基于煙用材料設計的卷煙焦油預測模型的建立

鄭淑娟，劉彥嶺，黃 偉

（甘肅煙草工業有限責任公司，甘肅蘭州 730050）

0 引言

焦油是行業卷煙產品的硬性指標，必須符合盒標值。焦油量的穩定性對卷煙產品質量及風格特征的穩定具有重要意義。卷煙用材料是卷煙焦油釋放量重要的影響因素，如嘴棒吸阻、通風稀釋率等[1-4]。為確保卷煙質量穩定，卷煙工業對生產使用材料、物理指標及化學指標提出了明確的允差范圍，尤其是在新產品開發過程中如何合理選擇輔材以達到要求的焦油含量。有研究表明[5-6]在卷煙復合濾棒中加入一種凈化試劑，可以在降低焦油的同時降低CO 等有害物質，降低量為3～5 mg /支。Yoshida D 等人[7]的研究結果表明，煙支中加入脫乙酰度為90%的殼聚糖溶液1.0 mL，主流煙氣中焦油降低15.5%，煙堿降低13.8%，內在品質有明顯提高。劉華[8]研究了卷煙材料與卷煙焦油量的影響關系，采用一次回歸正交試驗設計方法，對卷煙紙透氣度、濾嘴吸阻和濾嘴長度3 個因素與卷煙焦油量的影響關系進行了試驗研究。因此，以行業成熟成品卷煙（盒標焦油量為8 mg） 為研究對象，在同一葉組配方下，對卷煙材料參數設置，利用統計學方法，建立焦油預測模型及總結焦油的變化規律，并基于模型分析卷煙材料對卷煙焦油量波動的影響，確定關鍵因素，為提高卷煙焦油穩定性及新產品開發利用材料設計預測焦油含量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以公司重點牌號規格卷煙為載體，以該規格卷煙現有產品葉組、香精香料、煙用材料等參數為對照。

1.2 試驗設計與指標

試驗選用U8（85）均勻試驗設計表，以U8（85）均勻試驗設計樣品進行建模，卷煙紙透氣度（X1）、卷煙紙助燃劑比例（X2）、濾嘴通風率（X3）、濾嘴長度（X4） 為試驗因素。每個因素取4 個水平（見表1），分別安排在試驗設計表的第1、2、3、5 列，并且每個水平重復2 次。

試驗測定指標包括焦油量。

操作環境：SPSS 13.0 和DPS 7.05[9-10]2 個數據處理軟件進行統計建模。

均勻試驗因素與水平設計見表1，U8（85）均勻試驗設計見表2，各因素間交互及平方項結果見表3。

表1 均勻試驗因素與水平設計

表2 U8（85）均勻試驗設計

1.3 測定方法

GB/T 19609—2004 卷煙 用常規分析用吸煙機 測定總粒相物和焦油。

2 結果與分析

2.1 樣品的設計與制備

以試驗載體產品設計標準為基準，設計制作不同卷煙紙定量樣品卷煙。其中，葉組配方一致，香精香料配方一致，濾棒類型為普通醋酸纖維濾嘴（見表4）。考查卷煙紙透氣度、卷煙紙助燃劑比例、濾嘴通風率、濾嘴長度對卷煙煙氣焦油的影響規律。

樣品設計值數據見表4。

表4 樣品設計值數據

根據試驗載體的實際生產情況，將煙支的煙絲質量作為卷煙樣品生產制備的控制指標，要求各煙支單支煙絲質量基本一致。

樣品實測值數據見表5。

表5 樣品實測值數據

由表5 可知，各樣品煙支質量基本一致，說明通過控制煙支質量制備樣品卷煙可以滿足分析的要求。

以正交表L16（44）進行輔料參數配比，作為外部驗證樣品的輔料參數。

驗證樣品設計見表6。

表6 驗證樣品設計

2.2 焦油預測模型的建立

使用前8 個樣品建立模型，后16 個樣品進行驗證。

樣品焦油釋放量見表7。

表7 樣品焦油釋放量/mg·支-1

在考慮各因素間的交互作用及平方項的基礎下，運用逐步回歸法進行方程擬合，經過多次方程的擬合，最終選擇效果最好的多因子交互項及平方項回歸方程。其回歸方程為：

模型回歸統計見表8，模型方差分析見表9，模型偏回歸系數檢驗結果見表10。

表8 模型回歸統計

表9 模型方差分析

表10 模型偏回歸系數檢驗結果

由表8 ～表10 可知，預測模型及進入模型各因素均達到顯著或極顯著水平，且各偏回歸系數也都達到了顯著或極顯著水平，模型預測標準誤差較小（0.255），方程的復相關系數為0.990，說明方程顯著有意義。

模型的預測評價結果見表11。

由表11 可知，由方程得出的擬合值與觀測值的擬合度較好。

標準化殘差圖見圖1。

由圖1 可知，各點殘差圍繞e=0 中心線呈現無規律性波動，且基本上在±0.8 mg/支的范圍內，說明擬合的方程是合理的。

圖1 標準化殘差圖

2.3 預測模型的外部驗證

將外部驗證樣品參數代入模型，計算出驗證樣品焦油預測結果，并結合實測結果，計算出預測值與實測值相對偏差。

外部驗證樣品焦油驗證結果見表12。

表12 外部驗證樣品焦油驗證結果

由表12 可知，樣品預測值與實測值較為接近，相對偏差小于0.11。

以樣品實測結果及模型預測結果進行線性回歸分析。

焦油模型外部驗證預測值與標準值的相關性見圖2。由圖2 可知，決定系數為0.857，模型有效。

圖2 焦油模型外部驗證預測值與標準值的相關性

通過上述分析，煙用材料焦油預測模型預測標準差（RMSEP）、平均預測相對偏差分別為0.78，7.03%，決定系數為0.857。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%，利用煙用材料設計所建立的預測模型預測焦油量準確度較高，預測偏差較小。

3 結論

利用統計學方法分析了煙用材料4 個因素（卷煙紙透氣度、卷煙紙助燃劑用量、濾嘴通風率及濾嘴長度） 與焦油相關性，在考慮各因素間的交互作用及平方項的基礎下，運用逐步回歸法進行方程擬合，經過多次方程的擬合，最終選擇效果最好的多因子交互項及平方項回歸方程，建立了焦油與主要煙用材料參數影響關系的預測模型，并對建立的模型進行了外部驗證。結果表明，煙用材料預測焦油的預測模型預測標準差（RMSEP） 為0.78，平均預測相對偏差為7.03%，決定系數為0.857，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低于10%。