劉如燦 戴亞 張燕

摘要：通過(guò)均勻設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)，采用二次多項(xiàng)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(xué)模型。對(duì)模型進(jìn)行了主效應(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，各工藝參數(shù)對(duì)苯酚釋放量影響的貢獻(xiàn)率大小為切絲寬度>熱風(fēng)風(fēng)門開度>筒壁溫度>HT工作蒸汽壓力>熱風(fēng)溫度>筒體轉(zhuǎn)速，其中切絲寬度對(duì)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(fù)相關(guān)，與熱風(fēng)風(fēng)門開度、熱風(fēng)溫度、筒壁溫度和筒體轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)。熱風(fēng)溫度和筒壁溫度、筒壁溫度和筒體轉(zhuǎn)速存在較強(qiáng)的交互作用。適當(dāng)提高切絲寬度、HT工作蒸汽壓力和降低其他因素的處理強(qiáng)度對(duì)控制卷煙主流煙氣中苯酚的釋放有積極作用。

關(guān)鍵詞：苯酚；制絲工藝；均勻設(shè)計(jì)；效應(yīng)分析

中圖分類號(hào)：S572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）03-0087-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.03.024 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(duì)人體健康不利[2]。謝建平等[3]開展了卷煙危害性指標(biāo)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(duì)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(nèi)容。

切絲寬度、HT工作蒸汽壓力、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)門開度、筒壁溫度、筒體轉(zhuǎn)速為制絲過(guò)程的重要工藝參數(shù)，國(guó)內(nèi)對(duì)這些參數(shù)對(duì)主流煙氣中有害成分的影響方面做過(guò)較多的研究[4，5]，但在試驗(yàn)設(shè)計(jì)上主要采用單因素循環(huán)法，對(duì)單因素貢獻(xiàn)率、雙因素交互作用、邊際效應(yīng)等進(jìn)行綜合分析較少。為此采用均勻設(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)模型進(jìn)行分析，旨在較寬水平范圍內(nèi)更深入地研究單因素貢獻(xiàn)率和邊際效應(yīng)以及單因素、雙因素在制絲工藝過(guò)程中對(duì)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(jìn)一步優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

材料：涪陵卷煙廠某牌號(hào)三類煙。

設(shè)備：SQ313切葉絲機(jī)（昆明船舶制造有限責(zé)任公司）；直線型吸煙機(jī)（英國(guó)，CERULEAN公司）；旋轉(zhuǎn)振蕩器（國(guó)華電器有限公司）；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(guó)，安捷倫公司）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)、建模及模型分析

選擇切絲寬度（X1）、HT工作蒸汽壓力（X2）、熱風(fēng)溫度（X3）、熱風(fēng)風(fēng)門開度（X4）、筒壁溫度（X5）和筒體轉(zhuǎn)速（X6）6個(gè)因素，采用均勻設(shè)計(jì)法[6]進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共7個(gè)組合，3次重復(fù)。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(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)主流煙氣中苯酚釋放量的影響程度；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(duì)卷煙主流煙氣中苯酚釋放量的影響；通過(guò)求解并分析各因素的偏導(dǎo)數(shù)來(lái)反映試驗(yàn)范圍內(nèi)該因素對(duì)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(yīng)[7，8]。

1.3 試驗(yàn)樣品制備與檢測(cè)

在相同卷制標(biāo)準(zhǔn)下卷制，挑選出煙支圓周、硬度以及單支質(zhì)量符合允差范圍內(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。

按照標(biāo)準(zhǔn)YC/T255-2008[9]，對(duì)樣品中主流煙氣中的苯酚進(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)不一樣，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。

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(xiàng)式逐步回歸的方法建立數(shù)學(xué)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(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 9，F(xiàn)=99 999.85，Df=（5，1），P=0.002 4<0.05，Durbin-Watson統(tǒng)計(jì)量d=1.702?？梢钥闯鲈撃Ｐ蛿M合良好，能夠較為準(zhǔn)確地反映各工藝參數(shù)與苯酚釋放量之間的關(guān)系，可靠性較高。

2.1 因子主效分析

統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出，主流煙氣中苯酚釋放量的貢獻(xiàn)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(duì)苯酚釋放量的影響程度是切絲寬度>熱風(fēng)風(fēng)門開度>筒壁溫度>HT工作蒸汽壓力>熱風(fēng)溫度>筒體轉(zhuǎn)速，其中切絲寬度、HT工作蒸汽壓力對(duì)苯酚釋放量為負(fù)貢獻(xiàn)，其他因素則為正貢獻(xiàn)。

2.2 單因素效應(yīng)分析

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

從表2可知，當(dāng)其他因素處于高、中、低水平時(shí)切絲寬度（X1）、熱風(fēng)溫度（X3）、筒壁溫度（X5）、筒體轉(zhuǎn)速（X6）四個(gè)因素的效應(yīng)方程都為一元一次方程，表明其與苯酚釋放量呈線性關(guān)系，其中切絲寬度（X1）為負(fù)相關(guān)，熱風(fēng)溫度（X3）、筒壁溫度（X5）和筒體轉(zhuǎn)速（X6）為正相關(guān)，隨著其他因素所處水平的降低，X3、X5、X6三個(gè)因素的效應(yīng)方程斜率變小，當(dāng)其他因素水平減少到0的時(shí)候，斜率為0，表明隨著其他因素所處水平的降低，熱風(fēng)溫度（X3）、筒壁溫度（X5）、筒體轉(zhuǎn)速（X6）對(duì)苯酚釋放量的影響逐漸降低，最終消失，而切絲寬度（X1）對(duì)苯酚釋放量的影響與其他因素水平無(wú)關(guān)，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(jī)械破損的細(xì)胞也越多，有利于苯酚的生成和釋放。

當(dāng)其他因素處于高、中、低水平時(shí)，HT工作蒸汽壓力和熱風(fēng)風(fēng)門開度的效應(yīng)方程均為一元二次方程，可得看出當(dāng)其他因素處于高、中、低水平時(shí)，苯酚釋放量變化趨勢(shì)和變化速率相同，都是先慢后快，表明HT工作蒸汽壓力、熱風(fēng)風(fēng)門開度對(duì)苯酚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，兩者相比較熱風(fēng)風(fēng)門開度對(duì)苯酚釋放量的影響比HT工作蒸汽壓力要大且為正效應(yīng)。

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X3X5、X5X6兩個(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)果兩個(gè)交互項(xiàng)的P<0.05，表明其交互作用顯著，因此熱風(fēng)溫度和筒壁溫度、筒壁溫度和筒體轉(zhuǎn)速兩對(duì)因素存在交互作用，分別保留這兩對(duì)因素，將其他因素分別置于高、中、低三個(gè)水平得到相關(guān)因素的等高線方程，具體見(jiàn)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(dāng)其他因素固定于高、中、低水平時(shí)，X3、X5越大等高線越密集，兩者交互作用越強(qiáng)，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(xiàn)率提高使得兩者的交互作用相對(duì)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(dāng)其他因素固定于高、中、低水平時(shí)，X5、X6交互作用明顯，兩者水平越高交互作用越強(qiáng)，且增大X6比增大X5對(duì)于提高兩者交互作用更明顯，原因可能是提高筒體轉(zhuǎn)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(yīng)

為進(jìn)一步明確苯酚釋放量隨各因素水平的變化速率，需要對(duì)苯酚釋放量模型求一階偏導(dǎo)數(shù)（表4）。由表4可知，無(wú)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(duì)主流煙氣中苯酚釋放量影響顯著，為負(fù)效應(yīng)且不受其他因素影響，這與主效分析和單因素效應(yīng)分析的結(jié)果一致。X2、X4的邊際苯酚釋放量只與自身所處的水平有關(guān)，其中X2為負(fù)效應(yīng)，X4為正效應(yīng)。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(yīng)。X5的邊際苯酚釋放效應(yīng)與X3和X6的水平有關(guān)（相關(guān)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(yīng)。從以上分析結(jié)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(gè)因素則是相互促進(jìn)，水平越高苯酚釋放量越大。

3 小結(jié)

通過(guò)均勻設(shè)計(jì)安排試驗(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苯酚釋放量的數(shù)學(xué)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(fēng)溫度、熱風(fēng)風(fēng)門開度、筒壁溫度、筒體轉(zhuǎn)速與卷煙主流煙氣中苯酚釋放量的關(guān)系。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行主效應(yīng)分析可得，各工藝參數(shù)對(duì)苯酚釋放量影響的貢獻(xiàn)率排序?yàn)榍薪z寬度>熱風(fēng)風(fēng)門開度>筒壁溫度>HT工作蒸汽壓力>熱風(fēng)溫度>筒體轉(zhuǎn)速。

單因素效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，切絲寬度對(duì)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(duì)苯酚的產(chǎn)生為負(fù)效應(yīng)外，其他因素均為正效應(yīng)。雙因素效應(yīng)分析結(jié)果表明，只有熱風(fēng)溫度和筒壁溫度、筒壁溫度和筒體轉(zhuǎn)速兩對(duì)因素之間存在較強(qiáng)交互作用，并且隨著其他因素水平的提高兩對(duì)因素的交互作用都相對(duì)減弱。邊際效應(yīng)分析進(jìn)一步證實(shí)切絲寬度對(duì)苯酚釋放量影響顯著，為負(fù)效應(yīng)，其結(jié)果與主效應(yīng)分析和單因素分析結(jié)果一致。

本研究通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型得到了制絲工藝參數(shù)對(duì)主流煙氣中苯酚釋放量的影響，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)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(chǔ)，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)品外觀及內(nèi)在質(zhì)量的影響，進(jìn)而對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

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