接装纸透气度对卷烟烟气及感官质量影响的PLS 回归分析

杨金龙,王文婷,朱萍,张红玉,张进文,崔迟

(甘肃烟草工业有限责任公司 技术研发中心,甘肃 兰州,730050)

“三纸一棒”是目前烟草企业实现“降焦减害”方面最有效的途径之一,同时卷烟辅助材料的设计参数(卷烟纸定量、滤棒吸阻、圆周、接装纸透气度和滤嘴通风度等)与卷烟烟气有害成分释放量的量化关系的研究已经成为行业的研究热点[1-4]。如赵乐等[5]人则研究了辅助材料设计参数对卷烟7 种烟气有害成分释放量的影响,发现不同的设计参数对卷烟主流烟气CO、氢氰酸、NNK、氨、苯并[a]芘、苯酚、巴豆醛释放量的影响程度不一样。而透气度作为“三纸一棒”辅材参数设计的一个重要指标,它不仅对卷烟的常规烟气和7 种有害成分释放量有显著影响,也影响着卷烟的感官质量。

众所周知,接装纸是一种将滤嘴与烟支卷接起来的专用纸。目前,针对接装纸透气度对卷烟质量的相关研究也较多。如施丰成、杨松等[6,7]人就接装纸透气度等辅助材料设计参数对不同规格卷烟感官质量和烟气化学成分进行了研究。尧珍玉[8]、庞永强[9]等人则分析了不同透气度的接装纸对卷烟烟气成分和燃烧温度的影响,研究发现透气度跟烟气成分、燃烧温度、感官质量等都有一定的线性相关关系。翟玉俊等[10]人研究了接装纸和成形纸透气度对主流烟气中碱性香味成分的影响。偏最小二乘(PLS)回归分析方法是一种新型的多元数据统计方法[11],可以实现回归建模、数据结构简化和两组变量之间的相关性分析[12]。罗彦波等[12]利用PLS 回归分析方法研究了卷烟材料和膨胀梗丝等多因素作用对卷烟燃烧温度和主流烟气有害成分释放量的影响。金勇[11]等也利用PLS 分析方法研究了接装纸打孔参数对卷烟烟气焦油和七种有害成分释放量的影响。本文拟通过研究在低的接装纸透气度下,利用PLS 回归分析方法观察其透气度变化给卷烟的常规烟气、7 种有害成分及感官质量带来的影响,旨在为卷烟产品开发维护时能提供科学合理的数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

采用同一种配方烟丝,用不同透气度(0、80、150、250 CU)的接装纸卷制样品,其他辅助材料都完全一样,编号为S1、S2、S3、S4。其中,烟支规格为84×24.4 mm、滤嘴长度为30 mm、滤棒成形纸透气度为6 000 CU。

电子天平(MSA224S-CE 型,德国Sartorius 公司);流动分析仪(AA3 型,德国SEAL 公司);离子色谱仪(ICS-3000 型,美国Thermo 公司);全自动吸烟机(RM200A 型,德国Borgwaldt 公司);直线吸烟机(SM450 型,英国Cerulean 公司);气相色谱仪(7890B 型,美国Agilent 公司);气相-色谱质谱联用仪(7890B-5977A 型,美国Agilent 公司);超高效液相串联质谱联用仪(UPLC XEVO-TQD 型,美国Waters公司);高效液相色谱仪(E2695 型,美国Waters 公司);恒温恒湿箱(Pharma 600 型,法国WEISS 公司)。

1.2 烟气分析及数据处理

卷烟试验样品在温度(22±1)℃、相对湿度(60±2)%条件下平衡48 h,然后进行质量和吸阻的选择,其中质量为(平均质量±0.02)g、吸阻为(平均吸阻±50)Pa。根据国家标准和烟草行业标准方法对卷烟试验样品测定烟气常规成分和主流烟气7 种有害成分(CO、氢氰酸、NNK、氨、苯并[a]芘、苯酚、巴豆醛)的释放量。然后用Minitab 软件对接装纸透气度与烟气的检测数据进行PLS 回归分析、相关性系数r和显著性水平P。

1.3 感官质量评吸

依据烟草行业感官评吸方法,结合本次的研究内容,针对性的设计卷烟感官评吸方案。由7 位评吸人员组成评吸小组,分别对卷烟样品进行评价,最终得分取7 位评吸人员给的平均值。

2 结果与讨论

2.1 接装纸透气度对主流烟气7 种有害成分释放量的影响

依据烟草行业标准方法对不同接装纸透气度的卷烟试验样品的主流烟气的7 种成分(CO、HCN、NNK、NH3、苯并[a]芘、苯酚、巴豆醛)的释放量及卷烟危害性指数H如表1 所示,并采用Minitab 软件对接装纸透气度与主流烟气七种有害成分释放量进行线性回归拟合分析及PLS 回归方程的方差分析,结果见表2。

表1 卷烟样品主流烟气7 种有害成分释放量及H 值

由表2 可知,在保证其他参数不变的前提下,随着接装纸透气度的增加,其与主流烟气中的CO、HCN、NH3、苯酚和巴豆醛的释放量有很好的显著负相关性(P＜0.05)。虽然接装纸透气度与BaP 和NNK的释放量没有相关性(P＞0.05),但是不影响其与危害性指数H的相关性,两者反而具有很好的显著相关性(P＜0.05)。根据不同透气度下主流烟气成分的释放量,发现接装纸透气度每增加10 CU,CO、HCN、NH3、苯酚、巴豆醛的释放量以及危害性指数H可分别降低1.80%、2.43%、2.90%、0.97%、1.68%和1.65%。这是因为随着接装纸透气度增大,空气由接装纸进入主流烟气的量也随之增大,使得稀释作用增强[13]。由于主流烟气有害成分总体呈现降低趋势,也就使得卷烟危害性指数减小。同时,由图2的方差分析结果表明主流烟气有害成分除BaP 和NNK 外,其他成分释放量及危害指数H的PLS 回归方程的P值均小于0.05,说明回归方程能通过显著水平的检验。

表2 接装纸透气度与7 种有害成分释放量的线性回归方程及PLS 方差分析

2.2 接装纸透气度对卷烟常规烟气成分的影响

不同接装纸透气度卷烟的常规烟气成分的测定含量及与接装纸透气度的拟合线性回归方程如表3所示。由表3 可知,随着接装纸透气度从0 CU 增加到250 CU,卷烟常规烟气成分的总粒相物、烟碱、焦油呈现有规律的下降,而抽吸口数却增加,它们都与透气度有很好的显著性相关关系(P＜0.05),这与尧珍玉等人的研究结果一致[8],这都归因于透气度的增大使得更多的空气进入烟气中,起到稀释烟气的作用。同时发现随着接装纸透气度每增加10 CU,总粒相物、烟碱和焦油含量依次降低1.41%、1.00%和1.30%。图1 也展示了接装纸透气度对卷烟烟气中总粒相物、烟碱和焦油的影响,发现即使透气度增加使得卷烟的抽吸口数增加,但卷烟单口的总粒相物、烟碱和焦油却呈现显著性的负相关关系。也就是说接装纸透气度的增加稀释了卷烟烟气,反而降低了烟气中总粒相物、烟碱和焦油的递送率,进而使得每口的含量降低[13]。

图1 接装纸透气度对每口烟气的总粒相物、焦油和烟碱量的影响

表3 接装纸透气度与卷烟常规烟气含量的线性关系

2.3 接装纸透气度对卷烟感官质量的影响

不同接装纸透气度卷烟感官评价结果如图2 和表4。由图2 和表4 可知,接装纸透气度的增加对卷烟感官质量的不同指标影响也不一样,基本是递增、递减和先增后减的趋势。随着透气度从0 CU 增加到250 CU,细腻度、刺激性、香气质等指标有提升趋势,烟气浓度、生津感、香气量等指标却呈减弱趋势,剩下的杂气、余味、干燥感等指标有先增后降的趋势。这种感官质量指标的变化主要归因于接装纸透气度的改变使其滤嘴通风度随之增加,卷烟烟气中空气比例也增加,即稀释度增加,使得刺激感降低、细腻度提升、香气质较好等,同时随着继续增加通风度,香气量受稀释作用开始下降,进而导致卷烟感官质量总体呈先增后降。这与楚文娟和李炎强等人的研究结论基本保持一致[13-14]。

表4 不同接装纸透气度的卷烟感官质量变化表

图2 接装纸透气度对卷烟感官质量的影响

但从整体来看,接装纸透气度对卷烟感官质量总体评价为150 CU＞80 CU＞0 CU＞250 CU。结合卷烟常规烟气成分及主流烟气的7 种有害成分释放量的情况,综合考虑,接装纸透气度选择150 CU 为佳。

3 结论

接装纸透气度对卷烟的主流烟气7 种有害成分和常规烟气成分的释放量基本都有显著的影响。研究发现,接装纸透气度与主流烟气中的CO、HCN、NH3、苯酚和巴豆醛的释放量有很好的显著负相关性。虽然接装纸透气度与BaP 和NNK的释放量没有相关性(P＞0.05),但是不影响其与危害性指数H的显著负相关性。同时还发现随着接装纸透气度的增加,卷烟常规烟气成分的总粒相物、烟碱、焦油的释放量呈有规律性的下降。虽然卷烟的抽吸口数随透气度增加,但卷烟单口抽吸的总粒相物、烟碱和焦油的释放量与透气度仍然呈现显著的负相关关系。在对卷烟的感官质量影响方面,虽然对卷烟的香气、烟气和口感特性有所改善,但总体评价呈先增后降的趋势。