卷烟烟丝结构分布及其与物理质量的关系

邵宁 徐秀峰 万永华 李晓 江雪彬 周利军 张明亚 姚二民

摘要：【目的】研究不同檔次卷烟的烟丝结构分布及其对卷烟物理质量的影响，为优化烟丝结构以提高卷烟质量提供参考依据。【方法】采用主成分分析法对A（低）、B（中）、C（高）3个档次牌号卷烟的烟丝结构比率层进行分析，确定主成分数量并得到各烟丝结构比率层的载荷值；再对烟丝结构与卷烟物理指标进行相关性分析，得出烟丝结构与物理质量的关系。【结果】3个品牌卷烟烟丝结构具有差异性，各档次卷烟烟丝结构可简化为两个主成分，累积方差贡献率均在80.000%以上，分别为80.689%（低）、83.982%（中）和84.001%（高），能够代表原始8层烟丝结构比率层的数据信息。对低档次卷烟物理质量影响较大的是居于主成分1的2.80～4.75 mm和≤2.00 mm烟丝；对中、高档次卷烟物理质量影响较大的是居于主成分1的2.00～3.35 mm和≤1.00 mm烟丝。【结论】不同档次卷烟的烟丝结构分布存在差异，烟丝结构对卷烟物理质量的影响也不同；在实际生产中，卷烟企业可针对性地优化不同档次卷烟烟丝结构，以提高卷烟质量及其稳定性。对于低档卷烟，可提升中长丝比率，减少碎丝比率；对于中、高档卷烟，可控制长丝比率，降低长丝对整体卷烟品质造成的负面影响。

关键词： 卷烟；烟丝结构；物理质量；主成分分析；相关性分析

中图分类号： S572.092 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）05-0883-06

Cut tobacco structure distribution and its relation

with physical quality

SHAO Ning 1， XU Xiu-feng 2， WAN Yong-hua3， LI Xiao1， JIANG Xue-bin1，

ZHOU Li-jun1，ZHANG Ming-ya2， YAO Er-min1*

（1 College of Food and bioengineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450000， China； 2 Guiyang Cigarette Factory， Guizhou Tobacco Industry Co.， Ltd.， Guiyang 550001，China； 3 Luohe Cigarette Factory，

Henan Tobacco Industry Co.， Ltd.， Luohe， Henan 462000， China）

Abstract：【Objective】Distribution of different-grade cut tobacco structure and its effects on cigarette quality were studied in order to provide reference for optimizing tobacco structure to improve the quality of cigarettes. 【Method】Through principal component analysis， number of principal components and load values of each layer structure of low-（A）， medium-（B） and high-class（C） were determined. Correlation analysis between cut tobacco structure and physical indexes for cigarette were conducted to explore the relation between cut tobacco structure and physical quality. 【Result】The structure of cigarettes of three brands were different. The structure of each cigarette could be simplified into two principal components， and all the cumulative variance contribution rate were more than 80.000%， and were 80.689%（low class）， 83.982%（medium class） and 84.001%（high class） respectively. These data could represent the original eight layers of tobacco layer structure ratio. The main factors affecting the physical quality of low-class cigarettes were cut tobacco at 2.80-4.75 mm and ≤2.00 mm in main component 1； those affecting the physical quality of medium- and high-class cigarettes were cut tobacco at 2.00-3.35 mm and ≤1.00 mm in main component 1. 【Conclusion】Cut tobacco structure distributions in different-class cigarette are different， and the effects of cut tobacco structure on cigarette quality are different. In actual production， the enterprises can optimize cut tobacco structure in different-class cigarettes to improve the quality and stability. For low-class cigarette， the proportion of medium and long cut tobacco should be increased and that of short cut tobacco should be decreased. In terms of medium- and high-class cigarettes， the proportion of long cut tobacco should be controlled to reduce the negative effects of long cut tobacco on overall cigarette quality.

Key words： cigarette； cut tobacco structure； physical quality； principal component analysis； correlation analysis

0 引言

【研究意义】烟支的综合质量一方面取决于卷烟机自身的运行及控制状况，另一方面取决于卷烟原料，如烟丝结构、卷烟辅材等。烟丝结构表示不同烟丝尺寸的分布情况，代表烟丝的均匀性及稳定性（申晓峰等，2010），是影响卷烟质量的关键因素之一。不同档次卷烟的烟丝结构分布不同，从而影响其各项物理质量指标。因此，通过对不同档次卷烟的烟丝结构进行分析，并研究烟丝结构对卷烟物理质量的影响，可针对性地对烟丝进行优化，从而达到提高烟支质量的目的。【前人研究进展】目前已有不少学者对烟丝结构与卷烟质量的关系进行研究。姚光明等（2003）研究烟丝结构对烟丝填充值和卷接质量的影响，结果表明，在试验范围内，整丝率与烟丝填充值、卷烟单支质量有显著相关性。堵劲松等（2008）采用灰色关联法分析烟丝结构分布与卷烟物理指标的相关性，结果表明，不同长度烟丝与卷烟物理指标具有不同的关联性；烟丝结构分布为2.00～4.75 mm时，可获得较理想的卷烟物理指标及其稳定性，应尽量减少小于1.40 mm的烟丝比例。李善莲等（2010）通过对1种配方叶丝和3种配方烟丝进行连续多次卷制，分析了烟丝结构与卷烟端部落丝量的相关性，结果表明，在试验范围内，卷烟端部落丝量随烟丝特征尺寸的降低而增大。刘德强等（2010）以整丝率为自变量，研究了不同整丝率及相同整丝率不同长、中丝比例的烟丝对烟支物理质量的影响，结果表明，烟丝整丝率为82%左右、烟丝长、中丝比例为4∶1时，卷制后烟支的总体质量及稳定性最佳。王旭峰等（2016）研究了制丝工艺参数对烟丝结构和卷烟感官质量的影响，提出了较适宜的参数设置：松散回潮热风温度65 ℃、切丝宽度1.00 mm、叶丝回潮出口含水率18.5%、烘丝机物料流量2400 kg/h。【本研究切入点】目前烟草行业内从设备改造和參数优化等方面对烟支单个或多个物理指标进行改善的相关研究较多（倪克平等，2002；赵汉文和赵晓梅，2007；刘新民等，2012），但针对不同档次卷烟的烟丝结构组成及其对烟支物理质量贡献率影响的研究报道较少。【拟解决的关键问题】采用主成分法分析不同档次牌号烟丝结构差异，并将其与物理指标进行相关性分析，探究不同烟丝结构对卷烟物理质量的影响，为优化烟丝结构，提高卷烟质量提供参考依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试材料为A（低，三类卷烟）、B（中，二类卷烟）、C（高，一类卷烟）3种档次牌号的全配方烟丝，由贵州中烟工业有限责任公司提供。主要仪器设备：AS400型旋转筛分仪（德国Retsch公司，筛网孔径依次为10.00、4.75、4.00、3.35、2.80、2.00、1.00和0.50 mm）；YDX-Ⅲ型卷烟端部落丝测试仪、JMZV型烟支含末率测试仪（中国科学院安徽光学精密机械研究所）；KCOMI2000烟支物理质量综合测试台（德国Bogwalt公司）；PROTOS70型卷烟机（德国HAUNI公司）；PL3001-SMettler电子天平（瑞士Mettle公司，感量0.001 g）。

1. 2 烟丝结构检测

1. 2. 1 取样 卷烟机正常生产后，固定机台、同一操作人员，在VE机料斗、SE机烟枪出口（跑条丝）和回送烟丝贮存区（回送丝）处用取样盘各接取烟丝4000 g，用四分法缩至1000 g，各取样点取样3次，每隔30 min检测、记录1次。

1. 2. 2 筛分方法 用旋转筛分仪对成品烟丝样品进行筛分，每个样品分3次筛分，每次筛分样品质量约330 g。分别用S1～S8表示不同长度范围的成品烟丝试验样品，其中：S1>10.00 mm、4.75 mmS7≤1.00 mm、S8≤0.50 mm。烟丝结构按照行业标准YC/T 289-2009和《卷烟工艺规范》进行测定。

1. 3 卷烟物理质量检测

1. 3. 1 取样 固定机台、同一操作人员对A、B、C 3个牌号卷烟进行取样，每天抽样3次，每次间隔30 min。

1. 3. 2 检测方法 卷烟的单支质量、端部落丝量和含末率参照《GB/T 22838.4-2009卷烟和滤棒物理性能的测定第4部分：卷烟质量》进行测定，圆周参照《GB/T 22838.3-2009卷烟和滤棒物理性能的测定第3部分：圆周激光法》进行测定，吸阻参照《GB/T 22838.5-2009卷烟和滤棒物理性能的测定第5部分：卷烟吸阻和滤棒压降》进行测定，硬度参照《GB/T 22838.6-2009卷烟和滤棒物理性能的测定第6部分：硬度》进行测定。

1. 4 统计分析

采用SPSS 15.0进行主成分分析、烟丝结构与物理指标的相关性分析（管宇，2011；张慧筠等，2011），计算相关系数矩阵、主成分特征值及累积贡献率，主成分分析采用旋转法。

2 结果与分析

2. 1 不同档次卷烟烟丝结构比率的主成分分析结果

主要利用筛分方法使不同尺寸的烟丝分离，结果以各层或某层筛网上的累积质量占总质量的比例表示。主成分分析是将原来众多具有相关性指标，重新组合成新的无相关综合指标，以替代原来的指标。本研究选取不同牌号卷烟的烟丝结构作为原始指标进行分析。由于跑条丝烟丝结构与成品卷烟的烟丝结构基本相同，故将不同牌号的跑条丝烟丝结构作为最终研究对象。A、B、C牌号烟丝结构见表1。

2. 1. 1 不同档次卷烟烟丝结构数据预处理 使用SPSS 15.0对试验数据（表1）进行降维处理，经KMO检验，得到烟丝结构的KMO和Bartlett检验，如表2所示。3个牌号卷烟烟丝结构的kaiser-meyer-olkin度量分别为0.546、0.538和0.554，均大于0.500；Bartlett的Sig.均为0，小于0.05。因此，烟丝结构满足正态分布且具有显著性，说明原始指标中存在共线性，选用的数据适合进行主成分分析。

2. 1. 2 不同档次卷烟烟丝结构比率的主成分分析

分别对3种档次卷烟的8层烟丝结构进行主成分分析，得到各主成分的特征值、贡献率和累计贡献率（表3～表5）。按照成分特征值>1.000的标准，不同档次卷烟的8层烟丝结构比率层提取出旋转后均为两个主成分。其中，A、B、C牌号提取出两个主成分的累积贡献率分别为80.689%、83.982%和84.001%，即前两个主成分分别代表了其原始成分的80.689%、83.982%和84.001%的信息量，且第一主成分方差贡献率均大于第二主成分，表明主成分1中烟丝结构层提供的信息最重要。因此，不同档次卷烟烟丝结构由原始8个降至2个不相关的主成分，成功实现降维目的。

不同档次卷烟烟丝结构比率参数初始因子载荷矩阵旋转后，两个主成分的各指标载荷值见表6。根据指标载荷绝对值超过0.700的标准，提取出各主成分的主导因子如下：

A牌号卷烟主成分1代替了原始数据中S1、S2、S3、S6和S7层的烟丝结构，其中S5和S8层载荷值相对较低；主成分2代替了S5层烟丝结构。S1、S2、S3、S6和S7层烟丝结构比率层的载荷绝对值较大，表明其与主成分1的关系更密切，更能代表主成分1的信息；但在第一主成分的正、负方向起不同作用，其中S6和S7层烟丝结构比率层对主成分1起负作用。S5层烟丝结构与主成分2关系紧密，且呈负相关。

B牌号卷烟烟丝结构中主成分1同样代替了原始数据中S1、S2、S3、S4、S6和S7层的烟丝结构 ，主成分2代替了S5和S8层烟丝结构。S1、S2、S3、S4、S6和S7层烟丝结构比率层的载荷绝对值较大，表明其与主成分1的关系更密切，更能代表主成分1的信息；同时，S6和S7层对主成分1起负作用。第二主成分中包含的烟丝结构比例层是S5和S8层，载荷值分别为-0.911和-0.730，S5层烟丝结构与第二主成分呈负相关，且相关性较强。

C牌号卷烟烟丝结构中主成分1代替了原始数据中S3、S4、S5、S7和S8层的烟丝结构，主成分2代替了S1、S2和S6层烟丝结构。其中S4、S5和S8层烟丝结构与主成分1关系更密切，更能代表其信息；S4和S5层烟丝结构与其正相关性较高，而S8层与其呈负相关。第二主成分中包含的烟丝结构比率层是S1、S2和S6层，载荷值分别为0.932、0.817和-0.886；S1层烟丝结构与第二主成分呈正相关，且相关性较强。

综上所述，不同档次卷烟的烟丝结构存在差异，A牌号（低档）卷烟中短碎丝（S6～S8）在主成分1中对烟丝结构主要起负作用，中长丝（S3～S4）对其主要起正作用；B牌号（中档）卷烟中主要是中长丝（S3～S4）所起作用较大，同时碎丝（S7～S8）对其也有一定负作用；对C牌号（高档）卷烟烟丝结构起主要作用的是中丝（S4～S5），其比例越大，烟丝结构越好。

2. 2 不同档次卷烟烟丝结构与物理指标的相关性分析结果

由表7可知，A牌号卷烟S3层的烟丝与单支重量、单支重量标准偏差呈极显著正相关（P<0.01，下同），与吸阻标准偏差、硬度呈显著正相关（P<0.05，下同）；S4层烟丝与吸阻标准偏差呈显著正相关；S6层烟丝与吸阻标准偏差呈显著负相关；S7～S8层烟丝与单支重量呈显著负相关；而S1～S2及S5层烟丝与所有物理指标均无显著相关（P>0.05）。S3层烟丝结构与单支重量、吸阻标准偏差和硬度均具有不同程度的相关性，且S3层属于主成分1，载荷值较大，因此对A牌号卷烟物理质量影响最大的烟丝结构尺寸分布为3.35～4.75 mm。

由表8可知，B牌号卷烟S3层烟丝与端部落丝量呈极显著正相关；S4层烟丝与单支重量标准偏差呈显著正相关，与端部落丝量呈极显著负相关，与含末率呈显著负相关；S5层烟丝与单支重量、吸阻及含末率均呈显著负相关；S6层烟丝与端部落丝量呈显著负相关；S7～S8层烟丝与吸阻标准偏差、硬度、含末率均呈显著正相关。可见，S4层烟丝对单支重量标准偏差、端部落丝量和含末率等多个物理指标有较大影响；S7～S8层烟丝也是主要影响含末率。

由表9可知，C牌号卷烟S1～S2层烟丝对硬度、硬度标准偏差和含末率影响显著，且与硬度标准偏差、含末率呈显著负相关；S4层烟丝与单支重量呈极显著正相关，与吸阻呈显著正相关；S5层烟丝与圆周呈显著负相关；S6层烟丝与硬度标准偏差呈极显著正相关，与端部落丝量、含末率呈显著正相关。表明S1～S2层烟丝结构对硬度有良好的促进作用，应增大其比率；而S6层烟丝结构对部分物理指标有较大负作用，且S1、S2和S6层均属于主成分2，载荷值较大，因此对C牌号卷烟物理质量影响最大的烟丝结构尺寸分布为≥4.75 mm与1.00～2.00 mm。

3 讨论

在以往的研究中，鲜有针对不同档次卷烟的烟丝结构及物理指标的影响进行研究。堵劲松等（2008）对1种配方叶丝和3种配方烟丝的烟丝结构及卷制后的物理指标进行灰色关联分析，结果表明，存在一特定长度烟丝与物理指标有極高的相关性。该研究以人为控制不同配比烟丝结构为研究对象，未对现有成品卷烟烟丝结构进行针对性研究，不能为现有生产的卷烟制品提供参考。

本研究以不同档次卷烟的烟丝结构和成品烟支的物理指标为研究对象，对不同档次卷烟烟丝结构进行主成分分析，结果表明，不同档次卷烟的8层烟丝结构均可简化为两个主成分，卷烟烟丝结构的累积贡献率分别为80.689%（低档）、83.982%（中档）和84.001%（高档），均在80.000%以上，能够代表原来8层烟丝结构的绝大部分信息。同时，根据烟丝结构比率层的载荷值可知该比例层与烟丝结构的紧密程度，为研究烟丝结构与物理指标间的关系提供参考。为进一步研究烟丝结构与卷烟物理质量的关系，将不同比例层的烟丝与物理指标进行相关性分析，结果表明，2.80～4.75 mm和≤2.00 mm的烟丝结构对低档卷烟品质影响较大，其中2.80～4.75 mm（S3～S4层）居于主成分1，其烟丝结构比例越大对中低档卷烟品质贡献越大，而≤2.00 mm（S6～S8层）烟丝结构比例对中低档卷烟品质影响起负作用；2.00～3.35 mm和≤1.00 mm的烟丝结构对中高档卷烟品质影响较大，其中2.00～3.35 mm（S4～S5层）烟丝结构比例越高，对中、高档卷烟品质贡献越大，而主成分1中≤1.00 mm（S7～S8层）烟丝结构比例对中、高档卷烟品质影响起负作用。

对于低档卷烟，由于梗丝及再造烟叶比例较高，在卷烟生产中为提高卷烟品质，应提升中长丝比率，减少碎丝比率，使其烟丝结构更加合理，烟支整体质量有所改善；但对于中高档卷烟，叶丝与膨胀丝比例较高，应从控制长丝入手，降低长丝对整体卷烟品质造成的负面影响，生产中可设置截断装置来改进此问题。本研究结果为实现不同档次卷烟生产中有针对性的优化烟丝结构以提高质量及其稳定性提供参考。

4 结论

不同档次卷烟的烟丝结构分布存在差异，烟丝结构对卷烟物理质量的影响也不同；在实际生产中，卷烟企业可针对性地优化不同档次卷烟烟丝结构，以提高卷烟质量及其稳定性。对于低档卷烟，可提升中长丝比率，减少碎丝比率；对于中、高档卷烟，可控制长丝比率，降低长丝对整体卷烟品质造成的负面影响。

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（责任编辑 罗 丽）