卷煙陰燃完全性對常規煙氣指標的影響

程傳玲牛婷婷穆 林趙怡凡王建民

(1. 鄭州輕工業大學，河南 鄭州 450001；2. 貴州中煙工業有限責任公司，貴州 貴陽 550009)

卷煙燃燒分為動態燃燒和陰燃(靜態燃燒)，動態燃燒僅占煙支燃燒的1/3，另2/3的煙支則是在抽吸間隙陰燃的，而陰燃的穩定性在一定程度上會影響卷煙燃燒速度、煙氣釋放量及卷煙包灰質量[1-2]。荊熠[3]研究發現隨著膨脹梗絲比例增加，無論低引燃傾向卷煙和常規卷煙的陰燃速度均增加，焦油、煙堿含量均呈減少趨勢。吳宏偉等[4]研究鹽類添加劑可以降低卷煙燃燒熱分解活化能，從而提升卷煙燃燒速度,降低焦油含量。王啟成[5]、沈凱等[6]分別在卷煙紙中添加不同的助燃劑，結果發現隨助燃劑含量增加，鉀鈉比增加，靜燃速率增加；在煙絲中添加乙酸鉀可以有效降低卷煙燃燒最高溫度，并減少主流煙氣CO的釋放量。惲之瑜等[7]研究發現陰燃狀態下的亞硝胺釋放量與主流煙氣中的焦油、煙堿釋放量無明顯關系。王寧[8]、趙繼俊等[9]、沈慧[10]、高震宇等[11]分別對卷煙陰燃速率的測定做了不同的改進及優化。顏水明等[12]研究顯示卷煙燃燒低溫區域越大則主流煙氣中CO釋放量越多。

綜上所述，目前行業內對卷煙陰燃的研究主要集中在燃燒速度和燃燒溫度方面，而對于卷煙陰燃完全性與煙氣指標間的關系相關報道甚少。本研究擬通過分析中國50種不同牌號卷煙實際可燃率、自由燃燒速度對煙氣中TPM、煙堿、焦油、CO、CO2的影響，明確卷煙陰燃完全程度對不同煙氣成分釋放量的影響規律。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料與試劑

卷煙樣品：#1～#50種不同牌號。

異丙醇、無水乙醇：色譜級，天津市大茂化學試劑廠；

正十七烷：純度≥98.5%，北京百靈威科技有限公司；

煙堿：純度≥98%，鄭州煙草研究院；

純凈水：杭州娃哈哈集團有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

恒溫恒濕箱：KBF240型，德國Binder公司；

電子天平：SQP型，感量0.000 1，德國Sartorius公司；

機械秒表：504型，北京星鉆秒表有限公司；

接嘴實驗機：SZJ型，國營平水機械廠；

轉盤式吸煙機：RH20型，德國Borgwaldt公司；

氣相色譜儀：安捷倫7890型，美國Agilent公司；

恒溫回旋振蕩器：THZ-C型，江蘇太倉市華美生化儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 卷煙燃燒指標檢測

(1) 樣品準備：隨機選取兩盒成品卷煙，每個牌號分別測4組，每組4支，共16支，另有4支以備用。在溫度(22±1) ℃，相對濕度(60±3)%的環境下平衡48 h。煙絲剝離試驗時每個牌號20支，剔除空頭煙支，計算煙絲質量均值。

(2) 煙支燃燒：煙支標記如圖1所示，煙支前端標記為a，距前端10 mm(根據煙支長度有所調整)處標記為b，距前端50 mm(根據煙支長度有所調整)處標記為c，ab之間距離記為L1，bc之間距離記為L2，ac之間距離記為L3。在b、c兩點處固定棉線，b處棉線斷裂開始計時，c處棉線斷裂終止計時，并即刻在c處沿卷煙軸向垂直剪下煙灰柱，收集并稱量L3段煙灰質量記為m3，時間記為T。

圖1 卷煙燃燒指標檢測示意圖

(3) 煙絲剝離：取相同煙支樣品，在計時啟動與終止的相同位置分別作標記b、c，用SZJ接嘴機的切斷裝置將煙支在b、c標記處切斷，然后用手術刀片將L1、L2段煙支的煙絲剝離并稱量，分別記為M1、M2，M3為二者之和。

(4) 自由燃燒速度：卷煙自由燃燒時燃燒區的前沿沿著卷煙軸向推進的平均速度[13]，用V表示。

(1)

式中：

V——自由燃燒速度，mm/min；

L2——計時煙支長度，mm；

T——計時時間，min。

(5) 實際可然率：卷煙在自由燃燒時的質量損失與燃燒前的初始質量的比率[13]，用K表示。

(2)

式中：

K——實際可燃率，%；

M3——燃燒長度的煙絲質量，mg；

m3—— 計時長度的煙灰質量，mg。

(6) 可然率：卷煙中的煙絲在自由燃燒時被燒掉的速率[13]，用C表示。

(3)

式中：

C——可燃率，mg/min；

M2——計時長度的煙絲質量，mg；

T——計時時間，min。

1.2.2 煙氣指標檢測

(1) 樣品準備：根據GB/T 19609—2004在溫度(22±1) ℃，相對濕度(60±3)%的環境下平衡48 h。

(2) 濾嘴替換：為保證不同牌號卷煙樣品濾嘴過濾效果一致，所有樣品替換為統一濾嘴。具體操作測量原樣品長度、接裝紙長度、濾棒長度，若接裝紙與濾棒長度之差<7 mm則截去原有濾棒長度，再接裝新的濾嘴(濾棒長度25 mm，接裝紙長度32 mm)，若接裝紙與濾棒之差>7 mm，則保留原有接裝紙剩余7 mm，然后接裝新的濾嘴。

(3) 煙氣指標檢測：TPM、焦油、煙堿、水分分別按GB/T 19609—2004《卷煙 用常規分析用吸煙機測定總粒相物和焦油》、GB/T 23355—2009《卷煙 總粒相物中煙堿的測定 氣相色譜法》、GB/T 23203—2008《卷煙 總粒相物中水分的測定 第1部分：氣相色譜法》執行。

1.2.3 數據處理 采用SPSS軟件對試驗數據進行相關性分析，利用回歸方程分析卷煙陰燃完全性常規對煙氣成分的影響。

2 結果與分析

2.1 實際可燃率與自由燃燒速度、可燃率之間的關系

不同牌號卷煙陰燃狀況不同，所得實際可燃率、自由燃燒速度、可燃率結果不同。所測樣品實際可燃率范圍為83.025 2%～87.462 8%，平均為85.63%，變異系數為1.12%；自由燃燒速度范圍為4.405 0～6.408 7 mm/min，均值為5.17 mm/min，變異系數為9.55%；可燃率范圍為47.990 4～64.637 0 mg/min，均值為55.22 mg/min，變異系數7.34%。由變異系數可知中國常規卷煙的陰燃完全程度相差不大，燃燒速度有一定差別。

由表1可知，卷煙陰燃實際可燃率與自由燃燒速度在0.01水平呈極顯著負相關；與可燃率二者在0.01水平呈極顯著負相關；自由燃燒速度與可燃率在0.01水平呈極顯著正相關。卷煙陰燃程度受自由燃燒速度的影響，即燃燒速度慢，煙支陰燃越完全，殘留的煙灰灰分越少。

表1實際可燃率與自由燃燒速度、可燃率相關性分析結果?

Table1Analysisresultsofcorrelationbetweenactualflammabilityrateandfreeburningrateandflammabilityrate(n=50)

指標實際可燃率自由燃燒速度可燃率實際可燃率 1.00自由燃燒速度-0.56??1.00可燃率 -0.53??0.93??1.00

? **. 在0.01 水平(雙側)上顯著相關；*. 在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

2.2 卷煙陰燃完全性對煙氣指標的影響

煙氣指標檢測結果顯示不同牌號卷煙的常規煙氣成分釋放量不同。TPM變化范圍為11.18～16.72 mg，平均每支含量14.15 mg；煙堿范圍為0.76～1.23 mg/支，平均每支含量1.01 mg；焦油8.95～13.46 mg/支，平均每支含量11.16 mg；抽吸口數5.16～7.11，平均每支含量6.05口；CO含量變化范圍為10.45～13.87 mg/支，平均每支含量12.05 mg。水分變異系數>20%，煙堿變異系數為11.57，其他指標變異系數均<10%。

2.2.1 相關性結果分析 由表2可知，根據Pearson相關分析實際可燃率與TPM、煙堿、焦油均是正相關關系，其中TPM、焦油受影響程度大于煙堿；自由燃燒速度與TPM、煙堿、焦油均呈負相關關系，其中TPM、焦油與自由燃燒速度的相關較強；可燃率與TPM、煙堿、焦油負相關，且對TPM、焦油的影響最大。由分析結果知相關系數均<0.7，這是因為影響卷煙煙氣成分含量的因素不僅僅有燃燒特性，不同卷煙的配方不同，卷煙煙氣成分也會有差異。

表2 燃燒指標與煙氣指標相關性分析結果?

? **. 在0.01 水平(雙側)上顯著相關；*. 在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

2.2.2 回歸結果分析 以卷煙常規煙氣指標為因變量，自由燃燒速度、實際可燃率、可燃率、煙支重量、煙支長度為自變量進行多元回歸分析，方差分析結果可知除水分外，檢測指標TPM、焦油、抽吸口數、煙堿、CO、CO2回歸方程的P值均<0.01，說明預測模型能通過0.01水平的顯著性檢驗。

由表3可知：① TPM主要受自由燃燒速度、實際可燃率、煙支長度的影響，決定系數R2為0.620；TPM與自由燃燒速度呈極顯著負相關，與實際可燃率、煙支長度呈極顯著正相關；由標準化回歸系數可知，3個自變量對TPM的影響順序為實際可燃率>自由燃燒速度>煙支長度，即實際可燃率對TPM的影響最大。② 焦油和煙堿主要受自由燃燒速度、實際可燃率、煙支長度的影響，決定系數R2分別為0.66和0.50；焦油和煙堿與自由燃燒速度極顯著負相關，與實際可燃率、煙支長度極顯著正相關；影響順序為自由燃燒速度>實際可燃率>煙支長度。③ 卷煙燃燒抽吸口數也受此三者的影響，決定系數為0.71；抽吸口數與自由燃燒速度負相關，與實際可燃率、煙支長度呈正相關；煙支長度的影響最大，其次為自由燃燒速度和實際可燃率。④ CO、CO2主要受自由燃燒速度和煙支長度呈的影響，決定系數分別為0.15和0.55；二者與自由燃燒速度呈負相關，與實際可燃率呈正相關，且自由燃燒速度的影響作用大于煙支長度。由以上分析可知，回歸模型對檢測的50種不同牌號卷煙的TPM、焦油、煙堿、抽吸口數、CO2指標的回歸系數均>0.5，抽吸口數預測的決定系數最高為0.71。

綜合以上分析可以看出，卷煙陰燃完全性對常規煙氣指標的影響一致，即卷煙陰燃越完全，常規煙氣成分釋放量越高。這是因為卷煙陰燃的完全性直接影響卷煙的自由燃燒速度，陰燃完全程度越高，卷煙的燃燒速度越慢，相應的抽吸口數就會增加，進而導致常規煙氣成分釋放量升高。卷煙的陰燃完全性是煙支燃燒時的質量損失率與初始煙絲質量的比率，故而還與卷煙燃燒煙灰殘余量有關，卷煙陰燃越完全，相應的煙灰灰分越少，更多的燃燒物質揮發進入煙氣，導致常規煙氣成分釋放量增加。

3 結論

(1) 50種不同牌號中國卷煙燃燒完全性達85.63%左右，自由燃燒速度約為5.17 mm/min，達不到完全燃燒的狀態。且卷煙越易燃，自由燃燒速度越快，燃燒越不完全。

(2) 卷煙燃燒完全程度對煙氣中的TPM、煙堿、焦油、抽吸口數均有不同程度的影響，且隨著燃燒越完全，煙支燃燒產生的總粒相物、焦油含量越高，相應的燃燒速度變慢，抽吸口數增加。

表3 多元回歸分析結果

此研究的不足之處：① 按此方法所得得出的卷煙燃燒完全性，包含一部分碳化的燃燒錐，因此實際可燃率有一定偏差；② 卷煙陰燃與動態抽吸有一定差異，燃燒狀態也有所不同，因此燃燒完全性也不盡相同。要解決以上問題，應盡可能模仿消費者抽煙模式，排除不完全燃燒燃燒錐的影響。