多元非線性回歸法探討細支煙材料參數(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.重慶宏聲實業(yè)(集團)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現(xiàn)卷煙產(chǎn)品的特定風(fēng)格，而且被證實對卷煙煙氣指標、物理指標等均有較大影響，尤其對焦油這一重要指標的釋放量影響較大，一直都是“降焦減害”的熱點研究領(lǐng)域[1-3]． 然而，近年來逐步成為國內(nèi)外新消費熱點的細支卷煙，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的差異等方面[4-5]． 較常規(guī)卷煙，細支卷煙具有圓周較小、煙支長等外觀顯著特點，煙支燃燒時煙氣分布狀態(tài)必然會有較大差異[6]． 針對細支卷煙燃燒時區(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)計的實驗基礎(chǔ)，采用多元非線性回歸法探討細支卷煙材料參數(shù)對焦油釋放量的影響，建立相關(guān)預(yù)測模型，旨在為細支卷煙設(shè)計時材料的選擇提供幫助，達到科學(xué)合理地控制細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(為了方便單一指標進行量化，本文在數(shù)據(jù)處理中采用文獻[7]的方法對濾棒絲束特性進行替代)．

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(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

按實驗設(shè)計表1進行實驗，其余參數(shù)保持一致． 圓周設(shè)定值為17.2 mm，煙支其余物理指標在規(guī)定允許的誤差范圍內(nèi)使用． 上機測試抽吸前，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)的國家標準進行[8-11]．

1.2.3 實驗設(shè)計

以選定的細支卷煙各卷接材料為因素，以“均勻設(shè)計的計算機輔助設(shè)計”進行實驗方案[12-13]設(shè)計，其因素及水平見表1．

表1 實驗因素與水平

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逐步回歸方法建立數(shù)學(xué)模型進行檢驗；采用文獻[14]的方法計算得到各因子的貢獻率；結(jié)合實際生產(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，并進行驗證．

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

依據(jù)表1進行了6組、每組3次重復(fù)的參數(shù)組合實驗，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)計結(jié)果見表3．

表3 實驗樣品主流煙氣焦油釋放量的描述統(tǒng)計

從表3可知，各組合得到的細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)和標準差均較小，表明其統(tǒng)計結(jié)果基本符合正態(tài)分布的特征，可將其作為一個整體來進行分析和評價．

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)檢驗結(jié)果表明該回歸方程達到極顯著水平，差異有統(tǒng)計學(xué)意義；p=0.000 4<0.01，T檢驗表明方程中各自變量的系數(shù)差異有統(tǒng)計學(xué)意義；模型的殘差獨立性檢驗，Durbin-Watson統(tǒng)計量為2.61，殘差無自相關(guān)，模型具有很強的解釋能力．

2.3 因子主效應(yīng)分析結(jié)果[15]

計算得到各要素的貢獻率：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，在實驗范圍內(nèi)，卷煙紙透氣度對細支煙主流煙氣中焦油釋放量影響無統(tǒng)計學(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，對回歸數(shù)學(xué)模型進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，在實驗范圍內(nèi)，其他因素取中水平時，各因子對細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，接裝紙透氣度與焦油釋放量呈負相關(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，在實驗范圍內(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．

在實驗范圍內(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)化與驗證結(jié)果

2.6.1 參數(shù)優(yōu)化驗證

根據(jù)生產(chǎn)實際和已建立的數(shù)學(xué)模型，在各因素的變化范圍內(nèi)，運用綜合平衡法并結(jié)合公司常用輔材規(guī)格，尋求得到了在實驗范圍內(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，目標值焦油釋放量較?。?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)化組合進行3次驗證實驗，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)組合驗證實驗

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證

前述實驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析表明，卷煙紙對細支煙主流煙氣中焦油釋放量影響無統(tǒng)計學(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，進一步驗證卷煙紙透氣度對細支煙焦油釋放量的影響．

結(jié)合生產(chǎn)實際，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)組合隨機進行了5組驗證實驗，每組實驗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支卷煙樣品主流煙氣焦油釋放量差異較小，幾組實驗樣品的最大相對偏差僅為5.08%，說明在實驗范圍內(nèi)，不同透氣度卷煙紙對細支煙主流煙氣焦油釋放量的影響極小，其驗證結(jié)果與因子主效應(yīng)卷煙紙透氣度影響無統(tǒng)計學(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，細支煙焦油釋放量差異無統(tǒng)計學(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，可能是細支煙直徑變小，燃燒錐明顯變細增長，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)在實驗范圍內(nèi)，卷煙紙透氣度對細支煙主流煙氣焦油釋放量影響無統(tǒng)計學(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，可能是由于細支卷煙直徑較小、燃燒錐細長、卷煙紙透氣度對煙支抽吸時不充分燃燒的影響相對較小所致．

3)得到并驗證了主流煙氣焦油釋放量較低時的優(yōu)化參數(shù)組合，結(jié)果表明對于實驗所用煙絲，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，卷煙主流煙氣焦油釋放量可以達到相對較低值，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，是否適用實驗范圍以外的情況還需進一步驗證．