刘如灿 戴亚 张燕

摘要：通过均匀设计安排试验，采用二次多项式逐步回归的方法建立了卷烟主流烟气中苯酚释放量与制丝工艺参数的数学模型。对模型进行了主效应分析、单因素效应分析、双因素交互作用分析、边际效应分析。结果表明，各工艺参数对苯酚释放量影响的贡献率大小为切丝宽度>热风风门开度>筒壁温度>HT工作蒸汽压力>热风温度>筒体转速，其中切丝宽度对苯酚释放量影响最显著。苯酚释放量与切丝宽度和HT工作蒸汽压力呈负相关，与热风风门开度、热风温度、筒壁温度和筒体转速呈正相关。热风温度和筒壁温度、筒壁温度和筒体转速存在较强的交互作用。适当提高切丝宽度、HT工作蒸汽压力和降低其他因素的处理强度对控制卷烟主流烟气中苯酚的释放有积极作用。

关键词：苯酚；制丝工艺；均匀设计；效应分析

中图分类号：S572 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）03-0087-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.03.024 开放科学（资源服务）标识码（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]，是卷烟烟气冷凝物中已鉴定的致癌物之一，对人体健康不利[2]。谢建平等[3]开展了卷烟危害性指标体系研究工作，筛选出了CO、氢氰酸、NNK、NH3、笨并[α]芘、苯酚、巴豆醛等7种最具代表性的卷烟烟气有害成分，苯酚就是其中之一。因此降低卷烟主流烟气中的苯酚对降低卷烟危害性具有重要作用，也是卷烟降焦减害的重要内容。

切丝宽度、HT工作蒸汽压力、热风温度、热风风门开度、筒壁温度、筒体转速为制丝过程的重要工艺参数，国内对这些参数对主流烟气中有害成分的影响方面做过较多的研究[4，5]，但在试验设计上主要采用单因素循环法，对单因素贡献率、双因素交互作用、边际效应等进行综合分析较少。为此采用均匀设计法安排试验，采用二次多项式逐步回归建立数学模型进行分析，旨在较宽水平范围内更深入地研究单因素贡献率和边际效应以及单因素、双因素在制丝工艺过程中对卷烟主流烟气中苯酚释放量的影响，以期为工艺参数的进一步优化提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

材料：涪陵卷烟厂某牌号三类烟。

设备：SQ313切叶丝机（昆明船舶制造有限责任公司）；直线型吸烟机（英国，CERULEAN公司）；旋转振荡器（国华电器有限公司）；电子天平（感量0.000 1 g，Mettler Toledo仪器公司）；高效液相型色谱仪（美国，安捷伦公司）。

1.2 试验设计、建模及模型分析

选择切丝宽度（X1）、HT工作蒸汽压力（X2）、热风温度（X3）、热风风门开度（X4）、筒壁温度（X5）和筒体转速（X6）6个因素，采用均匀设计法[6]进行试验设计，共7个组合，3次重复。以制丝工艺参数为自变量，卷烟主流烟气苯酚释放量为因变量，采用二次多项式逐步回归方法建立模型。通过计算模型中各因子的贡献率来确定各因子对主流烟气中苯酚释放量的影响程度；通过单因素效应分析来确定各因素在不同水平时对主流烟气中苯酚释放量的影响；采用等高线分析法分析了两两因素的交互作用及对卷烟主流烟气中苯酚释放量的影响；通过求解并分析各因素的偏导数来反映试验范围内该因素对主流烟气中苯酚释放量的影响方向及苯酚释放量的边际效应[7，8]。

1.3 试验样品制备与检测

在相同卷制标准下卷制，挑选出烟支圆周、硬度以及单支质量符合允差范围内的烟支用于检测，被测烟支样品在（22±2） ℃，相对湿度（60±3）%的环境下平衡48 h。

按照标准YC/T255-2008[9]，对样品中主流烟气中的苯酚进行测定。

2 结果与分析

由于各试验因素的量纲和数量级不一样，为了便于统计分析，采用极差归一化法，对试验中的各因素进行变换，极差归一化后的实际参数以及试验结果见表1。

以极差归一化后的各因素为自变量，苯酚释放量为因变量，采用二次多项式逐步回归的方法建立数学模型，得到苯酚释放量的回归方程为：

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

同时得到回归方程的统计学指标：决定系数R2=0.999 9，F=99 999.85，Df=（5，1），P=0.002 4<0.05，Durbin-Watson统计量d=1.702。可以看出该模型拟合良好，能够较为准确地反映各工艺参数与苯酚释放量之间的关系，可靠性较高。

2.1 因子主效分析

统计结果得出，主流烟气中苯酚释放量的贡献率分别为：X1=0.999，X2=0.982，X3=0.498，X4=0.997，X5=0.995，X6=0.497， 表明各因子对苯酚释放量的影响程度是切丝宽度>热风风门开度>筒壁温度>HT工作蒸汽压力>热风温度>筒体转速，其中切丝宽度、HT工作蒸汽压力对苯酚释放量为负贡献，其他因素则为正贡献。

2.2 单因素效应分析

将其他因素固定在高、中、低（1、0.5、0）下，考查单因素对主流烟气中苯酚释放量的影响，得到3组一元一次方程，见表2。

从表2可知，当其他因素处于高、中、低水平时切丝宽度（X1）、热风温度（X3）、筒壁温度（X5）、筒体转速（X6）四个因素的效应方程都为一元一次方程，表明其与苯酚释放量呈线性关系，其中切丝宽度（X1）为负相关，热风温度（X3）、筒壁温度（X5）和筒体转速（X6）为正相关，随着其他因素所处水平的降低，X3、X5、X6三个因素的效应方程斜率变小，当其他因素水平减少到0的时候，斜率为0，表明随着其他因素所处水平的降低，热风温度（X3）、筒壁温度（X5）、筒体转速（X6）对苯酚释放量的影响逐渐降低，最终消失，而切丝宽度（X1）对苯酚释放量的影响与其他因素水平无关，切丝宽度越窄，苯酚释放量越大，原因可能是切丝宽度越窄烟丝的比表面积越大，受机械破损的细胞也越多，有利于苯酚的生成和释放。

当其他因素处于高、中、低水平时，HT工作蒸汽压力和热风风门开度的效应方程均为一元二次方程，可得看出当其他因素处于高、中、低水平时，苯酚释放量变化趋势和变化速率相同，都是先慢后快，表明HT工作蒸汽压力、热风风门开度对苯酚释放量的影响只与自身所处的水平有关，水平越高影响越大，两者相比较热风风门开度对苯酚释放量的影响比HT工作蒸汽压力要大且为正效应。

2.3 双因素效应分析

由数学模型得出的回归方程中只有X3X5、X5X6两个交互项，进一步对回归模型中的回归系数进行T检验，结果两个交互项的P<0.05，表明其交互作用显著，因此热风温度和筒壁温度、筒壁温度和筒体转速两对因素存在交互作用，分别保留这两对因素，将其他因素分别置于高、中、低三个水平得到相关因素的等高线方程，具体见表3。

2.3.1 X3与X5交互作用 根据表3中的等高线方程作出X3X5的等高线图（图1），当其他因素固定于高、中、低水平时，X3、X5越大等高线越密集，两者交互作用越强，随着其他因素水平的提高两者交互作用有弱化作用，原因可能是随着其他因素水平的升高，X5的苯酚贡献率提高使得两者的交互作用相对减弱。

2.3.2 X5与X6交互作用 根据表3中的等高线方程作出X5X6的等高线图（图2），当其他因素固定于高、中、低水平时，X5、X6交互作用明显，两者水平越高交互作用越强，且增大X6比增大X5对于提高两者交互作用更明显，原因可能是提高筒体转速能够使烟丝加热效率更高，与X3、X5之间的交互作用相同，X5、X6间的交互作用也受到其他因素水平的影响，随着其他因素水平的升高二者交互作用有一定程度的减弱。

2.4 边际苯酚释放效应

为進一步明确苯酚释放量随各因素水平的变化速率，需要对苯酚释放量模型求一阶偏导数（表4）。由表4可知，无论各因素处于何种水平，X1的边际苯酚释放量均为-1.97，表明X1对主流烟气中苯酚释放量影响显著，为负效应且不受其他因素影响，这与主效分析和单因素效应分析的结果一致。X2、X4的边际苯酚释放量只与自身所处的水平有关，其中X2为负效应，X4为正效应。X3、X6的边际苯酚释放量则均取决于X5所处的水平，随着X5水平升高，X3、X6 边际苯酚释放量升高为正效应。X5的边际苯酚释放效应与X3和X6的水平有关（相关因素处于非0水平），随着X3、X6水平升高而升高，但始终为正效应。从以上分析结果可以看出升高X1、X2，尤其是X1可以显著降低苯酚的释放量。X3、X5、X6三个因素则是相互促进，水平越高苯酚释放量越大。

3 小结

通过均匀设计安排试验，采用二次多项式逐步回归的方法得到了卷烟主流烟气中苯酚释放量的数学模型，模型拟合良好，能够较好地反映切丝宽度、HT工作蒸汽压力、热风温度、热风风门开度、筒壁温度、筒体转速与卷烟主流烟气中苯酚释放量的关系。通过对模型进行主效应分析可得，各工艺参数对苯酚释放量影响的贡献率排序为切丝宽度>热风风门开度>筒壁温度>HT工作蒸汽压力>热风温度>筒体转速。

单因素效应分析发现，切丝宽度对苯酚释放量影响最显著，切丝宽度越小苯酚释放量越大。除切丝宽度和HT工作蒸汽压力对苯酚的产生为负效应外，其他因素均为正效应。双因素效应分析结果表明，只有热风温度和筒壁温度、筒壁温度和筒体转速两对因素之间存在较强交互作用，并且随着其他因素水平的提高两对因素的交互作用都相对减弱。边际效应分析进一步证实切丝宽度对苯酚释放量影响显著，为负效应，其结果与主效应分析和单因素分析结果一致。

本研究通过建立数学模型得到了制丝工艺参数对主流烟气中苯酚释放量的影响，对实际生产中通过工艺路线降低卷烟主流烟气中苯酚的释放量提供了一定的理论基础，但在实际生产中还应该综合考虑工艺参数对产品外观及内在质量的影响，进而对相关工艺参数进行综合评价。

参考文献：

[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] 谢剑平，刘惠民，朱茂祥，等.卷烟烟气危害性指数研究[J].烟草科技，2009（2）：5-15.

[4] 陈昆燕，薛 芳，曾 建，等.重点工序工艺参数与卷烟主流烟气中巴豆醛释放量的关系研究[J].江西农业学报，2009，21（12）： 40-42.

[5] 唐士军，陈昆燕，曾 建，等.重点工序工艺参数与卷烟主流烟气中CO量的关系研究[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2010（4）：20-22.

[6] 方开泰.均匀设计与均匀设计表[M].北京：科学出版社，1994.

[7] 包和平，刘士彪，王晓波，等.N、P、K三要素对水稻产量的效应分析[J].吉林农业大学学报，2001，23（2）：5-8.

[8] 王晓波，王 录，赵颖君，等.N、P、K三要素对水稻的蛋白质效应分析[J].吉林农业大学学报，2001，23（3）：5-8.

[9] YC/T 255-2008，卷烟主流烟气中主要酚类化合物的测定 高效液相色谱法[S].