制絲工藝參數(shù)對主流煙氣中苯酚釋放量的效應分析

劉如燦 戴亞 張燕

摘要：通過均勻設計安排試驗，采用二次多項式逐步回歸的方法建立了卷煙主流煙氣中苯酚釋放量與制絲工藝參數(shù)的數(shù)學模型。對模型進行了主效應分析、單因素效應分析、雙因素交互作用分析、邊際效應分析。結果表明，各工藝參數(shù)對苯酚釋放量影響的貢獻率大小為切絲寬度>熱風風門開度>筒壁溫度>HT工作蒸汽壓力>熱風溫度>筒體轉速，其中切絲寬度對苯酚釋放量影響最顯著。苯酚釋放量與切絲寬度和HT工作蒸汽壓力呈負相關，與熱風風門開度、熱風溫度、筒壁溫度和筒體轉速呈正相關。熱風溫度和筒壁溫度、筒壁溫度和筒體轉速存在較強的交互作用。適當提高切絲寬度、HT工作蒸汽壓力和降低其他因素的處理強度對控制卷煙主流煙氣中苯酚的釋放有積極作用。

關鍵詞：苯酚；制絲工藝；均勻設計；效應分析

中圖分類號：S572 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）03-0087-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.03.024 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： A mathematical model is established by tobacco making thread process parameters to the emission of phenol in mainstream smoke. The principal-factor effect， single-factor effect， marginal effect and double-factor effect of the model are analyzed. The results show that， the contribution order for the phenol emission is the tobacco cut width>the hot air damper opening>the temperature of cylinder wall>the HT operating steam pressure>the hot-air temperature>the revolving speed of casing cylinder. There should be a negative correlation between the phenol emission exhibit and the HT operating steam pressure， the tobacco cut width， whereas the phenol emission exhibited a positive correlation with the other factors. Strong interactive influence existed between the hot-air temperature and the temperature of cylinder wall， the temperature of cylinder wall and the revolving speed of casing cylinder. Increasing the tobacco cut width， improving HT operating steam pressure， or reducing the other factors on the control of the emission of phenol in mainstream cigarette smoke have a positive effect.

Key words： phenol； tobacco making thread processs； uniform design； effect analysis

苯酚是Hoffmann 44種有害成分之一[1]，是卷煙煙氣冷凝物中已鑒定的致癌物之一，對人體健康不利[2]。謝建平等[3]開展了卷煙危害性指標體系研究工作，篩選出了CO、氫氰酸、NNK、NH3、笨并[α]芘、苯酚、巴豆醛等7種最具代表性的卷煙煙氣有害成分，苯酚就是其中之一。因此降低卷煙主流煙氣中的苯酚對降低卷煙危害性具有重要作用，也是卷煙降焦減害的重要內容。

切絲寬度、HT工作蒸汽壓力、熱風溫度、熱風風門開度、筒壁溫度、筒體轉速為制絲過程的重要工藝參數(shù)，國內對這些參數(shù)對主流煙氣中有害成分的影響方面做過較多的研究[4，5]，但在試驗設計上主要采用單因素循環(huán)法，對單因素貢獻率、雙因素交互作用、邊際效應等進行綜合分析較少。為此采用均勻設計法安排試驗，采用二次多項式逐步回歸建立數(shù)學模型進行分析，旨在較寬水平范圍內更深入地研究單因素貢獻率和邊際效應以及單因素、雙因素在制絲工藝過程中對卷煙主流煙氣中苯酚釋放量的影響，以期為工藝參數(shù)的進一步優(yōu)化提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

材料：涪陵卷煙廠某牌號三類煙。

設備：SQ313切葉絲機（昆明船舶制造有限責任公司）；直線型吸煙機（英國，CERULEAN公司）；旋轉振蕩器（國華電器有限公司）；電子天平（感量0.000 1 g，Mettler Toledo儀器公司）；高效液相型色譜儀（美國，安捷倫公司）。

1.2 試驗設計、建模及模型分析

選擇切絲寬度（X1）、HT工作蒸汽壓力（X2）、熱風溫度（X3）、熱風風門開度（X4）、筒壁溫度（X5）和筒體轉速（X6）6個因素，采用均勻設計法[6]進行試驗設計，共7個組合，3次重復。以制絲工藝參數(shù)為自變量，卷煙主流煙氣苯酚釋放量為因變量，采用二次多項式逐步回歸方法建立模型。通過計算模型中各因子的貢獻率來確定各因子對主流煙氣中苯酚釋放量的影響程度；通過單因素效應分析來確定各因素在不同水平時對主流煙氣中苯酚釋放量的影響；采用等高線分析法分析了兩兩因素的交互作用及對卷煙主流煙氣中苯酚釋放量的影響；通過求解并分析各因素的偏導數(shù)來反映試驗范圍內該因素對主流煙氣中苯酚釋放量的影響方向及苯酚釋放量的邊際效應[7，8]。

1.3 試驗樣品制備與檢測

在相同卷制標準下卷制，挑選出煙支圓周、硬度以及單支質量符合允差范圍內的煙支用于檢測，被測煙支樣品在（22±2） ℃，相對濕度（60±3）%的環(huán)境下平衡48 h。

按照標準YC/T255-2008[9]，對樣品中主流煙氣中的苯酚進行測定。

2 結果與分析

由于各試驗因素的量綱和數(shù)量級不一樣，為了便于統(tǒng)計分析，采用極差歸一化法，對試驗中的各因素進行變換，極差歸一化后的實際參數(shù)以及試驗結果見表1。

以極差歸一化后的各因素為自變量，苯酚釋放量為因變量，采用二次多項式逐步回歸的方法建立數(shù)學模型，得到苯酚釋放量的回歸方程為：

Y=14.4-1.97X1-0.123X22+0.839X42+1.10X3X5+1.22X5X6

同時得到回歸方程的統(tǒng)計學指標：決定系數(shù)R2=0.999 9，F(xiàn)=99 999.85，Df=（5，1），P=0.002 4<0.05，Durbin-Watson統(tǒng)計量d=1.702。可以看出該模型擬合良好，能夠較為準確地反映各工藝參數(shù)與苯酚釋放量之間的關系，可靠性較高。

2.1 因子主效分析

統(tǒng)計結果得出，主流煙氣中苯酚釋放量的貢獻率分別為：X1=0.999，X2=0.982，X3=0.498，X4=0.997，X5=0.995，X6=0.497， 表明各因子對苯酚釋放量的影響程度是切絲寬度>熱風風門開度>筒壁溫度>HT工作蒸汽壓力>熱風溫度>筒體轉速，其中切絲寬度、HT工作蒸汽壓力對苯酚釋放量為負貢獻，其他因素則為正貢獻。

2.2 單因素效應分析

將其他因素固定在高、中、低（1、0.5、0）下，考查單因素對主流煙氣中苯酚釋放量的影響，得到3組一元一次方程，見表2。

從表2可知，當其他因素處于高、中、低水平時切絲寬度（X1）、熱風溫度（X3）、筒壁溫度（X5）、筒體轉速（X6）四個因素的效應方程都為一元一次方程，表明其與苯酚釋放量呈線性關系，其中切絲寬度（X1）為負相關，熱風溫度（X3）、筒壁溫度（X5）和筒體轉速（X6）為正相關，隨著其他因素所處水平的降低，X3、X5、X6三個因素的效應方程斜率變小，當其他因素水平減少到0的時候，斜率為0，表明隨著其他因素所處水平的降低，熱風溫度（X3）、筒壁溫度（X5）、筒體轉速（X6）對苯酚釋放量的影響逐漸降低，最終消失，而切絲寬度（X1）對苯酚釋放量的影響與其他因素水平無關，切絲寬度越窄，苯酚釋放量越大，原因可能是切絲寬度越窄煙絲的比表面積越大，受機械破損的細胞也越多，有利于苯酚的生成和釋放。

當其他因素處于高、中、低水平時，HT工作蒸汽壓力和熱風風門開度的效應方程均為一元二次方程，可得看出當其他因素處于高、中、低水平時，苯酚釋放量變化趨勢和變化速率相同，都是先慢后快，表明HT工作蒸汽壓力、熱風風門開度對苯酚釋放量的影響只與自身所處的水平有關，水平越高影響越大，兩者相比較熱風風門開度對苯酚釋放量的影響比HT工作蒸汽壓力要大且為正效應。

2.3 雙因素效應分析

由數(shù)學模型得出的回歸方程中只有X3X5、X5X6兩個交互項，進一步對回歸模型中的回歸系數(shù)進行T檢驗，結果兩個交互項的P<0.05，表明其交互作用顯著，因此熱風溫度和筒壁溫度、筒壁溫度和筒體轉速兩對因素存在交互作用，分別保留這兩對因素，將其他因素分別置于高、中、低三個水平得到相關因素的等高線方程，具體見表3。

2.3.1 X3與X5交互作用 根據(jù)表3中的等高線方程作出X3X5的等高線圖（圖1），當其他因素固定于高、中、低水平時，X3、X5越大等高線越密集，兩者交互作用越強，隨著其他因素水平的提高兩者交互作用有弱化作用，原因可能是隨著其他因素水平的升高，X5的苯酚貢獻率提高使得兩者的交互作用相對減弱。

2.3.2 X5與X6交互作用 根據(jù)表3中的等高線方程作出X5X6的等高線圖（圖2），當其他因素固定于高、中、低水平時，X5、X6交互作用明顯，兩者水平越高交互作用越強，且增大X6比增大X5對于提高兩者交互作用更明顯，原因可能是提高筒體轉速能夠使煙絲加熱效率更高，與X3、X5之間的交互作用相同，X5、X6間的交互作用也受到其他因素水平的影響，隨著其他因素水平的升高二者交互作用有一定程度的減弱。

2.4 邊際苯酚釋放效應

為進一步明確苯酚釋放量隨各因素水平的變化速率，需要對苯酚釋放量模型求一階偏導數(shù)（表4）。由表4可知，無論各因素處于何種水平，X1的邊際苯酚釋放量均為-1.97，表明X1對主流煙氣中苯酚釋放量影響顯著，為負效應且不受其他因素影響，這與主效分析和單因素效應分析的結果一致。X2、X4的邊際苯酚釋放量只與自身所處的水平有關，其中X2為負效應，X4為正效應。X3、X6的邊際苯酚釋放量則均取決于X5所處的水平，隨著X5水平升高，X3、X6 邊際苯酚釋放量升高為正效應。X5的邊際苯酚釋放效應與X3和X6的水平有關（相關因素處于非0水平），隨著X3、X6水平升高而升高，但始終為正效應。從以上分析結果可以看出升高X1、X2，尤其是X1可以顯著降低苯酚的釋放量。X3、X5、X6三個因素則是相互促進，水平越高苯酚釋放量越大。

3 小結

通過均勻設計安排試驗，采用二次多項式逐步回歸的方法得到了卷煙主流煙氣中苯酚釋放量的數(shù)學模型，模型擬合良好，能夠較好地反映切絲寬度、HT工作蒸汽壓力、熱風溫度、熱風風門開度、筒壁溫度、筒體轉速與卷煙主流煙氣中苯酚釋放量的關系。通過對模型進行主效應分析可得，各工藝參數(shù)對苯酚釋放量影響的貢獻率排序為切絲寬度>熱風風門開度>筒壁溫度>HT工作蒸汽壓力>熱風溫度>筒體轉速。

單因素效應分析發(fā)現(xiàn)，切絲寬度對苯酚釋放量影響最顯著，切絲寬度越小苯酚釋放量越大。除切絲寬度和HT工作蒸汽壓力對苯酚的產(chǎn)生為負效應外，其他因素均為正效應。雙因素效應分析結果表明，只有熱風溫度和筒壁溫度、筒壁溫度和筒體轉速兩對因素之間存在較強交互作用，并且隨著其他因素水平的提高兩對因素的交互作用都相對減弱。邊際效應分析進一步證實切絲寬度對苯酚釋放量影響顯著，為負效應，其結果與主效應分析和單因素分析結果一致。

本研究通過建立數(shù)學模型得到了制絲工藝參數(shù)對主流煙氣中苯酚釋放量的影響，對實際生產(chǎn)中通過工藝路線降低卷煙主流煙氣中苯酚的釋放量提供了一定的理論基礎，但在實際生產(chǎn)中還應該綜合考慮工藝參數(shù)對產(chǎn)品外觀及內在質量的影響，進而對相關工藝參數(shù)進行綜合評價。

參考文獻：

[1] HUANG C B，BASSFIELD R，DABNEY B，et al. Determination of total ammonia in mainstrdam smoke[J].Beitr3/4 Gezur Tabakfors Chung International，2003，20（6）：389-383.

[2] HOFFMANN I，HOFFMANN D. The Changing Cigarette：Chemical Studies and Bioassays[M].New York：Oxford University Press，2001.

[3] 謝劍平，劉惠民，朱茂祥，等.卷煙煙氣危害性指數(shù)研究[J].煙草科技，2009（2）：5-15.

[4] 陳昆燕，薛 芳，曾 建，等.重點工序工藝參數(shù)與卷煙主流煙氣中巴豆醛釋放量的關系研究[J].江西農(nóng)業(yè)學報，2009，21（12）： 40-42.

[5] 唐士軍，陳昆燕，曾 建，等.重點工序工藝參數(shù)與卷煙主流煙氣中CO量的關系研究[J].鄭州輕工業(yè)學院學報（自然科學版），2010（4）：20-22.

[6] 方開泰.均勻設計與均勻設計表[M].北京：科學出版社，1994.

[7] 包和平，劉士彪，王曉波，等.N、P、K三要素對水稻產(chǎn)量的效應分析[J].吉林農(nóng)業(yè)大學學報，2001，23（2）：5-8.

[8] 王曉波，王 錄，趙穎君，等.N、P、K三要素對水稻的蛋白質效應分析[J].吉林農(nóng)業(yè)大學學報，2001，23（3）：5-8.

[9] YC/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[S].