空腔復合濾嘴結構對卷煙主流煙氣常規化學成分釋放量的影響

楊 歌，徐月玲，徐瑞霜，田亮亮，陳 松，徐興華，唐 偉，謝一飛，朱鮮艷

南通煙濾嘴有限責任公司，江蘇省南通市崇川區勝利路6號 226014

煙用濾棒作為卷煙的重要組成部分，可有效過濾、截留煙氣中的有害成分，隨著先進制造技術不斷應用在濾棒生產中，多種形式的濾棒被開發出來，如新型異形空腔濾棒、溝槽濾棒和添加活性炭濾棒等［1-3］。異形空腔濾棒是經過蒸汽加熱固化［4-5］制成端部可見圖案的新型濾棒，其圖案形狀可以設計成圓形、三角形和五角星形等，常與普通醋纖濾棒復合成空腔復合濾棒，具有防偽和調節煙氣的雙重作用。

空腔濾棒作為一種新型的濾棒形式，目前的研究主要集中在濾棒結構設計［6］、生產工藝［7-9］以及對卷煙主要理化指標和感官品質的影響［10-11］方面。李艷平等［12］考察了空腔濾嘴的煙堿過濾效率及截留煙堿在濾嘴中的空間分布模式，發現空腔濾嘴對煙堿的截留效率為31.75%，并獲得了不同結構濾嘴截留煙堿的軸向截面空間分布模式。文建輝等［13］考察了空腔濾棒結構對卷煙主流煙氣中酚類化合物的截留影響，發現空腔醋纖濾棒對酚類化合物的過濾效率低于普通醋纖濾棒、外置溝槽濾棒和紙-醋纖復合濾棒。但關于空腔復合濾棒在空腔深度及空腔截面面積方面對卷煙主流煙氣常規化學成分釋放量的影響卻鮮有報道，此外，已有研究表明異形空芯濾棒結構會對空芯復合濾棒的壓降產生影響［14］。因此，系統研究了空腔深度、煙支吸阻和空腔濾棒截面面積對卷煙主流煙氣化學成分釋放量的影響，并建立了復合濾嘴結構參數對卷煙主流煙氣常規化學成分釋放量的回歸模型，旨在為卷煙產品設計開發中的濾棒選型提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

空腔濾棒和普通醋纖濾棒由南通煙濾嘴有限責任公司生產。制備了不同圓周、空腔濾棒截面面積（下文簡稱為截面面積）的圓形空腔濾棒，改變空腔濾棒段和普通濾棒段的長度，將兩者組合成空腔復合濾棒，與同一配方煙絲接裝成卷煙樣品，其結構如圖1所示。其中，建模樣品和外部驗證樣品接裝方案及煙支吸阻見表1和表2。所有卷煙樣品均不打孔。

表1 建模卷煙樣品接裝方案①Tab.1 Assembling schemes of cigarette samples for modeling

圖1 卷煙樣品結構示意圖Fig.1 Schematic diagram for structure of cigarette samples

煙堿（9.6 mg/mL，天津阿爾塔科技有限公司）；乙醇（AR，國藥集團化學試劑有限公司）；十七烷（內標，≥98.5%）、異丙醇（色譜純）（上海安譜科學儀器有限公司）。

MS204S 電子天平［感量0.000 1 g，賽多利斯科學儀器（北京）有限公司］；RM20H轉盤型吸煙機、劍橋濾片（直徑92 mm）（德國Borgwaldt K C 公司）；7890B 氣相色譜儀（美國Agilent 公司）；HY-8 調速振蕩器（常州萬豐儀器制造有限公司）。

1.2 方法

將卷煙樣品按照GB/T 16447—2004［15］中的方法置于溫度（22±1）℃和相對濕度60%±2%的環境中平衡48 h，將平衡好的卷煙樣品根據標準方法測定吸阻［16］。ISO 模式下，按照GB/T 19609—2004［17］中的方法對61 種卷煙樣品進行抽吸，分析主流煙氣中總粒相物、焦油、煙堿及CO的釋放量。

1.3 數據處理與分析

使用SPSS 29.0軟件對主流煙氣中總粒相物、焦油、煙堿及CO的釋放量進行統計分析。

2 結果與討論

2.1 空腔深度、煙支吸阻和截面面積與煙氣常規化學成分釋放量的簡單相關分析

將各因素兩兩組合后通過簡單相關分析得出的相關系數如表3～5所示。粗支卷煙的空腔深度、煙支吸阻與煙氣總粒相物、焦油和煙堿的釋放量均極顯著相關。中支卷煙的空腔深度與煙氣總粒相物、焦油和煙堿的釋放量極顯著相關；煙支吸阻與煙氣總粒相物的釋放量極顯著相關，與煙氣焦油和煙堿的釋放量顯著相關。細支卷煙的空腔深度、煙支吸阻與煙氣總粒相物和焦油的釋放量極顯著相關，與煙氣煙堿釋放量顯著相關。3種規格卷煙煙氣CO釋放量均與空腔深度、截面面積和煙支吸阻不顯著相關。

表3 粗支卷煙樣品主流煙氣常規化學成分釋放量與結構參數的簡單相關系數①Tab.3 Simple correlation coefficients between routine chemical component releases in mainstream smoke and structural parameters of conventional cigarette samples

表4 中支卷煙樣品主流煙氣常規化學成分釋放量與結構參數的簡單相關系數Tab.4 Simple correlation coefficients between routine chemical component releases in mainstream smoke and structural parameters of demi-slim cigarette samples

表5 細支卷煙樣品主流煙氣常規化學成分釋放量與結構參數的簡單相關系數Tab.5 Simple correlation coefficients between routine chemical component releases in mainstream smoke and structural parameters of slim cigarette samples

通過相關系數還可以看出，除自變量與因變量之間，自變量、因變量本身之間同樣具有相關關系，甚至部分自變量之間的相關性超過了自變量與因變量之間的相關性，這就對評價煙氣常規成分釋放量的影響因素造成困擾。例如，粗支卷煙空腔深度與煙支吸阻的相關系數為-0.961，煙支吸阻與總粒相物釋放量的相關系數為-0.959，但是空腔深度與總粒相物釋放量的相關系數為0.895，無法判定煙支吸阻對空腔深度與總粒相物釋放量的相關關系是否帶來影響。由此可見，在多元統計分析中，由于變量間存在錯綜復雜的關系，兩因素具有相關性很有可能是由某個或者多個因素共同的影響而引起的，因此，還需在扣除這些影響后，計算“純”的相關系數。

2.2 空腔深度、煙支吸阻和截面面積與煙氣常規化學成分釋放量的偏相關分析

簡單相關分析是分析兩個變量間的簡單關系，而忽略其他變量的影響，當研究的變量為兩個以上時，使用簡單相關分析是不夠準確的，為了能更好地反映出各變量間的相互關系，需進一步進行偏相關分析［18］。3 種規格卷煙濾嘴空腔深度、截面面積、煙支吸阻與主流煙氣常規成分釋放量的偏相關分析結果如表6所示。對比表6中的數據，可以得到一些與表3～5不同的結論，例如，粗支卷煙樣品的空腔深度與主流煙氣常規化學成分釋放量的偏相關系數與簡單相關系數有較大差異，由原來的極顯著相關變成了不顯著相關。且已有研究表明，偏相關系數與簡單相關系數在數值上可能會存在很大差異，甚至會出現相關性相反的情況［19-22］。

表6 3種規格卷煙樣品主流煙氣常規化學成分釋放量與結構參數的偏相關系數Tab.6 Partial correlation coefficients of routine chemical component releases in mainstream smoke and structural parameters of three types of cigarettes

具體來看，3 種規格卷煙樣品煙氣CO 的釋放量在控制變量下仍與卷煙濾嘴空腔深度、截面面積和煙支吸阻不顯著相關。在控制變量下，粗支卷煙樣品煙支吸阻與煙氣總粒相物和焦油的釋放量仍存在極顯著相關關系，與煙氣煙堿的釋放量變為顯著相關；空腔深度與煙氣常規化學成分釋放量的凈相關關系均變得不顯著。在控制變量下，中支卷煙樣品空腔深度與煙氣總粒相物、焦油和煙堿的釋放量仍存在極顯著相關關系；截面面積與煙氣煙堿的釋放量變為極顯著相關，與煙氣總粒相物和焦油的釋放量變為顯著相關；煙支吸阻與煙氣中常規化學成分的釋放量均變為不顯著相關。在控制變量下，細支卷煙樣品卷煙濾嘴空腔深度、截面面積和煙支吸阻與主流煙氣常規化學成分釋放量的凈相關關系均變為不顯著。

2.3 空腔深度、煙支吸阻和截面面積與煙氣常規化學成分釋放量的回歸分析

應用SPSS軟件進行普通最小二乘法回歸分析，共線性診斷得出自變量系數的方差膨脹因子（VIF）大于10，說明此回歸方程的自變量之間存在多重共線性，為了得到可靠的擬合結果，必須消除自變量間多重共線性的影響。在不剔除解釋變量的前提下，嶺回歸估計法是一種專門用于共線性數據分析的有偏估計方法［23］，這是一種改良的最小二乘法，接近真實值的可能性較大。

設嶺回歸系數（k）在（0，1）之間，步長為0.01，分別對3種規格卷煙樣品作嶺回歸分析，得到各變量的回歸系數嶺跡圖，嶺跡圖不僅能夠直觀地表現出各變量的嶺跡是否趨于穩定，而且可以用于確定合適的k值。對于粗支及細支卷煙，在k≥0.2時嶺跡圖變化逐漸平穩，因此，選擇k值為0.2 進行嶺回歸分析；對于中支卷煙，在k≥0.4時嶺跡圖變化逐漸平穩，因此，選擇k值為0.4進行嶺回歸分析。分析結果見表7。

表7 卷煙樣品主流煙氣常規化學成分釋放量的嶺回歸模型分析結果Tab.7 Results of ridge regression model analysis of routine chemical component releases in mainstream cigarette smoke

嶺回歸模型的R2值以及方差分析結果見表8，R2值越大，表明在回歸方程中自變量對因變量的解釋程度越強。由表8 可知，粗支卷煙樣品主流煙氣常規成分釋放量回歸模型的R2和調整R2均大于0.82，說明模型的擬合效果良好，自變量對因變量的解釋程度達到了82%以上，同時對嶺回歸方程進行F檢驗發現P值小于0.01，說明回歸方程在1%顯著性水平下通過了檢驗；中支卷煙樣品主流煙氣常規化學成分回歸模型的R2和調整R2均大于0.56，回歸方程均在1%顯著性水平下通過了檢驗；細支卷煙樣品主流煙氣總粒相物和焦油釋放量的回歸模型的R2和調整R2也大于0.56，回歸方程均在1%顯著性水平下通過了檢驗，但煙氣煙堿釋放量的回歸方程未通過檢驗。綜上，自變量對3 種規格卷煙樣品主流煙氣常規化學成分釋放量的影響程度存在一定差異。

表8 嶺回歸模型及方差分析結果Tab.8 Results of ridge regression models and variance analysis

為進一步了解通過顯著性檢驗的回歸模型的預測效果，將進入模型的內部樣本數據以及未進入模型的外部樣本數據分別代入模型，比較預測值與實測值的誤差，結果如圖2～4所示。可知，3 種規格卷煙樣品煙氣常規化學成分釋放量回歸模型的內部樣本數據的預測值大多數均落于±5%誤差線內，外部樣本數據中除中支卷煙樣品主流煙氣總粒相物和焦油的釋放量少量落在-6%誤差線內以外，其余均落于±5%誤差線內，說明模型對卷煙樣品煙氣常規成分釋放量的預測能力較好。

圖2 粗支卷煙樣品主流煙氣常規化學成分釋放量預測模型的檢驗Fig.2 Test of prediction models for routine chemical component releases in mainstream smoke of conventional cigarette samples

圖3 中支卷煙樣品主流煙氣常規化學成分釋放量預測模型的檢驗Fig.3 Test of prediction models for routine chemical component releases in mainstream smoke of demi-slim cigarette samples

圖4 細支卷煙樣品主流煙氣常規化學成分釋放量預測模型的檢驗Fig.4 Test of prediction models for routine chemical component releases in mainstream smoke of slim cigarette samples

3 結論

①由簡單相關分析結果可知，3種規格卷煙樣品主流煙氣總粒相物、焦油和煙堿的釋放量均受空腔深度和煙支吸阻的顯著影響。②由偏相關分析結果可知，粗支卷煙主流煙氣總粒相物、焦油和煙堿的釋放量受煙支吸阻的顯著影響；中支卷煙主流煙氣總粒相物、焦油和煙堿的釋放量受空腔深度和截面面積的顯著影響；細支卷煙主流煙氣常規化學成分釋放量受濾嘴空腔深度、截面面積和煙支吸阻的影響不顯著。③嶺回歸分析模型的預測值與實測值的相對誤差大部分位于±5%誤差線內，可用于預測復合濾嘴結構改變對卷煙主流煙氣常規化學成分釋放量的影響，可為卷煙煙支設計提供新思路。