煙葉原料適用性評價模型的建立

王澤理，劉彥嶺

（1. 甘肅煙草工業有限責任公司，甘肅 蘭州 730050；2. 鄭州輕工業學院，河南 鄭州 450002）

煙葉原料是卷煙工業的重要原料，其品質的高低，直接影響卷煙的品質[1-2]。隨著2006 年1 月8 日《煙草控制框架公約》在我國正式生效，煙草行業面臨“吸煙與健康問題”的壓力進一步加強，煙葉原料的安全性及危害性也日益凸顯。Xie Jianping 等人[3]經過研究確定了表征卷煙危害性的7 個定性有害成分指標，即CO，HCN，NNK，NH3，苯并[a]芘，苯酚，巴豆醛，并給出了危害性指數的計算方法。因此，煙葉原料的主要化學成分及危害性指數會直接影響卷煙工業可用性和卷煙產品的安全性[4-5]。為了深入全面地研究公司煙葉原料的綜合適用性，更準確地判定煙葉原料是否滿足工業品牌卷煙的生產要求，將危害性指數、主要化學成分和煙葉內在質量等指標納入評價方法，建立起工業品牌煙葉原料適用性綜合指數模型，并對其應用效果進行驗證，從而為煙葉采購工作提供強有力的技術指導，以期為煙葉的種植、栽培，為卷煙工業的調配提供依據，從源頭降低卷煙的危害性，在滿足消費者的同時減少吸煙對人體的危害具有深遠的意義。

1 樣品的設計與制備

以公司在用的主要產區煙葉原料為研究對象，選取云南、貴州、四川、福建、湖南、陜西、甘肅、河南和黑龍江等9 個省份17 個產地具有代表性的煙葉原料。

單料煙樣品制作參數在相同規格煙用材料、工藝加工參數及卷制工藝參數下卷制成煙支：煙支長度為84.0 mm，濾嘴長度為20.0 mm，圓周為24.5 mm，質量為0.88 g /支，卷煙紙透氣度40CU，克質量為27 g/m3，煙支硬度為67 g/支，無濾嘴通風，濾棒吸阻為3 300 Pa。

2 指標與測定方法

卷煙主流煙氣焦油、煙堿、CO、HCN、NNK、NH3、苯并[a]芘、苯酚、巴豆醛的釋放量及煙葉原料的常規化學成分測定方法為：①GB/T 19609—2004卷煙 用常規分析用吸煙機測定總粒相物和焦油[6]；②GB/T 23355—2009 卷煙 總粒相物中煙堿的測定方法氣相色譜法[7]；③YC/T 157—2001 卷煙 總粒相物中水分的測定方法 氣相色譜法[8]；④GB/T 23356—2009卷煙煙氣氣相中一氧化碳的測定 非散射紅外法[9]；⑤YC/T 253—2008 卷煙主流煙氣中氰化氫的測定連續流動法[10]；⑥GB/T 23228—2008 卷煙 主流煙氣總粒相物中煙草特有N - 亞硝胺的測定氣相色譜—熱能分析聯用法[11]；⑦GB/T 21130—2007 卷煙 煙氣總粒相物中苯并[a]芘的測定[12]；⑧YC/T 255—2008 卷煙主流煙氣中主要酚類化合物的測定 高效液相色譜法[13]；⑨YC/T 254—2008 卷煙主流煙氣中主要羰基化合物的測定 高效液相色譜法[14]；⑩NH3：采用加拿大衛生部方法（離子色譜法）[15]。

單料煙危害性指數計算公式為：

式中：A——CO 釋放量，mg/支；

B——NNK 釋放量，ng/支；

C——苯并[a]芘釋放量，ng/支；

D——巴豆醛釋放量，μg/支；

E——苯酚釋放量，μg/支；

F——NH3釋放量，μg/支；

G——HCN 釋放量，μg/支。

煙葉原料的常規化學成分測定方法采用連續流動分析法，并計算出派生值。

3 模型的建立及優選

采用逐步回歸和剔除的方法建立因素與指標間的多因素模型和模型數據，根據預測模型的基本參數確定幾個可靠的預測模型，并進行交叉驗證，依據交叉驗證標準差（RMSECV） 篩選出最優預測模型，最后采用外部驗證樣品對預測模型的預測能力進行驗證，外部驗證樣品數為20 組；操作環境為SPSS 13.0 和DPS 7.05 這2 個數據處理軟件。

3.1 建立模型的參數及預測指標

根據公司卷煙的風格特征，確定建模參數共分為三大類，分別為代表綿香風格的煙葉化學成分總氮（X1）、總糖（X2）、總糖/總氮（X3）；代表危害性的指標危害性指數（X4）；代表煙葉內在品質的指標內在質量得分（X5） （依據單料煙9 分制打分）。預測指標為煙葉質量總體評價得分（Y） （依據公司建立的煙葉質量評價體系計算結果）。

3.2 建模數據

共選出公司各大產區的不同等級的煙葉數據53 組。

建?；A數據見表1。

表1 建?；A數據

3.3 預測模型的建立

分別采用線性逐步回歸法和非線性逐步回歸法兩種類型的數學模型，對模型各參數的檢驗是在95%置信水平下的P 檢驗，只有各項指標的P 檢驗通過后才能確定該模型的合理性。通過交叉驗證法計算出交叉驗證標準差（RMSECV），通過交叉驗證標準差（RMSECV） 評價模型的預測能力，一般情況下RMSECV 越小，模型預測能力越好。

采用逐步回歸法分別建立了線性預測模型、二次多項式預測模型、多因子及互作用項預測模型和多因子及平方項預測模型，采用逐步剔除法建立了多因素預測模型。

預測模型及各因素參數見表2。

由各模型中各因素系數的顯著水平及各模型方差分析的顯著水平，證明方程通過檢驗，并且D-W值在范圍之內，說明方程有統計學意義。由模型的決定系數R2可知，以上模型都有一定的預測精度。

3.4 模型的優選

通過綜合分析共選出5 個不同的預測模型。

各模型預測參數見表3。

根據預測模型的R2越大，RMSECV 越小的原則，選出模型3 為最優模型。

表2 預測模型及各因素參數

表3 各模型預測參數

模型3 標準化殘差正態直方圖見圖1，模型3 標準化殘差正態P-P 圖見圖2，模型3 預測值與標準值得散點圖見圖3。

圖1 模型3 標準化殘差正態直方圖

由散點圖3 可知，模型預測值與標準值之間呈現顯著的線性相關，決定系數R2為0.906 1。

3.5 模型預測能力的外部驗證

隨機選出20 組除建模外的其他不同地區、不同等級的煙葉樣品進行對模型的外部驗證。

外部驗證樣品數據結果見表4。

以驗證樣品的預測標準差（RMSEP） 和平均預測相對偏差來考查模型的預測能力，驗證樣品的預測結果。

圖2 模型3 標準化殘差正態P-P 圖

圖3 模型3 預測值與標準值得散點圖

模型3 預測結果見表5，模型3 外部驗證預測值與標準值的相關性見圖4。

結果表明，外部驗證模型的預測標準差RMSEP為0.73，平均預測相對偏差為7.3%，決定系數為0.913 8，表明模型預測值與標準值之間都呈現顯著的線性相關；可知模型的預測結果與實際值較為一致，并且平均預測相對偏差都低于10%。

表4 外部驗證樣品數據結果

表5 模型3 預測結果

圖4 模型3 外部驗證預測值與標準值的相關性

3.6 確定煙葉原料適用性綜合指數模型

綜合以上分析，根據模型3 的內部交叉驗證和外部驗證的結果，模型3 的綜合指標最佳，選擇模型3 作為最優模型。模型及模型參數如下：

式中：Y——煙葉適用性綜合指數得分，分；

X1——煙葉總氮含量；

X2——煙葉總糖含量；

X3——煙葉總糖/總氮；

X4——煙葉煙氣危害性指數；

X5——煙葉內在品質得分。

3.7 煙葉原料工業綜合適用性評價方法

產區煙葉原料適用性指數Y≥75 為優質主料煙，75＞Y≥65 為主料煙，65＞Y≥60 為輔料煙，60＞Y≥50 為填充料煙，50＞Y 為無實用價值煙葉，提出警報，建議停止采購。

4 結論

篩選出了最優模型，模型的預測精度較準、實用性較強，并對模型進行了外部驗證，預測精度較好。通過模型的預測，給出了煙葉檔次的劃分范圍。利用模型對各產區煙葉原料適用性進行評價，調整部分產地煙葉采購計劃，加大國內部分產地煙葉采購量，減少或停止部分產地煙葉采購置，否定部分地區煙葉，為優化煙葉原料資源配置，實現工業煙葉原料調撥的合理布局、穩定優化煙葉質量提供決策支持，為凸顯和鞏固卷煙品牌風格特色奠定良好的基礎，量化產區煙葉質量能否進入工業卷煙品牌配方，為煙葉采購工作提供技術指導和方向。