烟支燃烧温度影响因素的多因素方差与逐步回归分析

郑晗，张莹，李赓，高晓华，余婷婷，谢姣，余振华，詹建波

云南中烟工业有限责任公司技术中心, 昆明市五华区红锦路367号 650231

烟支燃烧温度影响因素的多因素方差与逐步回归分析

郑晗，张莹，李赓，高晓华，余婷婷，谢姣，余振华，詹建波

云南中烟工业有限责任公司技术中心, 昆明市五华区红锦路367号 650231

为了考察云烟某牌号卷烟叶组配方（膨胀梗丝含量和再造烟叶含量）与卷烟材料（卷烟纸，接装纸，成型纸透气度和滤棒）对烟支中点燃烧温度的影响规律，基于热电偶烟支温度测定仪准确检测烟支中点燃烧温度，采用多因素方差分析、逐步线性回归等分析方法考察了影响烟支中点燃烧温度的因素效应大小。结果表明：（1） 烟支样品燃烧温度检测方法精密度高，重复性检测结果变异系数均小于5.0%；（2）在0.05显著性水平下，烟支吸阻、卷烟纸透气度、再造烟叶含量是影响烟支中点燃烧温度的主要因素，标准化逐步线性回归系数分别为-0.668、-0.485和0.253；（3）随着再造烟叶含量增加，烟支中点燃烧温度呈现增加的趋势；卷烟纸透气度和烟支吸阻的增加，烟支中点燃烧温度有降低的趋势。调整叶组配方参数和卷烟材料设计参数可作为调控烟支燃烧温度的有效手段，对降低卷烟的危害性指数与保障烟气指标稳定性提供技术参考。

燃烧温度；卷烟叶组配方；卷烟材料；危害性指数；逐步回归

卷烟燃烧经过一系列复杂的物理和化学过程[1]，上世纪50年代Lam，Ermala，Touey等人开始利用热电偶检测研究卷烟燃烧温度[2-4]，70年代Baker等人研究指出燃烧过程中包括了烟草中挥发性成分的挥发和蒸馏、非挥发性成分的高温热解、热解形成焦油的不完全燃烧及初始产物的二次反应，同时还包括阴燃和抽吸条件下的传递等，并将燃烧烟支划分为高温燃烧区、中温蒸馏裂解区和低温冷凝过滤区[5-6]。卷烟燃烧锥的温度直接影响烟草化学成分的燃烧、热解和蒸馏过程，与卷烟烟气成分的释放量相关性很强，Bassilakis等和Senneca等分别采用TG-FTIR 和TGMS 技术研究卷烟燃吸过程中烟气化学成分的生成与烟草物质及燃烧条件的关系，发现卷烟燃吸温度分布与烟气化学成分间具有密切相关性[7-8]，谢国勇等通过研究卷烟燃吸温度分布与主流烟气中7种有害成分释放量的关系，发现除巴豆醛外，卷烟主流烟气中其他6 种有害成分的释放主要集中在250～300 ℃低温区和650 ℃以上的高温区[9]。可见，温度是影响主、侧流烟气中化学成分及含量进而影响卷烟品质最基本的特性参数之一。

近来，国内外对烟丝含水率[10]，烟草中钾元素[11-12]，助燃剂[13]，抽吸参数[14]，卷烟[15-17]，滤嘴[18]，保润剂[19]和通风稀释[20]等因素与烟支燃烧温度的相关性进行了研究，研究主要关注各因素与燃烧锥温度场的相关性，对卷烟辅材体系“三纸一棒”和叶组配方参数，与卷烟燃烧过程中温度场的系统相关性尚没有深入研究，本研究检测“三纸一棒”和叶组配方参数对卷烟燃烧过程中燃烧锥温度的相关性，通过多因素方差分析，逐步线性回归等分析方法，探索云烟某品牌烟用材料、叶组配方等对烟支燃烧温度的影响规律。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 主要仪器

ZB-16热电偶烟支温度测定仪（自制），包括：7个热电偶探头，探头为直径0.12 mm铂铑合金丝与铂金丝构成，模拟信号采集转换器，数据采集软件（每个探头采集数据量为：10组/秒）；RM1/Plus单孔道吸烟机（Borgwaldt-KC，德国）；SODMAX自动测试台（SODIM，法国）。

1.1.2 实验材料

在同一机台上，采用同一牌号、同一批次的叶丝、梗丝再造烟叶卷制成不同设计参数（卷烟纸透气度、接装纸透气度、成型纸透气度、烟支吸阻、再造烟叶和梗丝）的样品。其中，不同烟支吸阻样品是在丝束加工能力范围内调节滤棒吸阻、SODMAX自动测试台挑选不同烟支吸阻来制备。

云烟某牌号16 个烟支样品不同设计参数的正交试验设计（L16(44×23)）结果见表1，烟支圆周：24.2 mm，长度：84 mm。样品处理将100 支卷烟单层均匀地置于GB/T 16447-2004[21]规定的环境中调节48 h，通过SODMAX自动测试台，测量并计算100 支卷烟的平均质量及吸阻，挑选平均质量±20 mg，平均吸阻±49 Pa范围内合格卷烟，每种卷烟取12支作为平行测试样品[22]。

表1 卷烟样品参数试验设计表Tab.1 Test designs of the cigarette samples parameters

1.2 方法

本研究主要以烟丝部分中点对应的第4口抽吸位置处烟支燃烧温度为研究对象进行相关性统计分析。检测点插入烟支中，插入深度为3.8～3.9 mm。

结合烟支密度均匀段、烟支燃烧均匀判定方法，烟支密度分布检测表明，在距卷烟点燃端20～45 mm范围内相对稳定，燃烧均匀[22]。在试验范围内，当吸烟机工作参数：抽吸容量设定为40 cm3，抽吸持续时间为2 s，抽吸频率为60 s抽吸一口，检测点对应的第4口抽吸位置均处于在测样品烟支密度均匀段、烟支燃烧均匀段；而根据标准抽吸模式，检测点对应的第4口抽吸位置则存在偏离烟支密度均匀段、烟支燃烧均匀段的现象。

检测过程按照卷烟开始点燃抽吸开始记录数据，吸烟机抽吸容量设定为40 cm3，抽吸持续时间为2 s，抽吸频率为60 s抽吸一口，试验过程中采集烟支中点与第4口抽吸对应数据，每个样品平行测定取5次有效数据。

图1 烟支检测示意图Fig.1 Schematic diagram of cigarette samples detection

2 数据处理

采用SPSS 19、originlab 等数据统计分析工具对实验数据进行多因素方差分析、逐步回归分析等。

3 结果与讨论

3.1 烟支燃烧温度检测方法的精密度分析

为评价烟支燃烧温度检测结果的精密度，根据测量方法与结果的准确度标准方法[23]，选取云烟某品牌烟支进行烟支燃烧温度，样品制备和检测方法同文中章节1.1部分。同一卷烟样品分5组进行烟支燃烧温度检测，结果见表2，方差分析结果见表3。

表2 同一卷烟样品不同检测人员烟支中点燃烧温度检测结果Tab.2 Detection results of cigarette burning temperature at the midpoint from same cigarette samples by different detecting personnel

表3 烟支中点燃烧温度检测结果的方差分析Tab.3 Variance analysis of detection results of cigarette burning temperature at the midpoint

由烟支中点燃烧温度检测结果表2 及方差分析结果表3可知，在0.05显著性水平下，5组烟支样品中点燃烧温度检测结果无显著性差异；且5组烟支样品中点燃烧温度检测结果变异系数均小于5%，表明检测方法的精密度较高。烟支燃烧温度检测法能较为准确地检测烟支中点燃烧温度。

3.2 多因素对卷烟燃烧锥最高温度的影响

3.2.1 直观分析结果

直观分析法又称为极差法，极差的大小反映了试验中各因素影响的大小；当因素数不相同时，当因素水平数不相同时，水平数多的因素极差要大，因此，直接由极差的大小来判定因素效应是不适合的，而要根据修正极差R'的大小来判断各因素效应的大小。

表4 烟支样品叶组配方与烟用材料参数试验设计及结果分析Tab.4 Tests design and results analysis of cigarette blending formula and cigarette materials

由直观分析结果表4中的试验结果可知，修正极差R'大小作为评价不同水平因素效应的依据，修正极差R'值越大，该因素效应越大；基于此，影响烟支中点燃烧温度的因素效应从大到小依次为烟支吸阻、卷烟纸透气度、再造烟叶含量、接装纸透气度、梗丝含量、成形纸透气度。

表5 多因素方差分析结果Tab.5 Results of multi-factor analysis of variance

3.2.2 多因素方差分析

在不考虑因素间的交互作用与显著性水平0.05条件下，对正交设计的6因素混合水平（L16(44×23)）进行影响烟支中点燃烧温度主效应方差分析。方差分析结果（见表5）表明，烟支吸阻、再造烟叶含量、卷烟纸透气度方差分析概率值P值（即表中Sig.）均小于0.05，其余参数的方差分析概率值P值（即表中Sig.）大于0.05，此表明烟支吸阻、再造烟叶含量、卷烟纸透气度显著影响烟支中点燃烧温度，与文中直观分析法结果一致。

3.3 烟支燃烧中点温度逐步回归建模分析及验证效果

在不考虑因素间的交互作用与显著性水平0.05条件下，对烟支中点燃烧温度的影响因素进行线性逐步回归分析，回归方程系数及显著性结果见表6。

表6 烟支中点燃烧温度影响因素线性逐步回归分析系数和显著性结果aTab.6 Stepwise linear regression coefficients and significant test results a

其中，逐步回归分析结果中model_2 烟支中点燃烧温度线性逐步回归方程见式（1）。

y=1145.733+1.629×x1-0.086×x3-2.096×x5（1）

式中：x1为再造烟叶比例，%。

x3为烟支吸阻，Pa。

x5为卷烟纸透气度，CU。

由逐步回归分析结果model_2中不同因素效应的标准化系数可知，影响烟支中点燃烧温度的因素效应从大到小依次为烟支吸阻、卷烟纸透气度、再造烟叶含量，其余梗丝含量、成形纸透气度、接装纸透气度因素效应不显著；其中，再造烟叶含量与烟支中点燃烧温度正相关，烟支吸阻参数、卷烟纸透气度参数与烟支中点燃烧温度负相关。此研究结果与罗彦波等[1]和庞永强等[20]关于烟支吸阻等参数与烟支中点燃烧温度负相关研究结论一致。

同时，为验证模型的实用性，利用线性逐步回归建立的模型，对11种不同叶组配方参数和烟用材料参数组合的烟支样品进行烟支中点燃烧温度计算, 其模型预测值与实测值的对比见图2。由图2可以看出，不同烟支中点燃烧温度模型预测值与实测值相关系数R2均大于0.9700，此表明线性逐步回归模型model_2回归效果较好。因此所建模型能够描述配方参数和烟用材料参数对烟支中点燃烧温度的影响规律，有一定的实用性。

图2 不同烟支中点燃烧温度模型预测值与实测值对比效果Fig.2 Predictive value and measured value contrast of the cigarette burning temperature at the midpoint model

4 结论

在试验研究范围内，自制的ZB-16热电偶烟支温度测定仪能够准确检测烟支燃烧温度。通过多因素方差与逐步回归分析发现：（1）再造烟叶含量与烟支中点燃烧温度正显著相关，烟支吸阻、卷烟纸透气度参数与烟支中点燃烧温度负显著相关。（2）基于线性逐步回归所建立的模型准确揭示了配方参数、烟用材料参数与烟支中点燃烧温度的内在关系。

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Multiple factor variance analysis and stepwise linear regression analysis of factors influencing cigarette burning temperature

ZHENG Han, ZHANG Ying, LI Geng, GAO Xiaohua, YU Tingting, XIE Jiao, YU Zhenhua, ZHAN Jianbo
Technology Center, China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming 650231, China

This paper studied influence of blending formula of YunYan cigarettes (including contents of expanded cut stem and reconstituted tobacco)and auxiliary materials (including cigarette paper, tipping paper, plug wrapper and filter rod)on cigarette burning temperature at the midpoint.. Multiple factor variance analysis and stepwise linear regression analysis were adopted to study the influence on cigarette burning temperature measured by thermocouple cigarette temperature determinator. Results were as follows∶① High precision with coefficient of variation (CV)less than 5.0% was attained. ② Draw resistance of cigarette, air permeability of cigarette paper,reconstituted tobacco content were main factors influencing cigarette burning temperature at midpoint with significance level of 0.05 and standard stepwise linear regression coefficients of -0.668, -0.485 and 0.253 respectively.③ Cigarette burning temperature at midpoint increased with increased content of reconstituted tobacco while it decreased with increased air permeability of cigarette paper and draw resistance. Adjustment of cigarette blending formula and cigarette materials design parameters proved to be effective means to control cigarette burning temperature, which can provide technical reference to reduce cigarette hazard index and ensure stability of cigarette smoke indices.

burning temperature; blending formula; cigarette materials; hazard index; stepwise regression

郑晗，张莹，李赓，等. 烟支燃烧温度影响因素的多因素方差与逐步回归分析 [J]. 中国烟草学报，2016,22（5）

云南中烟工业有限责任公司重大专项“功能性烟用材料集成创新超市构建及应用研究”（2016CL01）；云南中烟工业有限责任公司重大专项“支撑云南卷烟品牌的工艺技术及装备研究与应用”（2014GY01）

郑 晗（1982—），硕士，工程师，主要从事烟用材料研究和应用工作， Email：93320213@qq.com

詹建波（1974—），硕士，高级工程师，主要从事卷烟材料研究及产品开发， Email：unclelia@163.corn。

2015-07-29

：ZHENG Han, ZHANG Ying, LI Geng, et al. Multiple factor variance analysis and stepwise linear regression analysis of factors influencing cigarette burning temperature[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016, 22(5)