吸煙機(jī)上煙負(fù)壓對(duì)主流煙氣分析結(jié)果的影響

邢梓爍，劉顯軍，王 沖，孫海峰，王 奕，吉 雄

(深圳煙草工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，廣東 深圳 518000)

1 研究背景

卷煙主流煙氣中的總粒相物TPM、焦油、一氧化碳(CO)、煙堿和水分等成分是監(jiān)控卷煙質(zhì)量穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，也是消費(fèi)者在選擇一款卷煙時(shí)所重點(diǎn)關(guān)注的因素之一。隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長，社會(huì)民眾對(duì)身體健康的重視程度也越來越高。因此，如何對(duì)卷煙產(chǎn)品進(jìn)行降焦減害以保障群眾健康，如何對(duì)卷煙產(chǎn)品進(jìn)行穩(wěn)定可靠的質(zhì)量監(jiān)控等，都是煙草行業(yè)一直以來所需要面對(duì)的難題，也是一項(xiàng)長期的挑戰(zhàn)。

據(jù)報(bào)道，影響卷煙煙氣中的總粒相物TPM、焦油、一氧化碳(CO)、煙堿和水分等成分的因素有很多。在卷煙的生產(chǎn)過程中，制絲制葉工藝主要參數(shù)、卷煙紙接裝紙及濾棒主要參數(shù)、煙支重量及煙支密度等物理指標(biāo)都在一定程度上決定了卷煙主流煙氣的結(jié)果[1-3]。同時(shí)，在煙氣分析的實(shí)驗(yàn)分析過程中，也存在著各種各樣的影響因素。不同抽吸參數(shù)、不同氣流速度、不同濕度平衡條件、不同大氣壓條件下、甚至不同型號(hào)的吸煙機(jī)等都會(huì)對(duì)煙氣分析結(jié)果造成不同的影響[4-7]。

煙氣分析實(shí)驗(yàn)是產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，也是監(jiān)控卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前，國內(nèi)對(duì)煙氣分析實(shí)驗(yàn)已經(jīng)有了大量的研究，但是，針對(duì)吸煙機(jī)自身所導(dǎo)致的誤差所做的研究相對(duì)較少。除了吸煙機(jī)對(duì)抽吸容量、風(fēng)速等的控制偏差會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果外，吸煙機(jī)在上煙過程中負(fù)壓不同而造成卷煙空頭也會(huì)影響分析結(jié)果。目前，由于吸煙機(jī)負(fù)壓不同而造成的上煙差異的研究還相對(duì)較少。本文通過系統(tǒng)研究了不同上煙負(fù)壓對(duì)不同規(guī)格卷煙主流煙氣中5中常規(guī)化學(xué)成分的釋放量影響，并對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化尋找出最優(yōu)的煙支上煙負(fù)壓，旨在為進(jìn)一步提高煙氣分析結(jié)果準(zhǔn)確性上提高更強(qiáng)有力的支持。

2 材料和方法

2.1 材料與儀器

樣品煙：深圳煙草工業(yè)有限責(zé)任公司常規(guī)、中支、細(xì)支三款不同規(guī)格卷煙。

儀器：BSA224S電子天平，德國sartorius公司；RM200A2全自動(dòng)吸煙機(jī)，德國Borgwaldt公司；非散射紅外分析儀，與全自動(dòng)吸煙機(jī)配套；Climacell 222 eco恒溫恒濕箱，德國MMM公司；HY-5(A)型回旋式振蕩器、7890A型氣相色譜儀，美國安捷倫公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 卷煙樣品篩選

按照 GB/T 16447-2004平衡卷煙樣品，各規(guī)格卷煙在相同的物理指標(biāo)條件下，篩選重量相同的卷煙樣品各20支。

2.2.2 卷煙空頭的判定

按照GB 5606.3-2005《卷煙 第3部分：包裝、卷制技術(shù)要求及貯運(yùn)》對(duì)空頭的定義，對(duì)卷煙的空頭進(jìn)行判定。

2.2.3 主流煙氣中焦油的分析

按照 GB/T16450-2004對(duì)吸煙機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整檢查，選取篩選后重量一致的3種不同規(guī)格卷煙各20支樣品進(jìn)行抽吸。抽吸結(jié)束后，按照GB/T 19609-2004、YC/T 157-2001以及YC/T 156-2001，分別對(duì)總粒相物、焦油、水分以及煙堿釋放量進(jìn)行分析。

2.2.4 主流煙氣中CO釋放量的分析

按照 GB/T18204.23-2000分析3種不同規(guī)格卷煙主流煙氣中CO的含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)空頭率的影響

在吸煙機(jī)的上煙過程，是通過一定強(qiáng)度的負(fù)壓將煙支吸入到夾持器里。因此，由于負(fù)壓的大小不同，容易造成不同規(guī)格卷煙上煙的差異。負(fù)壓過小則容易造成煙支上煙失敗，負(fù)壓過大則容易造成煙支空頭。上煙所形成的煙支空頭，會(huì)影響原本煙支內(nèi)部煙絲的分布，造成煙支密度增大，引起煙氣分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差。在實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行前，先根據(jù)吸煙機(jī)負(fù)壓可調(diào)節(jié)范圍，將上煙負(fù)壓分為小、中、大三個(gè)不同強(qiáng)弱的檔次。

由表1可知，隨著上煙負(fù)壓的增大，三種不同規(guī)格卷煙的空頭率均呈現(xiàn)上升的趨勢，其影響程度大小不一。根據(jù)出現(xiàn)卷煙空頭出現(xiàn)的數(shù)量，負(fù)壓變化對(duì)煙支空頭的影響程度總體表現(xiàn)為細(xì)支卷煙>中支卷煙>常規(guī)卷煙。

表1 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)煙支空頭的影響Table 1 The effect of manual smoking and different negative pressures on the short end of cigarettes

3.2 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的影響

3.2.1 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)主流煙氣中總粒相物TPM釋放量的影響

通過手動(dòng)上煙及逐步提高吸煙機(jī)負(fù)壓，將3種不同規(guī)格卷煙總粒相物的釋放量進(jìn)行整理，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，常規(guī)卷煙手動(dòng)上煙及在最大負(fù)壓下的TPM為14.27 mg/cig和14.75 mg/cig；中支卷煙及細(xì)支卷煙的TPM都呈現(xiàn)上升趨勢；中支卷煙從手動(dòng)上煙的11.80 mg/cig上升到12.76 mg/cig，TPM釋放量增加了8.1%；細(xì)支卷煙從手動(dòng)上煙的11.29 mg/cig上升到12.35 mg/cig，TPM釋放量增加了9.4%。對(duì)比可知，負(fù)壓的變化對(duì)中支卷煙及細(xì)支卷煙的TPM釋放量具有顯著的影響。

表2 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)主流煙氣中TPM釋放量的影響Table 2 Effects of manual smoking and different negative pressures on TPM release in mainstream smoke

3.2.2 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)主流煙氣中焦油釋放量的影響

焦油的釋放量來源于煙葉的不完全燃燒[8]，其釋放量不僅受煙葉、煙支輔料等客觀條件的影響，還取決于抽吸口數(shù)、抽吸容量等主觀因素。由表3可知，三款不同規(guī)格卷煙主流煙氣中焦油釋放量受上煙負(fù)壓的影響趨勢與TMP釋放量受影響的趨勢基本一致，影響程度總體表現(xiàn)為細(xì)支卷煙>中支卷煙>常規(guī)卷煙。

表3 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)主流煙氣中焦油釋放量的影響Table 3 Effects of manual smoking and different negative pressures on the release of tar in mainstream smoke

3.2.3 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)主流煙氣中一氧化碳釋放量的影響

一氧化碳作為主流煙氣中7種有害成分之一，與吸煙與健康問題關(guān)系重大。根據(jù)研究表明，煙支包卷密度、陰燃速率、粗纖維、煙堿、氯以及鉀、鈣、銅、鐵等金屬元素與主流煙氣中一氧化碳釋放量呈顯著相關(guān)[9]。由表4可知，常規(guī)卷煙及中支卷煙的一氧化碳釋放量與上煙負(fù)壓無顯著相關(guān)性，細(xì)支卷煙一氧化碳釋放量與上煙負(fù)壓呈正相關(guān)性。

表4 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)主流煙氣中一氧化碳釋放量的影響Table 4 Effects of manual smoking and different negative pressures on the release of carbon monoxide in mainstream smoke

3.2.4 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)主流煙氣中水分釋放量的影響

卷煙主流煙氣中的水分含量大小是影響卷煙感官評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。根據(jù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主流煙氣中水分適宜能改善煙氣柔和度及感官舒適性，降低煙氣的刺激性；當(dāng)水分含量低時(shí)，會(huì)增強(qiáng)煙氣的干燥感及刺激性、降低感官舒適性[10]。由表5可知，中細(xì)支卷煙的水分釋放量與上煙負(fù)壓呈負(fù)相關(guān)性，分別由1.56 mg/cig下降至1.43 mg/cig、2.02 mg/cig下降至1.75 mg/cig，下降幅度分別為8.3%和14.8%。

表5 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)主流煙氣中水分釋放量的影響Table 5 Effects of manual smoking and different negative pressures on water release in mainstream smoke

3.2.5 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)主流煙氣中煙堿釋放量的影響

煙氣中煙堿釋放量指的是主流煙氣總粒相物中的煙堿量，是致使吸煙者吸煙成癮的主要原因，因此也被作為監(jiān)控一款卷煙質(zhì)量穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。由表6可知，隨著負(fù)壓增強(qiáng)而導(dǎo)致的卷煙空頭，對(duì)常規(guī)卷煙及中支卷煙并沒有相關(guān)性影響。但細(xì)支卷煙的尼古丁釋放量則隨著上煙負(fù)壓的增強(qiáng)而上升，呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。

表6 手動(dòng)上煙及不同負(fù)壓對(duì)主流煙氣中煙堿釋放量的影響Table 6 Effects of manual smoking and different negative pressures on nicotine release in mainstream smoke

3.3 不同規(guī)格卷煙最優(yōu)上煙負(fù)壓的探索

為了進(jìn)一步量化吸煙機(jī)負(fù)壓流量大小，尋找不同規(guī)格卷煙最優(yōu)上煙負(fù)壓，因此需要對(duì)現(xiàn)有吸煙機(jī)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造。本研究通過在吸煙機(jī)負(fù)壓模塊及轉(zhuǎn)盤通氣孔之間添加一個(gè)輔助上煙模塊，以實(shí)現(xiàn)能夠顯示并控制管路中氣體流量的大小的功能，并申請(qǐng)授權(quán)了使用新型專利[12]。

表7 不同規(guī)格卷煙最優(yōu)上煙負(fù)壓流量Table7 Optimal negative pressure flow rate of cigarettes with different specifications

綜合3.1及3.2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，上煙負(fù)壓對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分分析結(jié)果的影響主要是由卷煙的空頭率而引起的。通過調(diào)整改進(jìn)優(yōu)化后吸煙機(jī)的負(fù)壓大小，尋找出不同規(guī)格卷煙在上煙時(shí)不產(chǎn)生空頭的最佳負(fù)壓，結(jié)果如表7所示。在上煙負(fù)壓流量分別為20.0～20.5 mL/min，17.0～17.5 mL/min，14.0～14.5 mL/min時(shí)，常規(guī)、中支、細(xì)支卷煙在吸煙機(jī)自動(dòng)上煙過程中不會(huì)出現(xiàn)煙支掉落、煙支空頭或煙支夾持器插入不到位等情況。

4 結(jié) 論

吸煙機(jī)是檢測卷煙主流煙氣的必要儀器之一。吸煙機(jī)吸煙實(shí)驗(yàn)是研發(fā)人員觀察吸煙者而總結(jié)出來的一套標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制風(fēng)速、抽吸容量、抽吸間隔等因素都是必不可少的。吸煙機(jī)在上煙時(shí)，負(fù)壓會(huì)導(dǎo)致煙支產(chǎn)生空頭，改變了原有煙支的內(nèi)部密度分布情況，從而使得吸煙實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果與吸煙者實(shí)際的吸煙情況產(chǎn)生誤差。試驗(yàn)通過手動(dòng)上煙以及大中小三個(gè)不同壓強(qiáng)的負(fù)壓對(duì)常規(guī)卷煙、中支卷煙、細(xì)支卷煙3中不同規(guī)格卷煙的出現(xiàn)空頭情況及主流煙氣中總粒相物、焦油、一氧化碳、水分和煙堿進(jìn)行分析比較?？梢钥闯霾煌?guī)格卷煙在不同上煙負(fù)壓下煙支空頭與負(fù)壓呈正相關(guān)且主流煙氣中各物質(zhì)釋放量不同，總粒相物、焦油、一氧化碳和煙堿呈不同程度的上升趨勢，水分釋放量呈下降趨勢，且中細(xì)支卷煙與上煙負(fù)壓的相關(guān)性更為顯著。5種主流煙氣主要成分的變化，主要是煙支密度增大所帶來的影響，與王鍇等[11]考察了煙支密度對(duì)卷煙主流煙氣品質(zhì)影響的研究結(jié)果相符合。同時(shí)，研究還通過對(duì)吸煙機(jī)進(jìn)行改造升級(jí)，量化了不同規(guī)格卷煙的最優(yōu)上煙負(fù)壓，有利于行業(yè)內(nèi)煙氣分析統(tǒng)一性以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的進(jìn)一步提升，且為吸煙機(jī)根據(jù)卷煙規(guī)格自動(dòng)調(diào)整負(fù)壓提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。