基于均匀试验设计的常规化学成分与掺配比例相关性研究

刘帅东 徐磊 潘广乐 王宗英 王永红 赵龙

摘 要：在叶丝重量不变的前提下，本文采用均匀试验设计法，对梗丝掺配比例和再造烟叶掺配比例进行试验设计，再将掺配比例与试验样品的常规化学成分进行二元线性回归分析。结果表明，梗丝掺配比例与烟碱含量、钾氯比存在极显著的负相关性，与氯含量、糖碱比存在极显著正的正相关性;总糖和还原糖含量差值与梗丝掺配比例和再造烟叶掺配比例有极显著的相关性，可将总糖和还原糖含量差值作为特征指标建立掺配比例验证模型。

关键词：卷烟;均匀试验设计;化学成分;掺配比例

Abstract： Under the premise of constant tobacco leavesweight， a uniform experimental design method was used to design the blending ratio of tobacco stem and reconstituted tobacco leaves， and the binary linear regression analysis was performed on the blending ratio and the conventional chemical composition of the samples in this paper. The results showed that the blending ratio of tobacco stem had extremely significant negative correlation with nicotine content and potassium-to-chlorine ratio， and had extremely significant positive correlation with chlorine content and total sugar-to-nicotine ratio; the value of total sugar contentminus reducing sugar content had a very significant correlation with the blending ratio of tobacco stem and the blending ratio of reconstituted tobacco leaves， the value of total sugar content minus reducing sugar content could be used as a characteristic index to establish a blending ratio verification model.

Keywords： cigarettes;uniform experimental design;chemical composition;blending ratio

卷煙中烟梗和再造烟叶常作为掺配物用于降低卷烟烟碱和焦油含量，同时还可有效降低卷烟成本。在卷烟生产过程中，烟梗和再造烟叶加工成丝后均匀地加入叶丝中。烟草物料的混合效果越好，卷烟成品的物理和感官质量的稳定性越好。但烟梗和再造烟叶在感官质量方面表现出木质气稍重、余味残留、刺激性稍大等缺点，因此，常将烟梗和再造烟叶以一定比例添加于中、低档卷烟产品中，在保证卷烟产品感官质量协调的同时达到减害降焦的目的。

烟草常规化学成分（还原糖、总糖、烟碱、氯、钾、总氮）是表征烟草质量的常规检测项目[1]，有研究表明，烟草常规化学成分对烟草感官质量、卷烟主流烟气指标等有较大的影响[2-3]。烟叶、烟梗、再造烟叶的常规化学成分存在差异，可以利用混合物中某组分性质差异评价混合均匀度[4]。均匀试验设计是方开泰自主开发的一种试验设计方法，可以满足多因素多水平而试验次数又少的试验要求[5]，而在多因素多水平条件下，正交试验设计试验次数较多，因此本文采用均匀试验设计方法。

本文采用均匀试验设计，通过常规化学成分与梗丝、再造烟叶的掺配比例的二元回归分析，确定一个与掺配比例显著相关的常规化学成分特征性指标，用于建立掺配比例评价模型，借此对卷烟工艺参数、卷烟设备进行调整和优化，最终达到提高卷烟产品物理和感官质量稳定性的目的。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

供试样品为陕西中烟工业有限责任公司某牌号卷烟配方叶组（纯叶丝）、某品牌梗丝、再造烟叶（广东金科再造烟叶有限公司）。

连续流动分析仪（法国AMS-Alliance，Alliance-Futurall），电子天平（梅特勒-托利多，感量：0.001 g）。

1.2 试验方法

1.2.1 烟丝处理。将再造烟叶切丝，固定叶丝重量（15 kg），将梗丝掺配比例和再造烟叶掺配比例作为双因素，各取10个水平，如表1所示。

1.2.2 常规化学成分检测。掺配均匀后，每个样品取样100 g，按照《烟草及烟草制品 水溶性糖的测定 连续流动法》（YC/T 159—2002）方法[6]测定还原糖和总糖的含量，按照《烟草及烟草制品 总植物碱的测定 连续流动法》（YC/T 160—2002）方法[7]测定烟碱含量，按照《烟草及烟草制品 总氮的测定 连续流动法》（YC/T 161—2002）方法[8]测定总氮含量，按照《烟草及烟草制品 氯的测定 连续流动法》（YC/T 162—2011）方法[9]测定氯含量，按照《烟草及烟草制品 钾的测定 连续流动法》（YC/T 217—2007）方法[10]测定钾含量。每个样品重复检测5次。

1.2.3 数据分析。使用Excel 2016软件对常规化学成分检测结果与梗丝掺配比例、再造烟叶掺配比例进行二元回归分析。

2 结果与讨论

2.1 常规化学成分检测结果与二元回归分析

梗丝掺配比例和再造烟叶掺配比例之间不存在相互影响作用，因此对样品的常规化学成分检测结果（见表3）与烟丝掺配比例进行二元线性回归分析，结果如表4所示。

2.2 分析与讨论

由表4可以看出，钾含量和总氮含量与梗丝比例和再造烟叶比例的拟合度较差（R2分别为0.155、0.246）。原因可能是与叶丝相比，梗丝、再造烟叶中的钾含量和总氮含量差异较小（见表3）。所以，钾含量和总氮含量不能作为掺配比例的特征性指标。

还原糖含量、总糖含量与梗丝比例和再造烟叶比例的拟合度稍差（R2分别为0.536、0.508），而且F值均大于0.05，表明梗丝比例和再造烟叶比例与还原糖含量、总糖含量的线性相关性不显著。因此，还原糖含量、总糖含量不能作为掺配比例的特征性指标。

烟碱含量、氯含量与梗丝比例和再造烟叶比例的拟合度较好（R2分别为0.933.0.886），而且F值远小于0.01，说明梗丝比例和再造烟叶比例与烟碱含量、氯含量存在极显著的线性相关性。但再造烟叶比例的P值均大于0.05，梗丝比例的P值均远小于0.01，说明再造烟叶比例与烟碱含量和氯含量的线性相关性不显著，梗丝比例与烟碱含量存在极显著的负相关性，与氯含量存在极显著的征相关性。这可能是因为与叶丝相比，梗丝中烟碱含量较低而氯含量较高，与叶丝差异较大。因此，烟碱含量和氯含量不能作为掺配比例的特征性指標。

从常规化学成分与梗丝比例和再造烟叶比例回归分析结果来看，简单的一维指标均不能直接作为特征指标，分析常规化学成分与梗丝比例和再造烟叶比例的相关性，与文献[11]研究相符。为此，参考文献[12]的做法，对常规化学成分的检测结果进行处理（见表5）。然后对烟丝化学成分指标的派生值与掺配比例进行二元回归分析，结果如表6所示。

结果显示，糖氮比与梗丝比例和再造烟叶比例的拟合度稍差（R2=0.505），F值大于0.05，表明梗丝比例和再造烟叶比例与糖氮比的线性相关性不显著。因此，糖氮比不能作为掺配比例的特征性指标。

钾氯比、糖碱比与梗丝比例和再造烟叶比例的拟合度稍好（R2分别为0.781、0.877），而且F值远小于0.05，说明梗丝比例和再造烟叶比例与钾氯比、糖碱比存在显著的线性相关性。但再造烟叶比例的P值均大于0.05，梗丝比例的P值均远小于0.01，说明再造烟叶比例与钾氯比、糖碱比的线性相关性不显著，而梗丝比例与钾氯比存在极显著的负相关性，与糖碱比存在极显著的正相关性。这可能是因为与叶丝相比，梗丝的钾氯比较低而糖碱比较高，与叶丝差异较大，而再造烟叶的钾氯比和糖碱比与叶丝差异相对较小。因此，钾氯比和糖碱比不能作为掺配比例的特征性指标。

总糖和还原糖含量差值与梗丝比例和再造烟叶比例的回归方程拟合度较好（R2=0.927），F值远小于0.01，说明梗丝比例和再造烟叶比例与总糖和还原糖含量差值存在极显著的线性关系，梗丝比例和再造烟叶比例的P值均小于0.01，说明梗丝比例与总糖和还原糖含量的差值存在极显著的正相关性，再造烟叶比例与总糖和还原糖含量的差值存在极显著的负相关性。因此，总糖和还原糖含量的差值可以作为掺配比例的特征性指标。

3 结论

梗丝掺配比例与烟碱含量、钾氯比存在极显著的负相关性，与氯含量、糖碱比存在极显著正的征相关性。当叶丝重量不变时，总糖和还原糖含量的差值可以作为梗丝和再造烟叶掺配比例的特征性指标，并以此建立梗丝和再造烟叶掺配比例的验证模型。

参考文献：

[1]于建华.烟草常规化学成分分析连续流动分析法研究进展[J].化工管理，2018（1）：173-175.

[2]胡建军，马明，李耀光，等.烟叶主要化学成分含量及指标值与其感官质量的灰色关联分析[J].烟草科技，2001（1）：3-7.

[3]郭东锋，姚忠达，汪季涛，等.烤烟烟叶常规化学成分与主流烟气成分的关系[J].烟草科技，2013（2）：46-51.

[4]Hedge R W.Preliminary studies of tobacco blending[Z].1963.

[5]方开泰.均匀设计：数论方法在试验设计的应用[J].应用数学学报，1980（4）：363-372.

[6]国家烟草专卖局.烟草及烟草制品 水溶性糖的测定 连续流动法：YC/T 159—2002[S].北京：中国标准出版社，2002.

[7]国家烟草专卖局.烟草及烟草制品 总植物碱的测定 连续流动法：YC/T 160—2002[S].北京：中国标准出版社，2002.

[8]国家烟草专卖局.烟草及烟草制品 总氮的测定 连续流动法：YC/T 161—2002[S].北京：中国标准出版社，2002.

[9]国家烟草专卖局.烟草及烟草制品 氯的测定 连续流动法：YC/T 162—2011[S].北京：中国标准出版社，2011.

[10]国家烟草专卖局.烟草及烟草制品 钾的测定 连续流动法：YC/T 217—2007[S].北京：中国标准出版社，2007.

[11]严志景，丁乃红，张超，等.烟草混合均匀度衡量指标的构建[J].云南农业大学学报（自然科学），2013（6）：825-833.

[12]丁伟，闫洪喜，陆扬，等.掺配比例对烟丝主要化学成分含量及指标值的相关性研究[C]//中国烟草学会工业专业委员会烟草工艺学术研讨会.2010.