陳化條件對卷煙物理指標和有害成分的影響

岳華峰，石 炬，李曉紅，劉志暉

(湖北中煙工業(yè)有限責任公司 廣水卷煙廠，湖北 廣水 432700)

近年來隨著物質(zhì)生活的不斷豐富，綠色健康成為人們對食品選擇的一個重要因素。卷煙作為一種食品，其危害與健康矛盾的協(xié)調(diào)越來越受到世界各國關(guān)注，有研究表明，卷煙主流煙氣中的焦油、煙堿、NH3(氨)、CO(一氧化碳)、B[a]P(苯并芘)、NNK(降煙堿)、HCN(氫氰酸)、苯酚、巴豆醛對吸煙者的危害最為顯著[1-4]，可見降焦減害技術(shù)已成為衡量各大卷煙企業(yè)核心競爭力的重要標志[5-7]。為此，大量專家學者圍繞降焦減害這一主題開展了大量的研究[8-10]。王乃定等[11]研究了不同吸附材料對卷煙降焦減害的影響，結(jié)果表明，納米材料應用于卷煙濾棒中可有效地達到降焦減害的作用。王建新等[1]研究表明，使用AXL的卷煙焦油釋放量和B[a]P釋放量分別降低了7%和7.6%。李紹民等[12]研究表明，利用改性Y型分子篩能顯著降低卷煙煙氣的焦油量，而且對卷煙煙氣中的苯系物、稠環(huán)芳烴、酚類成分和煙草特有亞硝胺等有害成分均具有一定的選擇性過濾效果，這些研究成果對卷煙危害性的降低都起到了一定的作用，但成本較高。為此需要在降低危害的基礎(chǔ)上控制生產(chǎn)成本，而陳化是卷煙生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，是卷煙制絲加工成卷煙的前提保障[13-15]，陳化過程中烤煙在微生物與酶活性的作用下內(nèi)含物質(zhì)進一步降解轉(zhuǎn)化，使烤煙的品質(zhì)得到一定程度的改善[16]。申培林等[17]對烤煙陳化過程中多酚含量進行了研究，結(jié)果表明，綠原酸含量在陳化后較陳化前升高，蕓香苷含量呈現(xiàn)不同的特點。趙銘欽等[18]研究表明，煙葉中各種有機酸含量在陳化過程中的變化趨勢明顯不同，其中大部分酸性物質(zhì)的含量呈下降趨勢。然而關(guān)于陳化過程中卷煙物理特性對主流煙氣中有害成分影響的研究尚未見報道。因此，對不同陳化條件下卷煙的物理特性以及主流煙氣中的有害成分進行檢測分析，以期對降焦減害的進一步實現(xiàn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年3月在湖北中煙公司技術(shù)中心進行，供試烤煙品種為中煙100，樣品為許昌市、漯河市、平頂山市、南陽市、駐馬店市、洛陽市、三門峽市以及鄭州市等下屬的10個植煙縣(市)的123個C3F煙葉。

卷煙所用煙筒由湖北中煙廣水卷煙廠統(tǒng)一提供，其中煙筒的圓周為24.4 mm，長度為84 mm，濾嘴長度為25 mm，接裝紙長度為32 mm，盤紙長度為52 mm。

試驗所用吸煙機為RM-200A轉(zhuǎn)盤式吸煙機(德國Borgwaldt公司)；氣相色譜儀Agilent 7890A型、氣相質(zhì)譜儀Agilent 5975C、高效液相色譜儀Agilent 1200(美國Agilent公司)，液相色譜三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀API 4000(美國ABSCIEX 公司)，連續(xù)流動分析儀AA3型(英國Seal公司)，離子色譜儀ICS 3000(美國戴安公司)。

1.2 試驗方法

陳化過程中設(shè)置3個處理，T1：不套袋，T2：套袋敞口，T3：套袋封口。分別在陳化的0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、36個月測定相關(guān)指標。

煙絲質(zhì)量的測定采用千分之一分析天平稱取10支然后計算均值；燃燒溫度采用HB-SP801型紅外點溫圖像儀進行測量，每20 s測量一次求均值；靜燃速率每次選10支煙同時點燃，記錄靜然時間，計算靜燃速率，求平均值。

CO含量的測定采用GB/T 23356—2009進行；NNN含量的測定采用LC-MS/MS法進行，B[a]P含量的測定采用GB/T 21130—2007進行，巴豆醛含量的測定采用YC/T 254—2008進行，苯酚含量的測定采用YC/T 255—2008進行，HCN含量的測定采用YC/T 253—2008進行，NH3含量的測定采用YC/T 377—2010進行。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010與MATLAB2016b進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 陳化過程中不同陳化條件下卷煙物理指標的變化

由圖1可知，隨著烤煙陳化的不斷進行，卷煙的物理指標呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，各處理卷煙煙絲的質(zhì)量均呈現(xiàn)出波浪形變化，但均控制在780～825 mg/支。煙支在吸食過程中燃燒溫度隨陳化時間的延長總體表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，且T1處理的燃燒溫度在陳化18個月達到峰值，T2處理在陳化27個月達到峰值，T3處理在陳化21個月達到峰值，峰值的大小表現(xiàn)為T3>T1>T2；此外在陳化的前18個月T1處理的燃燒溫度明顯高于T2和T3處理。陳化過程中各處理卷煙的靜燃速率均逐漸提高，且在陳化進行的0～12個月T3處理略高于T1和T2處理，陳化進行的12～24個月3個處理差異不明顯，陳化進行的24～36個月各處理的靜燃速率表現(xiàn)為T3>T2>T1。陳化過程中煙支的吸阻隨陳化時間的延長總體上逐漸降低，且各處理在陳化9～15個月吸阻表現(xiàn)為T2>T3>T1，且T2和T1處理吸阻的最大差值為144 Pa，而T2和T3處理吸阻的最大差值為41 Pa；在陳化的15～30個月，卷煙的吸阻表現(xiàn)為T3>T2>T1，且在陳化18～27個月 T2和T1處理的差異保持在較小水平，T3和T2處理的最大吸阻差值出現(xiàn)在陳化的第21個月，差值為83 Pa，T3和T1處理的最大吸阻差值出現(xiàn)在陳化的第24個月，差值為101 Pa。

圖1 陳化過程中卷煙物理指標的變化

2.2 陳化過程中不同陳化條件下卷煙主流煙氣中有害成分的變化

由圖2可知，陳化過程中各處理卷煙主流煙氣中的不同有害成分的變化差異較大，其中各處理主流煙氣中焦油含量總體表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢，且各處理焦油含量均在陳化24個月左右達到谷值，在陳化的18～24個月各處理焦油含量表現(xiàn)為T3>T2>T1，而其他陳化階段各處理的焦油含量均表現(xiàn)為T1>T2>T3。綜合來看，經(jīng)過陳化后烤煙的焦油含量有一定幅度的降低，對卷煙的降焦減害有較大的促進作用，烤煙的可用性得到進一步提高。

與焦油含量相比，在陳化過程中烤煙主流煙氣中HCN含量大體上也表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢，但3個處理HCN含量達到谷值的時間差異較大，其中T1和T3處理出現(xiàn)在陳化的21個月，而T2處理出現(xiàn)在陳化的15個月；且在陳化的前9個月各處理HCN含量差異較小，在陳化的9～18個月T1處理顯著大于T2和T3處理(P<0.05)，且在陳化的15個月T1和T3處理的HCN含量的差值達到最大，為31.3 μg/g，陳化進行18個月后各處理煙氣中HCN含量表現(xiàn)為T2>T3>T1。就整個陳化過程而言，各處理烤煙經(jīng)過陳化后卷煙主流煙氣中HCN含量均有較大幅度的降低，卷煙的危害性得到一定程度的降低。

圖2 陳化過程中卷煙主流煙氣中有害成分的變化

各處理卷煙主流煙氣中苯酚含量在陳化過程中均總體上表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，且3個處理苯酚含量的最大值差異較小，但各處理達到峰值的陳化時間有所差異；陳化過程中的前6個月各處理苯酚含量差異較??；在陳化進行的6～12個月各處理卷煙主流煙氣中苯酚含量表現(xiàn)為T1>T2>T3；在陳化15個月后各處理卷煙主流煙氣中苯酚的含量表現(xiàn)為T3>T2>T1，且在陳化的24～27個月各處理差異出現(xiàn)最大值，其中T3處理比T1處理高12.81 μg/g，比T2處理高10.01 μg/g。陳化27個月后苯酚含量迅速降低，但考慮到卷煙企業(yè)正常的烤煙陳化時間，陳化對苯酚危害的降低作用較小。

陳化過程中烤煙主流煙氣中NH3含量變化也總體表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，且均在陳化的9個月達到峰值，之后迅速下降；在陳化的6～15個月主流煙氣中NH3含量大體表現(xiàn)為T1>T3>T2，其他陳化時期則表現(xiàn)為T2>T3>T1。綜合來看，陳化可以降低烤煙主流煙氣中NH3的含量，提高卷煙的安全性，且套袋不利于NH3含量的降低。

陳化過程中B[a]P含量表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，但經(jīng)過陳化烤煙主流煙氣中B[a]P含量均高于陳化前，峰值出現(xiàn)在陳化的21～24個月，3個處理之間的差異無明顯規(guī)律，表明在煙葉適用于卷煙制造的正常陳化時間范圍內(nèi)(24個月左右)，可以明顯降低B[a]P的危害。

陳化過程中烤煙主流煙氣中CO、煙堿與NNK含量總體上均隨陳化時間的延長逐漸降低，且CO與煙堿含量大體上表現(xiàn)為T1處理高于T2和T3處理，表明陳化過程中套袋能降低烤煙主流煙氣CO和煙堿含量，進一步降低卷煙的危害；烤煙主流煙氣中NNK含量在3個處理間差異不明顯，表明烤煙經(jīng)過陳化后NNK含量在一定程度上得到降低。

烤煙主流煙氣中巴豆醛含量隨陳化的進行總體上逐漸增加，且在陳化進行6～18個月不同處理間差異比較明顯，表現(xiàn)為T3>T2>T1，表明套袋處理不利于巴豆醛含量的降低，其他陳化階段3個處理間差異不明顯。

綜合分析表明，可以在卷煙生產(chǎn)中可以通過陳化減少卷煙制品主流煙氣中的有害成分，且套袋處理對一些有害成分指標的降解效果較好。

2.3 卷煙物理指標與有害成分含量的灰色關(guān)聯(lián)分析

由表1可知，經(jīng)過陳化后卷煙的煙絲質(zhì)量與焦油、HCN、CO以及煙堿含量均有較高的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)系數(shù)均達到0.43以上，表明卷煙中煙絲的質(zhì)量對主流煙氣中焦油、HCN、CO以及煙堿的含量影響較大，在生產(chǎn)中可以利用膨脹煙絲技術(shù)增加煙絲的填充值，降低煙絲質(zhì)量，進而降低焦油、HCN、CO以及煙堿的危害；煙支燃燒溫度與主流煙氣中B[a]P和巴豆醛的含量有較高的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為0.408 6和0.479 2，表明在卷煙生產(chǎn)過程中可以增加卷煙的進氣量，促進煙葉的充分燃燒，控制卷煙的燃燒溫度，進而減少B[a]P和巴豆醛的危害；卷煙的靜燃速率與煙氣中NNK含量的關(guān)聯(lián)度達到各指標的最大值，關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.741 7，表明卷煙的靜燃速率對主流煙氣中NNK含量影響較大，在生產(chǎn)中可以適當增加卷煙的燃燒速率進而降低NNK的危害，從而達到減害的目的；煙支吸阻與除B[a]P、煙堿和NNK之外的其他有害成分含量均有較高的關(guān)聯(lián)度，表明在卷煙生產(chǎn)中可以通過升級濾棒的手段降低卷煙吸阻，從而降低主流煙氣中有害成分的危害。

表1 卷煙物理指標與有害成分含量的灰色關(guān)聯(lián)分析

3 結(jié)論與討論

烤煙陳化過程中卷煙的物理指標有不同程度的差異，其中煙絲質(zhì)量變化呈波浪形變化，不同陳化條件下的差異較大，但均保持在0.8 g左右，這主要是由于實際卷煙的要求所致[19]。而在陳化的前18個月不套袋陳化的卷煙燃燒溫度明顯高于2個套袋處理，可能是由于套袋陳化過程中在微生物與酶的作用下，烤煙的干物質(zhì)消耗較多，燃燒的溫度相對較低[19]。在陳化過程中各處理卷煙的靜燃速率均逐漸增加，但差異不明顯，可能是由于烤煙的干物質(zhì)在陳化過程中雖然進一步降解轉(zhuǎn)化，但各處理的降解轉(zhuǎn)化量只在一定范圍內(nèi)變化，不足以影響卷煙靜燃速率變化，另外在燃燒時由于沒有抽吸作用的助燃，使得燃燒時的速率差異不大。煙支的吸阻隨陳化時間的延長總體上逐漸降低，且在陳化的6～30個月套袋處理煙葉的吸阻要大于不套袋處理，可能是由于套袋陳化的內(nèi)含物質(zhì)消耗略多，制成的煙絲填充值較低，煙絲較多使得吸阻較大[19]。

經(jīng)過陳化，除巴豆醛外烤煙主流煙氣中的危害成分含量均有一定程度的降低，這主要是由于巴豆醛的化學性質(zhì)比較穩(wěn)定，在陳化條件下絕對含量變化不大，隨著陳化過程中烤煙干物質(zhì)的消耗相對含量逐漸增加[19]；套袋處理在一定的陳化時期能夠降低焦油、HCN、B[a]P、CO以及煙堿的含量，可能是由于這些有害成分的前體物或本身物質(zhì)在套袋陳化時，微生物以及相關(guān)酶的作用較強，降解速率較快[19]，但不利于苯酚與NH3含量的降低，這可能是由于不套袋處理的環(huán)境條件更有利于此類物質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化。且不同處理對NNK含量影響不大，表明套袋處理不足以營造足夠的環(huán)境條件來降低NNK的含量。

本研究分析表明，卷煙的物理指標對主流煙氣中有害成分的影響較大，其中煙絲質(zhì)量對焦油、HCN、CO以及煙堿含量均有較大的影響，由于煙絲量越多，煙絲間的空隙越小，抽吸時進入的氧氣量越低，煙絲燃燒不充分，主流煙氣中焦油、HCN、CO以及煙堿含量相應增加；煙支燃燒溫度對主流煙氣中B[a]P和巴豆醛含量影響較大。于建軍[19]研究表明，卷煙的燃燒溫度越高，B[a]P和巴豆醛前提物裂解產(chǎn)生的量越多，可知在一定范圍內(nèi)減少煙絲的燃燒量、降低燃燒溫度可以降低主流煙氣中高B[a]P和巴豆醛的含量。煙支的靜燃速率與NNK含量有較高的關(guān)聯(lián)度。龐永強等[20]研究表明，增加抽吸時烤煙的通風量能夠明顯降低卷煙主流煙氣中NNK等有害成分的含量，可知隨著靜燃速率增加，卷煙充分燃燒，NNK含量相對減少。煙支吸阻對主流煙氣中除B[a]P、煙堿和NNK之外的其他有害成分含量均有較大影響，可能是吸阻較大造成煙絲的燃燒不充分，進而使得苯酚、NH3以及CO含量增加[20]。

參考文獻:

[1] 王建新,熊斌,李青城,等.新型AXL卷煙的研制及其降焦減害效果評價[J].武漢工程大學學報,2003,25(4):4-6.

[2] 孫肖,王士奎,樊惠玲,等.降焦減害濾嘴添加劑的研究進展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2012,40(36):17742-17744.

[3] 金勇,王詩太,李克,等.卷煙濾嘴在降焦減害中的研究進展[J].煙草科技,2016,49(11):68-76.

[4] 何景福.新型材料在卷煙降焦減害中的應用[J].鄭州輕工業(yè)學院學報(自然科學版),2007,22(2):53-57.

[5] 孫學輝,楊松,孫培健,等.基于卷煙降焦減害的濾嘴添加劑研究與應用進展[J].煙草科技,2017,50(2)：86-96.

[6] 田海英,張展,聶聰,等.煙絲添加劑在卷煙降焦減害中的研究進展[J].中國煙草學報,2016,22(5):133-144.

[7] 張悠金.新型納米材料的制備、表征及在卷煙降焦減害中應用研究[D].合肥:中國科學技術(shù)大學,2005.

[8] 張博,陳勝利,馮濤,等.從農(nóng)業(yè)和工業(yè)的角度闡述煙草降焦減害的技術(shù)途徑[J].北京農(nóng)業(yè),2013(33)：10-12.

[9] 白家峰,劉政,黃江鋒,等.蘋果酸鉀選擇性降低卷煙有害成分含量的研究[J].輕工科技,2012(7):123-124.

[10] 陳永森,崔成哲,朱良華,等.“人參皂苷”膠囊濾棒對卷煙有害成分及香氣特征的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2015，43(35):131-133.

[11] 王乃定,向能軍,李春,等.不同吸附材料在卷煙降焦減害中的應用[J].光譜實驗室,2010,27(3):1135-1138.

[12] 李紹民,胡有持,趙明月,等.利用改性Y型分子篩降低卷煙煙氣中的有害成分[J].中國煙草學報,2003,9(3):28-39.

[13] 李炎強,胡有持,宗永立,等.烤煙陳化過程中揮發(fā)性、半揮發(fā)性脂肪酸和pH的變化研究[J].香料香精化妝品,2004(3):21-24.

[14] 韓錦峰,朱大恒,楊素勤,等.不同陳化時期烤煙幾種酶活性及相關(guān)化學成分的分析[J].中國煙草科學,1999(1):1-2.

[15] 張西仲,徐曉燕,韓忠明,等.烤煙片陳化過程中化學成分及相關(guān)酶活性的分析[J].貴州農(nóng)業(yè)科學,2008,36(6):24-26.

[16] 李丹丹,張保全,夏琛,等.不同程度含青烤煙在陳化期間化學成分的變化[J].江西農(nóng)業(yè)學報,2012,24(8):41-42.

[17] 申培林,李亞培,楊鐵釗,等.烤煙陳化過程中多酚含量的變化[J].浙江農(nóng)業(yè)科學,2011(3):609-612.

[18] 趙銘欽,陳秋會,陳紅華.溫濕度對烤煙陳化過程中質(zhì)量變化的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)科學,2008(5):609-613.

[19] 于建軍.卷煙工藝[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[20] 龐永強,黃春暉,陳再根,等.通風稀釋對卷煙燃燒溫度及主流煙氣中主要有害成分釋放量的影響[J].煙草科技,2012(11):29-32.