水松紙透氣度對(duì)中支卷煙主流煙氣及燃燒溫度的影響

黃 華，戴 路，周 煒，杜芳琪，詹望成，王 輝

（1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心, 杭州 310024；2.華東理工大學(xué)工業(yè)催化研究所, 上海 200237）

水松紙作為卷煙材料“三紙一棒”的組成之一，主要有兩個(gè)功能，一是將卷煙煙支段與濾嘴段卷接起來，二是在紙上預(yù)先打孔或是在生產(chǎn)卷接過程中在線打孔來調(diào)控?zé)熤У臑V嘴通風(fēng)度，從而實(shí)現(xiàn)減害降焦[1]。煙支在抽吸過程中燃燒段的溫度變化會(huì)影響煙支主流煙氣和側(cè)流煙氣中的化學(xué)成分含量，同時(shí)在濾嘴段由于水松紙透氣度變化造成卷煙濾嘴通風(fēng)發(fā)生變化，改變了燃燒區(qū)的進(jìn)氣量，影響每口抽吸時(shí)的溫度[2]，同步影響濾嘴段煙氣的稀釋擴(kuò)散，最終影響消費(fèi)者入口煙氣，因此水松紙透氣度是影響卷煙抽吸品質(zhì)的重要特征參數(shù)[3]。

近年來，隨著消費(fèi)多元化增長以及消費(fèi)者對(duì)吸煙與健康的持續(xù)關(guān)注，加熱不燃燒卷煙逐漸占領(lǐng)傳統(tǒng)卷煙市場，相關(guān)領(lǐng)域也成為研究熱點(diǎn)[4-5]。在傳統(tǒng)的卷煙領(lǐng)域，新特異卷煙也異軍突起，不僅在傳統(tǒng)圓周卷煙的基礎(chǔ)上增加了細(xì)支卷煙，而且中支卷煙銷量的持續(xù)增長也成為消費(fèi)熱點(diǎn)之一。目前市場上的中支卷煙圓周為20 mm，長度以84～89 mm 為主，因此無論是在濾嘴段長度還是煙絲段長度方面，中支卷煙都與傳統(tǒng)卷煙以及細(xì)支煙有所差別。針對(duì)這兩種規(guī)格卷煙的輔材設(shè)計(jì)，科研人員已開展了大量相關(guān)研究，謝國勇等[6-7]分別考察了卷煙紙、成型紙和接裝紙透氣度對(duì)煙氣常規(guī)成分及7 種有害成分釋放量的影響。劉鴻等[8]全面綜述了近年來國內(nèi)外卷煙紙透氣度、添加劑以及漿料類型等指標(biāo)對(duì)常規(guī)卷煙主流煙氣成分釋放量的影響。周全等[9-11]考察了細(xì)支卷煙輔材參數(shù)對(duì)煙氣常規(guī)成分釋放量及感官質(zhì)量的影響。張亞平等[12]考察了卷煙紙參數(shù)對(duì)細(xì)支卷煙和常規(guī)卷煙煙氣化學(xué)成分的影響。目前針對(duì)傳統(tǒng)卷煙或細(xì)支卷煙輔材設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)主流煙氣的影響已有較多文獻(xiàn)報(bào)道，但有關(guān)中支卷煙的整體研究很少，尤其是涉及到卷煙輔材或水松紙參數(shù)對(duì)中支卷煙主流煙氣常規(guī)成分及燃燒溫度影響的研究鮮見報(bào)道。本文主要考察卷煙輔材中水松紙透氣度對(duì)中支卷煙煙氣常規(guī)化學(xué)成分釋放量和燃燒溫度的影響，旨在為中支卷煙的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

透氣度分別為 0（不打孔）、50、100、150、200、250、500 CU 和 1000 CU 的8 種水松紙，幅寬36 mm，打孔中心距嘴端邊距16 mm。

XS205 型電子天平（梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司）；SM450 直線型吸煙機(jī)（英國Cerulean 公司）；FLIR-SC7300L 型紅外熱像儀（美國FLIR 公司）；單孔道吸煙機(jī)LX1 型（德國Borgwaldt 公司）。

1.2 卷煙樣品的制備

將8 種不同透氣度的水松紙卷制成統(tǒng)一規(guī)格的中支卷煙，煙支所用的葉組和其余輔料完全一致，圓周規(guī)格為20.0 mm。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)保證卷煙樣品的一致性，煙支先在溫度（22±1）℃，相對(duì)濕度60%±3%的環(huán)境中平衡48 h，隨后取平衡好的煙支50 支，測試煙支質(zhì)量及吸阻的平均值，然后以此為中心點(diǎn)，按質(zhì)量±50 mg，吸阻±20 Pa 來篩選煙支，采用GB/T 22838—2009《卷煙和濾棒物理性能的測定》測試煙支物理參數(shù)，數(shù)據(jù)見表1。

表1 測試煙支物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of test cigarettes

1.3 卷煙煙氣分析

按GB/T 16450—2004《常規(guī)分析用吸煙機(jī)定義和標(biāo)準(zhǔn)條件》定義吸煙機(jī)抽吸條件，依據(jù)GB/T 19609—2004《卷煙用常規(guī)分析用吸煙機(jī)測定總粒相物和焦油》對(duì)卷煙樣品氣相中的總粒相物和焦油進(jìn)行測定；依據(jù)GB/T 23356—2009《卷煙煙氣氣相中一氧化碳的測定非散射紅外法》對(duì)卷煙煙氣氣相中的一氧化碳進(jìn)行測定；依據(jù)GB/T23355—2009《卷煙總粒相物中煙堿的測定氣相色譜法》對(duì)卷煙煙氣氣相中的煙堿進(jìn)行測定；依據(jù)GB/T23203.1—2013《卷煙總粒相物中水分的測定氣相色譜法》對(duì)卷煙煙氣氣相中的水分進(jìn)行測定。

1.4 感官質(zhì)量評(píng)價(jià)

采用國標(biāo)GB 5606.4—2005《卷煙第4 部分: 感官技術(shù)要求》的評(píng)價(jià)方法，對(duì)卷煙樣品進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。共涉及6 個(gè)指標(biāo)，分別為香氣（滿分32 分）、諧調(diào)性（滿分6 分）、雜氣（滿分12 分）、刺激性（滿分20 分）、光澤（滿分5 分）和余味（滿分25 分），評(píng)價(jià)時(shí)每個(gè)指標(biāo)均以0.5 分為計(jì)分單位，各指標(biāo)權(quán)重均為1。組織持有卷煙評(píng)吸資格證書的7 位專家組成感官組進(jìn)行感官評(píng)吸，按式計(jì)算單項(xiàng)平均得分（其中為某單項(xiàng)得分加和；n為參加評(píng)吸人數(shù)），精確至0.01，感官質(zhì)量得分為各單項(xiàng)平均得分之和，精確至0.1。

1.5 卷煙燃燒溫度測試

煙支平衡后在溫度(22±1)℃、相對(duì)濕度60%±3%的環(huán)境下，采用單孔道吸煙機(jī)進(jìn)行卷煙的抽吸，抽吸模式參照ISO3308—2000 進(jìn)行，抽吸2 s，間隔58 s。紅外熱像儀的測溫范圍300～1500 ℃，空間分辨率0.65 mrad，波長范圍7.5～13 μm，記錄頻率60 Hz，精確度±2 ℃，像素640×480，熱像儀和目標(biāo)物的距離0.1 m，紅外發(fā)射率設(shè)定為0.88[3]。在分析數(shù)據(jù)時(shí)，采用第3 口作為抽吸時(shí)最高溫度[13]，抽吸最高溫平均溫度指全部抽吸段的最高溫度的平均值，抽吸平均溫度指全部抽吸段的溫度平均值，陰燃平均溫度指卷煙陰燃段的溫度平均值，峰值平均值指全部抽吸峰值的平均溫度值，取10 次測量結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 水松紙透氣度對(duì)中支卷煙常規(guī)煙氣成分和感官質(zhì)量的影響

圖1 所示為不同水松紙透氣度的中支卷煙主流煙氣常規(guī)煙氣指標(biāo)的測定結(jié)果，將圖1 中主流煙氣常規(guī)煙氣指標(biāo)中總粒相物（Total Particulate Matter，TPM）、水分、焦油、煙堿以及一氧化碳質(zhì)量分別除以口數(shù)，即為中支卷煙主流煙氣常規(guī)煙氣指標(biāo)單口釋放量。

水松紙透氣度實(shí)際改變的是煙支濾嘴通風(fēng)率。表1 表明隨著水松紙透氣度增加，濾嘴段通風(fēng)率呈上升趨勢，從不打孔的1.82%上升到1000 CU 的26.71%。由圖1 可以看出，隨著水松紙透氣度增大，中支卷煙主流煙氣中的TPM、水分、焦油、煙堿和CO 質(zhì)量均呈下降趨勢。當(dāng)透氣度達(dá)到1000 CU 時(shí)，相比不打孔時(shí)，TPM、水分、焦油、煙堿和CO 的質(zhì)量分別降低23.4%、68.3%、18.8%、14.6%和16.0%。卷煙抽吸口數(shù)（Puff number）卻呈相反趨勢，隨著水松紙透氣度的增大而增加，當(dāng)透氣度為1000 CU 時(shí)，卷煙抽吸口數(shù)較不打孔時(shí)增加了8.05%。這是因?yàn)槲鼰煓C(jī)在ISO 3308—2000 抽吸模式下每口抽吸容量固定為35 mL，隨著水松紙透氣度的增大，空氣從濾嘴水松紙打孔處的進(jìn)入量逐漸增大，從而導(dǎo)致煙支段燃燒錐進(jìn)氣量逐漸降低，即減少了燃燒錐的抽吸容量，最終也就減少了煙絲的消耗量[14]，因此抽吸口數(shù)上升[15]。整體來說卷煙在抽吸時(shí)通風(fēng)稀釋作用加強(qiáng)，造成TPM、水分、焦油、煙堿和 CO 釋放量成比例下降，與傳統(tǒng)圓周規(guī)格的卷煙結(jié)果規(guī)律一致[16]。圖1(b)單口釋放量結(jié)果表明隨著濾嘴通風(fēng)率增加，單口TPM、焦油、水分以及CO 釋放量直線下降，而單口煙堿釋放量在0～250 CU 時(shí)基本沒有變化，繼續(xù)增加至500 CU 后略有降低，從0.15 mg 降低到0.13 mg，這一點(diǎn)與感官品質(zhì)結(jié)果比較接近。評(píng)吸結(jié)果表明500 CU 下抽吸勁頭較小，與文獻(xiàn)[17]規(guī)律一致。

表2 所示為濾嘴通風(fēng)率（x）與主流煙氣常規(guī)煙氣質(zhì)量（y）指標(biāo)的線性擬合結(jié)果?？梢悦黠@看出隨著濾嘴通風(fēng)率的增大，中支卷煙主流煙氣中的TPM、水分、焦油、煙堿和CO 質(zhì)量均呈顯著下降趨勢，線性回歸后R2分別達(dá)到0.971 0、0.969 7、0.971 0、0.951 8以及0.9521。濾嘴通風(fēng)率與單口釋放量的線性擬合結(jié)果與圖1（b）吻合。

表2 濾嘴通風(fēng)率（x）與中支卷煙主流煙氣指標(biāo)（y）的線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)Table 2 Linear regression equation and correlation coefficient of mainstream smoke index (y) of medium cigarettes with ventilation of cigarette filter (x)

表3 所示為不同透氣度水松紙中支卷煙的感官評(píng)價(jià)結(jié)果?？梢钥闯?，整體感官得分與主流煙氣指標(biāo)趨勢較為一致，隨著水松紙透氣度的增加，感官總分呈下降趨勢，表明空氣進(jìn)入不僅稀釋了主流煙氣，同時(shí)煙草特有的香味物質(zhì)也同步被擴(kuò)散出來。隨著水松紙透氣度的增加，香氣特性、煙氣特性均呈下降趨勢，而吃味特性則先上升后下降。香氣特性方面，隨著水松紙透氣度增加，香氣和諧調(diào)性下降較明顯，雜氣呈先上升后下降趨勢。因此在保證整體香氣特性、煙氣特性的前提下，可適當(dāng)提高水松紙的透氣度來降低部分雜氣和刺激性，從而提升整體吸味。

表3 水松紙透氣度與中支卷煙感官評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Result of sensory properties of medium cigarette with tipping paper permeability

2.2 水松紙透氣度對(duì)中支卷煙燃燒溫度的影響

通過紅外熱像測溫平臺(tái)分析卷煙燃燒全過程中溫度的變化，圖2 是卷煙抽吸前后的溫度變化圖。

由圖2 可以看出，卷煙抽吸前陰燃狀態(tài)是燃燒錐區(qū)域偏紅，隨著抽吸時(shí)間的增加，大量空氣進(jìn)入到卷煙中發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，溫度急劇提升400～500 ℃，燃燒錐中心發(fā)亮區(qū)域逐漸增大，在抽吸時(shí)間為1.0 s時(shí)燃燒面積最大，隨后降低。

圖2 卷煙燃燒紅外熱成像圖Fig.2 Infrared thermography of cigarette combustion

圖3 所示為不同透氣度水松紙中支卷煙燃燒溫度各項(xiàng)指標(biāo)的測定結(jié)果，表4 所示為濾嘴通風(fēng)率與燃燒溫度各項(xiàng)指標(biāo)的線性擬合結(jié)果。可以明顯看出隨著水松紙透氣度的增大，中支卷煙最高溫度、抽吸最高溫平均溫度、抽吸平均溫度以及溫度平均峰值等均呈下降趨勢，經(jīng)線性回歸后，其與濾嘴通風(fēng)率變化呈現(xiàn)非常好的線性關(guān)系，R2分別達(dá)到0.9087、0.9820、0.9018 和0.9222，而陰燃平均溫度基本不發(fā)生變化。該結(jié)果表明無論水松紙如何改變，濾嘴通風(fēng)率雖然變化，但卷煙在陰燃狀態(tài)時(shí)由于燃燒錐內(nèi)部和外部達(dá)到一種氣流平衡狀態(tài)，因此并不受環(huán)境影響而發(fā)生溫度變化。而抽吸時(shí)由于快速升溫，煙支外部雖然有大量空氣從打孔處進(jìn)入燃燒錐內(nèi)部，但濾嘴端通風(fēng)度在增加，導(dǎo)致煙支燃燒錐的進(jìn)氣量隨著濾嘴通風(fēng)度增加而降低，等同于用低于標(biāo)準(zhǔn)抽吸容量來抽吸卷煙[18]，因此濾嘴通風(fēng)度的增加抑制了煙絲的充分燃燒[19]，從而導(dǎo)致燃燒溫度降低。

圖3 不同透氣度水松紙中支卷煙燃燒溫度結(jié)果Fig.3 Result of combustion temperature of medium cigarette with different tipping paper permeability

表4 濾嘴通風(fēng)率（x）與中支卷煙燃燒溫度（y）線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)Table 4 Linear regression equation and correlation coefficient of cigarette filter ventilation (x) with combustion temperature (y)

3 結(jié) 論

（1）隨著水松紙透氣度的增大，中支卷煙主流煙氣中TPM、水分、焦油、煙堿及CO 的質(zhì)量均顯著下降，但卷煙抽吸口數(shù)增加；單口TPM、水分、焦油以及CO 釋放量隨著水松紙透氣度增大而直線降低，但單口煙堿釋放量基本沒有變化；適當(dāng)提高水松紙的透氣度可去除雜氣和刺激性，對(duì)吸味有改進(jìn)作用。

（2）水松紙透氣度對(duì)中支卷煙燃燒溫度的影響顯著，隨著接裝紙透氣度的增大，卷煙抽吸溫度呈現(xiàn)明顯下降趨勢，而陰燃平均溫度未發(fā)生明顯變化。

（3）水松紙透氣度變化造成卷煙濾嘴通風(fēng)度發(fā)生改變，不僅稀釋了主流煙氣指標(biāo)，同時(shí)濾嘴通風(fēng)度的增加抑制了煙絲充分燃燒，從而導(dǎo)致燃燒溫度降低。