濾嘴參數(shù)對(duì)細(xì)支煙主要理化指標(biāo)的影響

楚文娟，孟祥士，許 旭，崔 春，李明哲，馬宇平，田海英*，高明奇*

1. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)第三大街8 號(hào) 450000

2. 河北白沙煙草有限責(zé)任公司保定卷煙廠，河北省保定市南市區(qū)玉蘭大街8 號(hào) 071000

卷煙材料是卷煙設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，其中“三紙一棒”的搭配對(duì)卷煙煙氣的釋放和卷煙感官質(zhì)量具有重要影響，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量的相關(guān)研究[1-5]。近年來(lái)，細(xì)支煙作為中式卷煙新品類(lèi)，在國(guó)內(nèi)獲得了快速發(fā)展。與常規(guī)卷煙相比，細(xì)支煙呈現(xiàn)煙支細(xì)長(zhǎng)、橫截面小、吸阻較大、抽吸氣流速度大的特點(diǎn)[6-9]。對(duì)常規(guī)卷煙的研究結(jié)論可能不適用于細(xì)支煙。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前有關(guān)細(xì)支煙的研究報(bào)道主要集中在煙氣化學(xué)指標(biāo)[10-12]、煙機(jī)設(shè)備研制改造[13-17]、制絲卷接工藝[18-19]等方面。在細(xì)支煙材料研究方面，李海鋒等[20]研究表明細(xì)支煙卷煙紙透氣度、定量、助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)主流煙氣焦油、煙堿、CO 釋放量具有顯著影響。張亞平等[21]指出細(xì)支煙煙氣TPM、煙堿、CO 釋放量以及單位焦油CO 釋放量均隨卷煙紙包灰助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和鉀鈉比的增大呈下降趨勢(shì)，且隨著卷煙紙亞麻配比和鉀鈉比的增大、包灰劑和助燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，細(xì)支煙的感官質(zhì)量得到改善。Bundren 等[22]通過(guò)研究適用于細(xì)支濾棒的高單旦、低總旦二醋酸纖維素絲束卷曲加工工藝，指出所成型細(xì)支濾棒壓降變異系數(shù)遠(yuǎn)高于常規(guī)濾棒壓降變異系數(shù)。葛暢等[13]發(fā)現(xiàn)細(xì)支煙TPM、煙堿、焦油、CO、水分、單口煙堿、單口焦油以及各中性致香成分的單支釋放量均低于常規(guī)卷煙，這種差異由細(xì)支煙與常規(guī)卷煙多種物理指標(biāo)和熱解反應(yīng)的差異共同導(dǎo)致。張大波等[23]研究指出細(xì)支煙吸阻普遍較大，煙支質(zhì)量、吸阻、硬度的穩(wěn)定性較差，煙氣質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定性較好，優(yōu)于常規(guī)卷煙控制水平。

目前，關(guān)于細(xì)支煙的基礎(chǔ)研究仍較為薄弱，針對(duì)濾嘴參數(shù)對(duì)卷煙主要理化指標(biāo)影響方面的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究在項(xiàng)目組前期考察的5種絲束規(guī)格成型能力[24]的基礎(chǔ)上，將5 種絲束規(guī)格（6.0Y/17 000、6.7Y/17 000、8.0Y/15 000、9.5Y/12 000、11.0Y/15 000）成型為不同壓降的濾棒，并卷制成不同濾嘴通風(fēng)率的細(xì)支煙，考察了濾嘴參數(shù)對(duì)細(xì)支煙的煙支吸阻、煙堿過(guò)濾效率、主流煙氣常規(guī)成分的影響，旨在為細(xì)支煙的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

6.0Y/17 000、6.7Y/17 000、8.0Y/15 000、9.5Y/12 000、11.0Y/15 000 二醋酸纖維素絲束（南通醋酸纖維有限公司）。

KDF2 濾棒成型機(jī)（沈陽(yáng)飛機(jī)制造公司）；ML204 型電子分析天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler 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）；RM200A 型轉(zhuǎn)盤(pán)吸煙機(jī)（德國(guó)Borgwaldt 公司）。

1.2 方法

1.2.1 不同壓降濾棒的成型制備

采用6.0Y/17 000、6.7Y/17 000、8.0Y/15 000、9.5Y/12 000、11.0Y/15 000 規(guī)格的二醋酸纖維素絲束，在各自成型能力范圍內(nèi)，分別成型為圓周16.90 mm、長(zhǎng)度120 mm 的不同壓降梯度的濾棒。

1.2.2 不同濾嘴設(shè)計(jì)參數(shù)卷煙樣品制備

以河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司某一在產(chǎn)規(guī)格細(xì)支煙為基礎(chǔ)（煙支長(zhǎng)度97 mm，圓周17 mm，濾嘴長(zhǎng)度30 mm，卷煙紙定量28 g/m2，卷煙紙透氣度50 CU，普通成形紙）采用同一種配方煙絲，控制相同的煙絲填充量，采用在線激光打孔，按照單因素的3 個(gè)濾棒壓降梯度，搭配4 個(gè)濾嘴通風(fēng)梯度，在同一機(jī)臺(tái)卷接60 個(gè)卷煙樣品。制作的濾棒及卷煙樣品物理指標(biāo)的設(shè)計(jì)值見(jiàn)表1。

表1 不同濾嘴參數(shù)卷煙樣品設(shè)計(jì)Tab.1 Cigarette samples with different filter parameters

對(duì)制作的60 個(gè)卷煙樣品進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值基本吻合。為提高所測(cè)卷煙樣品一致性，按照吸阻為（平均值±0.03）kPa、質(zhì)量為（平均值±0.02）g、濾嘴通風(fēng)率為（設(shè)計(jì)值±2）%的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品進(jìn)行分選。

1.2.3 卷煙主流煙氣化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)

分別按照GB/T 16447—2004[25]、GB/T 22838—2009[26]的方法平衡卷煙樣品和濾棒樣品、檢測(cè)濾棒物理性能。按照GB/T 16450—2004[27]的條件抽吸卷煙后，再分別根據(jù)GB/T 19609—2004[28]和GB/T 23355—2009[29]的方法測(cè)定卷煙主流煙氣和濾嘴中總粒相物、焦油、水分，以及主流煙氣煙堿釋放量。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 19.0 軟件[30]，其中，方差分析采用單因素方差分析F 檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 絲束規(guī)格對(duì)煙支吸阻、煙堿過(guò)濾效率、主流煙氣常規(guī)成分的影響

為了考察絲束規(guī)格對(duì)細(xì)支煙煙支吸阻、煙堿過(guò)濾效率、主流煙氣常規(guī)成分的影響，進(jìn)行了單因素方差分析，結(jié)果（表2）表明：煙支吸阻在5 種絲束規(guī)格間的差異達(dá)到顯著性水平（P＜0.05）；煙堿過(guò)濾效率在5 種絲束規(guī)格間的差異達(dá)到極顯著性水平（P＜0.01）；說(shuō)明絲束規(guī)格對(duì)細(xì)支煙煙支吸阻、煙堿過(guò)濾效率影響顯著。焦油、煙堿、CO 釋放量在5 種絲束規(guī)格間的差異均未達(dá)到顯著性水平（P＞0.05），因此，著重研究了濾棒壓降和濾嘴通風(fēng)率對(duì)細(xì)支煙焦油、煙堿、CO 釋放量的影響。

表2 絲束規(guī)格對(duì)煙支吸阻、煙堿過(guò)濾效率、主流煙氣常規(guī)成分釋放量影響的單因素方差分析結(jié)果Tab.2 Single-factor variance analysis results of effects of tow specifications on cigarette draw resistance, nicotine filtration efficiency, releases of routine smoke components

2.2 濾嘴參數(shù)對(duì)煙支吸阻的影響

本研究中5 種規(guī)格絲束的成型能力見(jiàn)高明奇等[24]相關(guān)報(bào)道。高明奇等[31]研究結(jié)果表明，煙支吸阻與濾嘴通風(fēng)率和濾棒壓降均有顯著的相關(guān)關(guān)系，且高單旦、低總旦規(guī)格的二醋酸纖維絲束更適宜于成型低壓降細(xì)支濾棒，進(jìn)而可以有效降低煙支吸阻。煙支吸阻是卷煙設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要物理指標(biāo)，本研究中在前期研究的基礎(chǔ)上，將60 個(gè)樣品的煙支吸阻實(shí)測(cè)值與濾棒壓降、濾嘴通風(fēng)率、絲束單旦和絲束總旦進(jìn)行擬合，得到回歸方程：

式中：Y 為煙支吸阻，Pa；X1為濾棒壓降，Pa；X2為濾嘴通風(fēng)率，%；X3為絲束單旦；X4為絲束總旦。

回歸方程的P 值小于0.05，決定系數(shù)R2為0.995，說(shuō)明該回歸方程有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該回歸方程計(jì)算的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了內(nèi)部驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 煙支吸阻內(nèi)部驗(yàn)證結(jié)果Fig.1 Internal validation results of cigarette draw resistance

由圖1 可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的回歸方程斜率為0.994 5，R2為0.995 3，說(shuō)明計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合度較好。因此，應(yīng)用該回歸方程可以同時(shí)進(jìn)行濾棒壓降、濾嘴通風(fēng)率以及絲束規(guī)格的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)支煙煙支吸阻的調(diào)控，可為細(xì)支煙開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.3 濾嘴參數(shù)對(duì)煙堿過(guò)濾效率的影響

常規(guī)卷煙濾嘴參數(shù)對(duì)煙氣中煙堿過(guò)濾效率的研究相對(duì)較多[1-2,4]。魏玉玲等[4]研究了卷煙材料多因素對(duì)通風(fēng)率及煙堿過(guò)濾效率的影響，結(jié)果表明，對(duì)于30 mm 長(zhǎng)的卷煙濾嘴，煙堿的過(guò)濾效率基本均大于40%。本研究中測(cè)定了細(xì)支煙在不同濾嘴通風(fēng)和壓降條件下的煙堿過(guò)濾效率，結(jié)果表明，同樣30 mm 長(zhǎng)的濾嘴，在0～58%濾嘴通風(fēng)條件下，細(xì)支煙濾嘴煙堿過(guò)濾效率在18%～27%之間，遠(yuǎn)低于常規(guī)卷煙。原因可能是細(xì)支煙絲束單旦較高，煙氣截留能力相對(duì)較弱；且細(xì)支煙直徑較小，抽吸過(guò)程中煙氣流通速度較高，進(jìn)一步減少了對(duì)煙氣的截留。

高明奇等[32]的研究結(jié)果表明，細(xì)支煙煙堿的過(guò)濾效率與濾嘴通風(fēng)率呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（R2＞0.91），在研究的濾棒壓降范圍內(nèi)，濾嘴通風(fēng)率每增加10%，細(xì)支煙對(duì)煙堿的過(guò)濾效率增加0.624%～1.046%；與濾棒壓降呈顯著正線性相關(guān)關(guān)系（R2＞0.87）；在研究的濾嘴通風(fēng)率范圍內(nèi)，濾棒壓降每增大400 Pa，過(guò)濾效率增加1.1%～1.5%。而于川芳等[2]對(duì)常規(guī)卷煙過(guò)濾效率的研究結(jié)果表明，常規(guī)卷煙濾棒壓降每增加400 Pa，煙堿過(guò)濾效率增加2.8%左右，約為細(xì)支煙的2 倍。綜上可以看出，煙堿過(guò)濾效率同時(shí)受濾嘴通風(fēng)和濾棒壓降的影響，且相關(guān)性較強(qiáng)；此外，絲束規(guī)格中的單旦和總旦也是影響煙堿過(guò)濾效率的重要因素。因此本研究中采用煙堿過(guò)濾效率實(shí)測(cè)值與濾嘴通風(fēng)率、濾棒壓降、絲束單旦、絲束總旦進(jìn)行擬合，得到回歸方程：

式中：Y 為煙堿過(guò)濾效率，%；X1為濾棒壓降，Pa；X2為濾嘴通風(fēng)率，%；X3為絲束單旦，X4為絲束總旦。

該回歸方程的P 值小于0.05，決定系數(shù)R2為0.956，說(shuō)明該回歸方程有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該回歸方程計(jì)算的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了內(nèi)部驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 煙堿過(guò)濾效率內(nèi)部驗(yàn)證結(jié)果Fig.2 Internal validation results of nicotine filtration efficiency

由圖2 可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的回歸方程斜率為0.934 2，R2為0.955 6，說(shuō)明計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合度較好。因此，利用該回歸方程，可以同時(shí)進(jìn)行濾棒壓降、濾嘴通風(fēng)率以及絲束規(guī)格的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)支煙濾嘴煙堿過(guò)濾效率的精準(zhǔn)調(diào)控。

2.4 濾嘴參數(shù)對(duì)主流煙氣常規(guī)成分的影響

2.4.1 濾棒壓降

不考慮絲束規(guī)格，將濾棒壓降與細(xì)支煙主流煙氣常規(guī)成分釋放量進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，對(duì)于不同絲束規(guī)格的細(xì)支煙，當(dāng)濾嘴通風(fēng)率一定時(shí)，其焦油、煙堿的釋放量與濾棒壓降呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2＞0.663），CO 釋放量與濾棒壓降無(wú)相關(guān)性。在所研究的濾嘴通風(fēng)率范圍內(nèi)，濾棒壓降每增加400 Pa，煙氣焦油、煙堿的釋放量分別降低0.10～0.17、0.010～0.026 mg/支。與于川芳等[2]對(duì)常規(guī)卷煙的研究結(jié)果相比，濾棒壓降對(duì)常規(guī)卷煙煙氣成分的影響幅度明顯高于細(xì)支煙，約為細(xì)支煙的3 倍。

表3 濾棒壓降對(duì)細(xì)支煙主流煙氣焦油、煙堿和CO 釋放量的影響Tab.3 Effects of filter rod pressure drop on deliveries of tar, nicotine, and CO in mainstream smoke of slim cigarettes

2.4.2 濾嘴通風(fēng)率

對(duì)于同一絲束規(guī)格，將濾嘴通風(fēng)率與細(xì)支煙主流煙氣釋放量進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表4。可以看出，對(duì)于同一濾棒壓降，其焦油、煙堿、CO 的釋放量與濾嘴通風(fēng)率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2＞0.86）。濾嘴通風(fēng)率每增加10%，煙氣焦油、煙堿和CO 釋放量的降 低 量 分 別 為0.623～0.817、0.041 9～0.053 0 和0.625～0.698 mg/支。與于川芳等[1]對(duì)常規(guī)卷煙的研究結(jié)果相比，濾嘴通風(fēng)率對(duì)常規(guī)卷煙主流煙氣常規(guī)成分的影響幅度是細(xì)支煙的3 倍左右。

2.4.3 濾嘴參數(shù)與主流煙氣常規(guī)成分釋放量的回歸方程

由于絲束規(guī)格主要影響濾棒壓降，且單因素方差分析表明焦油、煙堿、CO 釋放量在5 種絲束規(guī)格間的差異均未達(dá)到顯著性水平（P＞0.05）。因此，本研究中采用細(xì)支煙常規(guī)成分釋放量實(shí)測(cè)值與濾棒壓降、濾嘴通風(fēng)率進(jìn)行擬合，得到如下回歸方程：

表4 濾嘴通風(fēng)率對(duì)細(xì)支煙煙氣焦油、煙堿和CO 釋放量的影響Tab.4 Effects of filter ventilation rate on deliveries of tar, nicotine, and CO in mainstream smoke of slim cigarettes

式中：Y 為焦油釋放量，mg·支-1；X1為濾棒壓降，Pa；X2為濾嘴通風(fēng)率，%。

式中：Y 為煙堿釋放量，mg·支-1；X1為濾棒壓降，Pa；X2為濾嘴通風(fēng)率，%。

式中：Y 為CO 釋放量，mg·支-1；X2為濾嘴通風(fēng)率，%。

焦油、煙堿、CO 的回歸方程的P 值均小于0.05，且決定系數(shù)R2均大于0.970，說(shuō)明3 個(gè)回歸方程均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該回歸方程計(jì)算的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了內(nèi)部驗(yàn)證，見(jiàn)圖3。

由圖3 可知，主流煙氣常規(guī)成分釋放量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的回歸方程的斜率分為0.984 9、0.974 4、0.983 0，R2分別為0.984 1、0.972 4、0.982 4，說(shuō)明主流煙氣常規(guī)成分釋放量的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合度較好。因此，可以利用主流煙氣常規(guī)成分釋放量回歸方程，通過(guò)調(diào)整濾棒壓降和濾嘴通風(fēng)率，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)支煙常規(guī)煙氣成分釋放量的精準(zhǔn)調(diào)控。

圖3 主流煙氣常規(guī)成分釋放量?jī)?nèi)部驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Internal validation results of routine smoke components

3 結(jié)論

①單因素方差分析結(jié)果顯示：煙支吸阻和煙堿過(guò)濾效率在5 種絲束規(guī)格間的差異分別達(dá)到顯著和極顯著的水平，而主流煙氣常規(guī)成分釋放量在5 種絲束規(guī)格間的差異均未達(dá)到顯著性水平。②焦油、煙堿的釋放量與濾棒壓降和濾嘴通風(fēng)率均負(fù)相關(guān)，CO 釋放量與濾棒壓降無(wú)相關(guān)性，與濾嘴通風(fēng)率負(fù)相關(guān)。③濾嘴參數(shù)對(duì)細(xì)支煙主流煙氣常規(guī)成分釋放量、濾嘴煙堿過(guò)濾效率的影響幅度低于常規(guī)卷煙。④建立了煙支吸阻、煙堿過(guò)濾效率、主流煙氣常規(guī)成分釋放量與濾嘴參數(shù)的回歸方程，且R2均大于0.95，內(nèi)部驗(yàn)證顯示回歸方程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合度較好。本研究結(jié)果可為細(xì)支煙理化指標(biāo)的精準(zhǔn)調(diào)控、細(xì)支煙數(shù)字化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供支撐。