煙支規格對卷煙物理、煙氣、燃吸特性及感官質量的影響

潘廣樂，張二強，鞏佳豪，王宗英，郭 斌，趙漢文，李 旭，何 媛，曹永艷，何育萍，曹 穩，趙 敏*

1. 陜西中煙工業有限責任公司技術中心，陜西省寶雞市高新大道100 號 721013

2. 浙江中煙工業有限責任公司技術中心，杭州市西湖區科海路118 號 310024

隨著卷煙消費的多元化，除煙支長度84.0 mm×煙支圓周24.3 mm 的常規規格卷煙外，其他規格卷煙不斷涌入市場。2006 年，江蘇中煙工業有限責任公司上市了煙支圓周為 17.0 mm 的細支卷煙［1-2］，對國內細支和非常規規格卷煙的發展具有開創性意義。圓周小于常規規格的卷煙由于新穎的外觀設計廣受消費者的喜愛，市場銷量逐年上升。此外，煙支圓周的減小導致煙絲量相應減少，有利于卷煙的提質降耗和降焦減害。

目前，關于煙支規格尤其煙支圓周對煙支質量的影響已有報道。Schineider 等［3］和 Norman 等［4］分析了煙支圓周對吸阻、通風率等常規物理質量的影響，Perfetti等［5］和Lugton［6］分析了煙支圓周對煙支直線燃燒速率和質量燃燒速率的影響。Irwin［7］和Izac等［8］分析了焦油、煙堿、CO等煙氣指標檢測值和有害成分釋放量與煙支圓周的關系。崔曉夢［9］分析了煙支圓周對卷煙燃燒狀態的影響，表征出不同圓周煙支在燃燒過程中溫度場的變化特征和直線燃燒速率，并分析了圓周對卷煙主流煙氣成分釋放量的影響。葛暢［10］對比分析了細支卷煙和常規卷煙在不同抽吸模式下主流煙氣中致香成分的含量變化。但相關報道的研究對象大多為圓周17.0 mm的細支卷煙和24.3 mm 的常規規格卷煙，為進一步探究不同煙支規格對卷煙質量的影響，在煙絲原料、填充密度、濾棒吸阻、卷煙紙和接裝紙指標相同的情況下，分析了4種煙支規格對卷煙的煙支物理指標、煙氣指標、燃吸特性、煙氣粒相物致香成分含量和感官質量的影響，旨在為不同規格的中式卷煙新產品開發設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和設備

煙絲原料采用陜西中煙工業有限責任公司“好貓（金絲猴）”卷煙正常生產煙絲，純葉絲，切絲寬度0.85 mm，煙絲含水率12.23%，整絲率81.8%，碎絲率1.7%，填充值4.17 cm3/g。濾棒、卷煙紙、接裝紙由陜西好貓實業（集團）有限公司提供，不同規格卷煙濾嘴段吸阻保持一致（濾棒吸阻3 200 Pa，卷制時均勻分切為4 段），不同規格接裝紙無標識且不打孔，不同規格煙支使用的卷煙紙和接裝紙各項技術指標保持一致。卷制細支、中支、22 mm 卷煙、常規4 個規格卷煙，各規格煙支設計尺寸及卷煙機設備參數如表1所示。

表1 煙支規格和卷煙設備參數Tab.1 Parameters for the test cigarettes and cigarette makers

無水乙醇、異丙醇（色譜純，美國Sigma-Aldrich公司）；正十七烷（99%，比利時Acros 公司）；乙酸苯乙酯（≥99.5%，美國Supelco 公司）；二氯甲烷（色譜純，美國Thermo Fisher Scientific 公司）；HY-8 型振蕩儀（常州國華電器有限公司）；RM200A 型轉盤式吸煙機（德國Borgwaldt KC 公司）；7890B-5977A 氣相色譜-質譜聯用儀（美國Agilent 公司）；有機相針頭濾膜（0.45 μm，天津市津騰實驗設備有限公司）；電子天平（CPA2P-F 型，0.000 1 g，德國Sartorius 公司）；煙絲振動分選篩（YQ-2, 鄭州嘉德機電科技有限公司），DTPC 型煙支物理質量綜合測試臺（德國Borgwaldt KC公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 煙支樣品制備

為保證各規格煙支的煙絲填充密度在（230±5）mg/cm3范圍內，煙支正式卷制前，試卷制部分煙支，壓縮空氣吹出煙絲，稱量計算煙支材料質量，20支為1 組，檢測2 次，取平均值。結合煙支規格和煙絲填充密度，計算確定煙支卷制質量設計值，如表2 所示。卷煙機運行穩定后，現場抽樣檢測，各規格煙支卷制質量實際值與設計值差異在0.011 g范圍內，煙支長度實際值與設計值差異在0.21 mm 范圍內，煙支圓周實際值與設計值差異在0.13 mm 范圍內，符合試驗設計要求，進行后續試驗樣品制備、取樣。

表2 不同規格煙支質量設計值Tab.2 Design values for the cigarette weights with different sizes （g）

1.2.2 煙支常規物理指標檢測

利用綜合測試臺，按照 GB/T 22838—2009［11］中卷煙和濾棒物理性能的測定要求進行煙支質量、吸阻、通風率、硬度、長度和圓周檢測，每個規格煙支樣品物理指標檢測2次，每次30支，取平均值進行分析。

1.2.3 煙絲物理指標檢測

按照 YC/T 178—2003［12］和 YC/T 152—2001［13］標準規定的方法檢測煙絲整絲率、碎絲率和填充值等物理指標。

1.2.4 煙氣指標檢測

按照 GB/T 19609—2004［14］、YC/T 30—1996［15］和YC/T 156—2001［16］中的方法檢測煙支主流煙氣總粒相物、焦油、煙堿和CO釋放量。

1.2.5 抽吸靜燃時間檢測

抽吸靜燃時間為煙氣指標檢測時陰燃階段的時間，即煙支燃燒時間（s）-抽吸口數×2（s），取20 支卷煙的平均值計算。

1.2.6 煙支陰燃時間檢測

在與煙氣指標檢測相同的試驗條件下，不抽吸，記錄煙支陰燃時間，每個樣品檢測20支，取平均值進行分析。

1.2.7 煙氣致香成分檢測

轉盤式吸煙機抽吸20 支卷煙于1 張劍橋濾片上，將濾片放于錐形瓶中，加入40 mL二氯甲烷及20 μL 乙酸苯乙酯（內標，濃度為10 mg/mL），振搖30 min，靜置，取1 mL上清液過有機相針頭濾膜后進行GC/MS 分析。GC/MS 分析條件：色譜柱，HP-5MS毛細管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm，美國Agilent 公司）；載氣，He（99.999%）；載氣流速，1.0 mL/min；分流比，10 ∶1；進樣量，2 μL；程序升溫，80 ℃（1 min）（35 min）；進樣口溫度，280 ℃；傳輸線溫度，280 ℃；溶劑延遲，3.5 min；電離方式，EI；電離能，70 eV；離子源溫度，230 ℃；四極桿溫度，150 ℃；掃描方式，Scan 模式；掃描范圍，35～500 amu。采用NIST14 標準譜庫檢索進行定性及人工解析，成分定量方法為相對定量方法。

1.2.8 感官質量評價

感官評價小組由7名具有評吸資格的評委組成，采用9 分制（1～9 分）評吸方法，分別從香氣特征、煙氣特征和口感特征3個方面，香氣質、香氣量、透發性、雜氣、濃度、勁頭、細膩程度、成團性、刺激性、干燥感、殘留和回甜12項指標進行評吸、打分，取平均值。

2 結果與討論

2.1 煙支規格對煙支物理指標的影響

卷制形成的不同規格煙支物理指標檢測結果見表3。由表3 可知，煙支規格從常規到細支，單支含絲量呈減小的趨勢，單支含絲量由0.634 g 減小到0.345 g，單支含絲量減少了0.289 g，這是由于煙絲填充密度一致的情況下，煙支規格改變導致煙絲段體積發生變化所致。

表3 煙支物理指標檢測結果①Tab.3 Test results for physical indexes of cigarettes

隨著煙支圓周逐漸減小，煙支吸阻呈現逐漸增大的趨勢。煙支內部煙絲可視為均勻分布，計算后可知，在煙絲段長度一致的情況下，隨著煙支圓周減小，煙絲段吸阻由391.2 Pa 增加至875.8 Pa，煙絲段吸阻增加484.6 Pa。擬合可得，相同長度煙絲段吸阻與煙支圓周平方的倒數呈較好的線性關系（R2=0.993 2），如圖1所示。煙支煙絲段吸阻可以用修正的Kozeny-Carman方程表示［6］，如式（1）所示，煙支煙絲段吸阻與煙支圓周的平方成反比關系，這佐證了本實驗中在保證煙絲段長度一致的情況下，煙支越細煙絲段吸阻越大的現象，這也與前文擬合形成的煙絲段吸阻與圓周關系一致。

圖1 煙絲段吸阻與圓周的關系Fig.1 Relationship between draw resistance of tobacco filler and circumference

式中，PD 為煙絲段吸阻，Pa；K 為與煙絲形狀和煙支內部空間彎曲度相關的經驗因子，N·s/m；F 為通過煙支的空氣流速，m/s；A為煙支橫截面積，m2；C為煙支圓周，m；ρΡ為煙絲填充密度，kg/m3；ρT為真密度，kg/m3。

隨著煙支規格由常規逐漸變化為細支，煙支硬度由64.26%下降至57.22%，煙絲段通風率由8.52%增加至20.24%，煙絲段通風率增大超過一倍。吸阻不同會影響通過卷煙紙進入煙支內部氣流的比例［7］，在保證卷煙紙透氣度一致的情況下，煙絲段卷煙紙內外壓差增大會導致煙絲段通風率相應的增加，這是煙絲段通風率變化的主要原因。隨著煙支卷制圓周的不斷縮小，煙條成型過程中回絲量等變化，跑條煙絲特征尺寸減小、整絲率下降、碎絲率升高、填充值減小，如表4所示，煙絲的填充性能降低，導致煙支硬度發生變化。

表4 跑條煙絲物理指標Tab.4 Physical indexes of cut tobacco from break-out rods

煙支物理指標穩定性隨煙支規格變化而變化，由表3可知，除中支卷煙外，隨著煙支規格由常規到細支，煙支質量變異系數、吸阻變異系數、硬度變異系數均整體呈現增大的趨勢，表明除中支卷煙外，隨著煙支圓周的逐漸減小，煙支越細，卷制過程中對煙支質量、煙支吸阻和煙支硬度指標穩定性的控制越差。中支卷煙為近幾年新出現的卷煙規格，在產品物理指標和卷煙機運行穩定性方面的控制成熟程度較常規卷煙和細支卷煙差，這可能是中支卷煙煙支某些物理指標不符合上述變化規律的原因。

2.2 煙支規格對煙氣指標的影響

四種規格卷煙抽吸口數以及煙堿、焦油、CO 釋放量檢測結果見表5，煙堿、焦油、CO 釋放量分別除以抽吸口數可得單口煙氣煙堿、焦油、CO釋放量；煙氣檢測采用ISO 抽吸模式，抽吸間隔時間為60 s，根據抽吸口數可得出抽吸靜燃時間t1，由抽吸靜燃時間t1和煙支陰燃時間t2，按照式（2）可得煙支燃吸比率；煙支內部煙絲分布視為均勻一致，根據式（3）可得單口抽吸耗絲量，如表5所示。

式中，r 為燃吸比率，%；t1為煙支抽吸靜燃時間，s；t2為煙支陰燃時間，s。

式中，m1為單口抽吸耗絲量，mg/口；m0為單支煙絲量，mg；l1為抽吸燃燒掉煙支長度，mm；l0為煙絲段長度，mm；r為燃吸比率，%；n為抽吸口數，口。

由表5 可知，隨著煙支圓周的不斷減小，煙支抽吸口數呈現不斷減少的趨勢，由常規到細支，抽吸口數下降了0.92 口/支，煙堿釋放量由1.05 mg/支降低至0.72 mg/支，降低了0.33 mg/支。隨著煙支圓周的不斷縮小，焦油和CO 釋放量整體呈現減小的趨勢，但中支卷煙的焦油和CO 釋放量增大。單口煙氣方面：常規、22 mm 卷煙、中支卷煙單口煙氣煙堿釋放量均為0.17 mg/口，細支卷煙的單口煙氣煙堿釋放量較小，為 0.14 mg/口；常規、22 mm 卷煙、細支卷煙單口焦油釋放量基本一致，中支卷煙單口煙氣焦油釋放量增加；隨著煙支圓周的減小，單口煙氣CO 釋放量整體呈現減小的趨勢，中支卷煙單口煙氣CO釋放量增大。由表5中燃吸比率計算結果可知，煙支圓周由常規24.3 mm 減小為中支20.0 mm 時，煙支抽吸時燃吸比率由14.57%增加至29.37%，煙支圓周為細支時，燃吸比率下降為22.17%；常規卷煙燃吸比率最小。單口抽吸耗絲量方面：煙支圓周由24.3 mm 減小至20.0 mm，單口抽吸耗絲量由11.88 mg/口增加至19.98 mg/口，增加了8.10 mg/口，煙支圓周減小為16.9 mm 時，單口抽吸耗絲量減小，為13.01 mg/口；常規卷煙單口抽吸耗絲量最小。

表5 不同規格煙支煙氣指標和燃吸比率Tab.5 Smoke indexes and puffing ratios of cigarettes with different sizes

隨著煙支圓周減小，單位長度煙支含絲量相應減少，抽吸時燃燒錐體積變小，與空氣接觸更充分，有助于燃燒，且同樣的抽吸容量下氣流線速度加快，導致抽吸時煙支直線燃燒速度加快，引起不同圓周煙支抽吸口數不同，這與Baker［17］研究結果有相同的規律。煙支規格由常規變為細支，單支含絲量減少，但燃吸比率呈現先增大后減小的趨勢，兩方面原因共同導致煙氣煙堿、焦油和CO釋放量整體呈現減小趨勢，但中支卷煙時則有所增加。

圓周小的煙支，燃燒錐體積相應減小，且抽吸時氣流線速度增加，供應到燃燒錐及其周圍的氧氣更充足，煙絲燃燒速率加快，導致單口抽吸耗絲量增加，燃吸比率增加；但隨著煙支圓周的減小，煙支通風率增加，抽吸時更多空氣通過卷煙紙進入主流煙氣，從燃燒端進入主流煙氣的比例減小，兩方面原因在不同條件下分別起著主導作用，這導致燃吸比率和單口抽吸耗絲量呈現先增加后減小的趨勢。在卷煙抽吸過程中，隨著煙支圓周的減小卷煙燃燒錐溫度呈現增加的趨勢［10,18］，溫度升高會促進焦油、煙堿等物質的揮發，并影響一系列化學反應的進行；單口抽吸燃燒的煙絲量不同，煙支總通風率的變化等幾方面的原因共同引起了單口煙氣煙堿、焦油和CO釋放量的變化。

2.3 煙支規格對煙氣致香成分的影響

采用GC/MS 對主流煙氣粒相物中致香成分進行分析，檢測結果見表6。由表6 可知，中支卷煙的煙氣粒相物致香成分總量最高，隨著煙支規格由常規變為細支，雜環類化合物含量呈現先增加后減小的趨勢；單口煙氣致香成分總量呈現先增加后減小的趨勢，中支卷煙時達到最大，這與前文中單口抽吸耗絲量變化規律一致；單口煙氣中羰基類化合物含量和雜環類化合物含量整體呈現增加的趨勢。隨著煙支規格的變化，單一種類致香成分含量變化規律各不相同，其中細支卷煙煙氣中2-羥基-2-環戊烯-1-酮含量明顯高于其他規格卷煙，常規卷煙中3-乙烯基吡啶含量明顯低于其他規格卷煙；單口煙氣致香成分中3-甲基-2-環戊烯-1-酮、3-乙烯基吡啶、苯酚含量隨著煙支圓周的減小呈現明顯增加的趨勢。

表6 主流煙氣中煙氣致香成分含量（相對內標物含量）Tab.6 Contents of aroma components in mainstream cigarette smoke (relative to internal standard)

不同規格的煙支燃吸比率不同，且在抽吸過程中燃燒錐溫度和煙支通風率均不相同，導致抽吸過程中煙支內部不同化學成分釋放量不同［19-20］。煙支抽吸過程中，煙支圓周越小，煙氣粒子在煙支內部流速越快，導致一些較小的煙氣粒子不能及時被吸附捕集［21］；此外，煙支圓周的縮小，使得更大比例的煙絲與外部空氣接觸，導致卷煙燃燒過程中更多的氧化反應發生［7,22］，煙支長度的不同對煙氣的截留效率也不相同；多種原因共同導致了煙氣粒相物中致香成分含量的變化規律不盡相同。

2.4 煙支規格對感官質量的影響

采用9 分制評吸方法，對香氣特征、煙氣特征和口感特征3方面12項指標評分，結果見表7。中支卷煙總體感官質量評價得分最高，其中香氣質、透發性、雜氣、煙氣細膩程度、成團性、口感干燥感、殘留和回甜指標在4種規格卷煙中表現最好。細支卷煙總體感官質量評價得分最低，具體表現在香氣量、煙氣濃度、成團性、口感刺激性和干燥感得分低于另3種規格卷煙。單一指標方面：隨著煙支圓周不斷縮小，香氣量、煙氣濃度、刺激性評價得分均呈現逐漸減小的趨勢，其中煙氣濃度感官質量得分和煙支圓周呈現明顯的線性關系（R2=0.982 9），見圖2。

圖2 煙支圓周與感官評價煙氣濃度得分關系Fig.2 Score of smoke concentration in sense evaluation

表7 感官質量得分統計表Tab.7 Statistical table of sensory quality score （分）

中支卷煙感官質量總體評價最好，這與前文單口煙氣致香成分含量和單口焦油釋放量最高的檢測結果一致。隨著煙支圓周逐漸縮小，單支煙絲量逐漸減少，總通風率增加，在抽吸過程中單口抽吸耗絲量和致香成分釋放量相應變化，且隨著煙支吸阻和總通風率的增加，抽吸時更多的空氣進入主流煙氣，對主流煙氣起到了稀釋的作用，最終在香氣量和煙氣濃度方面表現為得分逐漸減小的趨勢。

3 結論

①隨著煙支圓周逐漸減小，單支含絲量減小，在保證煙絲段長度一致的情況下，煙絲段吸阻增加，煙支硬度下降，煙絲段通風率增大超過一倍，其中煙絲段吸阻與煙支圓周平方的倒數成較好的線性關系。②煙支規格由常規到細支，抽吸口數降低了0.92口/支，煙氣煙堿量由1.05 mg/支降至0.72 mg/支，減少0.33 mg/支，煙氣焦油量和CO 釋放量整體上也呈現減小的趨勢。煙支燃吸比率和單口抽吸耗絲量呈現先增加后減小的趨勢，中支卷煙最大，分別為29.37%和19.98 mg/口。單口煙氣方面，中支卷煙單口煙氣焦油釋放量最大，為2.05 mg/口，常規卷煙單口煙氣CO釋放量最大，為2.07 mg/口。③煙支圓周為20 mm的中支卷煙其單支卷煙煙氣粒相物致香成分總量最高，隨著煙支規格由常規到細支，不同種類化合物釋放量變化趨勢不盡相同。④中支卷煙總體感官質量評價得分較高，細支卷煙總體感官質量評價得分最低。