卷煙規(guī)格對(duì)主流煙氣6 種有害成分釋放量的影響

劉 巍，崔柱文，陳進(jìn)雄，張子龍，金永燦，楊艷萍，周茂忠

1. 云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路181 號(hào) 650023

2. 紅云紅河集團(tuán)昆明卷煙廠，昆明市五華區(qū)紅錦路366 號(hào) 650202

近年來，中式卷煙規(guī)格不斷增多，其中，細(xì)支煙、中支煙發(fā)展較快。卷煙煙氣中含有多種有害物質(zhì)，謝劍平等［1］采用多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法首次確定了對(duì)卷煙主流煙氣危害性影響最大的7 種有害成分［苯酚、巴豆醛、HCN、苯并［a］芘（B［a］P）、氨、NNK 和CO］。卷煙規(guī)格是影響主流煙氣化學(xué)成分的重要因素之一。研究卷煙規(guī)格對(duì)主流煙氣化學(xué)成分的影響，可為卷煙降焦減害提供技術(shù)支持。

目前國內(nèi)外關(guān)于卷煙特征參數(shù)對(duì)其煙氣化學(xué)成分的影響有諸多報(bào)道，主要集中在煙支圓周、切絲寬度、濾嘴長(zhǎng)度等因素對(duì)主流煙氣成分的影響［2-12］。例如，Lugton［6］的研究表明焦油釋放量隨卷煙圓周的增加而線性增加，王建民等［10］的研究表明TPM 隨卷煙濾嘴長(zhǎng)度、接裝紙長(zhǎng)度等卷煙規(guī)格變化呈線性關(guān)系變化，邱玉春等［12］研究了煙氣中7 種有害成分與切絲寬度的關(guān)系。但目前的報(bào)道中，就卷煙特征參數(shù)對(duì)煙氣中6 種有害成分（苯酚、巴豆醛、HCN、BaP、氨和NNK）的影響，多為研究一種參數(shù)對(duì)煙氣中該6 種有害成分的影響，鮮有同時(shí)研究煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度對(duì)煙氣中該6 種有害成分的影響的相關(guān)報(bào)道。因此，本研究中以無濾嘴卷煙為研究對(duì)象，采用多因素分析方法，系統(tǒng)研究了煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度對(duì)卷煙主流煙氣中6 種有害成分（苯酚、巴豆醛、HCN、B［a］P、氨和NNK）釋放量的影響，旨在為卷煙設(shè)計(jì)和卷煙工藝提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

2016 年昆明產(chǎn)紅大品種、等級(jí)為WDC3F 的復(fù)烤煙片。

AG204 型電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettle Toledo 公司）；KBF720 型恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）；RM200A 型全自動(dòng)吸煙機(jī)（德國Borgwaldt 公司）；SM450 直線型吸煙機(jī)（英國Cerulean 公司）；ICS-3000 離子色譜儀（美國Thermo公司）；AA3 連續(xù)流動(dòng)分析儀（德國Bran+Luebb 公司）；7890A 氣相色譜儀、6890N 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國Agilent 公司）；E2695 高效液相色譜儀，配備紫外檢測(cè)器和熒光檢測(cè)器（美國Waters 公司）；UPLC（美國Waters 公司）-QTRAP 5500（美國SCIEX 公司）超高效液相色譜-三重四極桿線性離子阱質(zhì)譜聯(lián)用儀。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

為減少輔料對(duì)煙氣成分的影響，采用無濾嘴卷煙作為研究目標(biāo)物，委托云南紅塔藍(lán)鷹紙業(yè)有限公司采用同一機(jī)臺(tái)、同一批次生產(chǎn)，透氣度為50 CU、定量為32 g/m2的直羅紋木漿卷煙紙作為實(shí)驗(yàn)用卷煙紙，分切成寬度19.0、22.2、25.0、26.5 和29.0 mm 等5 種規(guī)格。煙支圓周設(shè)計(jì)17.0、20.0、23.0、24.2 和27.0 mm，煙支長(zhǎng)度設(shè)計(jì)74、84、92 和100 mm，煙絲寬度設(shè)計(jì)0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 和1.2 mm，共計(jì)120 個(gè)樣品，委托云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司昆明卷煙廠和玉溪卷煙廠卷制完成。樣品參數(shù)涵蓋云南中煙公司在產(chǎn)產(chǎn)品規(guī)格。

1.2.2 樣品分析

將卷煙樣品在GB/T 16447—2004［13］規(guī)定的條件下平衡后，按GB/T 16450—2004［14］的方法抽吸卷煙，分別采用GB/T 19609—2004［15］、YC/T 255—2008［16］、YC/T 254—2008［17］、YC/T 253—2008［18］、GB/T 21130—2007［19］、YC/T 377—2017［20］和GB/T 23228—2008［21］的方法測(cè)定主流煙氣中焦油、苯酚、巴豆醛、HCN、B［a］P、NH3和NNK 的釋放量。其中，統(tǒng)計(jì)分析采用的數(shù)據(jù)均為每支煙主流煙氣中焦油和6 種有害成分的釋放量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

回歸分析是確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，按照涉及變量的多少，分為一元回歸和多元回歸分析［22］。

多因素方差分析，可以分析兩個(gè)或者兩個(gè)以上因素對(duì)因變量產(chǎn)生的影響，且可以通過方差比較的方法判斷對(duì)因變量產(chǎn)生顯著性影響的因素［22］。為了直觀簡(jiǎn)便地尋找卷煙規(guī)格對(duì)卷煙主流煙氣6 種有害成分的影響規(guī)律，本研究中選取煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度作為影響因素對(duì)樣品煙氣中6 種有害成分釋放量進(jìn)行多因素方差分析。在多因素方差分析中，由于影響因變量的因素有多個(gè)，其中某些因素除了自身對(duì)因變量產(chǎn)生影響之外，因素之間也有可能會(huì)共同對(duì)因變量產(chǎn)生影響。把因素單獨(dú)對(duì)因變量產(chǎn)生的影響稱之為“主效應(yīng)”；把因素之間共同對(duì)因變量產(chǎn)生的影響，或者因素某些水平同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，除了主效應(yīng)之外的附加影響，稱之為“交互效應(yīng)”。多因素方差分析不僅要考慮每個(gè)因素的主效應(yīng)，往往還要考慮因素之間的交互效應(yīng)［22］。

本研究中的數(shù)據(jù)分析均采用Minitab軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同規(guī)格卷煙主流煙氣6 種有害成分和焦油的檢測(cè)結(jié)果

120 個(gè)不同規(guī)格無濾嘴卷煙樣品主流煙氣中6種有害成分和焦油釋放量的檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。可知，隨煙支圓周和長(zhǎng)度減小，卷煙主流煙氣中焦油和6 種有害成分釋放量的上下限均有所降低；而隨切絲寬度改變，主流煙氣中焦油和6 種有害成分釋放量的變化無明顯規(guī)律。

表1 不同規(guī)格煙支主流煙氣6 種有害成分和焦油釋放量檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Releases of six harmful components and tar in mainstream smoke from cigarettes of different specifications

表1 （續(xù)）

表1 （續(xù)）

2.2 卷煙主流煙氣6 種有害成分釋放量與焦油釋放量的關(guān)系分析

對(duì)卷煙主流煙氣6 種有害成分釋放量與焦油釋放量進(jìn)行一元回歸分析，結(jié)果見表2。可知，6種煙氣有害成分與焦油的回歸方差分析中，P 值均小于0.05，F(xiàn) 值均遠(yuǎn)大于置信水平為95%的F 值（8.18），苯酚、B[a]P、氨、NNK 的R-sq 值均大于80%，卷煙主流煙氣中6 種成分釋放量與焦油釋放量存在顯著的相關(guān)性。

表2 煙氣6 種有害成分釋放量與焦油釋放量回歸關(guān)系分析結(jié)果Tab.2 Results of regression analysis of six harmful component releases with tar in mainstream smoke

2.3 交互作用分析

交互作用圖是每個(gè)因子水平在另一個(gè)因子水平始終恒定時(shí)的均值圖。當(dāng)某一因子水平上的響應(yīng)依賴于其他因子水平時(shí)，即表示存在交互作用。如果交互作用圖中顯示的是平行線，則表示不存在交互作用。線偏離平行正態(tài)的程度越大，則交互作用程度越高［23］。

圖1 為煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度對(duì)煙氣中苯酚釋放量的交互作用圖。圖1a 為煙支圓周和煙支長(zhǎng)度的交互作用圖，橫坐標(biāo)為煙支長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為苯酚的釋放量均值，圖中各線條為不同圓周、不同長(zhǎng)度的苯酚釋放量均值連線。圖1a 中各條線無相交，即煙支圓周和煙支長(zhǎng)度對(duì)煙氣中苯酚釋放量的交互作用不明顯。圖1b 為煙支圓周與煙絲寬度的交互作用圖，圖1c 為煙支長(zhǎng)度與煙絲寬度的交互作用圖。同理，煙絲寬度對(duì)煙氣中苯酚釋放量的交互作用不明顯。

圖2～圖6 為煙支長(zhǎng)度、煙支圓周和煙絲寬度對(duì)煙氣中巴豆醛、HCN、B［a］P、氨、NNK 的交互作用圖。可知，煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度對(duì)煙氣中6 種有害成分釋放量的交互作用不明顯。

圖1 煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度對(duì)煙氣中苯酚釋放量的交互作用Fig.1 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and phenol release in mainstream cigarette smoke

圖2 煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度對(duì)煙氣中巴豆醛釋放量的交互作用Fig.2 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and crotonaldehyde release in mainstream cigarette smoke

圖3 煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度對(duì)煙氣中HCN釋放量的交互作用Fig.3 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and HCN release in mainstream cigarette smoke

圖4 煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度對(duì)煙氣中B［a］P 釋放量的交互作用Fig.4 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and B［a］P release in mainstream cigarette smoke

圖5 煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度對(duì)煙氣中氨釋放量的交互作用Fig.5 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and ammonia release in mainstream cigarette smoke

圖6 煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度對(duì)煙氣中NNK釋放量的交互作用Fig.6 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and NNK release in mainstream cigarette smoke

2.4 平衡方差分析

平衡方差分析可以使用原始因子水平均值之間的差異來估計(jì)主要效應(yīng)和交互作用效應(yīng)。對(duì)煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度與煙氣中6 種有害成分釋放量進(jìn)行平衡方差分析，并求出R2，結(jié)果見表3。R2=SS因子/SS合計(jì)，表示強(qiáng)度，即因素對(duì)變量的影響程度，強(qiáng)度大，因素對(duì)變量的影響大。可以看出，煙支圓周對(duì)6 種有害成分釋放量的強(qiáng)度因子最大，影響最為顯著；煙支長(zhǎng)度影響次之；而煙絲寬度對(duì)苯酚、B［a］P、氨、NNK 的貢獻(xiàn)強(qiáng)度R2較小，且P＞0.05，影響不顯著，煙絲寬度對(duì)巴豆醛、HCN的釋放量則影響較小。

表3 6 種煙氣有害成分釋放量的平衡方差分析結(jié)果Tab.3 Results of equilibrium variance analysis on releases of six harmful components in mainstream cigarette smoke

表3 （續(xù)）

2.5 主效應(yīng)分析

在交互作用分析和平衡方差分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行主效應(yīng)分析，結(jié)果如圖7 所示。圖7a～圖7f 分別為苯酚、巴豆醛、HCN、B［a］P、氨和NNK 的主效應(yīng)圖，其中，橫坐標(biāo)為煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度，縱坐標(biāo)為各有害成分在不同煙支圓周、煙支長(zhǎng)度和煙絲寬度水平時(shí)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值。在主效應(yīng)圖中，響應(yīng)值的連線與X 軸平行時(shí)，表示不存在主效應(yīng)；不平行時(shí)，表示存在主效應(yīng)。線越陡峭，主效應(yīng)的量值越大。

從圖7 中可知，在煙支圓周17.0～24.2 mm 范圍內(nèi)，主流煙氣6 種有害成分釋放量與煙支圓周均正相關(guān)；在24.2～27.0 mm 范圍內(nèi)，巴豆醛和HCN的釋放量與煙支圓周負(fù)相關(guān)，氨的釋放量幾乎不變，其余3 種煙氣有害成分釋放量與煙支圓周正相關(guān)。另外，從主效應(yīng)圖中也可看出，煙支圓周的效應(yīng)大于煙支長(zhǎng)度，煙絲寬度的效應(yīng)很小。6 種主流煙氣有害成分主要來自煙絲中的蛋白質(zhì)、纖維素、葡萄糖、氨基酸、銨鹽等的熱裂解和熱合成［24-27］，與裂解溫度、氣氛含氧量和升溫速率有關(guān)，其釋放量一般與裂解溫度正相關(guān)，與裂解氣氛含氧量負(fù)相關(guān)［28-33］。卷煙的圓周與燃吸溫度密切相關(guān)，有研究表明，燃吸溫度隨圓周的減小先升高后降低［34］。而且卷煙圓周減小會(huì)導(dǎo)致燃燒過程中氧氣利用率減小以及燃燒區(qū)到熱解蒸餾區(qū)熱量傳遞效率降低［35］。幾個(gè)因素的綜合影響，導(dǎo)致6 種主流煙氣有害成分的釋放量與煙支圓周的關(guān)系呈圖7 中的變化趨勢(shì)。

圖7 6 種煙氣成分釋放量主效應(yīng)分析圖Fig.7 Main effect analysis diagram of releases of six harmful components in mainstream cigarette smoke

6 種煙氣有害成分釋放量與煙支長(zhǎng)度均正相關(guān)。煙支長(zhǎng)度增加，煙支內(nèi)氣流流量增大，煙絲柱體過濾效率降低［36］，可能是卷煙主流煙氣6 種有害成分釋放量隨長(zhǎng)度增大而增大的原因之一。

另外，一方面，煙支圓周和煙支長(zhǎng)度的改變直接影響煙支實(shí)際燃燒煙絲質(zhì)量的改變，煙支圓周和長(zhǎng)度的減小導(dǎo)致煙絲填充量減小；另一方面，上述研究表明，6 種煙氣有害成分釋放量與焦油釋放量關(guān)系顯著，而煙支規(guī)格變化，導(dǎo)致了焦油的變化。這可能是6 種煙氣有害成分與煙支圓周和長(zhǎng)度正相關(guān)的主要原因。

除HCN 釋放量與煙絲寬度負(fù)相關(guān)外，其余5種煙氣有害成分釋放量與煙絲寬度幾乎無關(guān)。

3 結(jié)論

（1）煙支圓周對(duì)煙氣中6 種有害成分的釋放量影響最大，煙支長(zhǎng)度次之，而煙絲寬度除了對(duì)HCN 的釋放量有影響外，對(duì)其他成分釋放量的影響不大。

（2）在煙支圓周17.0～24.2 mm 范圍內(nèi)，6 種煙氣有害成分釋放量與煙支圓周均正相關(guān)；在24.2～27.0 mm 范圍內(nèi)，巴豆醛和HCN 的釋放量與煙支圓周負(fù)相關(guān)，氨的釋放量幾乎不變，其余3 種煙氣有害成分釋放量與煙支圓周正相關(guān)。

（3）煙氣6 種有害成分釋放量與煙支長(zhǎng)度均正相關(guān)。除HCN 釋放量與煙絲寬度負(fù)相關(guān)外，其余5 種煙氣有害成分的釋放量與煙絲寬度幾乎無關(guān)。