劉如燦，譚蘭蘭，戴亞，馮廣林，楊文敏，汪長國*

(1.卷煙減害降焦四川省重點實驗室，四川 成都 610066；2.川渝中煙工業(yè)有限責任公司技術研發(fā)中心，四川 成都610066)

制絲工藝參數(shù)對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，汪長國1,2*

(1.卷煙減害降焦四川省重點實驗室，四川 成都 610066；2.川渝中煙工業(yè)有限責任公司技術研發(fā)中心，四川 成都610066)

采取均勻設計試驗，運用二次多項式逐步回歸方法，建立卷煙主流煙氣中氨釋放量與制絲工藝參數(shù)的數(shù)學模型，并對模型進行主效應分析、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：工藝參數(shù)對卷煙主流煙氣中NH3釋放量影響大小依次為熱風風門開度、HT工作蒸汽壓力、筒壁溫度、熱風溫度、筒體轉速、切絲寬度，切絲寬度對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相關，與熱風風門開度、熱風溫度和筒體轉速呈正相關，HT蒸汽工作壓力和熱風溫度、HT工作蒸汽壓力和筒壁溫度，存在較強的交互作用。綜合分析，降低熱風風門開度、熱風溫度和筒體轉速，提高HT工作蒸汽壓力、筒壁溫度，對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；均勻設計；數(shù)學模型

卷煙制絲過程中，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、筒體轉速是重要的工藝參數(shù)，這些參數(shù)對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，試驗設計上主要采用單因素循環(huán)法，并未對單因素貢獻率、雙因素交互作用、邊際效應等進行綜合分析。筆者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)學模型并進行分析，旨在研究單因素貢獻率和邊際效應，以及單因素、雙因素交互作用在制絲工藝過程中對卷煙主流煙氣NH3釋放量的影響，為制絲工藝參數(shù)的進一步優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

卷煙為涪陵卷煙廠生產的川渝中煙某牌號3類煙。

主要儀器設備：ICS–300型離子色譜儀(美國戴安公司)；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)。

1.2 試驗設計

選擇制絲工藝中的6個主要參數(shù)：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)，采用均勻設計法[9]進行試驗設計，共7個組合，3次重復。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NH3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NH3釋放量的影響；采用等高線分析法分析兩兩因素的交互作用及對卷煙主流煙氣NH3釋放量的影響；通過求解并分析各因素的偏導數(shù)來確定試驗范圍內該因素對主流煙氣NH3釋放量的影響方向及NH3釋放量的邊際效應。

1.3 試驗樣品制備與檢測

試驗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YC/T377—2010[10]，對樣品主流煙氣中的NH3進行測定。

2 結果與分析

由于各試驗因素的量綱和數(shù)量級不同，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。

表1 極差歸一化后的實際參數(shù)及試驗結果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，采用二次多項式逐步回歸的方法建立數(shù)學模型，得到NH3釋放量的回歸方程Y=8.31+ 0.591X4+1.06X42+1.75X2X3–4.80X2X5+0.271X5X6。

同時得到回歸方程的統(tǒng)計學指標。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)計量d =1.72。該模型擬合良好，能夠較為準確地反映各工藝參數(shù)與NH3釋放量之間的關系，可靠性較高。

如果僅以NH3釋放量為參考指標，則由數(shù)學模型可以得到在試驗范圍內該3類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，熱風溫度80 ℃，熱風風門開度30%，筒壁溫度130 ℃，筒體轉速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)學術語鎮(zhèn)靜劑掛鉤，專業(yè)性較高。若作直譯處理會偏離語境，不明所以。改作動詞并更改句式結構后，更加自然順暢，通俗易懂。

統(tǒng)計結果得出，主流煙氣中NH3釋放量的貢獻率分別為：X1=0, X2=0.990, X3=0.495, X4=1.913, X5=0.935, X6=0.439，表明各因子對NH3釋放量的影響程度大小依次是熱風風門開度、HT工作蒸汽壓力、筒壁溫度、熱風溫度、筒體轉速、切絲寬度。切絲寬度的貢獻率為0，表明切絲寬度對NH3釋放量無影響。

2.2 單因素效應分析

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個水平時，切絲寬度與氨的釋放量無關。當其他因素處于高、中水平時，HT工作蒸汽壓力、熱風溫度、筒壁溫度、筒體轉速4個因素的效應方程都為一元一次方程，表明其與NH3釋放量呈線性關系，其中，HT工作蒸汽壓力和筒壁溫度呈負相關，熱風溫度和筒體轉速呈正相關。隨著其他因素所處水平的降低，這4個效應方程斜率的絕對值變小，當其他因素水平減少到0時，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、熱風溫度、筒壁溫度、筒體轉速對NH3釋放量的影響逐漸降低，最終消失。

當其他因素處于高、中、低水平時，NH3釋放量變化趨勢和變化速率相同，都是先慢后快，表明熱風風門開度對NH3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。結合因子主效分析和單因素效應分析，可知熱風風門開度對卷煙主流煙氣中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，熱風風門開度和排潮開度是決定水蒸氣和NH3排出的2個重要因素，為保證試驗煙絲的出口水分一致，其他因素固定不變的情況下，提高熱風風門開度會降低排潮開度，從而阻礙水分和NH3的順利排出，進而提高卷煙主流煙氣中的NH3。

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X2X3、X2X5、X5X63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3個交互項的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溫度、HT蒸汽工作壓力和筒壁溫度、筒壁溫度和筒體轉速3對因素存在交互作用。分別保留這3對因素，將其他因素分別置于高、中、低3個水平，分析交互作用對卷煙主流煙氣中NH3釋放量的影響。

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

圖1 HT工作蒸汽壓力與熱風溫度交互作用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NH3釋放量的影響

由X2X5的等高線圖(圖2)可知，當其他因素固定于高、中水平(1、0.5)，X2處于高水平(0.5＜r＜1)時，X2與X5的交互作用較強；當其他因素固定于低水平(0)，X2與X5處于高水平(0.5＜r＜1)時，X2與X5交互作用較強；當X2X5較大時，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 筒壁溫度與筒體轉速交互作用對NH3釋放量的影響

由X5與X6的等高線圖(圖3)可知，當其他因素固定于高、中水平(1、0.5)時，X5與X6交互作用不明顯；當其他因素固定于低水平(0)時，X5和X6處于高水平(0.5＜r＜1)時，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

為進一步明確NH3釋放量隨各因素水平的變化速率，對NH3釋放量模型求一階偏導方程(表3)。

由表3可知，無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分析的結果一致。X4的邊際NH3釋放量只與自身所處的水平有關，且為隨X4水平的升高而升高的正數(shù)，表明熱風風門開度的邊際NH3釋放為正效應。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。X2的邊際NH3釋放效應與X3和X5的水平有關，X5的邊際NH3釋放效應與X2和X6的水平有關 (相關因素處于非0水平)。當X3＜2.75 X5，X6＜17.72 X2時，X2和X5的邊際NH3釋放效應為負效應，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，這與雙因素效應分析的結果一致。

從以上分析結果可以看出，升高HT工作蒸汽壓力和筒壁溫度，增加了熱風溫度和筒體轉速的邊際NH3釋放量，同時減少了筒壁溫度和HT工作蒸汽壓力的邊際NH3釋放量。進一步分析偏導方程，可得提高HT工作蒸汽壓力，筒壁溫度對HT工作蒸汽壓力的邊際NH3釋放量的減少程度要大于對熱風溫度、筒體轉速邊際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，這與單因素效應分析的結果一致。

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

3 結果與討論

通過均勻設計試驗，采用二次多項式逐步回歸的方法，得到了卷煙主流煙氣中NH3釋放量的數(shù)學模型，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釋放量的關系。制絲工藝參數(shù)對卷煙主流煙氣中NH3釋放量影響大小依次為熱風風門開度、HT工作蒸汽壓力、筒壁溫度、熱風溫度、筒體轉速、切絲寬度。NH3釋放量與HT工作蒸汽壓力和筒壁溫度呈負相關，與熱風風門開度、熱風溫度和筒體轉速呈正相關。HT蒸汽工作壓力和熱風溫度、HT工作蒸汽壓力和筒壁溫度存在較強的交互作用。得到了以主流煙氣中氨釋放量為控制指標的最佳工藝參數(shù)為：HT工作蒸汽壓力0.2 MPa，熱風溫度80 ℃，熱風風門開度30%，筒壁溫度130℃，筒體轉速25 r/min。

試驗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意的結果，但在實際生產中還應該綜合考慮工藝參數(shù)對產品外觀及感官質量的影響，在降低卷煙危害性的同時保證卷煙的內在質量。參考文獻：

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

[3] Thomas D H，Rey M，Jackson P E．Determination of inorganic cations and ammonium in environmental waters by ion chromatography with a high-capacity cationexchange column[J]．Journal of Chromatography A，2002，956(1/2)：181–186．

[4] 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．

[5] 王鵬，劉華，曾建，等．制絲工藝參數(shù)對主流煙氣中氫氰酸含量影響研究[J]．湖北農業(yè)科學，2011，50(2)：365–367．

[6] 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]．江西農業(yè)學報，2009，21(12)：40–42．

[7] 譚蘭蘭，施豐成，薛芳，等．卷煙制絲工藝參數(shù)對主流煙氣中苯并[a]芘釋放量的影響[J]．安徽農業(yè)科學，2010，38(1)：165–167．

[8] 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．

[9] 方開泰．均勻設計與均勻設計表[M]．北京：科學出版社，1994：35–47．

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

責任編輯：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

投稿網址：http://www.hunau.net/qks

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、硝酸鹽和銨鹽等含氮化合物燃燒熱解產生[1]。NH3是霍夫曼44種有害成分[2]之一，過量的氨會產生強烈的刺激性，影響卷煙的吃味，刺激咽喉，對人體造成危害[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，對提升卷煙產品質量，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，主要從事卷煙產品開發(fā)與維護研究，liurucan@126.com；*通信作者，wcgcx@163.com