逐口分析定長(zhǎng)切絲對(duì)細(xì)支卷煙煙氣NNK釋放量的影響

王珂清，朱成文，李 煒，袁益來(lái)，王 瑞，閆新可，蔣宇陽(yáng)，王仰勛，沈曉晨

江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南京市建鄴區(qū)夢(mèng)都路30號(hào) 210019

切絲是影響卷煙質(zhì)量的關(guān)鍵工序之一，改變切絲模式可影響卷煙的物理指標(biāo)和煙氣化學(xué)成分釋放。朱成文等［1］研究表明，40 mm定長(zhǎng)切絲模式可改變細(xì)支卷煙煙絲結(jié)構(gòu)，提高物理指標(biāo)和主流煙氣指標(biāo)穩(wěn)定性；李瓊等［2］測(cè)試常規(guī)平刀切絲與矩形刀定長(zhǎng)切絲對(duì)煙絲結(jié)構(gòu)的影響，分析了不同切絲工藝對(duì)烘后葉絲、成品煙絲的碎絲率及填充值等指標(biāo)；訾瑩瑩等［3］研究了不同切絲模式對(duì)煙絲結(jié)構(gòu)和卷煙掉火頭的影響；韓慧杰等［4］分析了不同切絲模式在不同加工環(huán)節(jié)下煙絲結(jié)構(gòu)的變化以及不同切絲模式對(duì)卷煙質(zhì)量的影響；朱文魁等［5］研究表明，采用40 mm定長(zhǎng)切絲模式顯著提升了卷煙物理質(zhì)量穩(wěn)定性。此外，切絲模式對(duì)卷煙危害性指數(shù)影響的研究也有報(bào)道，朱成文等［6］發(fā)現(xiàn)40 mm定長(zhǎng)切絲模式可影響細(xì)支卷煙7種有害成分釋放量，從而影響細(xì)支卷煙危害性指數(shù)。該研究表明切絲模式改變后，細(xì)支卷煙7種有害成分釋放量的變化趨勢(shì)也不同，B［a］P和CO釋放量略有上升，巴豆醛、苯酚、氨和NNK釋放量下降，特別是NNK的釋放量顯著降低。因此，有必要多視角分析NNK釋放量變化的原因，但迄今為止相關(guān)研究鮮有報(bào)道。逐口抽吸已廣泛用于分析煙氣常規(guī)成分、7種有害成分及香味成分等的遞送規(guī)律［7-10］。為此，本研究中采用40 mm定長(zhǎng)切絲與常規(guī)切絲制備細(xì)支卷煙樣品，考察切絲模式對(duì)焦油和NNK逐口釋放量以及逐口燃燒溫度的影響，從逐口抽吸的角度考察應(yīng)用40 mm定長(zhǎng)切絲技術(shù)后NNK釋放量顯著降低的原因，旨在為全面剖析切絲工藝影響主流煙氣NNK釋放量的原因提供依據(jù)，為深入研究工藝技術(shù)對(duì)卷煙燃燒狀態(tài)的影響和降低有害成分的作用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

卷煙樣品選自江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司某規(guī)格細(xì)支卷煙。

異丙醇（AR，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；乙醇（色譜純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司）；正十七碳烷（色譜純，日本TCI公司）；甲醇（色譜純，美國(guó)Merck公司）；乙酸銨（色譜純，美國(guó)Fluka公司）；NNK、NNK-d4（＞98%，加拿大TRC公司）。

RM20H轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)、LM5側(cè)流吸煙機(jī)、DT綜合測(cè)試臺(tái)（德國(guó)Borgwaldt KC公司）；MikroSpec RT7500紅外熱像儀（美國(guó)Mikron公司）；Aglient 6460液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國(guó)Agilent公司）；AL204電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；Milli-Q Integral 10型超純水系統(tǒng)（美國(guó)Millipore公司）；HY-5A回旋振蕩器（江蘇省金壇市訊生儀器廠）；Binder KBF恒溫恒濕箱（德國(guó)Binder公司）；0.22μm水相濾膜（英國(guó)Peculiar科技有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷煙樣品的制備

實(shí)驗(yàn)樣和對(duì)照樣的制備：選用相同的葉組，切絲模式分別選用平板式刀片的常規(guī)切絲模式和齒間距40 mm的鋸齒式刀片的定長(zhǎng)切絲模式，其他制絲和卷接過(guò)程的工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和煙支物理指標(biāo)要求均相同。以40 mm定長(zhǎng)切絲模式卷制的細(xì)支卷煙樣品作為實(shí)驗(yàn)樣，記為A1樣品；常規(guī)切絲模式卷制的細(xì)支卷煙樣品作為對(duì)照樣，記為A0樣品。A1和A0樣品煙支的物理參數(shù)見表1。

表1 卷煙煙支相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of cigarette samples

1.2.2 卷煙主流煙氣中焦油和NNK釋放量的分析

按照GB/T 16450—2004［11］的方法設(shè)定吸煙機(jī)參數(shù)，按照GB/T 19609—2004［12］的方法分析煙氣焦油釋放量，按照文獻(xiàn)［13］的方法測(cè)定煙氣NNK釋放量。

1.2.3 主流煙氣焦油逐口釋放量的分析

按照GB/T 16450—2004［11］的方法設(shè)定吸煙機(jī)參數(shù)，按照“質(zhì)量允差±20 mg，吸阻允差±50 Pa”的要求，篩選2種卷煙樣品。選取篩選后的20支細(xì)支卷煙，逐口抽吸，固定抽吸口數(shù)為5口。抽吸完畢，分別按照GB/T 19609—2004［12］、YC/T 157—2001［14］以及YC/T 156—2001［15］的方法測(cè)定每口煙氣中焦油、煙堿以及水分的釋放量。

1.2.4 主流煙氣NNK逐口釋放量的分析

按照1.2.3節(jié)中的方法抽吸完畢后，將濾片置于50 mL錐形瓶中，準(zhǔn)確加入15 mL含2.0 ng/L內(nèi)標(biāo)NNK-d4的0.1 mol/L乙酸銨萃取液，超聲萃取30 min，靜置5 min。取適量萃取液過(guò)0.22μm水相濾膜，按照文獻(xiàn)［13］的方法分析。

1.2.5 卷煙逐口抽吸最高溫度的測(cè)定

在側(cè)流吸煙機(jī)上抽吸細(xì)支煙樣品，同時(shí)應(yīng)用紅外成像測(cè)溫儀記錄卷煙抽吸過(guò)程中各時(shí)刻燃燒錐不同位置的溫度，從中選出最大值作為該口抽吸的最高溫度，從第2口開始記錄至第5口。每種卷煙樣品重復(fù)測(cè)定20次。

1.2.6 煙絲結(jié)構(gòu)和煙支中煙絲密度分布的測(cè)定

按照文獻(xiàn)［1］的方法，測(cè)定兩種切絲模式下煙絲結(jié)構(gòu)和煙支中的煙絲密度分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 切絲模式對(duì)煙絲結(jié)構(gòu)和煙絲密度分布的影響

加香出口和卷接跑條后的煙絲結(jié)構(gòu)測(cè)定結(jié)果見表2。可知，應(yīng)用40 mm定長(zhǎng)切絲后，加香出口和卷接跑條后，長(zhǎng)絲率均下降，中絲率、短絲率均上升。鑒于跑條后煙絲結(jié)構(gòu)更接近于煙支內(nèi)煙絲結(jié)構(gòu)，同時(shí)，采用40 mm定長(zhǎng)切絲模式后，跑條煙絲的長(zhǎng)絲、中絲和短絲比例基本相當(dāng)，較常規(guī)切絲模式的跑條煙絲均勻性有明顯增加，這說(shuō)明40 mm定長(zhǎng)切絲后，細(xì)支卷煙煙支內(nèi)煙絲結(jié)構(gòu)均勻性更優(yōu)。

表2 不同切絲模式下不同加工階段的煙絲結(jié)構(gòu)Tab.2 Parameters of cut tobacco at different processing stages under different cutting modes （%）

切絲模式改變了煙絲結(jié)構(gòu)，也有可能改變煙絲密度分布。圖1為兩種切絲模式下煙絲密度分布圖。從圖1可知，在煙支兩個(gè)壓實(shí)點(diǎn)之間即煙支中部（距煙支燃燒端20～50 mm），常規(guī)切絲模式下的A0樣品煙絲密度分布曲線波動(dòng)較大，而40 mm定長(zhǎng)切絲模式下的A1樣品煙絲密度分布曲線較為平坦。由此可知，40 mm定長(zhǎng)切絲可以提高煙支內(nèi)煙絲密度分布的均勻性。

圖1 不同切絲模式下煙支內(nèi)煙絲密度的分布Fig.1 Distribution of cut tobacco density along the length of cigarettes under different cutting modes

2.2 不同切絲模式下主流煙氣NNK和焦油的釋放量

兩種細(xì)支卷煙主流煙氣焦油和NNK釋放量的分析結(jié)果見表3。可知，與對(duì)照樣A0相比，實(shí)驗(yàn)樣A1的煙氣焦油釋放量降低了4.97%，NNK釋放量降低了17.07%；相對(duì)于焦油，NNK選擇性降低12.10%。上述結(jié)果表明，采用40 mm定長(zhǎng)切絲模式可顯著降低卷煙主流煙氣NNK釋放量，這與文獻(xiàn)［6］的研究結(jié)果一致；而40 mm定長(zhǎng)切絲模式對(duì)焦油釋放量的影響不顯著。

表3 主流煙氣焦油和NNK的釋放量Tab.3 Releases of tar and NNK in mainstream cigarette smoke

2.3 不同切絲模式下卷煙主流煙氣中NNK和焦油的逐口釋放量比較

根據(jù)2.2節(jié)的分析可知，切絲模式改變以后，細(xì)支卷煙主流煙氣NNK的釋放量發(fā)生了明顯的變化。為從微觀角度進(jìn)一步分析切絲模式改變后主流煙氣中焦油和NNK的釋放過(guò)程及其變化的原因，應(yīng)用逐口抽吸分解卷煙抽吸過(guò)程，分析焦油和NNK在各口煙氣中的釋放變化情況。由表3可知，2種卷煙的平均抽吸口數(shù)均介于5.0和6.0口之間。因此，固定抽吸口數(shù)為5口，分析NNK和焦油的逐口釋放量，結(jié)果見表4。

表4 細(xì)支卷煙主流煙氣焦油和NNK的逐口釋放量Tab.4 Puff-by-puff releases of tar and NNK in mainstream smoke of slim cigarette

從表4可知，2種細(xì)支卷煙樣品煙氣焦油和NNK的逐口釋放量均隨口數(shù)的增加而增大，實(shí)驗(yàn)樣A1主流煙氣中焦油和NNK的逐口釋放量均明顯低于對(duì)照樣A0。與A0相比，A1前5口焦油總釋放量降低了12.74%，NNK釋放量降低了18.30%。前5口焦油和NNK總釋放量均比整支煙的降幅更明顯，這可能是由于相較A0，A1的平均抽吸口數(shù)較多，從而導(dǎo)致整支煙降幅的計(jì)算值偏小。

為進(jìn)一步比較2種卷煙逐口抽吸的差異，以1～5口的卷煙抽吸口數(shù)序號(hào)為自變量，以焦油和NNK的逐口釋放量為因變量進(jìn)行一元線性回歸分析，線性擬合結(jié)果見圖2。

由圖2可知，2種卷煙焦油回歸方程的R2均較高，這說(shuō)明一元線性方程適合于焦油的逐口釋放量與抽吸口數(shù)序號(hào)的擬合。另外，2種卷煙焦油回歸方程的斜率存在差異，實(shí)驗(yàn)樣A1回歸方程的斜率小于對(duì)照樣A0，說(shuō)明A1焦油逐口釋放量的增長(zhǎng)幅度小于A0。

每種卷煙煙氣NNK回歸方程的R2均大于0.9，同樣，這說(shuō)明一元線性方程也適合于煙氣NNK的逐口釋放量與抽吸口數(shù)序號(hào)的擬合。2種卷煙煙氣NNK回歸方程的斜率也存在差異。A1煙氣NNK回歸方程的斜率小于A0，表明A1煙氣NNK的逐口釋放量增量較A0小。由此可見，A1第一口煙氣NNK的釋放量略小于A0，但A1煙氣的NNK釋放量的增幅也小于A0，使A1的NNK釋放量明顯小于A0。

2.4 不同切絲模式下細(xì)支卷煙逐口最高溫度的變化

卷煙燃燒過(guò)程中溫度分布較寬，為便于快速比較逐口燃燒過(guò)程的差異，以逐口最高溫度為參數(shù)進(jìn)行分析，從第2口開始記錄，直至第5口，每個(gè)細(xì)支卷煙樣品抽吸20支，樣品A1和A0逐口最高溫度結(jié)果見表5。可知，實(shí)驗(yàn)樣A1相同口數(shù)的最高溫度的極差變化范圍是164.1～218.2℃，平均極差為194.7℃；對(duì)照樣A0相同口數(shù)的最高溫度的極差變化范圍是191.5～228.2℃，平均極差為211.9℃。平均極差結(jié)果表明，應(yīng)用40 mm定長(zhǎng)切絲技術(shù)后逐口最高溫度的極差變窄。

圖2 細(xì)支卷煙主流煙氣焦油和NNK逐口釋放量與抽吸口數(shù)序號(hào)的線性擬合圖Fig.2 Linear fitting curves of puff-by-puff releases of tar and NNK in mainstream smoke of slim cigarette and puffing numbers

表5 實(shí)驗(yàn)樣A1和對(duì)照樣A0逐口抽吸過(guò)程中各口的最高溫度Tab.5 Puff-by-puff maximum coal temperatures of test samples A1 and control samples A0 during smoking（℃）

對(duì)20支細(xì)支卷煙每口的最高溫度進(jìn)行正態(tài)分布Shapiro-Wilk檢驗(yàn)。由表6可知，除第2口外，A1的正態(tài)分布相關(guān)系數(shù)均高于A0。說(shuō)明抽吸A1時(shí)的最高溫度分布狀況更符合正態(tài)分布，集中度高于A0。這可能是由于A1煙支內(nèi)煙絲密度分布的均勻性高于A0［1］。另外，A1和A0每口最高溫度正態(tài)分布系數(shù)均大于0.05，符合正態(tài)分布要求，因此選擇每口的正態(tài)分布中位數(shù)進(jìn)行比較分析。由表5可見，A1和A0逐口最高溫度的中位數(shù)隨抽吸口數(shù)增加而增大，最高值均出現(xiàn)在第5口。

為進(jìn)一步分析煙支逐口燃燒最高溫度的變化特性，統(tǒng)計(jì)整支煙的最高溫度在各口中出現(xiàn)的概率，結(jié)果見表7。可知，對(duì)于A1，整支煙最高溫度出現(xiàn)在第5口的概率最高，達(dá)80%；對(duì)于A0，整支煙燃燒的最高溫度出現(xiàn)在第4口的概率最高，為40%，其次是第5口的35%。由上述分析可見，A1整支煙的最高溫度相對(duì)集中地出現(xiàn)在第5口，而A0最高溫度的分布則較分散。這可能是因?yàn)閼?yīng)用40 mm定長(zhǎng)切絲后煙絲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，煙支的煙絲密度分布和物理指標(biāo)的穩(wěn)定性得到了顯著提高［1］，煙支之間煙絲密度分布的無(wú)序性和波動(dòng)性相對(duì)減少了。

表5（續(xù)） （℃）

表6 實(shí)驗(yàn)樣A1和對(duì)照樣A0各口最高溫度的W檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)Tab.6 W test correlation coefficients of maximum coal temperatures of test sample A1 and the control sample A0

表7 煙支燃燒最高溫度在各口抽吸中出現(xiàn)的概率統(tǒng)計(jì)Tab.7 Appearance probability of maximum combustion temperature of cigarette in each puffing （%）

根據(jù)上述分析可見，應(yīng)用40 mm定長(zhǎng)切絲技術(shù)后，煙支逐口最高溫度的中位數(shù)變化趨勢(shì)相同，但是逐口燃燒狀態(tài)卻發(fā)生了顯著變化，特別是第5口。相比于A0，A1的第5口的中位數(shù)比較高，而且最高溫度出現(xiàn)的概率增加了128%，這說(shuō)明A1第5口的燃燒強(qiáng)度要明顯高于A0。一般而言，燃燒狀態(tài)發(fā)生變化，可以影響卷煙有害成分釋放量［6，16-18］。卷煙主流煙氣中的NNK一部分是從煙草直接轉(zhuǎn)移到煙氣中的，另一部分是在加熱抽吸過(guò)程中形成和釋放的［19］。切絲模式改變后，從表1可知，煙支中煙絲的質(zhì)量和煙支吸阻并未發(fā)生顯著變化，所以從原料中直接遷移的NNK釋放量差異可能不顯著；但是，從卷煙逐口燃燒最高溫度的數(shù)值和分布（表5和表7），可以看出卷煙燃燒狀態(tài)發(fā)生改變，這可能導(dǎo)致卷煙燃燒過(guò)程中NNK釋放量存在顯著差異。

3 結(jié)論

（1）采用40 mm定長(zhǎng)切絲模式可顯著降低細(xì)支卷煙主流煙氣NNK和焦油的釋放量，焦油和NNK的釋放量分別降低4.97%和17.07%，NNK選擇性降低12.10%。

（2）40 mm定長(zhǎng)切絲模式可使細(xì)支卷煙各口中焦油和NNK釋放量的變化幅度減小，一方面有效提高了焦油和NNK逐口釋放量的穩(wěn)定性，另一方面也有助于降低細(xì)支卷煙整支煙的NNK釋放量。

（3）40 mm定長(zhǎng)切絲改變了細(xì)支卷煙煙絲結(jié)構(gòu)和煙絲密度分布，改變了卷煙的抽吸過(guò)程，尤其影響了第5口的燃燒狀態(tài)，細(xì)支卷煙逐口最高溫度相對(duì)集中地出現(xiàn)在第5口，提高了第5口的燃燒強(qiáng)度。

（4）細(xì)支卷煙逐口燃燒狀態(tài)發(fā)生變化，影響了NNK逐口釋放特性和整體的釋放量。