爆珠濾棒設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)卷煙通風(fēng)率及主流煙氣成分的影響

崔 春，孟祥士，紀(jì) 朋，韓 路，胡少東，楚文娟，王高杰，李祿成，羅燦選，高明奇

河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街8 號(hào) 450000

爆珠卷煙是通過在濾棒中植入一粒或多粒易捏破的香味膠囊，實(shí)現(xiàn)卷煙吸食過程中可控的香味釋放［1］。爆珠卷煙獨(dú)特的抽吸感受和新穎趣味性，受到了國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者尤其是年輕消費(fèi)群體的歡迎［2-4］。爆珠卷煙在市場(chǎng)上取得的成功也引起了相關(guān)研究者的重視，在爆珠生產(chǎn)加工［5-7］和檢測(cè)技術(shù)［8-10］、卷煙煙氣分析［11-16］和爆珠設(shè)計(jì)技術(shù)［17-19］等方面的研究取得了一定進(jìn)展。Dolka 等［11］對(duì)不同品牌爆珠卷煙捏破前后煙氣成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明爆珠濾嘴可以降低卷煙煙氣有害成分釋放量。朱風(fēng)鵬等［12］分析了爆珠添加后及爆珠破碎對(duì)主流煙氣中有害成分釋放和截留情況的影響，結(jié)果表明，添加爆珠后，卷煙苯并芘釋放量升高，其他有害成分釋放量與常規(guī)卷煙無明顯差異；爆珠捏破后，巴豆醛單支釋放量顯著降低。對(duì)爆珠卷煙主流煙氣成分的研究也有很多［13-15］。張志剛等［16］研究了爆珠對(duì)濾棒、卷煙物理性能和卷煙主流煙氣的影響，發(fā)現(xiàn)爆珠濾棒壓降標(biāo)準(zhǔn)偏差分別比相同絲束填充量濾棒和相同壓降濾棒增大，若爆珠捏破后主流煙氣指標(biāo)仍與常規(guī)卷煙一致，爆珠濾棒的壓降應(yīng)比常規(guī)濾棒高376 Pa以上。目前，科研人員對(duì)爆珠卷煙的研究尚不充分，主要基于同一爆珠直徑和位置，采用現(xiàn)有規(guī)格爆珠卷煙開展研究和對(duì)比，未對(duì)爆珠濾棒設(shè)計(jì)參數(shù)的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究。本實(shí)驗(yàn)中通過設(shè)計(jì)爆珠濾棒參數(shù)，系統(tǒng)考察了爆珠直徑和爆珠在濾棒中的位置對(duì)常規(guī)爆珠卷煙物理指標(biāo)、主流煙氣和濾嘴對(duì)煙堿過濾效率的影響，以期為爆珠卷煙產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

“黃金葉”品牌常規(guī)卷煙煙絲（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司）；爆珠樣品（上海華寶生物科技有限公司）；爆珠濾棒（圓周24.1 mm，牡丹江卷煙材料有限公司）。

KDF2 濾棒成型機(jī)（沈陽飛機(jī)制造公司）；PROTOS70 卷接機(jī)組（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；AL-204-IC 電子天平（感量 0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；SODIMAX 全功能綜合測(cè)試臺(tái)、濾棒物理指標(biāo)綜合測(cè)試臺(tái)（法國(guó)Sodim Instrumentation 公司）；KBF 型恒溫恒濕箱（德國(guó)Binder 公司）；RM20H 轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)（德國(guó)Borgwaldt KC 公司）；7890A 氣相色譜儀（美國(guó)Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備方案

以河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉某常規(guī)爆珠卷煙為基準(zhǔn)卷煙進(jìn)行樣品制備?；鶞?zhǔn)卷煙參數(shù)：煙支長(zhǎng)度84 mm，圓周24.3 mm，濾嘴長(zhǎng)度25.0 mm，爆珠直徑3.6 mm，爆珠距唇端12.5 mm?；鶞?zhǔn)卷煙輔材參數(shù)：卷煙紙定量28 g/m2，透氣度60 CU；高透成型紙透氣度6 000 CU；預(yù)打孔接裝紙透氣度150 CU。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外爆珠卷煙用濾棒參數(shù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，按照單因素設(shè)計(jì)了7種直徑爆珠規(guī)格，不同直徑爆珠壁厚保持一致。采用3.0 Y35 000二醋酸纖維素絲束，成型7種爆珠直徑濾棒樣品，以及同一直徑爆珠（3.6 mm）成型4 種不同位置的濾棒樣品，共10 種爆珠濾棒樣品，成型濾棒壓降為3 200 Pa，并在同一機(jī)臺(tái)卷制卷煙樣品。不同直徑、不同位置爆珠卷煙樣品具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、表2。

表1 不同直徑爆珠卷煙樣品設(shè)計(jì)參數(shù)①Tab.1 Design parameters of cigarette samples with breakable capsules of different diameters

表2 不同位置爆珠卷煙樣品設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of cigarette samples with breakable capsules at different positions

濾棒及卷煙樣品控制要求見表3、表4。按照壓降為（設(shè)計(jì)值±100）Pa對(duì)已制備濾棒樣品進(jìn)行篩選，按單支質(zhì)量為（設(shè)計(jì)值±0.02）g、濾嘴通風(fēng)率為設(shè)計(jì)值±2%對(duì)已制備卷煙樣品進(jìn)行篩選后作為待測(cè)樣品，以保證所測(cè)卷煙樣品含煙絲量的一致性。

表3 常規(guī)爆珠濾棒樣品物理指標(biāo)Tab.3 Physical indexes of conventional filter rod samples with breakable capsules

表4 常規(guī)爆珠卷煙樣品物理指標(biāo)Tab.4 Physical indexes of conventional cigarette samples with breakable capsules

1.2.2 樣品平衡

所有樣品按照GB/T 16447—2004［20］的要求進(jìn)行平衡。

1.2.3 卷煙樣品物理指標(biāo)檢測(cè)

平衡好的樣品，按照 GB/T 22838—2009［21］的方法檢測(cè)卷煙物理指標(biāo)，同一樣品檢測(cè)30支卷煙，并計(jì)算其平均值。

1.2.4 卷煙樣品主流煙氣和煙堿過濾效率檢測(cè)

平衡好的樣品，按照文獻(xiàn)［22］中的方法進(jìn)行卷煙抽吸，按照文獻(xiàn)［22-24］中的方法測(cè)定主流煙氣中的總粒相物、焦油、煙堿及CO。按照文獻(xiàn)［25］中的方法測(cè)定濾嘴中的煙堿，計(jì)算卷煙濾嘴對(duì)煙堿的過濾效率。同一樣品進(jìn)行兩輪抽吸，每輪抽吸20支卷煙樣品，并計(jì)算兩輪抽吸的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 爆珠濾棒設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)常規(guī)卷煙物理指標(biāo)的影響

2.1.1 爆珠直徑對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響

卷煙濾嘴通風(fēng)率、總通風(fēng)率及開放吸阻隨爆珠直徑的變化見圖1。由圖1 可知，爆珠捏破前，隨著爆珠直徑的增加，煙支濾嘴通風(fēng)率、總通風(fēng)率和吸阻整體呈上升趨勢(shì)，濾嘴通風(fēng)率和吸阻升高幅度分別可達(dá)28.4%和28.1%。其原因是絲束中嵌入無通透性的爆珠后會(huì)對(duì)氣流起到阻礙效果，且爆珠直徑越大氣流阻擋效果越明顯，導(dǎo)致卷煙縱向氣流減少，濾嘴通風(fēng)率增加，并進(jìn)一步造成卷煙總通風(fēng)率增加；同時(shí)，維持煙蒂端恒定氣流量所需壓力的增加，造成煙支吸阻的增加。圖中可見，爆珠捏破后，濾嘴通風(fēng)率降低幅度可達(dá)37.5%，吸阻則可降低210 Pa。隨著爆珠直徑增加，煙支濾嘴通風(fēng)率和總通風(fēng)率整體呈降低趨勢(shì)，原因是爆珠捏破后濾嘴內(nèi)形成一個(gè)短路通道，引起縱向氣流增大，且爆珠直徑越大濾棒中形成的空腔越大，從而導(dǎo)致卷煙濾嘴通風(fēng)率和總通風(fēng)率逐步降低。同時(shí)，爆珠捏破后維持煙蒂端恒定氣流所需壓力減小，使得煙支吸阻較捏破前減小，但隨著直徑增加爆珠內(nèi)含香料量也會(huì)增加，由于香料對(duì)氣流的阻礙作用，爆珠捏破后煙支吸阻仍會(huì)隨爆珠直徑增加而增大。

圖1 爆珠直徑對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響Fig.1 Effects of capsule diameter on physical indexes of cigarettes

2.1.2 爆珠位置對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響

爆珠位置對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響如圖2 所示。由圖2可知，爆珠捏破前后，煙支吸阻隨爆珠距唇端位置變化均呈小幅波動(dòng)，無明顯變化規(guī)律；同一位置參數(shù)下，煙支吸阻會(huì)在爆珠捏破后顯著降低。隨著爆珠離唇端距離變大，煙支總通風(fēng)率整體呈降低趨勢(shì)。爆珠位置和打孔位置越接近，卷煙濾嘴通風(fēng)率越小，這是由于爆珠位置與打孔位置更接近時(shí)，爆珠對(duì)濾嘴進(jìn)氣的阻礙效果更明顯，導(dǎo)致濾嘴通風(fēng)率減小。爆珠更接近煙絲段時(shí)，爆珠破碎后濾嘴通風(fēng)率相較爆珠完整時(shí)更??；在爆珠接近唇端時(shí)，爆珠破碎后濾嘴通風(fēng)率相較爆珠完整時(shí)更大。這是因?yàn)楸槲挥诖蚩讕蟼?cè)（近唇端）時(shí)，對(duì)縱向和橫向氣流影響更大，而爆珠位于打孔帶下側(cè)（近煙絲端）時(shí)，爆珠對(duì)經(jīng)由打孔部分進(jìn)入的氣流影響較小。

圖2 爆珠位置對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響Fig.2 Effects of capsule position on physical indexes of cigarettes

2.2 爆珠濾棒設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)指標(biāo)及煙堿過濾效率的影響

2.2.1 爆珠直徑對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)指標(biāo)及煙堿過濾效率的影響

不同爆珠直徑及爆珠捏破前后卷煙樣品的主流煙氣成分及煙堿過濾效率如圖3所示?？梢钥闯霰槟笃魄?，隨著爆珠直徑的增大，卷煙主流煙氣中焦油和煙堿釋放量逐漸減小，煙堿過濾效率呈逐漸增加的趨勢(shì)。其中，煙堿過濾效率升高幅度可達(dá)15.8%，焦油釋放量可降低6.8%，煙堿釋放量可降低3.3%。相關(guān)研究表明，濾棒絲束通過直接攔截、慣性沖擊和擴(kuò)散沉積3 種方式攔截主流煙氣［26-27］。爆珠不同于濾嘴絲束纖維，不具有通透性，煙氣流經(jīng)爆珠位置受到的阻力增加，流速降低的同時(shí)其流通路徑也發(fā)生了改變，使濾嘴整體對(duì)煙氣的過濾作用增強(qiáng)。當(dāng)爆珠直徑增大，煙氣流經(jīng)爆珠表面受到的阻力隨之增加，濾嘴對(duì)煙氣的過濾作用也隨之增強(qiáng)，過濾了更多的煙氣粒相物，即濾嘴對(duì)煙堿的截留量和過濾效率逐漸增加，從而降低了煙氣中焦油和煙堿的釋放量。

圖3 爆珠直徑對(duì)卷煙主流煙氣成分及煙堿過濾效率的影響Fig.3 Effects of capsule diameter on mainstream smoke components and nicotine filtration efficiency of cigarettes

爆珠破碎后，焦油、煙堿釋放量增加，煙堿過濾效率降低，表明捏破爆珠后濾嘴對(duì)煙氣的過濾能力明顯減弱。卷煙煙堿過濾效率下降幅度可達(dá)16.3%，焦油和煙堿釋放量最大分別可升高1.9 和0.08 mg/支。爆珠破碎之后，濾嘴中出現(xiàn)空腔，濾嘴通透性明顯增加，對(duì)煙氣的阻力顯著減小。煙氣在爆珠位置的流速加快且流通路徑變寬，進(jìn)而導(dǎo)致濾嘴對(duì)煙氣的過濾作用減弱。

同時(shí)，爆珠破碎后，隨著爆珠直徑增大，濾棒中的空腔也隨之增大，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量逐漸增加，在爆珠直徑4.4 mm 處出現(xiàn)拐點(diǎn)；而濾嘴對(duì)煙堿的過濾效率差異不明顯?？赡苁怯捎诋?dāng)爆珠直徑達(dá)到4.4 mm時(shí)，爆珠破碎后有較多溶劑流出，煙堿流經(jīng)濾嘴時(shí)與溶劑形成氫鍵鍵合，故主流煙氣中的煙堿釋放量降低。結(jié)合查閱的資料和實(shí)際試驗(yàn)情況，煙堿與溶劑形成的氫鍵斷裂溫度在200 ℃以上［28］，而氣相色譜的柱溫為170 ℃，故按照YC/T 154—2001［25］的方法測(cè)定時(shí)濾嘴中的煙堿未能被檢出，因此數(shù)據(jù)顯示濾嘴對(duì)煙堿的過濾效率沒有升高。

在實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)中，爆珠直徑作為一項(xiàng)影響因素可以納入卷煙的設(shè)計(jì)考慮。同時(shí)，還應(yīng)考慮爆珠的成型穩(wěn)定性、濾棒指標(biāo)要求、經(jīng)濟(jì)性等因素，確定適宜的爆珠直徑。直徑過小，爆珠難以成型，且內(nèi)容物含量過少，不能達(dá)到增香和豐富口感層次的目的；直徑過大，爆珠不易添加到濾棒中，且在濾棒和卷煙儲(chǔ)存過程中，爆珠易破碎，導(dǎo)致內(nèi)容物流出而污染煙支。

2.2.2 爆珠位置對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)指標(biāo)及煙堿過濾效率的影響

固定打孔位置（15.5 mm），爆珠距唇端位置在爆珠破碎前后對(duì)卷煙樣品主流煙氣釋放量及煙堿過濾效率的影響見圖4。由圖4可以看出，隨著爆珠距唇端距離的增加，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量略有增加。研究表明，通風(fēng)稀釋是最有效的降焦方法之一，其原理是將空氣引入主流煙氣，煙氣成分的相對(duì)量從而降低；同時(shí)，抽吸時(shí)吸入煙支中的氣流速率降低，提高了濾嘴的過濾效率［29］。當(dāng)爆珠位置距打孔位置較近時(shí)，由于卷煙總通風(fēng)率和濾嘴通風(fēng)率最小，通風(fēng)稀釋作用減弱，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量最高，濾嘴對(duì)煙堿的過濾效率最低。

圖4 爆珠位置對(duì)卷煙主流煙氣成分及煙堿過濾效率的影響Fig.4 Effects of capsule position on mainstream smoke components and nicotine filtration efficiency of cigarettes

爆珠破碎后的焦油和煙堿釋放量增加，煙堿過濾效率降低，表明捏破爆珠后濾嘴對(duì)煙氣的過濾能力明顯減弱。且爆珠破碎后，隨著爆珠距唇端距離的增大，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量逐漸增加，濾嘴對(duì)煙堿的截留量和過濾效率逐漸減小，并在爆珠距離打孔位置較近（即爆珠距唇端17.5 mm）時(shí)出現(xiàn)極值。

3 結(jié)論

（1）隨著爆珠直徑的增加，煙支濾嘴通風(fēng)率、總通風(fēng)率和吸阻整體呈增加趨勢(shì)，濾嘴通風(fēng)率和吸阻升高幅度分別可達(dá)28.4%和28.1%；焦油和煙堿釋放量分別可降低6.8%和3.3%，而煙堿過濾效率呈增大趨勢(shì)，升高幅度可達(dá)15.8%。

（2）隨著爆珠距唇端距離的增加，總通風(fēng)率降低，濾嘴通風(fēng)率和煙堿過濾效率在爆珠位置與打孔位置較近時(shí)達(dá)到最小。

（3）爆珠破碎后，煙支吸阻較破碎前顯著降低，幅度可達(dá)210 Pa；焦油和煙堿釋放量最大分別可升高1.9和0.08 mg/支，煙堿過濾效率降低16.3%。

（4）爆珠破碎后，隨爆珠直徑的增加，煙支濾嘴通風(fēng)率和總通風(fēng)率整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，煙堿和焦油釋放量逐漸增加；隨爆珠距唇端距離的增加，焦油和煙堿的釋放量逐漸增加，在爆珠距離打孔位置較近時(shí)出現(xiàn)極值。