卷煙濾嘴在降焦減害中的應(yīng)用

李思哲，謝國勇，銀董紅，唐 翔，潘春躍，唐俊濤

（1.中南大學(xué)，湖南 長沙 410083；2.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007）

隨著煙草開始向無公害方向發(fā)展，著力開發(fā)低焦油、低危害的卷煙產(chǎn)品是提高卷煙水平的關(guān)鍵，也是順應(yīng)卷煙市場發(fā)展潮流的必要之舉[1]。卷煙濾嘴在卷煙降焦減害中發(fā)揮著舉足輕重的作用，因此，從改進(jìn)卷煙濾嘴著手開展工作一直都是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。本研究綜述了濾嘴結(jié)構(gòu)、濾嘴材料、濾嘴技術(shù)的應(yīng)用及其在卷煙降焦減害中發(fā)揮的作用，并對濾嘴技術(shù)今后的發(fā)展趨勢作出展望。

1 濾嘴結(jié)構(gòu)

卷煙濾嘴由接裝紙、成形紙、濾芯棒構(gòu)成[2]。濾嘴和煙支通過接裝紙連接在一起；成形紙作為專用紙用于卷包過濾材料；濾芯棒可以有效地濾除主流煙氣中的部分有害成分。

2 濾嘴材料

隨著合成技術(shù)及功能材料的發(fā)展，卷煙濾嘴已從傳統(tǒng)材料濾嘴發(fā)展至多種新型材料濾嘴。

2.1 傳統(tǒng)材料濾嘴

2.1.1 紙質(zhì)過濾嘴

紙質(zhì)過濾嘴棒以木漿纖維為原材料，優(yōu)點(diǎn)是成本低，且有較強(qiáng)的去除焦油和尼古丁的能力，而且材料本身安全健康、降解性能好。然而，其較軟的材質(zhì)、受潮后易軟化、木漿含有氣味等缺點(diǎn)影響了卷煙的吸食體驗(yàn)[3]。

2.1.2 活性炭過濾嘴

活性炭因多孔結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積且吸附能力較強(qiáng)，被應(yīng)用于制備過濾嘴棒。其吸附能力由兩方面要素決定，表面結(jié)構(gòu)特性決定其物理吸附能力，表面化學(xué)特性決定其化學(xué)吸附能力[4]。

2.1.3 醋酸纖維濾嘴

以廉價(jià)易得的醋酸、棉短絨與木材等為原料制成醋片后進(jìn)行紡絲，可制得醋酸纖維，用于制備醋酸纖維過濾嘴棒，其中，絲束主要為二醋酸纖維[5]。醋酸纖維絲束具有無毒無味、機(jī)械強(qiáng)度合適、過濾及加工性能好、易分解等優(yōu)點(diǎn)；但其資源有限，所以成本較高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、有機(jī)溶劑回收復(fù)雜等。

2.1.4 聚丙烯纖維濾嘴

以煙用聚丙烯絲束作為主要原料、專用水性膠黏劑作為黏合劑粘連后，將濾棒烘干成形可制得聚丙烯濾嘴[6]，具有密度小、強(qiáng)度高、回潮率低、熔點(diǎn)低等物理性能以及穩(wěn)定的化學(xué)性能，這些性能使其能有效截留煙氣中的自由基。但聚丙烯材料的惰性使得煙支的口感有所下降，目前只能更多應(yīng)用于低檔卷煙。

2.2 新型材料濾嘴

2.2.1 納米材料濾嘴

納米顆粒豐富的表面活性位點(diǎn)和充足的化學(xué)反應(yīng)接觸面積，使其在卷煙濾棒添加中得到十分廣泛的應(yīng)用。納米材料濾嘴作用的基本原理是：納米材料可高效吸附煙氣從而達(dá)到過濾效果。周宛虹[7]將介孔二氧化硅材料進(jìn)行胺基功能化得到的新型納米材料（MCM-41-NH2）添加至濾棒，在保持煙氣常規(guī)成分釋放量基本不變的情況下，對HCN選擇性降低至25.7%。此外，某學(xué)者將基于多壁碳納米管（MWCNT）的薄柔性膜插入常規(guī)醋酸纖維素過濾嘴中，該過濾器顯示出卓越的PM2.5去除性能，去除率約為99%；其還具有去除煙堿、尼古丁、焦油和有毒重金屬（例如香煙中的鉛）的顯著能力[8]。

2.2.2 天然植物材料添加劑濾嘴

天然植物材料添加劑濾嘴，顧名思義，是由天然材料制成，其富含的有機(jī)化合物具有增香、殺菌、抗氧化的作用。將其添加至濾嘴在吸附主流煙氣中有害成分的同時(shí)，還具有不參與燃燒、不產(chǎn)生其他有毒有害物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。戴亞[9]報(bào)道了一種二元復(fù)合濾棒，將天然植物中提取的多種酮、酚類及其衍生物，與新鮮動(dòng)物血液中的血紅素復(fù)合成卟啉類化合物，而后負(fù)載于茶末載體之上。運(yùn)用此方法制成的卷煙對減少主流煙氣中的稠環(huán)芳烴（PAHs）、煙草特有亞硝（TSNAs）和自由基等有害物質(zhì)具有較好的效果。另外，茶葉的加入不僅能使煙氣的香味發(fā)生變化，還因其吸附能力，可以選擇性地吸附酚類、稠環(huán)芳烴類物質(zhì)。

2.2.3 復(fù)合型濾嘴

復(fù)合型濾嘴分為二元復(fù)合和三元復(fù)合。二元復(fù)合濾嘴由內(nèi)外兩段構(gòu)成，外段為二醋酸纖維，內(nèi)段為具有吸附能力的物質(zhì)，能對煙氣進(jìn)行有效吸附，制作工藝的簡單性使其成為目前應(yīng)用范圍最廣的復(fù)合濾嘴。三元復(fù)合濾嘴由內(nèi)、中、外3個(gè)部分構(gòu)成，外段為醋酸纖維，中段為選擇性吸附物質(zhì)，內(nèi)段為醋酸纖維或者加入了添加物的醋酸纖維。某學(xué)者報(bào)道了由一種活性炭纖維制成的三元復(fù)合濾嘴，該濾嘴由內(nèi)外普通濾芯段中間夾雜活性炭纖維濾芯段構(gòu)成?；钚蕴坷w維濾芯段的加入，使得卷煙中的有害成分被選擇性地高效吸附。除了將活性炭用于制作復(fù)合濾嘴外，近年來，對其他材料的復(fù)合也進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

3 濾嘴技術(shù)的應(yīng)用

目前，一般認(rèn)為煙氣中的主要有害物質(zhì)為一氧化碳、自由基、N-亞硝胺、苯并芘（稠環(huán)芳烴）等。下面介紹濾嘴技術(shù)在降低卷煙主要有害成分中的應(yīng)用。

3.1 降低一氧化碳釋放量（CO）

CO是煙絲通過裂解形成的有害氣體之一，為降低主流煙氣中的CO，已經(jīng)展開了多種方法的研究。常見的物理方法為：用在卷煙紙上打孔的方式提高透氣度和濾嘴通風(fēng)度，使得CO等有害氣體可通過孔排出。

此外，加入添加劑或者催化劑也是降低煙氣中CO的有效方法。一種途徑是直接抑制CO的產(chǎn)生。菲·莫公司報(bào)道了一種直接降低CO的方法，將納米級的Fe2O3催化劑加入煙絲中，可降低煙絲的裂解溫度，使其達(dá)不到CO產(chǎn)生的要求。另一種途徑是將產(chǎn)生的CO轉(zhuǎn)化為CO2，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所和鄭州煙草研究院將二元納米催化材料和納米貴金屬催化材料復(fù)合，該濾棒在常溫下將CO氧化為CO2，有效降低了CO的釋放量。

3.2 降低自由基濃度

自由基是卷煙中一類重要的有害物質(zhì)，會(huì)誘發(fā)一系列重大疾病，如癌癥、心臟病等。目前，常用且有效的方法是將天然抗氧化劑添加至濾嘴。根據(jù)某學(xué)者報(bào)道，將一定梯度的葉黃素和β-胡蘿卜素添加至卷煙，可對降低焦油中的自由基濃度起一定作用。美國專利報(bào)道了一種包括L-谷胱甘肽、抗氧化劑酶、過氧化氫酶以及超氧化物歧化酶源谷胱甘肽的混合物，可有效降低煙氣中的自由基濃度。將該混合物添加到煙絲或?yàn)V嘴內(nèi)，可以清除和中和煙氣內(nèi)的自由基。

3.3 降低N-亞硝胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)

亞硝胺類化合物是一種來自含氮化合物的氧化物，是煙草中公認(rèn)的最強(qiáng)致癌物。某學(xué)者將硅膠、沸石、多孔氧化鋁、硅鋁酸鹽等多孔材料與海藻酸鹽制成懸浮液后，噴灑至煙絲上，能使煙氣中的亞硝胺降低17%～65%。美國專利報(bào)道，用微波或者較高頻波在煙草植物調(diào)制周期中進(jìn)行輻射，處理后的煙草中亞硝胺含量可降低至鮮煙葉水平。最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其處理過的煙制品金黃煙葉與傳統(tǒng)的調(diào)制煙葉相比，已知致癌物的含量幾乎可以忽略不計(jì)。

3.4 減少苯并芘（稠環(huán)芳烴）

煙草不完全燃燒產(chǎn)生稠環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbon，PAHs），選用含稠環(huán)芳烴較少的煙草品種、改進(jìn)濾嘴組成、增大卷煙紙透氣率、改變煙絲組成等，是目前常用的減少卷煙煙氣中稠環(huán)芳烴的方法。新型NaY型分子篩和二元分子篩復(fù)合濾棒被應(yīng)用于煙草工業(yè)。對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，苯并[a]芘、3種稠環(huán)芳烴總量等均有效降低。中草藥添加劑也具有較好的降焦減害效果，華東理工大學(xué)報(bào)道了一種多環(huán)芳烴，作為中藥添加劑，可有效降低煙氣中的自由基。他們采用鄰苯三酚自氧化紫外方法和熒光法篩選中藥，得到幾種中草藥的復(fù)方，然后噴灑在煙絲卷上制成煙支，通過實(shí)驗(yàn)及檢測，證實(shí)煙氣中的多環(huán)芳烴得到很大程度的減少。

4 展望

卷煙濾嘴作為卷煙產(chǎn)品中的一個(gè)重要組成部分，已經(jīng)受到了科研工作者的足夠重視，而且隨著人們對美好生活追求水平的不斷提高以及法律體系的不斷完善，如何處理吸煙與健康之間的關(guān)系，是煙草行業(yè)面臨的新的、更具挑戰(zhàn)性的課題。為了充分迎接并處理好這一課題，需要在濾嘴技術(shù)的3個(gè)方面尋求突破。

首先，積極研究相關(guān)多學(xué)科發(fā)展前沿技術(shù)并探索新技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，聚焦于截留煙氣中的焦油以及選擇性吸附有害成分。煙氣中的致癌物質(zhì)和焦油含量往往非同比例被吸附，因此，需結(jié)合煙氣成分與相關(guān)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)成果，找到能選擇性減少致癌物質(zhì)的方法。

其次，實(shí)現(xiàn)功效與吃味的完美結(jié)合。雖然很多濾嘴能有效減少有害物質(zhì)，但是對卷煙的吃味和香氣產(chǎn)生了較大影響。如何在最大限度地降焦減害的同時(shí)保持卷煙的吃味，是個(gè)值得研究的課題。

最后，濾嘴添加物安全性及穩(wěn)定性的研究。在升溫過程中，添加劑是否會(huì)產(chǎn)生危害物質(zhì)，對人體產(chǎn)生新傷害，是一個(gè)急需關(guān)注的重點(diǎn)。添加物隨濾嘴中溫度、壓力、水分等的變化能否均勻釋放香氣，實(shí)現(xiàn)香氣的可控和智能釋放，是個(gè)有前景的研究方向。

相信在研究人員的努力下，將會(huì)研究出性能更好、更具針對性的濾嘴，卷煙的吸味會(huì)更加豐富多彩，各種添加劑的安全性及穩(wěn)定性也將得到進(jìn)一步驗(yàn)證。