劉如燦，譚蘭蘭，戴亞，馮廣林，楊文敏，汪長(zhǎng)國(guó)*

(1.卷煙減害降焦四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610066；2.川渝中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，四川 成都610066)

制絲工藝參數(shù)對(duì)卷煙主流煙氣中氨釋放量的影響

劉如燦1,2，譚蘭蘭1,2，戴亞1,2，馮廣林1,2，楊文敏1,2，汪長(zhǎng)國(guó)1,2*

(1.卷煙減害降焦四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610066；2.川渝中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，四川 成都610066)

采取均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，運(yùn)用二次多項(xiàng)式逐步回歸方法，建立卷煙主流煙氣中氨釋放量與制絲工藝參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行主效應(yīng)分析、單因素效應(yīng)分析、雙因素交互作用分析、邊際效應(yīng)分析。結(jié)果表明：工藝參數(shù)對(duì)卷煙主流煙氣中NH3釋放量影響大小依次為熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度、HT工作蒸汽壓力、筒壁溫度、熱風(fēng)溫度、筒體轉(zhuǎn)速、切絲寬度，切絲寬度對(duì)NH3釋放量影響不顯著，NH3釋放量與HT工作蒸汽壓力和筒壁溫度呈負(fù)相關(guān)，與熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度、熱風(fēng)溫度和筒體轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，HT蒸汽工作壓力和熱風(fēng)溫度、HT工作蒸汽壓力和筒壁溫度，存在較強(qiáng)的交互作用。綜合分析，降低熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度、熱風(fēng)溫度和筒體轉(zhuǎn)速，提高HT工作蒸汽壓力、筒壁溫度，對(duì)控制卷煙主流煙氣中NH3的釋放有積極作用。

卷煙；主流煙氣；氨；制絲工藝；均勻設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)模型

卷煙制絲過(guò)程中，切絲寬度、HT工作蒸汽壓力、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度、筒壁溫度、筒體轉(zhuǎn)速是重要的工藝參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)主流煙氣中有害成分的影響已有大量研究[5–8]。這些研究中，試驗(yàn)設(shè)計(jì)上主要采用單因素循環(huán)法，并未對(duì)單因素貢獻(xiàn)率、雙因素交互作用、邊際效應(yīng)等進(jìn)行綜合分析。筆者采用均勻設(shè)計(jì)法安排試驗(yàn)，采用二次多項(xiàng)式逐步回歸建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析，旨在研究單因素貢獻(xiàn)率和邊際效應(yīng)，以及單因素、雙因素交互作用在制絲工藝過(guò)程中對(duì)卷煙主流煙氣NH3釋放量的影響，為制絲工藝參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

卷煙為涪陵卷煙廠(chǎng)生產(chǎn)的川渝中煙某牌號(hào)3類(lèi)煙。

主要儀器設(shè)備：ICS–300型離子色譜儀(美國(guó)戴安公司)；SQ313切葉絲機(jī)(昆明船舶制造有限責(zé)任公司)；直線(xiàn)型吸煙機(jī)(英國(guó)CERULEAN公司)；旋轉(zhuǎn)振蕩器(國(guó)華電器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇制絲工藝中的6個(gè)主要參數(shù)：切絲寬度(X1)、HT工作蒸汽壓力(X2)、熱風(fēng)溫度(X3)、熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度(X4)、筒壁溫度(X5)和筒體轉(zhuǎn)速(X6)，采用均勻設(shè)計(jì)法[9]進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共7個(gè)組合，3次重復(fù)。以各工藝參數(shù)為自變量，卷煙主流煙氣NH3釋放量Y為因變量，采用二次多項(xiàng)式逐步回歸方法建立模型。通過(guò)計(jì)算模型中各因子的貢獻(xiàn)率來(lái)確定各因子對(duì)主流煙氣NH3釋放量的影響程度；通過(guò)單因素效應(yīng)分析來(lái)確定各因素在不同水平時(shí)對(duì)主流煙氣NH3釋放量的影響；采用等高線(xiàn)分析法分析兩兩因素的交互作用及對(duì)卷煙主流煙氣NH3釋放量的影響；通過(guò)求解并分析各因素的偏導(dǎo)數(shù)來(lái)確定試驗(yàn)范圍內(nèi)該因素對(duì)主流煙氣NH3釋放量的影響方向及NH3釋放量的邊際效應(yīng)。

1.3 試驗(yàn)樣品制備與檢測(cè)

試驗(yàn)樣品在相同工藝參數(shù)條件下卷制。挑選出煙支圓周、硬度以及單支重符合允差范圍內(nèi)的煙支用于檢測(cè)，被測(cè)煙支樣品在(22±2) ℃、相對(duì)濕度(60±3)%的環(huán)境下平衡48 h。

按照YC/T377—2010[10]，對(duì)樣品主流煙氣中的NH3進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

由于各試驗(yàn)因素的量綱和數(shù)量級(jí)不同，為了便于統(tǒng)計(jì)分析，采用極差歸一化法，對(duì)試驗(yàn)中的各因素進(jìn)行變換。極差歸一化后的實(shí)際參數(shù)以及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 極差歸一化后的實(shí)際參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Actual parameters after poor normalization and the test results

以極差歸一化后的各因素為自變量，NH3釋放量為因變量，采用二次多項(xiàng)式逐步回歸的方法建立數(shù)學(xué)模型，得到NH3釋放量的回歸方程Y=8.31+ 0.591X4+1.06X42+1.75X2X3–4.80X2X5+0.271X5X6。

同時(shí)得到回歸方程的統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)。決定系數(shù)R2= 0.999 8，F(xiàn)=9 999.85，Df = (5,1)，P=0.002 4＜0.05，Durbin–Watson統(tǒng)計(jì)量d =1.72。該模型擬合良好，能夠較為準(zhǔn)確地反映各工藝參數(shù)與NH3釋放量之間的關(guān)系，可靠性較高。

如果僅以NH3釋放量為參考指標(biāo)，則由數(shù)學(xué)模型可以得到在試驗(yàn)范圍內(nèi)該3類(lèi)卷煙的最佳工藝參數(shù)為X1=1，X2=0，X3=0，X4=1，X5=0，將所得參數(shù)進(jìn)行反歸一化處理，可得最佳工藝參數(shù)為：HT工作蒸汽壓力0.2 MPa，熱風(fēng)溫度80 ℃，熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度30%，筒壁溫度130 ℃，筒體轉(zhuǎn)速25 r/min。

2.1 因子主效分析

分析：sedative含義為“使鎮(zhèn)靜的”，和醫(yī)學(xué)術(shù)語(yǔ)鎮(zhèn)靜劑掛鉤，專(zhuān)業(yè)性較高。若作直譯處理會(huì)偏離語(yǔ)境，不明所以。改作動(dòng)詞并更改句式結(jié)構(gòu)后，更加自然順暢，通俗易懂。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出，主流煙氣中NH3釋放量的貢獻(xiàn)率分別為：X1=0, X2=0.990, X3=0.495, X4=1.913, X5=0.935, X6=0.439，表明各因子對(duì)NH3釋放量的影響程度大小依次是熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度、HT工作蒸汽壓力、筒壁溫度、熱風(fēng)溫度、筒體轉(zhuǎn)速、切絲寬度。切絲寬度的貢獻(xiàn)率為0，表明切絲寬度對(duì)NH3釋放量無(wú)影響。

2.2 單因素效應(yīng)分析

將其他因素固定在高、中、低水平(1、0.5、0)下，考查單因素對(duì)主流煙氣中NH3釋放量的影響，得到3組一元一次方程(表2)。

表2 單因素效應(yīng)方程Table 2 Single–factor effect equation

從表2可知，在其他因素處于高、中、低3個(gè)水平時(shí)，切絲寬度與氨的釋放量無(wú)關(guān)。當(dāng)其他因素處于高、中水平時(shí)，HT工作蒸汽壓力、熱風(fēng)溫度、筒壁溫度、筒體轉(zhuǎn)速4個(gè)因素的效應(yīng)方程都為一元一次方程，表明其與NH3釋放量呈線(xiàn)性關(guān)系，其中，HT工作蒸汽壓力和筒壁溫度呈負(fù)相關(guān)，熱風(fēng)溫度和筒體轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)。隨著其他因素所處水平的降低，這4個(gè)效應(yīng)方程斜率的絕對(duì)值變小，當(dāng)其他因素水平減少到0時(shí)，斜率為0，表明隨著其他因素所處水平的降低，HT工作蒸汽壓力、熱風(fēng)溫度、筒壁溫度、筒體轉(zhuǎn)速對(duì)NH3釋放量的影響逐漸降低，最終消失。

當(dāng)其他因素處于高、中、低水平時(shí)，NH3釋放量變化趨勢(shì)和變化速率相同，都是先慢后快，表明熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)NH3釋放量的影響只與自身所處的水平有關(guān)，水平越高，影響越大。結(jié)合因子主效分析和單因素效應(yīng)分析，可知熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度對(duì)卷煙主流煙氣中NH3的影響最為顯著，可能是煙絲中的銨鹽等受熱分解為NH3，隨水蒸氣一起排出，熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度和排潮開(kāi)度是決定水蒸氣和NH3排出的2個(gè)重要因素，為保證試驗(yàn)煙絲的出口水分一致，其他因素固定不變的情況下，提高熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度會(huì)降低排潮開(kāi)度，從而阻礙水分和NH3的順利排出，進(jìn)而提高卷煙主流煙氣中的NH3。

2.3 雙因素效應(yīng)分析

由數(shù)學(xué)模型得出的回歸方程中只有X2X3、X2X5、X5X63個(gè)交互項(xiàng)，進(jìn)一步對(duì)回歸模型中的回歸系數(shù)進(jìn)行T檢驗(yàn)，結(jié)果3個(gè)交互項(xiàng)的P值均小于0.05，表明其交互作用顯著，因此，HT工作蒸汽壓力和熱風(fēng)溫度、HT蒸汽工作壓力和筒壁溫度、筒壁溫度和筒體轉(zhuǎn)速3對(duì)因素存在交互作用。分別保留這3對(duì)因素，將其他因素分別置于高、中、低3個(gè)水平，分析交互作用對(duì)卷煙主流煙氣中NH3釋放量的影響。

由X2X3的等高線(xiàn)圖(圖1)可知，當(dāng)其他因素固定于高、中水平(1、0.5)，X2處于高水平(0.5＜r＜1)，X3處于低水平(0＜r＜0.5)時(shí)，X2與X3交互作用較強(qiáng)；當(dāng)其他因素固定于低水平(0)，X2與X3處于高水平(0.5＜r＜1)時(shí)，X2與X3交互作用較強(qiáng)；X2較大、X3較小時(shí)，主流煙氣中的NH3釋放量較小。

圖1 HT工作蒸汽壓力與熱風(fēng)溫度交互作用Fig.1 Interaction between HT operating steam pressure and hot-air temperature

2.3.2 HT工作蒸汽壓力與筒壁溫度交互作用對(duì)NH3釋放量的影響

由X2X5的等高線(xiàn)圖(圖2)可知，當(dāng)其他因素固定于高、中水平(1、0.5)，X2處于高水平(0.5＜r＜1)時(shí)，X2與X5的交互作用較強(qiáng)；當(dāng)其他因素固定于低水平(0)，X2與X5處于高水平(0.5＜r＜1)時(shí)，X2與X5交互作用較強(qiáng)；當(dāng)X2X5較大時(shí)，主流煙氣中的NH3釋放量較小。

圖2 HT工作蒸汽壓力與筒壁溫度交互作用Fig.2 Interaction between HT operating steam pressure and the temperature of cylinder wall

2.3.3 筒壁溫度與筒體轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)NH3釋放量的影響

由X5與X6的等高線(xiàn)圖(圖3)可知，當(dāng)其他因素固定于高、中水平(1、0.5)時(shí)，X5與X6交互作用不明顯；當(dāng)其他因素固定于低水平(0)時(shí)，X5和X6處于高水平(0.5＜r＜1)時(shí)，X5與X6交互作用較明顯，但效果一般。

圖3 筒壁溫度與筒體轉(zhuǎn)速交互作用Fig.3 Interaction between the temperature of cylinder wall and the revolving speed of casing cylinder

2.4 邊際NH3的釋放效應(yīng)

為進(jìn)一步明確NH3釋放量隨各因素水平的變化速率，對(duì)NH3釋放量模型求一階偏導(dǎo)方程(表3)。

由表3可知，無(wú)論各因素處于何種水平，X1的邊際NH3釋放量均為0，表明切絲寬度對(duì)主流煙氣中NH3釋放量影響不顯著，這與主效分析和單因素效應(yīng)分析的結(jié)果一致。X4的邊際NH3釋放量只與自身所處的水平有關(guān)，且為隨X4水平的升高而升高的正數(shù)，表明熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度的邊際NH3釋放為正效應(yīng)。X3、X6的邊際NH3釋放量則分別取決于X2、X5所處的水平，隨著X2、X5水平的升高而升高為正效應(yīng)。X2的邊際NH3釋放效應(yīng)與X3和X5的水平有關(guān)，X5的邊際NH3釋放效應(yīng)與X2和X6的水平有關(guān) (相關(guān)因素處于非0水平)。當(dāng)X3＜2.75 X5，X6＜17.72 X2時(shí)，X2和X5的邊際NH3釋放效應(yīng)為負(fù)效應(yīng)，因此升高X2和X5，降低X3和X6，有利于減少主流煙氣中NH3的釋放，這與雙因素效應(yīng)分析的結(jié)果一致。

從以上分析結(jié)果可以看出，升高HT工作蒸汽壓力和筒壁溫度，增加了熱風(fēng)溫度和筒體轉(zhuǎn)速的邊際NH3釋放量，同時(shí)減少了筒壁溫度和HT工作蒸汽壓力的邊際NH3釋放量。進(jìn)一步分析偏導(dǎo)方程，可得提高HT工作蒸汽壓力，筒壁溫度對(duì)HT工作蒸汽壓力的邊際NH3釋放量的減少程度要大于對(duì)熱風(fēng)溫度、筒體轉(zhuǎn)速邊際NH3釋放量的增加程度，因此，提高HT工作蒸汽壓力、筒壁溫度有利于減少主流煙氣中NH3的釋放量，這與單因素效應(yīng)分析的結(jié)果一致。

表3 模型中各因子的偏導(dǎo)方程Table 3 Partial derivative analysis of each factor

3 結(jié)果與討論

通過(guò)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)，采用二次多項(xiàng)式逐步回歸的方法，得到了卷煙主流煙氣中NH3釋放量的數(shù)學(xué)模型，模型擬合良好，能夠較好地反映制絲工藝參數(shù)與卷煙主流煙氣中NH3釋放量的關(guān)系。制絲工藝參數(shù)對(duì)卷煙主流煙氣中NH3釋放量影響大小依次為熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度、HT工作蒸汽壓力、筒壁溫度、熱風(fēng)溫度、筒體轉(zhuǎn)速、切絲寬度。NH3釋放量與HT工作蒸汽壓力和筒壁溫度呈負(fù)相關(guān)，與熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度、熱風(fēng)溫度和筒體轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)。HT蒸汽工作壓力和熱風(fēng)溫度、HT工作蒸汽壓力和筒壁溫度存在較強(qiáng)的交互作用。得到了以主流煙氣中氨釋放量為控制指標(biāo)的最佳工藝參數(shù)為：HT工作蒸汽壓力0.2 MPa，熱風(fēng)溫度80 ℃，熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度30%，筒壁溫度130℃，筒體轉(zhuǎn)速25 r/min。

試驗(yàn)雖然在降低卷煙主流煙氣中NH3的釋放量方面得到了較為滿(mǎn)意的結(jié)果，但在實(shí)際生產(chǎn)中還應(yīng)該綜合考慮工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品外觀(guān)及感官質(zhì)量的影響，在降低卷煙危害性的同時(shí)保證卷煙的內(nèi)在質(zhì)量。參考文獻(xiàn)：

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[10] YC/T377—2010，卷煙主流煙氣中氨的測(cè)定 離子色譜法[S]．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Effects of parameters in spinning process on NH3emission in cigarette mainstream smoke

LIU Ru-can1, 2, TAN Lan-lan1, 2, DAI Ya1, 2, FENG Guang-lin1, 2, YANG Wen-min1, 2, WANG Chang-guo1, 2*
(1.Sichuan Key Laboratory for Harmful Component and Tar Reduction in Cigarette, Chengdu 610066, China; 2.Technical Research Center, Chuanyu Branch of China Tobacco Corporation, Chengdu 610066, China)

A mathematical model for spinning processing parameters and NH3emission is established using uniform design and quadratic polynomial regression. And principal-factor effect, single-factor effect, marginal effect and double-factor effect of the model were analyzed. The result showed according to the contribution rate, NH3emission in cigarette mainstream smoke was most greatly effected by open degree of the door of the hot air, followed by HT operating steam pressure, the temperature of cylinder wall, hot-air temperature, the revolving speed of casing cylinder and tobacco cut width, among which tobacco width was not significantly effected. The NH3emission exhibit a negative correlation with HT operating steam pressure and the temperature of cylinder wall, whereas a positive correlation with hot air damper opening, hot-air temperature and the revolving speed of casing cylinder. Strong interactive influence existed between HT operating steam pressure and hot-air temperature, between HT operating steam pressure and the temperature of cylinder wall. Reducing the hot air damper opening, air temperature, or improving HT operating steam pressure, the temperature of cylinder wall will help to control the NH3emission in mainstream cigarette smoke.

cigarette; mainstream smoke; NH3; spinning process; uniform design; mathematical model

10.13331/j.cnki.jhau.2014.06.007

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TS45

A

1007?1032(2014)06?0599?05

卷煙主流煙氣中的NH3主要由卷煙葉組配方中的氨基酸、蛋白質(zhì)、硝酸鹽和銨鹽等含氮化合物燃燒熱解產(chǎn)生[1]。NH3是霍夫曼44種有害成分[2]之一，過(guò)量的氨會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激性，影響卷煙的吃味，刺激咽喉，對(duì)人體造成危害[3]。謝建平等[4]篩選出CO、氫氰酸、NHK、NH3、苯并[α]芘、苯酚、巴豆醛7種最具代表性的卷煙煙氣有害成分，NH3是其中之一，因此，降低卷煙主流煙氣中的NH3，對(duì)提升卷煙產(chǎn)品質(zhì)量，降低卷煙危害性具有重要作用。

2014–05–10

劉如燦(1986—)，男，福建永安人，碩士研究生，助理工程師，主要從事卷煙產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與維護(hù)研究，liurucan@126.com；*通信作者，wcgcx@163.com