細支卷煙輔材參數(shù)對主流煙氣苯并[a]芘釋放量的影響效應(yīng)

李朝榮，張燕，黃治，王毅，齊延鵬，陶文生，陳昆燕，汪長國

1.重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，重慶 400060；2.云南省煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測站，云南 昆明 650106

0 引言

與普通卷煙相比，細支卷煙具有節(jié)約資源、低害低焦等優(yōu)勢.近年來，煙草行業(yè)堅持把發(fā)展細支卷煙作為降焦減害、節(jié)能環(huán)保和降本增效的重要方向，細支卷煙產(chǎn)銷量、銷售結(jié)構(gòu)、稅利水平都實現(xiàn)了較快增長[1]，國內(nèi)各大卷煙品牌也都推出了自己的細支卷煙產(chǎn)品.苯并[a]芘(B[a]P)釋放量是卷煙危害性評價指數(shù)中的重要參數(shù)[2]，一直是研究者關(guān)注的焦點，但相關(guān)研究主要集中在傳統(tǒng)卷煙上.目前關(guān)于細支卷煙的研究主要集中在細支卷煙的煙機改造[3-5]、制絲工藝對細支卷煙質(zhì)量穩(wěn)定性和煙氣常規(guī)成分的影響[6-7]、卷煙紙參數(shù)和濾嘴參數(shù)對細支卷煙煙氣常規(guī)成分釋放量的影響[8-10]，而有關(guān)細支卷煙輔材參數(shù)對主流煙氣釋放量影響的研究甚少，特別是對細支卷煙主流煙氣 B[a]P 釋放量的影響尚未檢索到相關(guān)文獻.鑒于此，本文擬運用數(shù)理統(tǒng)計方法，基于實際應(yīng)用，研究卷煙紙、接裝紙、成型紙及濾嘴絲束規(guī)格參數(shù)組配對細支卷煙主流煙氣 B[a]P 釋放量的影響，旨在科學(xué)搭配細支卷煙材料，從而為降低細支卷煙B[a]P釋放量提供參考.

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 主要材料卷煙紙、接裝紙、成型紙、濾嘴絲束、某牌號烤煙型葉組配方煙絲，均由重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供.

1.1.2 主要試劑甲醇(HPLC 級)，美國 Thermo Fisher Scientific公司產(chǎn)；環(huán)己烷(HPLC 級)，北京迪馬科技有限公司產(chǎn)；B[a]P、D12-B[a]P，純度均≥98%，美國Accustandard公司產(chǎn).

1.1.3 主要儀器200A型吸煙機，德國Borgwaldt公司產(chǎn)；7890B GC/5977 質(zhì)譜檢測器，美國Agilent公司產(chǎn)；DELTAD200H型超聲波發(fā)生器，臺灣臺達公司產(chǎn)；V-805/R-205型真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，瑞士Büchi公司產(chǎn).

1.2 實驗方法

1.2.1 輔材參數(shù)的選擇通過調(diào)研重點規(guī)格卷煙所用輔材的應(yīng)用情況，結(jié)合前期項目組研究結(jié)果[11]，以B[a]P釋放量為指標(biāo)，選取不同卷煙紙透氣度X1(50 CU、60 CU、70 CU、80 CU、100 CU)、接裝紙透氣度X2(200 CU、400 CU、600 CU、800 CU、1000 CU)、成型紙透氣度X3(6000 CU、10 000 CU、16 000 CU、20 000 CU、26 000 CU)和濾嘴絲束規(guī)格X4(8.0Y/15 000、7.5Y/16 000、6.0Y/17 000)為主要因素，進行均勻試驗設(shè)計.

1.2.2 試驗設(shè)計與樣品卷制采用均勻設(shè)計方法[12-13]設(shè)計試驗組配方案，為消除不同量綱和數(shù)量級帶來的影響，對各個因素水平進行極差歸一化處理[14]，所得試驗組配詳見前期項目組的研究結(jié)果[11]，每組進行3次重復(fù)試驗.按照試驗設(shè)計組配方案，以某牌號烤煙型葉組配方煙絲卷制樣品卷煙，除試驗組配方案中所涉及的因素外，配方煙絲和其他參數(shù)均一致.

1.2.3B[a]P釋放量檢測依據(jù)《卷煙 煙氣總粒相物中苯并[a]芘的測定》(GB/T 21130—2007)[15]對樣品卷煙主流煙氣B[a]P釋放量進行檢測.

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析以X1—X4為自變量，以B[a]P釋放量為因變量，利用SPSS和DPS軟件，采用二次多項式回歸方法建立回歸方程，并進行檢驗；運用因子主效應(yīng)分析法[16]計算各因子的貢獻率；以其他因子取中水平(0.5)為例，分別進行細支卷煙輔材參數(shù)對B[a]P釋放量的單因子效應(yīng)、邊際效應(yīng)及雙因子效應(yīng)分析[16]；基于生產(chǎn)實際參數(shù)，采用極值尋優(yōu)法和綜合平衡法[16-20]，獲得B[a]P釋放量較低的細支卷煙輔材參數(shù)組合.

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

按照文獻[11]試驗組合獲得卷煙樣品，檢測其主流煙氣B[a]P釋放量，統(tǒng)計結(jié)果為平均值5.89 ng/支、最小值5.14 ng/支、最大值6.79 ng/支、標(biāo)準(zhǔn)差0.68 ng/支、變異系數(shù)11.52%、偏度系數(shù)0.13、峰度系數(shù)-0.23.偏度系數(shù)稍大于零，表示為正偏峰，峰度系數(shù)略小于零，表示為平闊峰，說明數(shù)據(jù)略顯分散；變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差都較小，偏度系數(shù)、峰度系數(shù)都接近于零，說明樣品基本符合正態(tài)分布特征，可作為整體進行分析.

2.2 模型構(gòu)建及效應(yīng)分析

2.2.1 回歸分析模型采用1.2.4的方法得到的模型為

該回歸方程的決定系數(shù)R2=0.999 9，表明模型擬合度好，解釋能力強；進行模型各自變量系數(shù)T檢驗，P=0.003<0.01，說明模型各自變量系數(shù)達到極顯著水平；進行模型F檢驗，F(xiàn)=56 394>F0.05(4,1)=224.58，說明模型達到顯著水平，具有統(tǒng)計學(xué)意義；對模型的殘差進行獨立性檢驗，Durbin-Watson統(tǒng)計量d=2.12，說明殘差無自相關(guān).表1是目標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù).由表1可知，各因子或因子的交互對目標(biāo)值的影響的大小順序為X2X3>X1X4>X32>X4，X32、X4與B[a]P釋放量呈正相關(guān)，X2X3、X1X4與B[a]P釋放量呈負相關(guān).

2.2.2 因子主效應(yīng)分析采用因子主效應(yīng)分析法計算各因子對因變量的貢獻率，該貢獻率表征了在試驗范圍內(nèi)各因子的貢獻大小.經(jīng)統(tǒng)計得到X1的貢獻率為 0.496、X2的貢獻率為0.498、X3的貢獻率為1.488、X4的貢獻率為 1.465.其中，X3對細支卷煙主流煙氣B[a]P釋放量影響最大，這與文獻[16]的結(jié)論不同，究其原因可能在于煙支圓周變小后，成型紙透氣度與接裝紙透氣度的匹配不同.因此，在輔材搭配時應(yīng)關(guān)注成型紙透氣度與接裝紙透氣度的匹配關(guān)系.

2.2.3 單因子效應(yīng)分析為探討單因素對B[a]P 釋放量的影響規(guī)律，在其他因素分別取低水平(0)、中水平(0.5)、高水平(1.0)時，根據(jù)回歸方程，進行B[a]P釋放量的單因子效應(yīng)分析，結(jié)果如圖1所示.由圖1a)可知，X1、X2、X3和X4取不同水平時，B[a]P釋放量均為恒定值，表明B[a]P的釋放量不隨X1、X2、X3和X4的水平變化而變化.由圖1b)可知，X1、X2、X4與B[a]P釋放量呈負線性相關(guān)關(guān)系；在試驗參數(shù)設(shè)定范圍內(nèi)，X3與B[a]P釋放量存在非線性關(guān)系，且當(dāng)X3=2.26時出現(xiàn)拐點，當(dāng)0≤X3≤1.0時，B[a]P的釋放量隨著X3的增加而減少.從圖1c)可知，X1X2、X4與B[a]P釋放量呈負線性相關(guān)關(guān)系；在試驗參數(shù)設(shè)定范圍內(nèi)，X3與細支卷煙主流煙氣中B[a]P的釋放量存在非線性關(guān)系，且當(dāng)X3=4.53時出現(xiàn)拐點，當(dāng) 0≤X3≤1.0時，B[a]P的釋放量隨著X3的增加而減少，與其他因素取中水平時相同.

表1 目標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)

圖1 單因素對B[a]P釋放量的影響Fig.1 Effect of single factor on B[a]P delivery

2.2.4 邊際效應(yīng)分析通過對回歸方程中各因素求偏導(dǎo)，可以得到各因素對細支卷煙主流煙氣中B[a]P釋放量的影響速率.以其他因素取中水平(0.5)為例，各因素B[a]P釋放量的邊際效應(yīng)如表2所示.由表2可知，在試驗參數(shù)設(shè)定范圍內(nèi)，X1、X2、X4與B[a]P釋放量呈負效應(yīng)，且不隨其水平變化而變化；X3的影響速率也與B[a]P釋放量呈負效應(yīng)，影響速率絕對值隨其水平的增加而減小.

2.2.5 雙因子效應(yīng)分析對前述試驗結(jié)果進行兩兩因素的交互作用分析，可能存在交互作用的因素有X1和X2、X1和X3、X1和X4、X2和X3、X2和X4、X3和X4.由回歸方程可知，交互作用明顯的因素有X1和X4、X2和X3.以其他因素取中水平(0.5)為例，采用等高線分析法，探討兩組因素交互作用對B[a]P釋放量的影響效應(yīng)，結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，X1與X4、X2與X3的交互作用均表現(xiàn)為：兩因素的水平值愈小，交互作用愈弱；兩因素的水平值愈大，交互作用愈強；兩因素水平值較小(接近低水平時)時，不利于B[a]P釋放量的降低；兩因素水平值取較高水平時，任一因素水平值的增加均有利于B[a]P釋放量的降低.

表2 B[a]P釋放量的邊際效應(yīng)

2.3 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與驗證

2.3.1 參數(shù)優(yōu)化由因子主效應(yīng)、單因子效應(yīng)和邊際效應(yīng)分析得知，各因素與B[a]P釋放量均為負相關(guān)；而雙因子效應(yīng)分析表明，存在兩兩因素間的交互效應(yīng).因此，需要對參數(shù)組合進行尋優(yōu)，優(yōu)化出有利于細支卷煙主流煙氣B[a]P釋放量降低的卷煙輔料參數(shù)組合.

根據(jù)已建立的數(shù)學(xué)模型，在各因素的變化范圍內(nèi)(0

2.3.2 試驗驗證依據(jù)前述參數(shù)優(yōu)化組合進行3次驗證試驗，測定的細支卷煙樣品主流煙氣B[a]P釋放量分別為2.99 ng/支、3.15 ng/支、3.22 ng/支，平均值為3.12 ng/支.將優(yōu)化參數(shù)代入回歸方程，可得主流煙氣B[a]P釋放量預(yù)測值為2.63 ng/支，與驗證樣品檢測平均值的相對偏差為8.52%，相對偏差小于10%，與模型預(yù)測值有較好的一致性，與試驗組的B[a]P 釋放量最低值相比，降幅達39.30%.

3 結(jié)論

本文通過多種數(shù)據(jù)分析方法研究了卷煙紙透氣度(X1)、接裝紙透氣度(X2)、成型紙透氣度(X3)、濾嘴絲束規(guī)格(X4)對細支卷煙主流煙氣B[a]P釋放量的影響.結(jié)果表明，在試驗范圍內(nèi)，X3對B[a]P釋放量的影響最大，其次依序分別是X4、X2和X1，各因素均與主流煙氣 B[a]P 釋放量呈負效應(yīng)；X1與X4、X2與X3有強的交互作用，各因素或因素的交互對目標(biāo)值的影響大小依次為X2X3、X1X4、X32及X4，其中，X32、X4與B[a]P釋放量呈正相關(guān)，X2X3、X1X4與B[a]P釋放量呈負相關(guān)；B[a]P釋放量較低的輔材參數(shù)組合為卷煙紙透氣度100 CU，接裝紙透氣度800 CU，成型紙透氣度26 000 CU，濾嘴絲束規(guī)格6.0Y/17 000，預(yù)測值與試驗組的最低值相比，細支卷煙主流煙氣B[a]P釋放量降低了39.30%.上述結(jié)論是基于某一配方煙絲獲得的，是否適用于試驗范圍以外的情況還有待驗證，而對于不同配方煙絲還需深入研究.

圖2 雙因素交互作用Fig.2 Two factor interaction