多元非線性回歸法探討細(xì)支煙材料參數(shù)對焦油釋放量的影響①

陳昆燕，戴亞，周學(xué)政，寇明鈺，陳磊，齊延鵬，尚軍，蘭中于，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.重慶宏聲實(shí)業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 400060

卷煙材料，三紙一棒(主要指絲束)的合理組配不僅可以實(shí)現(xiàn)卷煙產(chǎn)品的特定風(fēng)格，而且被證實(shí)對卷煙煙氣指標(biāo)、物理指標(biāo)等均有較大影響，尤其對焦油這一重要指標(biāo)的釋放量影響較大，一直都是“降焦減害”的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[1-3]． 然而，近年來逐步成為國內(nèi)外新消費(fèi)熱點(diǎn)的細(xì)支卷煙，對其焦油釋放量的相關(guān)研究卻甚少，主要集中在設(shè)備改造、梗絲形態(tài)對其品質(zhì)穩(wěn)定性的影響、不同抽吸模式間煙氣指標(biāo)的差異等方面[4-5]． 較常規(guī)卷煙，細(xì)支卷煙具有圓周較小、煙支長等外觀顯著特點(diǎn)，煙支燃燒時(shí)煙氣分布狀態(tài)必然會有較大差異[6]． 針對細(xì)支卷煙燃燒時(shí)區(qū)別于常規(guī)卷煙的煙氣分布差異，選定葉組品牌，基于均勻設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，采用多元非線性回歸法探討細(xì)支卷煙材料參數(shù)對焦油釋放量的影響，建立相關(guān)預(yù)測模型，旨在為細(xì)支卷煙設(shè)計(jì)時(shí)材料的選擇提供幫助，達(dá)到科學(xué)合理地控制細(xì)支卷煙焦油釋放量的目的．

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

卷煙紙、接裝紙、成型紙5種(透氣度不同)、3種不同規(guī)格的濾棒絲束(為了方便單一指標(biāo)進(jìn)行量化，本文在數(shù)據(jù)處理中采用文獻(xiàn)[7]的方法對濾棒絲束特性進(jìn)行替代)．

某卷煙牌號葉組配方煙絲，重慶中煙涪陵分廠提供．

1.1.2 儀器

吸煙機(jī)(RM200A)，BORGWALDT；氣相色譜(7890GC/5975MSD)，Agilent；電子天平(BAS224S-CW)，Sartorius；恒溫恒濕箱(KBF720)，Binder．

1.2 方法

1.2.1 樣品卷制

按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其余參數(shù)保持一致． 圓周設(shè)定值為17.2 mm，煙支其余物理指標(biāo)在規(guī)定允許的誤差范圍內(nèi)使用． 上機(jī)測試抽吸前，樣品平衡條件：溫度(22±1)℃，相對濕度(60±3)%． 樣品調(diào)節(jié)時(shí)間為48 h以上，按照(540±5)mg分選樣品．

1.2.2 焦油的檢測

卷煙抽吸及焦油檢測依據(jù)相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[8-11]．

1.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以選定的細(xì)支卷煙各卷接材料為因素，以“均勻設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案[12-13]設(shè)計(jì)，其因素及水平見表1．

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用DPS 17.10，SPSS 18.0軟件，以各材料因子為自變量，主流煙氣中焦油釋放量為因變量，利用多因子及平方項(xiàng)逐步回歸方法建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)；采用文獻(xiàn)[14]的方法計(jì)算得到各因子的貢獻(xiàn)率；結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中使用的材料參數(shù)，采用極值尋優(yōu)和綜合平衡法[15-18]，得到主流煙氣焦油釋放量較低的參數(shù)優(yōu)化組合，并進(jìn)行驗(yàn)證．

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)表1進(jìn)行了6組、每組3次重復(fù)的參數(shù)組合實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2，由于各因素的數(shù)量級和量綱不同，采用極差歸一化[19-20]對各因素進(jìn)行變換．

表2 樣品焦油釋放量

依據(jù)表2的檢測結(jié)果，其描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3．

表3 實(shí)驗(yàn)樣品主流煙氣焦油釋放量的描述統(tǒng)計(jì)

從表3可知，各組合得到的細(xì)支卷煙樣品焦油釋放量偏度系數(shù)大于0，為正偏峰；峰度系數(shù)大于0，為尖峭峰，數(shù)據(jù)集中在均值附近；變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差均較小，表明其統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本符合正態(tài)分布的特征，可將其作為一個(gè)整體來進(jìn)行分析和評價(jià)．

2.2 逐步回歸分析模型

以表2中規(guī)格化后的參數(shù)為自變量，焦油釋放量為因變量，采用二次多項(xiàng)式逐步回歸方法建立模型：

因素與焦油釋放量的R2=0.999 9，模型擬合度良好；F=3 463 790.5>F0.01(4，1)=5 624.6，F(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明該回歸方程達(dá)到極顯著水平，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；p=0.000 4<0.01，T檢驗(yàn)表明方程中各自變量的系數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；模型的殘差獨(dú)立性檢驗(yàn)，Durbin-Watson統(tǒng)計(jì)量為2.61，殘差無自相關(guān)，模型具有很強(qiáng)的解釋能力．

2.3 因子主效應(yīng)分析結(jié)果[15]

計(jì)算得到各要素的貢獻(xiàn)率：接裝紙透氣度為1.999、成型紙透氣度為0.998、濾棒絲束指數(shù)為0.992． 數(shù)據(jù)分析表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，卷煙紙透氣度對細(xì)支煙主流煙氣中焦油釋放量影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其余各因素對焦油釋放量的影響程度由大到小依次為接裝紙透氣度、成型紙透氣度、濾棒絲束指數(shù)．

2.4 單因素效應(yīng)分析結(jié)果

為進(jìn)一步研究各單因素對主流煙氣焦油釋放量的影響，將其余因素分別置于高(1.0)、中(0.5)、低(0)水平時(shí)，對回歸數(shù)學(xué)模型進(jìn)行各因素與主流煙氣焦油釋放量的關(guān)系研究． 以其他因子中水平為例，得到各因子與目標(biāo)釋放量的關(guān)系，見圖1．

圖1 各因素與主流煙氣焦油釋放量關(guān)系圖(其他因素為中水平)

由圖1可知，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，其他因素取中水平時(shí)，各因子對細(xì)支卷煙主流煙氣焦油釋放量的影響差異較大． 接裝紙透氣度在0≤x2≤0.638之間取值時(shí)，接裝紙透氣度與焦油釋放量呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)0.638

2.5 邊際效應(yīng)分析結(jié)果

為比較各自變量對目標(biāo)釋放量影響的速率，對模型各因子求偏導(dǎo)，以其他因子中水平(0.5)為例，求得各因子與焦油的邊際效應(yīng)關(guān)系式，結(jié)果見表4．

表4 各因子偏導(dǎo)分析結(jié)果

由表4可知，當(dāng)其他因子取值0.5水平時(shí)，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，x2，x3的邊際釋放效應(yīng)關(guān)系是兩組斜率為正值的斜線，呈正效應(yīng)，x2和x3對細(xì)支煙焦油釋放量的影響速率均隨自身水平的增加而逐漸變大；x4對焦油釋放量的影響速率為正效應(yīng)，且為常數(shù)，不隨其他因子水平的變化而變化．

在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，x2的邊際焦油效應(yīng)直線斜率大于x3，說明x2變化對焦油釋放量的影響較x3大，與因子主效應(yīng)分析結(jié)果一致．

2.6 優(yōu)化與驗(yàn)證結(jié)果

2.6.1 參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際和已建立的數(shù)學(xué)模型，在各因素的變化范圍內(nèi)，運(yùn)用綜合平衡法并結(jié)合公司常用輔材規(guī)格，尋求得到了在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)主流煙氣焦油釋放量的低值因子組合，即當(dāng)x1=1，x2=0.638，x3=0，x4=0時(shí)，目標(biāo)值焦油釋放量較?。?經(jīng)反歸一化可得參數(shù)優(yōu)化組合：卷煙紙透氣度為100CU、接裝紙透氣度為800CU、成型紙透氣度為6 000CU、濾棒絲束規(guī)格為8.0Y/15 000．

按上述所得參數(shù)優(yōu)化組合進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分別測定樣品的焦油釋放量，結(jié)果見表5．

表5 主流煙氣焦油釋放量較低的卷煙材料優(yōu)化參數(shù)組合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

由表5可知，尋優(yōu)參數(shù)組合的樣品焦油釋放量較低，與預(yù)測值有較好的一致性，相對偏差?。?/p>

2.6.2 卷煙紙透氣度影響驗(yàn)證

前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析表明，卷煙紙對細(xì)支煙主流煙氣中焦油釋放量影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義． 根據(jù)因子主效應(yīng)分析結(jié)果和數(shù)學(xué)模型的尋優(yōu)結(jié)果，采用其他條件固定不同透氣度卷煙紙，進(jìn)一步驗(yàn)證卷煙紙透氣度對細(xì)支煙焦油釋放量的影響．

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，分別選用50，60，70，80，100CU這5種不同透氣度的卷煙紙(除透氣度外，其余條件相同)，搭配其余材料，x2選用800CU，x3選用6 000CU，x4選用8.0Y/15 000，按照上述參數(shù)組合隨機(jī)進(jìn)行了5組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)3次重復(fù)，分別測定卷煙樣品主流煙氣的焦油釋放量，結(jié)果見表6．

表6 不同透氣度卷煙紙主流煙氣焦油釋放量測定值

由表6可以看出，不同卷煙紙透氣度細(xì)支卷煙樣品主流煙氣焦油釋放量差異較小，幾組實(shí)驗(yàn)樣品的最大相對偏差僅為5.08%，說明在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，不同透氣度卷煙紙對細(xì)支煙主流煙氣焦油釋放量的影響極小，其驗(yàn)證結(jié)果與因子主效應(yīng)卷煙紙透氣度影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的分析結(jié)果相吻合．

與傳統(tǒng)卷煙相比，當(dāng)卷煙紙透氣度從50CU增加到100CU時(shí)，細(xì)支煙焦油釋放量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與常規(guī)卷煙的焦油釋放量隨卷煙紙透氣度增加而減小的規(guī)律差異較大． 究其原因，可能是細(xì)支煙直徑變小，燃燒錐明顯變細(xì)增長，卷煙紙透氣度對煙支的燃燒狀態(tài)的影響相對較?。?/p>

3 結(jié)論與討論

1)本文應(yīng)用了主效應(yīng)分析、單因素分析、邊際效應(yīng)分析等多種分析方法研究了卷煙紙透氣度、接裝紙透氣度、成型紙透氣度、濾棒絲束指數(shù)這幾種卷煙基本材料對細(xì)支煙主流煙氣焦油釋放量的影響規(guī)律． 除卷煙紙透氣度外，其余各因子對細(xì)支煙主流煙氣焦油釋放量影響由大到小依次為接裝紙透氣度、成型紙透氣度、濾棒絲束指數(shù)．

2)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，卷煙紙透氣度對細(xì)支煙主流煙氣焦油釋放量影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與常規(guī)卷煙紙透氣度對其主流煙氣焦油釋放量影響較大的結(jié)論不同，可能是由于細(xì)支卷煙直徑較小、燃燒錐細(xì)長、卷煙紙透氣度對煙支抽吸時(shí)不充分燃燒的影響相對較小所致．

3)得到并驗(yàn)證了主流煙氣焦油釋放量較低時(shí)的優(yōu)化參數(shù)組合，結(jié)果表明對于實(shí)驗(yàn)所用煙絲，在卷煙紙透氣度為100CU、接裝紙透氣度為800CU、成型紙透氣度為6 000CU、濾棒絲束規(guī)格為8.0Y/15 000時(shí)，卷煙主流煙氣焦油釋放量可以達(dá)到相對較低值，為5.90mg/支．

上述研究結(jié)論是針對同一葉組配方及生產(chǎn)工藝流程得出的，是否適用實(shí)驗(yàn)范圍以外的情況還需進(jìn)一步驗(yàn)證．