矩阵中的每一项除以该项所在列中每一项的和，得到标准化后的新矩阵B。

对B 矩阵的每一行取均值，得到各指标的权重wi。

从W 矩阵可以看出，W持灰力=0.04，W白度=0.16，W裂口率=0.64，W缩灰率=0.10，W碳线整齐度=0.07。

一致性检验：由于比较时，人的主观因素可能引起比较不一致的问题，因此需要验证矩阵的一致性。Thomas L Saaty［11］建议用对应于最大特征根λmax的特征向量作为权向量W，即：

其中，A 是判断矩阵，n 是因素总数，i 是第几个因素。计算得λmax=5.36，一致性指标CI=(λmax-n)/(n-1)=0.09，查表得平均随机一致性指标RI=1.12，CR=CI/RI=0.081，＜0.1，有满意的一致性，判断矩阵A 通过一致性检验，可用其归一化特征向量作为权向量。

2 结果与讨论

2.1 卷烟纸特性对卷烟包灰性能的影响

采用卷烟包灰检测仪对14 个卷烟样品静态包灰的5 个指标进行分析，结果见表4。由于各个指标的单位不一致，测量数据差异较大，按照表5 的处理方式对各指标所测数据进行标度，即：将实验卷烟所测5 个指标的结果尽量平均分为5 个梯度范围，每个梯度对应标度分别为75、80、85、90、95，从而规避不同指标测试结果表示方法带来的差异。同时，因裂口率越高，包灰综合性能越差，故裂口率越高，标度值越低。再结合层次分析法计算出各指标的权重对样品包灰的综合性能进行分析，综合性能分值越高，卷烟包灰性能越好。

表4 样品包灰5 个指标分析结果Tab.4 Analysis results of five indexes for samples

2.2 有机酸盐种类对卷烟包灰性能的影响

按照上述标准评价包灰性能，FC-1、FC-2、FC-3 不同有机酸盐种类卷烟样品的包灰测试结果见表6。由表6 可知，包灰综合性能：酒石酸钾＞醋酸钾＞柠檬酸钾。其原因可能是酒石酸钾155 ℃开始熔融，其熔融温度低于醋酸钾292 ℃和柠檬酸钾230 ℃，在卷烟静燃过程中，酒石酸钾更易于与卷烟纸灰分在低温状态发生共熔效应而形成较好的包灰。

从图1 可以看出，采用层次分析法计算的权重定量分析不同有机酸盐包灰综合性能，分析结果与静燃实际包灰效果一致，说明评价方法较可靠。

有研究表明［12］，不同钾盐对卷烟抽吸品质也有着不同的影响。加入柠檬酸钾后，卷烟香气变细腻、吃味变醇和、杂气减少，吸食品质有明显改善；而加入其他钾盐后，卷烟总体品质都有不同程度的下降，酒石酸钾主要影响卷烟的杂气和余味，其他钾盐对香气和刺激性影响较大。也有研究［13］表明，卷烟纸助燃剂受热分解后产生钾离子和相应酸性物质，部分酸性物质（如酒石酸、乙酸）与烟气的配伍性较差，在感官评价中易被判定为外来杂气。因此，本研究中重点讨论柠檬酸盐对卷烟包灰性能的影响。

表5 标度分值Tab.5 Rating standard

表6 不同有机酸盐样品包灰指标得分及综合性能Tab.6 Scores and comprehensive properties of different organic acid samples

图1 不同有机酸盐包灰效果图Fig.1 Ash appearance of different organic acid salts

2.3 柠檬酸根含量对卷烟包灰综合性能的影响

FC-4、FC-5、FC-6、FC-7 不同柠檬酸根含量卷烟样品的包灰测试结果见表7。由表7 可知，随着助燃剂含量增加，卷烟包灰综合性能提升，原因是随着柠檬酸盐含量增加，柠檬酸盐分解产生更多的碱性氧化物或盐，而碱性氧化物或盐易于与卷烟纸燃烧灰样中的其他氧化物或盐生成低熔点共熔体而使得灰样粘结在一起。同时，Na+、K+的离子势较低，能破坏灰样中的多聚物，从而降低灰样熔融温度，起助熔剂的作用［12］。

从图2 可以看出，采用层次分析法计算的权重定量分析不同柠檬酸根含量样品的包灰综合性能，分析结果与静燃实际包灰效果一致，说明评价方法较可靠。

表7 不同柠檬酸根含量样品包灰指标得分及综合性能Tab.7 Scores and comprehensive properties of different citrate content samples

图2 不同柠檬酸根含量样品包灰效果图Fig.2 Ash appearance of different citrate content samples

2.4 柠檬酸盐钾钠比对卷烟包灰综合性能的影响

FC-6、FC-8、FC-9 不同柠檬酸盐钾钠比卷烟样品的包灰测试结果见表8。数据表明，随着钾钠比由1∶1 增加到3∶2，卷烟包灰综合性能呈提升趋势；但随着钾盐比例继续增加，卷烟包灰综合性能呈下降趋势。其原因是相同阴离子条件下，钾离子的离子势小于钠离子，其极化力低于钠离子，含氧酸盐的热稳定性就越好。当共熔对象相同时，与钠盐相比，钾盐熔融需要的温度更高。在相同含量情况下，钠盐能更有效降低灰分熔融温度，起助熔剂的作用，使灰分组分之间更容易发生熔融而使得包灰性能较好；而钾盐降低灰分熔融温度效率低，使得灰分组分间较难发生熔融而产生较多的裂口，包灰性能变差［14］。

表8 不同柠檬酸盐钾钠质量比样品包灰指标得分及综合性能Tab.8 Scores and comprehensive properties of different potassium/sodium ratio samples

结合表8 和图3 可知，采用层次分析法计算的权重定量分析不同柠檬酸盐钾钠质量比样品的包灰综合性能，分析结果与静燃实际包灰效果一致，说明评价方法较可靠。

图3 不同柠檬酸盐钾钠质量比样品包灰效果图Fig.3 Ash appearance of different potassium/sodium ratio samples

2.5 氧化钙灰分对卷烟包灰综合性能的影响

FC-10、FC-11 不同氧化钙灰分卷烟样品的包灰测试结果见表9。表中数据表明，随着氧化钙灰分含量从16.0%增加到19.0%，卷烟包灰综合性能呈提升趋势。其原因可能是随着氧化钙灰分含量增加，卷烟燃烧后的灰样中碳酸钙含量增加，使得卷烟灰样白度增加；其次，碳酸钙含量增加，也使得碳酸钙组分与助燃剂组分之间的距离缩小，增加两者发生熔融的可能性，产生更多的熔融物而将灰样粘接在一起，从而提升包灰性能。

结合表9 和图4 可知，采用层次分析法计算的权重定量分析不同氧化钙灰分含量样品的包灰综合性能，分析结果与静燃实际包灰效果一致，说明评价方法较可靠。

表9 不同氧化钙灰分样品包灰指标得分及综合性能Tab.9 Scores and comprehensive properties of different calcium oxide content samples

图4 不同氧化钙灰分含量样品包灰效果图Fig.4 Ash appearance of different calcium oxide content samples

2.6 透气度对卷烟包灰综合性能的影响

FC-12、FC-13、FC-11 不同透气度卷烟样品的包灰测试结果见表10。由表10 可知，对于该品牌卷烟，随着卷烟纸透气度从40 CU 增加到60 CU，通过卷烟纸进入卷烟的空气更多，使得卷烟燃烧更加完全，卷烟灰柱白度明显增加，从而使得包灰综合性能更好。

结合表10 和图5 可知，采用层次分析法计算的权重定量分析不同透气度样品的包灰综合性能，分析结果与静燃实际包灰效果一致，说明评价方法较可靠。

表10 不同透气度样品包灰指标得分及综合性能Tab.10 Scores and comprehensive properties of different air permeability samples

图5 不同透气度样品包灰效果图Fig.5 Ash appearance of different air permeability samples

2.7 卷烟纸定量对卷烟包灰综合性能的影响

FC-14、FC-11 不同卷烟纸定量卷烟样品的包灰测试结果见表11。由表11 可知，对于该规格卷烟，随着卷烟纸定量从28.0 g/m2增加到29.0 g/m2，包灰综合性能变化不大。其原因是对于该品牌卷烟，卷烟纸定量指标对包灰性能影响的显著性范围较大，从28.0 g/m2增加到29.0 g/m2不能显著影响其包灰性能。

结合表11 和图6 可知，采用层次分析法计算的权重定量分析不同定量样品的包灰综合性能，分析结果与静燃实际包灰效果一致，说明评价方法较可靠。

表11 不同卷烟纸定量样品包灰指标得分及综合性能Tab.11 Scores and comprehensive properties of different paper grammage samples

图6 不同卷烟纸定量样品包灰效果图Fig.6 Ash appearance of different paper grammage samples

3 结论

（1）综合持灰力、白度、裂口率、缩灰率和碳线整齐度5 个指标，建立了表征卷烟包灰性能的评价方法，并采用层次分析法计算5 个指标的权重，分别为W持灰力=0.04，W白度=0.16，W裂口率=0.64，W缩灰率=0.10，W碳线整齐度=0.07。权重判断矩阵通过一致性检验（CR=CI/RI=0.081，＜0.1），说明计算的权重较准确。

（2）利用构建的评价方法分析卷烟纸特性对包灰综合性能，定量结果与静燃实际包灰效果具有一致性，说明该评价方法较可靠。

（3）对于不同的有机酸钾助燃剂，其包灰综合性能：酒石酸钾＞醋酸钾＞柠檬酸钾。钾钠比为1∶1 时，随着柠檬酸根含量的增加，包灰综合性能提升，但柠檬酸根具体添加量需综合考虑卷烟吸味和烟气。较低的钾钠比、较高的氧化钙灰分含量、较高的透气度对提升包灰综合性能均有作用。