特殊旋轉濾嘴卷煙的制備及對主流煙氣常規(guī)指標的影響

楊建禮，常小紅，葛 暢，趙曉梅，鞏佳豪，薛 磊，曹永艷，喬 誠，曹 穩(wěn)*

1. 陜西中煙工業(yè)有限責任公司技術中心， 陜西省寶雞市高新大道100 號 721000 2. 陜西中煙工業(yè)有限責任公司物資采購中心，西安市高新區(qū)灃惠南路38 號 710065 3. 陜西中煙工業(yè)有限責任公司寶雞卷煙廠，陜西省寶雞市高新大道100 號 721000

與普通醋纖濾嘴卷煙相比，特殊旋轉濾嘴卷煙通過濾棒環(huán)切和接裝紙預打孔使濾嘴可旋轉，再配合濾嘴在線打孔實現(xiàn)濾嘴通風率可調(diào)，最終表現(xiàn)為煙氣濃度可以通過濾嘴旋轉而變化，從而適應不同消費者的需求。國外有關特殊濾嘴的研究主要集中于選擇性降低卷煙煙氣有害成分和毒理學研究上［1-9］。Brokl 等［1］研究發(fā)現(xiàn)，濾嘴中添加CR20 樹脂可以選擇性地去除部分揮發(fā)性羰基化合物和HCN；Talaiekhozani 等［3］將MgO 納米粒子添加到卷煙濾嘴中，與對照卷煙相比，主流煙氣CO、CO2、氮氧化物和總碳氫化合物的釋放量大幅減少。國內(nèi)關于特殊濾嘴的研究主要在溝槽濾嘴和濾嘴添加劑等方面［10-22］。李艷平等［15］分析了普通濾嘴、外置及內(nèi)置溝槽濾嘴、空腔濾嘴的煙堿截留效率和空間分布模式；王建民等［11］研究了溝槽濾嘴替換普通濾嘴后對卷煙品質及風格的影響；魯平等［12］比較了普通濾嘴，外置及內(nèi)置溝槽濾嘴對卷煙香氣成分的截留效率及差異；孫志偉等［13］建立了煙氣在溝槽濾嘴內(nèi)流動的計算流體力學模型，并模擬了煙氣在溝槽濾嘴內(nèi)的流場分布情況；盧真寶等［17］制備了β-苯乙醇-活性炭顆粒，并研究了其濾嘴加香效果；華青等［18］將NH4Cl 和活性炭混配制成復合濾嘴，研究其減害效果以及對煙氣成分的影響；Tian 等［21］研究發(fā)現(xiàn)與普通醋纖濾嘴相比，蠶絲纖維濾嘴卷煙主流煙氣中多環(huán)芳烴總釋放量明顯降低；Yu 等［22］研制了一種新型改性醋纖濾嘴，對主流煙氣中鎘和鉻的去除效果較好。然而目前關于特殊旋轉濾嘴卷煙的濾嘴材料設計以及旋轉前后的差異性研究鮮見報道。因此，通過濾嘴材料研究制備了特殊旋轉濾嘴卷煙，并分析特殊旋轉濾嘴旋轉前后主流煙氣常規(guī)物理和煙氣指標以及感官質量的差異，旨在為特殊旋轉濾嘴卷煙的設計提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

普通醋纖濾棒（長度120 mm，圓周24.1 mm，壓降3 400 Pa，絲束規(guī)格3.0Y/35 000，普通成型紙，寶雞好貓實業(yè)有限公司）；接裝紙（不打孔，寬度72 mm，定量41 g/m2，青島嘉澤包裝有限公司）；卷煙紙（透氣度60 CU，定量29 g/m2，牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司）；以某牌號配方煙絲作為實驗煙絲。

煙堿（99.5%，中國煙草總公司鄭州煙草研究院提供）。

紙張激光打孔機（上海杰瑞電子有限公司）；JK350-M 型實驗室煙支激光打孔機（南京瑞馳電子技術工程實業(yè)有限公司）；自制濾棒環(huán)切機；QTM8.0 型煙支/濾棒綜合測試臺（英國Cerulean 公司）；RM200A 轉盤型吸煙機（德國Borgwaldt KC公司）；HY-B2 型振蕩器（常州邁科諾儀器有限公司）；ME414S 型電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius 公司）；7890 氣相色譜儀（配有FID 和TCD檢測器，美國Agilent 公司）。

1.2 方法

1.2.1 環(huán)切濾棒樣品的制備

為使卷煙濾嘴可旋轉，首先需要使卷煙濾棒可旋轉，因此需要對濾棒進行360°環(huán)切。在實驗中發(fā)現(xiàn)，濾棒環(huán)切深度越深，其可以旋轉的幅度也就越大，但濾棒環(huán)切深度過深時，易造成濾棒內(nèi)芯斷裂從而導致濾棒直接被切斷，因此設置環(huán)切深度為2 mm 和3 mm，得到2 種濾棒樣品。在卷制樣煙時將濾棒一切為四，濾棒環(huán)切處、切斷處、濾嘴近唇端和搓接端的位置見圖1。

1.2.2 預打孔接裝紙樣品的制備

接裝紙切斷處（濾嘴近唇端）、預打孔處和搓接端的位置以及外表面上的指示標識見圖2。為與環(huán)切后的濾棒相配合使濾嘴可旋轉，使用紙張激光打孔機對接裝紙進行預打孔處理。激光打孔穿透紙張，相鄰孔之間保持一定距離以免多個孔連接成線而直接切斷接裝紙。在旋轉濾嘴時，接裝紙會從預打孔處斷開。為給后續(xù)的濾嘴在線打孔預留空間，接裝紙預打孔位置距唇端距離需大于濾棒環(huán)切位置距唇端距離。如圖2 所示，卷制樣煙時接裝紙從距邊緣36 mm 處切開，此處為濾嘴近唇端。紙張激光打孔機在距邊緣19 mm 處打孔，平均孔間距設置為0.05 mm，平均孔徑分別設置為0.15、0.10、0.05 mm，得到3 種預打孔接裝紙樣品。接裝紙外表面預打孔旁設置有表示煙氣濃度的標識，其中min 和max 分別表示最小和最大的煙氣濃度，min 和max 之間的距離為3.2 mm。

圖1 環(huán)切濾棒樣品制備示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation of ring cut filter rods

圖2 預打孔接裝紙樣品的制備示意圖Fig.2 Schematic diagram of preparation of preperforated tipping paper samples

1.2.3 預打孔接裝紙無膠區(qū)寬度的設置

為使接裝紙在濾嘴上粘貼牢固的同時不影響旋轉，如圖3 所示設置3 種無膠區(qū)，其寬度分別為8、11、14 mm，陰影部分為施膠區(qū)域。

圖3 接裝紙無膠區(qū)寬度的設置Fig.3 Width of glue-free zone in tipping paper

1.2.4 特殊旋轉濾嘴樣煙的制備

利用2 種環(huán)切濾棒、3 種預打孔接裝紙、3 種無膠區(qū)寬度和實驗煙絲在同一機臺上卷制的18 種樣煙的濾嘴參數(shù)見表1。樣煙規(guī)格為常規(guī)卷煙，煙支長度84 mm。每種樣品取樣100 支，并通過評價卷制效果確定最佳濾嘴設計參數(shù)。

表1 不同濾嘴設計參數(shù)的18 種樣煙Tab.1 Eighteen cigarette samples with different filter parameters

1.2.5 特殊旋轉濾嘴樣煙卷制效果評價標準

在特殊旋轉濾嘴卷煙的材料設計中，材料的上機適用性（B）、樣煙卷制成型后的外觀（A1）及其旋轉效果（A2）是影響樣煙卷制效果的3 個重要因素。統(tǒng)計因濾棒和接裝紙使用造成設備停機的時間，并參考文獻［23］中的方法用設備有效作業(yè)率表征材料的上機適用性，設備有效作業(yè)率=［（設備運行時間-材料使用停機時間）/設備運行時間］×100%。在材料上機運行的過程中，設備有效作業(yè)率較高（≥90%），因此令B 占樣煙卷制效果總分20%的權重，另兩個更為重要的因素A1和A2各占40%，即總分（S）=（A1+A2)×0.4+B×0.2，各影響因素滿分計100 分。各因素的評價標準見表2。

1.2.6 特殊旋轉濾嘴樣煙濾嘴打孔線參數(shù)的設置

為使煙氣濃度可以隨濾嘴旋轉而變化，在最佳濾嘴設計參數(shù)上增加濾嘴在線打孔。濾嘴在線打孔穿透接裝紙和成型紙，孔與孔之間相連通，位置在距離唇端13 mm 的圓周上，在該圓周上形成平均分布的3 條打孔線。濾嘴在線打孔孔徑為0.5 mm，設置1、2 和3 mm 3 個不同長度的打孔線，分別編號為P1、P2和P3，另加一個不打孔的對照樣品P0，共得到4 種樣煙。樣煙卷制后濾嘴接裝紙展開效果如圖4 所示，圖中標出了樣煙濾棒環(huán)切處、濾嘴打孔線和接裝紙預打孔線的位置。

表2 樣煙卷制效果的影響因素評價標準Tab.2 Evaluation standards of factors influencing cigarette manufacturing effect

圖4 特殊旋轉濾嘴接裝紙展開示意圖Fig.4 Schematic diagram of unfolded tipping paper of special rotation filter

1.2.7 樣煙常規(guī)物理指標和煙氣指標的測定

按照GB/T 22838.15—2009 的方法測定樣煙的濾嘴通風率、紙通風率和總通風率；按照GB/T 22838.5—2009 的方法測定樣煙的開放吸阻；按照GB/T 19609—2004 的方法測定樣煙主流煙氣總粒相物（TPM）、抽吸口數(shù)和焦油；按照GB/T 23355—2009 的方法測定樣煙總粒相物中煙堿的質量分數(shù)；按照GB/T 23203.1—2008 的方法測定樣煙總粒相物中的水分。

1.2.8 樣煙感官質量綜合評價

參考相關行業(yè)標準［24-27］制訂卷煙感官質量綜合評價方法，方法評價指標分為濃度、煙氣狀態(tài)、香氣質、香氣量、透發(fā)性、甜感、雜氣、刺激性、余味舒適性和純凈度共10 項指標，各指標滿分為10分。組織11 位具有行業(yè)卷煙感官評價資質的人員采用本感官質量綜合評價方法對樣煙進行評價。

2 結果與討論

2.1 特殊旋轉濾嘴卷煙材料設計參數(shù)的選擇

依據(jù)表2 中的卷制效果影響因素及其權重計算18 種樣煙的卷制效果得分（表3）。在卷制成型的樣品中，濾棒環(huán)切深度2 mm 與3 mm 相比，旋轉后回彈較多，旋轉效果較差；接裝紙預打孔孔徑0.10、0.05 mm 與0.15 mm 的樣品相比，部分煙支旋轉時預打孔處無法斷開；接裝紙無膠區(qū)寬度設置為8 mm 時，較多煙支存在漏膠現(xiàn)象并且影響旋轉效果和上機適用性，設置為14 mm 時，部分煙支出現(xiàn)泡皺等外觀缺陷。從表3 可知，樣品11 的卷制效果得分最高，因此選擇濾棒環(huán)切深度3 mm、接裝紙預打孔孔徑0.15 mm、接裝紙無膠區(qū)寬度11 mm 作為特殊旋轉濾嘴卷煙的材料設計參數(shù)。

表3 18 種樣煙的卷制效果得分Tab.3 Scores of cigarette manufacturing effect of 18 cigarette samples （分）

2.2 樣煙常規(guī)物理指標分析

樣煙旋轉前后濾嘴打孔線處的橫截面如圖5所示。濾嘴旋轉前，接裝紙上的箭頭對準min 的位置，此時接裝紙的打孔線和成型紙的打孔線完全重疊；濾嘴旋轉后，接裝紙上的箭頭對準max 的位置，此時接裝紙的打孔線和成型紙的打孔線完全錯開。

圖5 樣煙濾嘴打孔線處的橫截面Fig.5 Cross section of cigarette sample from perforated line in filter

由表4 可知，濾嘴沒有打孔線的樣煙（P0）旋轉后的濾嘴通風率大于旋轉前，吸阻略小于旋轉前。這是由于在標準測量條件［28］下，從煙蒂端流出的氣體流速是恒定的，為17.5 mL/s，濾嘴旋轉后，接裝紙從預打孔處斷開，從斷開處吸入的空氣量增大，同時維持煙蒂端氣體流速的負壓減小，造成濾嘴通風率增大，吸阻下降。對于濾嘴有打孔線的樣煙（P1、P2、P3）而言，旋轉后接裝紙和成型紙的通風線完全錯開，從接裝紙打孔線吸入的空氣量減小，煙蒂端的負壓增大，導致濾嘴通風率變小，吸阻變大。隨濾嘴打孔線長度的增加，樣煙旋轉前的濾嘴通風率增大，吸阻下降，這是由于從打孔線吸入濾嘴的空氣量增大導致的；旋轉后樣煙的濾嘴通風率隨打孔線的延長呈輕微升高趨勢，吸阻呈降低趨勢，原因可能是濾嘴旋轉后打孔線錯開，抽吸時空氣仍可從接裝紙打孔線進入接裝紙與成型紙的間隙，并進一步擴散至濾嘴內(nèi)造成的。隨著濾嘴通風率增大，總通風率與之愈接近，這是由于總通風由濾嘴通風和紙通風組成，從打孔線進入的空氣量增大會導致紙通風減少。

表4 4 種樣煙常規(guī)物理指標Tab.4 Routine physical indexes of 4 cigarette samples

2.3 樣煙常規(guī)煙氣指標分析

4 種樣煙主流煙氣焦油、煙堿和CO 釋放量的散點圖（圖6）顯示，濾嘴沒有打孔線的樣煙旋轉后煙氣焦油、煙堿和CO 的釋放量下降；相較于沒有打孔線的樣煙，濾嘴有打孔線的樣煙旋轉后，煙氣焦油、煙堿和CO 的釋放量則上升。隨濾嘴打孔線長度的增加，樣煙旋轉前后煙氣焦油、煙堿和CO釋放量的變化范圍呈降低趨勢。

圖6 4 種樣煙主流煙氣焦油、煙堿、CO 的釋放量Fig.6 Releases of tar, nicotine and CO in mainstream smoke of 4 cigarette samples

4 種樣煙常規(guī)煙氣指標的分析結果見表5。ISO 抽吸模式［29］為抽吸容量35 mL，每口抽吸2 s，每60 s 抽1 口，而35 mL 的煙氣總吸入量由卷煙燃燒錐、濾嘴通風孔和卷煙紙3 個部位的空氣吸入量組成。在抽吸通風卷煙的過程中，由于一部分空氣吸入濾嘴通風孔和卷煙紙使從卷煙燃燒錐吸入的空氣量降低，導致主流煙氣被從濾嘴通風孔和卷煙紙吸入的空氣所稀釋，因此本研究中提出用燃燒錐處空氣吸入量來表征煙氣總吸入量中從燃燒錐吸入的部分，燃燒錐處空氣吸入量（mL）=35×（1-總通風率）。主流煙氣TPM、水分是卷煙抽吸期間熱解燃燒區(qū)域物理化學反應生成的產(chǎn)物，因此與燃燒錐處空氣吸入量呈正比。卷煙抽吸口數(shù)與燃燒錐處空氣吸入量有關，當燃燒錐處空氣吸入量減少時，相應地每口抽吸消耗煙草的質量也減少，因此卷煙抽吸口數(shù)增加；相反地，燃燒錐處空氣吸入量增加時，抽吸口數(shù)減少。卷煙單口焦油、單口煙堿的釋放量與燃燒錐處空氣吸入量呈正比。4 種樣煙濾嘴旋轉前后煙堿在TPM中的質量分數(shù)、煙堿/焦油比值沒有明顯差異。隨卷煙濾嘴通風率升高，水分在TPM 中的質量分數(shù)呈下降趨勢，原因可能是濾嘴通風減緩了煙氣的流速，延長了煙氣在煙柱和濾嘴中的停留時間，使氣體（包括水蒸氣）和一些小分子易揮發(fā)物質更易向外部空氣擴散［30-32］，導致水分在TPM 中的質量分數(shù)減小。主流煙氣水分適宜則煙氣柔和細膩，刺激性小，卷煙感官舒適性較好；煙氣中水分量低時，會導致煙氣干燥，刺激性變大，感官舒適性降低［33-34］。

表5 4 種樣煙常規(guī)煙氣指標分析結果Tab.5 Analysis results of routine smoke indexes of 4 cigarette samples

將4 個樣煙旋轉前后共8 個燃燒錐處空氣吸入量的數(shù)據(jù)作為自變量，與其主流煙氣常規(guī)成分釋放量進行擬合，結果見表6?？梢钥闯?，燃燒錐處空氣吸入量與焦油、煙堿和CO 的釋放量正相關（R2＞0.99），從擬合方程斜率可知燃燒錐處空氣吸入量對其影響程度排序為CO＞焦油＞煙堿。隨著濾嘴通風率的降低，煙氣稀釋率隨之下降［35］，導致主流煙氣焦油、煙堿和CO 增加，與此同時燃燒錐處空氣吸入量增加，煙氣流速變快，大大減少了氣體分子的擴散效應［30-32］，因此在主流煙氣焦油、煙堿和CO 3 項指標中，CO 所受影響最大。隨燃燒錐處空氣吸入量的增大，卷煙熱解燃燒區(qū)域物理化學反應更加劇烈，濾嘴過濾效率下降，導致主流煙氣化學成分發(fā)生變化［30-32］。這與前人的研究結果［36-38］一致，濾嘴通風率發(fā)生變化時，主流煙氣煙堿受到的影響程度最低。

表6 燃燒錐處空氣吸入量對主流煙氣焦油、煙堿和CO 的影響Tab.6 Effects of air input through burning cone on tar, nicotine and CO in mainstream cigarette smoke

2.4 樣煙感官質量綜合評價結果分析

對樣煙的評吸結果見表7。將旋轉前的樣品P0作為對照樣，以P0的各項分值為基準，評吸旋轉前的P1、P2、P3并與對照進行比較。相較于對照，旋轉前的P1、P2、P3抽吸流暢性提高并伴隨著煙氣濃度不同程度的減弱，濾嘴打孔線長度為1 mm 時卷煙刺激性和余味有改善，打孔線長度再延長時卷煙香氣量、甜感和吃味減弱，煙氣干燥感增加。對4 種樣煙旋轉前與旋轉后的感官差異進行評吸比較，沒有打孔線的樣品P0旋轉后煙氣濃度稍有降低，抽吸流暢性和刺激性有改善；有打孔線的P1、P2、P3旋轉后煙氣濃度提升、吃味變濃、干燥感減弱。4 種樣煙評吸的總體評價為P1＞P0＞P2＞P3，針對特殊旋轉濾嘴卷煙旋轉后煙氣濃度升高的設計要求和樣煙的感官品質，特殊旋轉濾嘴卷煙打孔線最佳長度為1 mm。

表7 4 種樣煙的感官評吸結果Tab.7 Results of sensory evaluation of 4 cigarette samples （分）

3 結論

①確定了濾棒環(huán)切深度3 mm、接裝紙預打孔孔徑0.15 mm、接裝紙無膠區(qū)寬度11 mm、濾嘴打孔線長度1 mm 的特殊旋轉濾嘴卷煙材料設計參數(shù)。②隨著濾嘴打孔線長度的增加，樣煙的濾嘴通風率呈升高趨勢，吸阻呈降低趨勢，樣煙濾嘴旋轉前后焦油、煙堿和CO 釋放量的變化范圍亦呈降低趨勢。隨著燃燒錐處空氣吸入量的增加，主流煙氣焦油、煙堿、CO、水分、TPM、單口焦油、單口煙堿的釋放量升高，水分/TPM 也升高，煙堿/TPM、煙堿/焦油沒有明顯變化，抽吸口數(shù)則減少。③相較于濾嘴沒有打孔線的未旋轉卷煙，打孔線長度為1 mm 時卷煙刺激性和余味有改善，打孔線長度延長至2 mm 和3 mm 時卷煙煙氣發(fā)干，香氣量和吃味變淡。濾嘴有打孔線的樣煙旋轉后煙氣濃度提升、吃味變濃、干燥感減弱。特殊旋轉濾嘴樣煙的不同濾嘴打孔線長度使得濾嘴通風率和燃燒錐處空氣吸入量發(fā)生變化，并最終導致樣煙主流煙氣常規(guī)成分和感官質量的改變。