正交设计研究复合添加剂对卷烟包灰性能的影响.pdf
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1、第43 卷第1期2024年1月造纸科学与技术Paper Science and TechnologyVol.43No.1Jan.2024正交设计研究复合添加剂对卷烟包灰性能的影响许春平1吴攀1刘远上2薛芳3苏海洋1贾学伟!杨雯静!施丰成3,*(1.郑州轻工业大学烟草科学与工程学院,河南郑州,450 0 0 0;2.河北中烟工业有限责任公司,河北石家庄,0 50 0 0 0;3.四川中烟工业有限责任公司卷烟减害降焦四川省重点实验室,四川成都,6 10 0 0 0)摘要:利用正交设计对无机盐包灰助剂、纳米材料和天然多糖类物质进行复配,优化得到最佳复配,并采用极差分析,多因素方差分析和简单相关分析法
2、研究复合添加剂对包灰值、灰度值、碳化圈宽度、锥高、锥顶角和锥面积的影响。最后研究了最佳添加量情况下添加剂对烟气指标和感官的影响。结果表明:(1)通过极差分析得出了复合添加剂组分的最优的复配比例:罗汉果多糖(2.0%)、磷酸氢二钠(2.0%)、纤维素纳米纤维CNFs(1.5%)。(2)多因素方差分析结果表明,3 个材料对卷烟包灰性能影响顺序为:罗汉果多糖 磷酸氢二钠 CNFs。(3)由简单相关性分析表明,罗汉果多糖的浓度与包灰值、灰度值都呈极显著负相关,CNFs和磷酸氢二钠的浓度与包灰值、灰度值无明显相关性。(4)烟气分析结果表明,添加最优添加剂配方的卷烟样品烟气指标变化幅度不大,与对照组无显著
3、变化。(5)感官评吸结果表明,添加最优许春平先生添加剂配方后卷烟香气量增加,余味较好,燃烧性变好,烟灰变白,对卷烟风味无明显改变。关键词:卷烟纸;复合添加剂;包灰性能;正交设计中图分类号:TS761.2D0I:10.19696/j.issn1671-4571.2024.1.013引文格式:许春平,吴攀,刘远上,等.正交设计研究复合添加剂对卷烟包灰性能的影响 J.造纸科学与技术,2 0 2 4,43(1):6 1-6 7.The Effect of Compound Additives on the Performance of Cigarette Ash PackageXU Chunping(
4、1.College of Tobacco Science and Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China;2.China Tobacco Hebei Industrial Co.Ltd,Shijiazhuang 050000,China;3.Harmful Components and Tar Reduction in Cigarette Key Laboratory of Sichuan Province,China TobaccoSichuan Industrial Co.Ltd,C
5、hengdu 610000,China)Abstract:In this paper,the orthogonal design was employed to obtain the optimal combination ratio of the inorganic salt ash integrationadditives,nanomaterials and natural polysaccharides.The effect of combined additives on ash integration value,gray value,coneheight,cone apex ang
6、le and carbonation circle width were analyzed by analysis of variance and simple correlation analysis.The resultsshowed that:(1)Through range analysis,the optimal composition ratio of the compound additives was obtained:Siraitia grosvenoripolysaccharide 2.0%,disodium hydrogen phosphate 2.0%,and cell
7、ulose nanofibers CNFs 1.5%.(2)The results of multivariateanalysis of variance showed that the order of influence of three materials on the properties of cigarette package ash was as follows:作者简介:许春平,生于19 7 7 年,教授,博士,主要从事香精香料和烟草工程研究。*通讯作者:施丰成,男,生于19 7 3 年,高级工程师,硕士,主要从事烟草材料研究。E-mail:s h i f c s c t o
8、b a c c o.c o m。基金项目:河南省重大公益科技专项(2 0 13 0 0 110 2 0 0);卷烟减害降焦四川省重点实验室开放基金资助项目(2021510000340327)文献标识码:AWas Studied by Orthogonal DesignWU Pan LIU YuanshangXUE Fang_ SU Haiyang JIA Xuewei?YANG Wenjing SHI Fengcheng.文章编号:16 7 1-457 1(2 0 2 4)0 1-0 0 6 1-762Siraitia grosvenori polysaccharide disodium hy
9、drogen phosphate CNFs.(3)The simple correlation analysis showed that thepolysaccharide was negatively correlated with the ash packing value and gray value,while the concentration of CNFs and disodiumhydrogen phosphate had no significant correlation with the ash integration value and gray value.(4)Th
10、e smoke analysis results showedthat the chemical specification of cigarette samples added the optimal combined additives was not significantly different from that in thecontrol group.(5)The results of sensory evaluation showed after the cigarettes was added the combined additives,aroma amount wasinc
11、reased,the aftertaste was good,the burning property was better,the ash was getting more white,while the cigarette flavor was notchanged significantly.Key words:cigarette paper;combined additives;ash integration;orthogonal design0引言随着经济水平的上升,国内外消费者对卷烟的品质要求也愈发严格。不仅在卷烟的抽吸品质、生理强度、降焦减害等方面有所要求,在卷烟的包灰效果方面也
12、有更进一步的要求 1-2 。包灰性能好的卷烟产品外观匀称、燃烧掉灰少,在抽吸时给消费者更好的体验,提升了消费者的满意度,在口碑上有较高的评价,因而逐步受到欢迎。改善卷烟的包灰性能,对提升卷烟档次也有一定作用。卷烟纸 3-5、叶组配方 6-8 1作为直接参与卷烟燃烧的两大主体,是影响卷烟包灰性能的主要因素。添加包灰助剂是提高卷烟包灰性能的有效途径之一,沈靖轩等 9 研究表明磷系包灰助剂中K01 具有一定的包灰效果,但是包灰灰分颜色略偏灰。李桂珍等 10 发现了一种烟灰调节剂的质量分数达到1.5%时,卷烟的包灰效果明显改善,灰柱美观,烟灰不散落。晶须类材料在应用到卷烟纸中,能极大地改善卷烟的抗张强
13、度。卷烟纸的纵向抗张强度与透气度对卷烟纸烟灰灰度、燃烧偏离角有明显的影响,且烟灰灰度与燃烧偏离角呈现正相关 3 。范红梅 等发明了一种改善卷烟燃烧后包灰的方法,该方法利用晶须类物质作为填料添加到卷烟纸中,烟灰连续性较好,持灰能力较强,无大片掉灰现象。纳米碳酸钙可以帮助卷烟纸的灰分很好地粘在烟丝上形成类似于“蚕宝宝”的形状,并且使卷烟纸具有较高的透气性 12 。多糖类物质对卷烟包灰性能方面也有所改善,王平军 13 优选了一种烟灰调节剂MFA,MFA为一种天然多糖碳水化合物类的食品添加剂,通过添加该调节剂,可以使卷烟纸燃烧后的烟灰致密的粘结在一起。行业内针对卷烟包灰助剂对卷烟包灰性能的影响研究还比
14、较局限,大多数研究都是从单一因素对卷烟包灰性能的影响人手。因此,我们针对以上问题,利用不同天然多糖类物质、纳米材料、卷烟包灰助剂作为试验因素,进行溶解混匀复配,得到复合型卷烟纸添加剂,将得到的复合添加剂用在烟支上,经造纸科学与技术过图像分析确定包灰评价指标(包灰值,灰度值,碳化圈宽度,锥高,锥顶角和锥面积),应用正交优化设计测定最佳复配比例。从新型复合添加剂角度,为改善卷烟包灰性能提供解决思路。1材料与方法1.1实验材料空白卷烟,四川中烟工业有限责任公司提供。磷酸氢二钠,CNFs 均为分析级试剂,磷酸氢二钠由天津市科密欧化学试剂有限公司生产,CNFs 由北方世纪(江苏)纤维素材料有限公司生产,
15、罗汉果多糖由实验室制备。无水乙醇为分析级试剂,由天津市富宇精细化工有限公司生产。正十七烷、异丙醇均为色谱级。正十七烷由上海麦克林生化科技有限公司生产,异丙醇由天津市大茂化学试剂厂生产。1.2实验仪器卷烟包灰性能测试箱(自行设计并搭建)【14、MJ-22DT超声波清洗机(长沙明杰仪器有限公司)、ATY124电子天平、DHG-1945A电热恒温鼓风干燥机(哈尔滨东联电子技术开发有限公司)、HZQF160恒温恒湿箱(北京市长风仪器仪表场)、数码相机(佳能(中国)有限公司)、RM20H吸烟机、7 8 9 0 B气相色谱仪(美国Agilent仪器有限公司)。软件:ImageJ和AdobePhotosho
16、pCC2017图像分析软件;SPSS数据分析软件。1.3实验方法1.3.1正交实验组成卷烟纸复合添加剂的材料的类型和用量通过单因素预实验得出,采用正交试验设计表考察CNFs(A)、磷酸氢二钠(B)、罗汉果多糖(C)这三个因素对于添加卷烟纸复合添加剂的卷烟的包灰性能的影响,四水平分别是0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。实验设计见表1。将材料A、B、C 以纯净水为溶剂分别配置成0.5%、1.0%、1.5%、2.0%浓度的溶液,按照正交实验表将分别配置的A、B、C 溶液等量混合,制成复配添加剂,进行正交第43 卷第1期实验。水平10.50(A1)21.00(A2)31.50(A3)42.00(
17、A4)1.3.2卷烟样品的制备采用涂布施加方式添加复配试剂。将每支烟分为A、B、C三个面 14,每一面均匀涂布5uL复配添加剂,每支烟共计涂布15uL复配添加剂。开始进行实验前,将卷烟放人恒温恒湿箱,在温度为(2 2 1),湿度为(6 0 3)%的环境下平衡48 h。1.3.3卷烟包灰性能测定方法选择了6 项卷烟包灰性能评价指标,使用该指标对卷烟样品实验所得数据进行分析,分别是:包灰值、灰度值、碳化圈宽度、锥形态(锥高、锥顶角、锥面积)(1)卷烟纸燃烧后的灰柱制作及灰柱图像采集将卷烟点燃后,垂直放置在卷烟包灰性能测试箱的烟支支架上,将卷烟样品所需要拍摄的一面朝向相机,待烟支燃烧至标记位置(离接
18、装纸1cm)处时立即用相机以固定参数拍照,从而获得卷烟纸包灰灰柱图像。将16 组正交实验进行测定指标,每组15支卷烟样品,将这15支卷烟通过三支三面的方法 14 再分为5组,每组3 支进行5次重复实验。对比所得数据,评价卷烟样品的包灰性能。选择的卷烟包灰性能评价指标如下:(2)包灰值测量,又叫裂口率,包灰值越小,包灰效果越好,包灰能力越强。计算卷烟纸灰上裂口面积(S裂口)与卷烟纸灰煜总面积(S灰煜),并计算出两者的比值:S裂口/S灰,该值就是包灰值。通过ImageJ软件 15 进行图像分析,测得包灰值。(3)灰度值测定,烟灰颜色是反映卷烟包灰性能的主要指标之一,一般情况下,烟灰颜色越白,卷烟的
19、包灰性能越好,消费者的直观感受越好,通常也认为卷烟的档次也越高。通过Adobe PhotoshopCC2017软件 16 进行图像分析,测得灰度值。(4)碳圈宽度测定,表征碳线的粗细。将烟支竖直静燃,燃烧至划线处进行拍照,计算碳线区面积与骨架长度的比值作为卷烟纸阴燃处碳线宽度值,数值越小,碳线越细。通过ImageJ软件进行图像分析,许春平等:正交设计研究复合添加剂对卷烟包灰性能的影响表1正交试验的因素水平表因素A/%B/%0.50(B1)1.00(B2)1.50(B3)2.00(B4)63测得碳圈宽度 17 。(5)燃烧锥形态测定,燃烧锥形态包括锥高、锥顶角、锥面积三项指标。燃烧锥是卷烟在燃烧
20、后产生的碳化锥形体 18 ,其形态受烟丝、卷烟纸、烟支卷C/%制特性及燃烧过程综合影响。锥高、锥顶角通过0.50(C1)ImageJ软件进行测得,锥面积通过Adobe1.00(C2)PhotoshopCC2017软件测得。1.50(C3)1.3.4烟气指标的测定利用吸烟机对烟气收集,2.00(C4)并在吸烟机上对待测烟气主要成分进行捕集。抽吸完成后,取出剑桥滤片,将剑桥滤片上富集的化学成分做处理。按照GB/T19609-2004的方法 19 测定样烟主流烟气总粒相物(TPM)、抽吸口数和焦油;按照GB/T23355-2009的方法 2 0 测定样烟总粒相物中烟碱的质量分数;按照GB/T2320
21、3.1-2008的方法 2 1 测定样烟总粒相物中的水分。1.3.5卷烟评吸在评吸前平衡烟支水分,将烟支置于相对湿度(6 0 3)%,温度为(2 2 1)的环境中平衡48 h,使烟支含水量达到12 13%左右。以空白烟的感官评价为基准,对实验组进行感官评吸,比较添加复合型卷烟纸添加剂后卷烟的风味口感是否有明显变化。1.3.6数据处理与统计分析方法采用Excel对所测数据进行平均值计算,并通过计算标准偏差说明试验重复性,采用SPSS19.0软件进行统计分析其中多因素方差分析,Pearson简单相关分析。2丝结果与分析2.11正交实验的描述性统计不同浓度配比的卷烟纸复合添加剂对应的各项指标的描述性
22、统计见表2。可见,包灰值、灰度值、碳化圈宽度、锥高、锥顶角和锥顶角的平均值分别在2.70 6.81%、9 2.7 1 10 3.6 3、18.46 2 3.56%、9.27 11.19 mm、40.56 47.9 8、43.17 53.59mm之间,重复测定结果的标准偏差分别在7.64 29.43%、0.8 3 10.0 7%、0.9 8 12.0 9%3.22 15.78%,2.39 13.16%、3.10 14.7 7%之间。其中包灰值和碳化圈宽度的标准偏差值整体偏高,这与该项指标自身稳定性较差有关 15。包灰值、灰度值、碳化圈宽度、锥高、锥顶角和锥面积的变化幅度分别为6 0.1%、10.
23、5%、2 1.6%、17.2%、15.5%和19.4%。由此可见不同浓度配比的卷烟纸复合添加剂对卷烟包灰性能各项指标均有影响,对卷烟包灰性能测定指标中的包灰值影响最大。64可以直观看出,第9 组(2.0%的罗汉果多糖、2.0%的磷酸氢二钠、1.5%的CNFs)样品的包灰值、灰度值和碳化圈宽度数值最小,锥高、锥顶角和锥面积都数值都普遍适中。2.2正交优化对卷烟包灰值的影响不同复配比例下,卷烟包灰值存在较大差异,由正交实验的极差分析结果见表3.表3 包灰值正交试验结果因素A/%1A22A23A44A35A36A17A18A19A310A111A412A4造纸科学与技术表2 卷烟灰柱包灰效果评价指标
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