基于材料參數(shù)的中支煙煙氣常規(guī)成分釋放量預(yù)測模型

楊 松，崔 春，楚文娟，王詩太，高明奇，孫培健，孫學(xué)輝，王宏偉，胡少東，王宜鵬，田海英*，聶 聰*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院 煙草行業(yè)煙草化學(xué)重點實驗室，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 4500012. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市經(jīng)開區(qū)第三大街8號 4500003. 湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，長沙市雨花區(qū)勞動中路386號 410014

煙氣常規(guī)成分（焦油、煙堿和CO）釋放量是卷煙設(shè)計的重要指標(biāo)，在以往的研究中，開展了大量常規(guī)煙和細(xì)支煙材料參數(shù)對煙氣常規(guī)成分釋放量的單因素影響研究，涉及的材料參數(shù)包括卷煙紙的透氣度、定量、助燃劑用量、助燃劑鉀鈉比，以及濾棒壓降、絲束規(guī)格、成型紙透氣度、接裝紙透氣度等［1-5］。此外，有文獻(xiàn)報道通過設(shè)計并制備多因素材料參數(shù)樣品，采用線性回歸和逐步回歸的建模方法，建立了基于材料參數(shù)（卷煙紙透氣度、卷煙紙定量、濾棒壓降、成型紙透氣度、接裝紙透氣度）的常規(guī)煙主流煙氣焦油、煙堿及7種成分釋放量的預(yù)測模型［3，6-8］。楚文娟等［9］建立了基于材料參數(shù)（卷煙紙透氣度、卷煙紙定量、卷煙紙助燃劑用量、卷煙紙助燃劑鉀鈉比、濾棒壓降、濾嘴通風(fēng)率）的細(xì)支煙主流煙氣焦油和7種成分釋放量的預(yù)測模型，為實現(xiàn)常規(guī)煙和細(xì)支煙材料參數(shù)的數(shù)字化設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。近年來，以20 mm 煙支圓周為主的中支煙的產(chǎn)銷量快速增長，逐漸成為市場及研究領(lǐng)域關(guān)注的一個熱點。與常規(guī)煙和細(xì)支煙相比，中支煙最大的不同是圓周的差別，導(dǎo)致中支煙煙氣化學(xué)成分的生成、過濾和擴(kuò)散與常規(guī)煙和細(xì)支煙差異較大［10-14］，以往建立的常規(guī)煙和細(xì)支煙的煙氣常規(guī)成分釋放量預(yù)測模型必定不再適用于中支煙。然而，基于材料參數(shù)的中支煙常規(guī)成分釋放量、煙支吸阻和通風(fēng)率預(yù)測模型卻鮮見報道。因此，本研究中采用線性回歸和逐步回歸方法構(gòu)建了中支煙常規(guī)成分釋放量、煙支吸阻及通風(fēng)率預(yù)測模型，旨在為中支煙材料參數(shù)的數(shù)字化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

卷煙紙、成型紙（牡丹江恒豐紙業(yè)有限公司）；接裝紙、濾棒（河南省新鄭芒果實業(yè)總公司）；煙絲為某品牌某一在產(chǎn)中支煙用煙絲且為同一批次；市售與建模樣品圓周和長度基本一致的、銷量較大的中支煙。

7890氣相色譜儀（美國Agilent公司）；SM450直線型吸煙機(jī)（英國Cerulean 公司）；KQ-700DE 超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；AL-204-IC電子天平（感量0.0001 g，瑞士Mettler Toledo公司）；OM-PV2壓降測試儀（北京歐美利華科技有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品參數(shù)的設(shè)計及制作

根據(jù)單因素材料參數(shù)對煙氣常規(guī)成分釋放量的影響，選取卷煙紙定量、透氣度、助燃劑用量、助燃劑鉀鈉比、濾棒壓降和濾嘴通風(fēng)率6個因素，針對每個因素分別選擇合適的范圍和水平，各因素的選擇梯度見表1。采用中心組合結(jié)合正交試驗設(shè)計中支煙樣品，樣品信息見表2。所有中支煙樣品采用同一批次煙絲在同一機(jī)臺卷制，煙支規(guī)格為濾嘴長度30.0 mm、煙絲段長度60.0 mm、煙支圓周20.0 mm。

表1 多因素中支煙樣品各因素梯度Tab.1 Gradient factors for multifactor demi-slim cigarette samples

表2 多因素中支煙樣品信息①Tab.2 Information on multifactor demi-slim cigarette samples

1.2.2 卷煙紙參數(shù)、濾棒壓降、卷煙物理參數(shù)及煙氣常規(guī)成分釋放量的測定

采用標(biāo)準(zhǔn)方法［15-18］對卷煙紙參數(shù)（定量、透氣度、助燃劑用量、鉀鈉比）、濾棒壓降及卷煙物理參數(shù)（濾嘴通風(fēng)率、總通風(fēng)率和開式吸阻）進(jìn)行測試。市售卷煙濾嘴壓降的測試方法：將市售卷煙的濾嘴裁切下來，采用壓降測試儀測試濾嘴壓降。

將樣品卷煙置于溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%的條件下平衡48 h，然后按照平均質(zhì)量±0.015 g、平均吸阻±30 Pa的標(biāo)準(zhǔn)篩選煙支。參考標(biāo)準(zhǔn)方法［19-22］分析主流煙氣總粒相物（TPM）、焦油、煙堿、CO和水分的釋放量。

2 結(jié)果與討論

2.1 卷煙紙參數(shù)、濾棒壓降、卷煙物理參數(shù)及煙氣常規(guī)成分釋放量分析

所有中支煙樣品的卷煙紙定量、透氣度、助燃劑用量、鉀鈉比及濾棒壓降、卷煙物理參數(shù)測試結(jié)果見表3，煙氣常規(guī)成分測試結(jié)果見表4。

由表3可知，中支煙樣品的卷煙紙定量、透氣度、助燃劑用量、助燃劑鉀鈉比，及濾棒壓降、濾嘴通風(fēng)率的實測值與設(shè)計值基本一致，符合設(shè)計要求。所有中支煙樣品的卷煙紙定量范圍為28.5～35.5 g·m-2，卷煙紙透氣度范圍為37.0～81.0 CU，卷煙紙助燃劑用量范圍為0.78%～1.84%，卷煙紙助燃劑鉀鈉比范圍為0.48～2.03，濾棒壓降范圍為2614～3716 Pa，濾嘴通風(fēng)率范圍為0.2%～38.1%，總通風(fēng)率范圍為7.2%～45.2%，煙支開式吸阻范圍為889～1635 Pa。表明設(shè)計的材料參數(shù)覆蓋范圍較寬，滿足建模要求。

表3 材料參數(shù)及中支煙樣品物理參數(shù)測試結(jié)果Tab.3 Material parameters and physical parameters of demi-slim cigarette samples

由表4 可知，所有中支煙樣品的TPM 釋放量范圍為9.05～17.70 mg/支，焦油釋放量范圍為7.75～13.66 mg/支，煙堿釋放量范圍為0.62～1.02 mg/支，CO 釋放量范圍為6.68～11.84 mg/支，水分釋放量范圍為0.68～3.18 mg/支。表明樣品卷煙的TPM、焦油、煙堿、CO及水分釋放量的范圍較寬，滿足建模要求。

表4 中支煙樣品煙氣常規(guī)成分釋放量測試結(jié)果Tab.4 Test results of routine smoke component releases from demi-slim cigarette samples

2.2 多因素預(yù)測模型的建立和優(yōu)選

將多因素樣品卷煙的材料參數(shù)實測值、煙氣常規(guī)成分釋放量、煙支吸阻和總通風(fēng)率分析結(jié)果用于建立預(yù)測模型。模型輸入數(shù)據(jù)為卷煙紙定量（X1）、卷煙紙透氣度（X2）、卷煙紙助燃劑用量（X3）、卷煙紙助燃劑鉀鈉比（X4）、濾棒壓降（X5）、濾嘴通風(fēng)率（X6），模型輸出數(shù)據(jù)為TPM、焦油、煙堿、CO和水分的釋放量及煙支開式吸阻和總通風(fēng)率。通過線性回歸和逐步回歸法建立基于上述輔材參數(shù)的中支煙煙氣常規(guī)成分釋放量、煙支開式吸阻和總通風(fēng)率預(yù)測模型。通過留一交叉驗證公式（1）計算交叉驗證標(biāo)準(zhǔn)差（Root mean square error of cross validation，RMSECV），評價模型的預(yù)測能力。RMSECV 值越小，模型預(yù)測能力越好。將模型的預(yù)測值和實測值進(jìn)行線性相關(guān)，對所建模型進(jìn)行驗證，二者的線性斜率、R2越接近于1，說明預(yù)測值和實測值的吻合度越高，模型預(yù)測能力越好。此外，計算預(yù)測值與實測值的差值（殘差），對所建模型進(jìn)行驗證，殘差越小，模型預(yù)測能力越好。

以中支煙主流煙氣煙堿釋放量為例，采用線性回歸和逐步回歸法建立了煙堿的預(yù)測模型。模型1是采用線性回歸建立的線性預(yù)測模型，模型2～模型4是采用逐步回歸建立的線性模型、二次多項式模型及互作項模型，結(jié)果見表5。

表5 中支煙煙氣煙堿釋放量預(yù)測模型Tab.5 Prediction models for nicotine release in mainstream smoke of demi-slim cigarette samples

結(jié)果表明，4 種預(yù)測模型的P值均小于0.05，說明所建模型具有統(tǒng)計學(xué)意義；除模型2外，其余模型的R2值均大于0.8，說明所建模型具有一定的預(yù)測能力；4個模型中，模型3的RMSECV最小，R2最大。由圖1可知，模型1～模型4的預(yù)測值與實測值均具有相關(guān)性，其中，模型1、模型3 和模型4 均具有顯著相關(guān)性（R2均大于0.81）；模型3的預(yù)測值與實測值的線性相關(guān)性較強(qiáng)，線性斜率為0.9300，R2為0.9299，說明模型3的預(yù)測值與實測值的符合度最好。從殘差圖可知，模型3 的預(yù)測值與實測值間的殘差大多在±0.06 mg/支范圍內(nèi)，且隨機(jī)分布。因此，選擇模型3作為煙堿釋放量的最優(yōu)預(yù)測模型。

采用同樣的方法建立了煙氣TPM、焦油、CO、水分、煙支開式吸阻、煙支總通風(fēng)率的多因素預(yù)測模型，并按照上述方法篩選出了最優(yōu)模型，所有指標(biāo)的最優(yōu)模型見表6。

表6 結(jié)果表明，所有模型的P值均小于0.05，說明所建模型具有統(tǒng)計學(xué)意義；模型預(yù)測值與實測值線性擬合的R2均大于0.85，說明所建模型具有較好的預(yù)測能力。

表6 中支煙煙氣常規(guī)指標(biāo)釋放量、煙支開式吸阻和總通風(fēng)率的最優(yōu)預(yù)測模型Tab.6 Optimal prediction models for routine component releases in mainstream smoke, open draw resistance and total ventilation rates of demi-slim cigarette samples

2.3 模型預(yù)測能力的驗證

為了驗證預(yù)測模型，采用與建模樣品圓周和長度基本一致的市售中支煙作為驗證樣品，中支煙樣品的圓周、煙支長度及接裝紙長度的測試值見表7。分析驗證樣品的卷煙紙定量、卷煙紙透氣度、卷煙紙助燃劑用量、卷煙紙助燃劑鉀鈉比、濾棒壓降、濾嘴通風(fēng)率等模型輸入變量，分析煙氣常規(guī)成分釋放量、煙支開式吸阻、總通風(fēng)率等輸出變量，具體結(jié)果分別見表8 和表9。將輸入變量代入建立的優(yōu)選預(yù)測模型，計算驗證樣品的預(yù)測結(jié)果。將預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行比較，用驗證樣品的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差［Relative mean squared error of prediction，RMSEP，公式（2）］和平均預(yù)測相對偏差［Relative deviation of average prediction，RDAP，公式（3）］考察模型的預(yù)測能力。

表7 驗證樣品的圓周、煙支長度及接裝紙長度的測試值Tab.7 Measured results of circumference, length and tipping paper length of verification cigarette samples（mm）

表8 驗證樣品模型輸入?yún)?shù)的測試值Tab.8 Measured results of models’input parameters of verification samples

表9 驗證樣品模型輸出參數(shù)的測試值Tab.9 Measured results of models’output parameters of verification samples

式中：Ci—預(yù)測值；Ci—實測值；m—預(yù)測集樣品數(shù)。

煙氣常規(guī)成分釋放量及煙支開式吸阻和總通風(fēng)率的預(yù)測值與實測值的比值見圖2。結(jié)果表明，絕大部分指標(biāo)的預(yù)測偏差＜10%，少數(shù)指標(biāo)的預(yù)測偏差介于10%～15%之間。

圖2 煙氣常規(guī)指標(biāo)釋放量及煙支吸阻和總通風(fēng)率的預(yù)測值與實測值的比值Fig.2 Ratios between predicted and measured values of routine smoke component releases，draw resistances and total ventilation rates

驗證樣品各指標(biāo)的預(yù)測匯總結(jié)果見表10。統(tǒng)計結(jié)果表明，驗證樣品常規(guī)成分釋放量及煙支開式吸阻和總通風(fēng)率的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差在0.05～80.17 之間，平均預(yù)測相對偏差在2.1%～8.3%之間。6個驗證樣品的7 項預(yù)測指標(biāo)（共42 個指標(biāo)）中，24 個指標(biāo)（占57.1%）的預(yù)測偏差在0～5%之間，16 個指標(biāo)（占38.1%）的預(yù)測偏差在5%～10%之間，2 個指標(biāo)（占4.8%）的預(yù)測偏差在10%～15%之間。說明所建立的7個指標(biāo)的預(yù)測模型精度良好，對于不同配方和輔材參數(shù)的中支煙具有較好的適用性。

3 結(jié)論

①采用線性回歸法和逐步回歸法，構(gòu)建了基于材料參數(shù)的中支煙煙氣常規(guī)成分釋放量、煙支開式吸阻、總通風(fēng)率的預(yù)測模型，并依據(jù)交叉驗證標(biāo)準(zhǔn)差最小及預(yù)測值與實測值線性相關(guān)系數(shù)最大的原則篩選出了最優(yōu)預(yù)測模型。②采用市售中支煙產(chǎn)品對預(yù)測模型進(jìn)行了驗證，驗證樣品的預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果一致性較好，7 個預(yù)測模型的平均預(yù)測偏差均在10%以內(nèi)，模型的適用性較好。