细支卷烟材料参数对主流烟气氨释放量的影响

肖克毅 庄亚东 陈昆燕 戴亚 张燕 汪长国

摘要：为考察主流烟气氨释放量受不同细支卷烟材料参数[卷烟纸透气度（X1）、接装纸透气度（X2）、成型纸透气度（X3）、滤嘴丝束规格（X4）]的影响规律，运用均匀设计法制备不同试验样品，用二次多项式逐步回归法建立模型，通过分析单因素效应和边际效应，并进行参数优化和试验验证，明确了细支卷烟4种材料参数对主流烟气氨释放量的影响。结果表明，4种材料对氨释放量影响排序为：X2>X3>X4>X1。主流烟气氨释放量较低的材料参数组合为：卷烟纸透气度为70 CU，接装纸透气度为800 CU，成型纸透气度为 6 000 CU，滤嘴丝束规格为5 303.3 I。

关键词：细支卷烟;均匀设计法;氨;材料组合

中图分类号：TS41+1 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）07-0160-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.07.032

Abstract： A mathematical model and model analysis were applied to investigate the influence of slim cigarette material factors，including cigarette paper permeability（X1），tipping paper permeability（X2），plug wrapper permeability（X3） and specification of tow at tobacco end（X4），on ammonia yield in cigarette mainstream smoke. The single factor effect and marginal effect were analyzed. The results showed that： ① the order of the effect of 4 factors on the ammonia yield was： X2>X3>X4>X1; ② the optimized material combination for low ammonia delivery were： X1=70 CU，X2=800 CU，X3=6 000 CU，X4=5 303.3 I.

Key words： cigarette; mathematical model; ammonia; cigarette material

近幾年来国内细支卷烟市场蓬勃兴起，随着销量的迅猛增长，细支卷烟烟气中的有害成分也逐渐成为“吸烟与健康”问题的热点，其中氨为谢剑平等[1]研究确定的卷烟主流烟气7种代表性有害成分之一。如传统卷烟一样，细支卷烟烟气中的氨同样源于烟草及其辅助材料中的含氮化合物，包括蛋白质、硝酸盐、氨基酸、酰胺、生物碱及含氮杂环化合物[2]。细支卷烟燃烧产生的氨能与糖等反应形成香味物质[3]，但在人体的呼吸系统中过量的氨具有刺激性，会造成吸食品质的下降，影响细支卷烟的舒适性，虽其单位含量不及传统卷烟但仍会对身体造成较严重的危害[4]。因此，研究如何降低细支卷烟主流烟气中氨的释放量对其安全发展具有重要意义。近年来，通过选择细支卷烟生产材料搭配来实现降焦减害和提高吸食品质的研究报道不多。按照传统卷烟的经验，通过对卷烟的盘纸、滤嘴丝束、成型纸等参数大小的调整及合理搭配，较易实现普通卷烟材料对烟气有害成分释放量的控制。因此，可围绕细支卷烟材料的不同性质，借鉴前人经验综合地研究细支卷烟材料参数的单因素贡献率、边际效应等影响[5-7]。本研究基于均匀设计和多元非线性回归法优化[8]，与实际生产相结合，在较宽水平范围内研究卷烟盘纸透气度、接装纸透气度、成型纸透气度和滤嘴丝束规格等4种细支卷烟材料参数对主流烟气氨释放量的影响，通过各材料的合理搭配降低氨释放量的危害。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：重庆中烟工业有限责任公司提供的某牌号烤烟型叶组配方烟丝;5种不同透气度的卷烟纸、5种不同透气度的接装纸、5种不同透气度的成型纸、3种不同规格的滤嘴丝束（滤嘴丝束特性用丝束纵向表面积等效描述指数I来代替[9]）均由重庆中烟工业有限责任公司提供，制备出6个多因素试验细支卷烟样品，具体的因素选取及水平范围见表1。

仪器：RM20H/CS型转盘式吸烟机（德国Borgwaldt公司）;HY-8型旋转震荡器（国华电器有限公司）;AX504型电子天平（感量0.000 1 g，美国Mettler Toledo仪器公司）;Direct-Q3型超纯水系统（德国SGwater公司）;ICS-3000型离子色谱仪、CS-16A型阳离子交换柱和CG-16A型保护柱（美国DIONEX公司）。

1.2 方法

1.2.1 试验设计与分析 将4种细支卷烟盘纸透气度（X1）、接装纸透气度（X2）、成型纸透气度（X3）、滤嘴丝束规格（X4）“基于均匀设计的计算机辅助设计”设计实验方案，表1的材料参数采用极差归一化变换统一量纲和数量级[10]（表2）。

以卷烟主流烟气中氨释放量为因变量，表1和表2中各因素为自变量，采用SPSS和DPS软件建立二次多项式逐步回归模型并进行检验。分析各因子的贡献率，讨论各因子的影响大小和边际效应[11]。具体分析方法见前期研究[6，7]。最后采用基于实际参数的极值寻优的方法和综合平衡法[12-14]得到主流烟气氨释放量较低的参数优化组合，并进行验证。

1.2.2 卷制要求 按照表1中涉及的因素进行卷烟样品卷制，烟丝等其余参数保持不变，在GB/T 16447—1996[15]规定条件下平衡48 h。

1.2.3 氨释放量的检测 依据行业标准YC/T 377—2010[16]，用离子色谱法（IC法）检测卷烟主流烟气中氨的释放量。

2 结果与分析

2.1 氨释放量的数据统计

卷烟样品主流烟气氨释放量检测结果的描述性统计见表3。由表3可知，偏度系数略大于0，为正偏峰，峰度系数小于0，为平阔峰，数据稍显分散;标准差和变异系数均较小，偏度系数和峰度系数的绝对值均较小，说明氨释放量的各个数据分布比较对称，接近正态分布，总体的协调性较好，可作为一个整体进行分析评价。

2.2 逐步回归分析模型

以表2中各因素为自变量，氨释放量为因变量，P不小于0.01为变量剔出标准，通过回归方法得到的数学模型为：Y=8.67-9.74X2+6.99X22+1.34X32+1.00X3X4。

对该模型进行F检验，F=8 342.32>F0.01（4，1）=5 624.6，表明二次回归方程本身达到显著水平;决定系数R2=0.999 9，表明模型拟合度良好，具有统计学意义;残差独立性检验，Durbin-Watson统计量d=2.47，说明残差无自相关性。

2.3 因子主效应分析

运用主因素效应分析法可以计算得到各因子对因变量的总体贡献率，具体分析方法见前期研究[6]，结果显示各因子的贡献率：接装纸透气度1.973，成型纸透气度1.306，滤嘴丝束规格0.327。通过分析可知接装纸透气度对主流烟气氨释放量影响程度最高，成型纸透气度、滤嘴丝束规格的贡献率依次逐渐减小，而卷烟纸透气度因子对主流烟气氨释放量影响不显著。

2.4 主流煙气氨释放量边际效应

对回归方程求一阶偏导数，比较各材料水平变化对主流烟气氨释放量影响的速率，设定其他3个因素在高、中、低水平下每个材料因素的边际氨释放量效应关系式（表4）。由表4可知，X2对氨释放量的影响速率不受其他因素的影响，当X2<0.70时，其对氨释放量影响表现为负效应，而X2>0.70时，其对氨释放量影响表现为正效应;X3对氨释放量的影响速率在其他因素低水平时绝对值相对低，相关性较弱，在中水平和高水平时为正效应增强，尤其在高水平时速率绝对值最大，相关性也随之变强;X4对氨释放量影响的变化率依次变大，为正效应。

2.5 主流烟气氨释放量的标准回归系数

通过对主流烟气氨释放量的标准回归系数分析，可反映各因素或因素间交互作用对氨释放量的影响程度[17]。由表5可知，因素X2与细支卷烟主流烟气氨释放量呈负相关，而因素X22、X32及X3X4与细支卷烟主流烟气氨释放量呈正相关;通过各因素的绝对值大小则可反映其对氨释放量的影响大小，排序为X2>X22>X32>X3X4。

2.6 参数优化和验证

2.6.1 参数优化 通过以上分析和已建立的数学模型，运用综合平衡法，并结合日常材料设计规格对4种材料因素在试验范围内进行参数组合寻优，得到了主流烟气氨释放量的理论最低因子组合：X1=0.40，X2=0.75，X3=0，X4=0。通过反标准化变换可得优化后的材料参数规格组合为：卷烟纸透气度为 70 CU，接装纸透气度为800 CU，成型纸透气度为 6 000 CU，滤嘴丝束规格为5 303.3 I。

2.6.2 验证实验 按照优化参数的组合安排了3次验证实验，测得卷烟样品的主流烟气氨释放量分别为：5.57、5.12和5.36 μg/支，平均值为5.35 μg/支。又将参数优化的理论最低因子组合带入回归方程计算得主流烟气氨释放量的理想值为5.30 μg/支，和验证实验平均值的相对偏差小于10%，一致性较强。

2.7 与传统卷烟的对比分析

通过和前期论文《卷烟材料参数对主流烟气氨释放量的影响》[6]的比较分析，可得出各材料参数在传统卷烟和细支卷烟中的不同影响。在传统卷烟中滤嘴丝束规格对主流烟气中氨释放量影响最为显著，增大滤嘴丝束纵向表面积可使卷烟主流烟气氨释放量大幅减少;而接装纸透气度、卷烟盘纸透气度和成型纸透气度各材料因子的贡献率依次减小且差距较小，说明此3种材料因素的透气度对氨释放量变化影响较小。在本次试验范围内，细支卷烟接装纸透气度对主流烟气氨释放量影响最为显著，表明增大接装纸透气度可使卷烟主流烟气氨释放量大幅减少，而成型纸透气度、滤嘴丝束规格和卷烟纸透气度各材料因子的贡献率依次减小。

3 小结与讨论

通过各种分析，不同材料参数对细支卷烟主流烟气氨释放量的影响贡献率排序为：接装纸透气度>成型纸透气度>滤嘴丝束规格>卷烟纸透气度。这可能是由于接装纸透气度在细支卷烟抽吸过程中受大气的影响更为明显，其透气度大小会对氨释放量产生较大影响。

本研究选择了4种卷烟材料指标，能更全面地反映出卷烟成型过程中不同材料对卷烟主流烟气氨释放量的影响;在分析方法上运用均匀设计法，利用多项式逐步回归建立数学模型后进行相关分析，能在确保统计学意义的条件下有效降低试验次数。通过主效应、边际效应分析和参数优化能有效量化不同细支卷烟材料参数对卷烟主流烟气氨释放量的影响大小。分析数据进行参数组合寻优并验证，确保了重现性。本研究在前期研究的基础上进行，有大量的试验和理论经验，旨在考察各材料对细支卷烟的7种有害成分释放量的影响，弥补了前人简单设计和单一分析的不足。

通过参数优化及验证试验确定了在试验所用烟丝条件下，主流烟气氨释放量较低的材料参数组合。以上结论是基于同一生产工艺流程和叶组配方得出的，是否符合其他叶组或配方需进一步深入研究。

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