爆珠濾棒設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)卷煙通風(fēng)率及主流煙氣成分的影響

崔 春，孟祥士，紀(jì) 朋，韓 路，胡少東，楚文娟，王高杰，李祿成，羅燦選，高明奇

河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街8 號(hào) 450000

爆珠卷煙是通過(guò)在濾棒中植入一粒或多粒易捏破的香味膠囊，實(shí)現(xiàn)卷煙吸食過(guò)程中可控的香味釋放［1］。爆珠卷煙獨(dú)特的抽吸感受和新穎趣味性，受到了國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者尤其是年輕消費(fèi)群體的歡迎［2-4］。爆珠卷煙在市場(chǎng)上取得的成功也引起了相關(guān)研究者的重視，在爆珠生產(chǎn)加工［5-7］和檢測(cè)技術(shù)［8-10］、卷煙煙氣分析［11-16］和爆珠設(shè)計(jì)技術(shù)［17-19］等方面的研究取得了一定進(jìn)展。Dolka 等［11］對(duì)不同品牌爆珠卷煙捏破前后煙氣成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明爆珠濾嘴可以降低卷煙煙氣有害成分釋放量。朱風(fēng)鵬等［12］分析了爆珠添加后及爆珠破碎對(duì)主流煙氣中有害成分釋放和截留情況的影響，結(jié)果表明，添加爆珠后，卷煙苯并芘釋放量升高，其他有害成分釋放量與常規(guī)卷煙無(wú)明顯差異；爆珠捏破后，巴豆醛單支釋放量顯著降低。對(duì)爆珠卷煙主流煙氣成分的研究也有很多［13-15］。張志剛等［16］研究了爆珠對(duì)濾棒、卷煙物理性能和卷煙主流煙氣的影響，發(fā)現(xiàn)爆珠濾棒壓降標(biāo)準(zhǔn)偏差分別比相同絲束填充量濾棒和相同壓降濾棒增大，若爆珠捏破后主流煙氣指標(biāo)仍與常規(guī)卷煙一致，爆珠濾棒的壓降應(yīng)比常規(guī)濾棒高376 Pa以上。目前，科研人員對(duì)爆珠卷煙的研究尚不充分，主要基于同一爆珠直徑和位置，采用現(xiàn)有規(guī)格爆珠卷煙開展研究和對(duì)比，未對(duì)爆珠濾棒設(shè)計(jì)參數(shù)的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究。本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)設(shè)計(jì)爆珠濾棒參數(shù)，系統(tǒng)考察了爆珠直徑和爆珠在濾棒中的位置對(duì)常規(guī)爆珠卷煙物理指標(biāo)、主流煙氣和濾嘴對(duì)煙堿過(guò)濾效率的影響，以期為爆珠卷煙產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

“黃金葉”品牌常規(guī)卷煙煙絲（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司）；爆珠樣品（上海華寶生物科技有限公司）；爆珠濾棒（圓周24.1 mm，牡丹江卷煙材料有限公司）。

KDF2 濾棒成型機(jī)（沈陽(yáng)飛機(jī)制造公司）；PROTOS70 卷接機(jī)組（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；AL-204-IC 電子天平（感量 0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 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）；RM20H 轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)（德國(guó)Borgwaldt KC 公司）；7890A 氣相色譜儀（美國(guó)Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備方案

以河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉某常規(guī)爆珠卷煙為基準(zhǔn)卷煙進(jìn)行樣品制備。基準(zhǔn)卷煙參數(shù)：煙支長(zhǎng)度84 mm，圓周24.3 mm，濾嘴長(zhǎng)度25.0 mm，爆珠直徑3.6 mm，爆珠距唇端12.5 mm。基準(zhǔn)卷煙輔材參數(shù)：卷煙紙定量28 g/m2，透氣度60 CU；高透成型紙透氣度6 000 CU；預(yù)打孔接裝紙透氣度150 CU。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外爆珠卷煙用濾棒參數(shù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，按照單因素設(shè)計(jì)了7種直徑爆珠規(guī)格，不同直徑爆珠壁厚保持一致。采用3.0 Y35 000二醋酸纖維素絲束，成型7種爆珠直徑濾棒樣品，以及同一直徑爆珠（3.6 mm）成型4 種不同位置的濾棒樣品，共10 種爆珠濾棒樣品，成型濾棒壓降為3 200 Pa，并在同一機(jī)臺(tái)卷制卷煙樣品。不同直徑、不同位置爆珠卷煙樣品具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 不同直徑爆珠卷煙樣品設(shè)計(jì)參數(shù)①Tab.1 Design parameters of cigarette samples with breakable capsules of different diameters

表2 不同位置爆珠卷煙樣品設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of cigarette samples with breakable capsules at different positions

濾棒及卷煙樣品控制要求見(jiàn)表3、表4。按照壓降為（設(shè)計(jì)值±100）Pa對(duì)已制備濾棒樣品進(jìn)行篩選，按單支質(zhì)量為（設(shè)計(jì)值±0.02）g、濾嘴通風(fēng)率為設(shè)計(jì)值±2%對(duì)已制備卷煙樣品進(jìn)行篩選后作為待測(cè)樣品，以保證所測(cè)卷煙樣品含煙絲量的一致性。

表3 常規(guī)爆珠濾棒樣品物理指標(biāo)Tab.3 Physical indexes of conventional filter rod samples with breakable capsules

表4 常規(guī)爆珠卷煙樣品物理指標(biāo)Tab.4 Physical indexes of conventional cigarette samples with breakable capsules

1.2.2 樣品平衡

所有樣品按照GB/T 16447—2004［20］的要求進(jìn)行平衡。

1.2.3 卷煙樣品物理指標(biāo)檢測(cè)

平衡好的樣品，按照 GB/T 22838—2009［21］的方法檢測(cè)卷煙物理指標(biāo)，同一樣品檢測(cè)30支卷煙，并計(jì)算其平均值。

1.2.4 卷煙樣品主流煙氣和煙堿過(guò)濾效率檢測(cè)

平衡好的樣品，按照文獻(xiàn)［22］中的方法進(jìn)行卷煙抽吸，按照文獻(xiàn)［22-24］中的方法測(cè)定主流煙氣中的總粒相物、焦油、煙堿及CO。按照文獻(xiàn)［25］中的方法測(cè)定濾嘴中的煙堿，計(jì)算卷煙濾嘴對(duì)煙堿的過(guò)濾效率。同一樣品進(jìn)行兩輪抽吸，每輪抽吸20支卷煙樣品，并計(jì)算兩輪抽吸的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 爆珠濾棒設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)常規(guī)卷煙物理指標(biāo)的影響

2.1.1 爆珠直徑對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響

卷煙濾嘴通風(fēng)率、總通風(fēng)率及開放吸阻隨爆珠直徑的變化見(jiàn)圖1。由圖1 可知，爆珠捏破前，隨著爆珠直徑的增加，煙支濾嘴通風(fēng)率、總通風(fēng)率和吸阻整體呈上升趨勢(shì)，濾嘴通風(fēng)率和吸阻升高幅度分別可達(dá)28.4%和28.1%。其原因是絲束中嵌入無(wú)通透性的爆珠后會(huì)對(duì)氣流起到阻礙效果，且爆珠直徑越大氣流阻擋效果越明顯，導(dǎo)致卷煙縱向氣流減少，濾嘴通風(fēng)率增加，并進(jìn)一步造成卷煙總通風(fēng)率增加；同時(shí)，維持煙蒂端恒定氣流量所需壓力的增加，造成煙支吸阻的增加。圖中可見(jiàn)，爆珠捏破后，濾嘴通風(fēng)率降低幅度可達(dá)37.5%，吸阻則可降低210 Pa。隨著爆珠直徑增加，煙支濾嘴通風(fēng)率和總通風(fēng)率整體呈降低趨勢(shì)，原因是爆珠捏破后濾嘴內(nèi)形成一個(gè)短路通道，引起縱向氣流增大，且爆珠直徑越大濾棒中形成的空腔越大，從而導(dǎo)致卷煙濾嘴通風(fēng)率和總通風(fēng)率逐步降低。同時(shí)，爆珠捏破后維持煙蒂端恒定氣流所需壓力減小，使得煙支吸阻較捏破前減小，但隨著直徑增加爆珠內(nèi)含香料量也會(huì)增加，由于香料對(duì)氣流的阻礙作用，爆珠捏破后煙支吸阻仍會(huì)隨爆珠直徑增加而增大。

圖1 爆珠直徑對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響Fig.1 Effects of capsule diameter on physical indexes of cigarettes

2.1.2 爆珠位置對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響

爆珠位置對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響如圖2 所示。由圖2可知，爆珠捏破前后，煙支吸阻隨爆珠距唇端位置變化均呈小幅波動(dòng)，無(wú)明顯變化規(guī)律；同一位置參數(shù)下，煙支吸阻會(huì)在爆珠捏破后顯著降低。隨著爆珠離唇端距離變大，煙支總通風(fēng)率整體呈降低趨勢(shì)。爆珠位置和打孔位置越接近，卷煙濾嘴通風(fēng)率越小，這是由于爆珠位置與打孔位置更接近時(shí)，爆珠對(duì)濾嘴進(jìn)氣的阻礙效果更明顯，導(dǎo)致濾嘴通風(fēng)率減小。爆珠更接近煙絲段時(shí)，爆珠破碎后濾嘴通風(fēng)率相較爆珠完整時(shí)更小；在爆珠接近唇端時(shí)，爆珠破碎后濾嘴通風(fēng)率相較爆珠完整時(shí)更大。這是因?yàn)楸槲挥诖蚩讕蟼?cè)（近唇端）時(shí)，對(duì)縱向和橫向氣流影響更大，而爆珠位于打孔帶下側(cè)（近煙絲端）時(shí)，爆珠對(duì)經(jīng)由打孔部分進(jìn)入的氣流影響較小。

圖2 爆珠位置對(duì)卷煙物理指標(biāo)的影響Fig.2 Effects of capsule position on physical indexes of cigarettes

2.2 爆珠濾棒設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)指標(biāo)及煙堿過(guò)濾效率的影響

2.2.1 爆珠直徑對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)指標(biāo)及煙堿過(guò)濾效率的影響

不同爆珠直徑及爆珠捏破前后卷煙樣品的主流煙氣成分及煙堿過(guò)濾效率如圖3所示。可以看出爆珠捏破前，隨著爆珠直徑的增大，卷煙主流煙氣中焦油和煙堿釋放量逐漸減小，煙堿過(guò)濾效率呈逐漸增加的趨勢(shì)。其中，煙堿過(guò)濾效率升高幅度可達(dá)15.8%，焦油釋放量可降低6.8%，煙堿釋放量可降低3.3%。相關(guān)研究表明，濾棒絲束通過(guò)直接攔截、慣性沖擊和擴(kuò)散沉積3 種方式攔截主流煙氣［26-27］。爆珠不同于濾嘴絲束纖維，不具有通透性，煙氣流經(jīng)爆珠位置受到的阻力增加，流速降低的同時(shí)其流通路徑也發(fā)生了改變，使濾嘴整體對(duì)煙氣的過(guò)濾作用增強(qiáng)。當(dāng)爆珠直徑增大，煙氣流經(jīng)爆珠表面受到的阻力隨之增加，濾嘴對(duì)煙氣的過(guò)濾作用也隨之增強(qiáng)，過(guò)濾了更多的煙氣粒相物，即濾嘴對(duì)煙堿的截留量和過(guò)濾效率逐漸增加，從而降低了煙氣中焦油和煙堿的釋放量。

圖3 爆珠直徑對(duì)卷煙主流煙氣成分及煙堿過(guò)濾效率的影響Fig.3 Effects of capsule diameter on mainstream smoke components and nicotine filtration efficiency of cigarettes

爆珠破碎后，焦油、煙堿釋放量增加，煙堿過(guò)濾效率降低，表明捏破爆珠后濾嘴對(duì)煙氣的過(guò)濾能力明顯減弱。卷煙煙堿過(guò)濾效率下降幅度可達(dá)16.3%，焦油和煙堿釋放量最大分別可升高1.9 和0.08 mg/支。爆珠破碎之后，濾嘴中出現(xiàn)空腔，濾嘴通透性明顯增加，對(duì)煙氣的阻力顯著減小。煙氣在爆珠位置的流速加快且流通路徑變寬，進(jìn)而導(dǎo)致濾嘴對(duì)煙氣的過(guò)濾作用減弱。

同時(shí)，爆珠破碎后，隨著爆珠直徑增大，濾棒中的空腔也隨之增大，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量逐漸增加，在爆珠直徑4.4 mm 處出現(xiàn)拐點(diǎn)；而濾嘴對(duì)煙堿的過(guò)濾效率差異不明顯。可能是由于當(dāng)爆珠直徑達(dá)到4.4 mm時(shí)，爆珠破碎后有較多溶劑流出，煙堿流經(jīng)濾嘴時(shí)與溶劑形成氫鍵鍵合，故主流煙氣中的煙堿釋放量降低。結(jié)合查閱的資料和實(shí)際試驗(yàn)情況，煙堿與溶劑形成的氫鍵斷裂溫度在200 ℃以上［28］，而氣相色譜的柱溫為170 ℃，故按照YC/T 154—2001［25］的方法測(cè)定時(shí)濾嘴中的煙堿未能被檢出，因此數(shù)據(jù)顯示濾嘴對(duì)煙堿的過(guò)濾效率沒(méi)有升高。

在實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)中，爆珠直徑作為一項(xiàng)影響因素可以納入卷煙的設(shè)計(jì)考慮。同時(shí)，還應(yīng)考慮爆珠的成型穩(wěn)定性、濾棒指標(biāo)要求、經(jīng)濟(jì)性等因素，確定適宜的爆珠直徑。直徑過(guò)小，爆珠難以成型，且內(nèi)容物含量過(guò)少，不能達(dá)到增香和豐富口感層次的目的；直徑過(guò)大，爆珠不易添加到濾棒中，且在濾棒和卷煙儲(chǔ)存過(guò)程中，爆珠易破碎，導(dǎo)致內(nèi)容物流出而污染煙支。

2.2.2 爆珠位置對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)指標(biāo)及煙堿過(guò)濾效率的影響

固定打孔位置（15.5 mm），爆珠距唇端位置在爆珠破碎前后對(duì)卷煙樣品主流煙氣釋放量及煙堿過(guò)濾效率的影響見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，隨著爆珠距唇端距離的增加，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量略有增加。研究表明，通風(fēng)稀釋是最有效的降焦方法之一，其原理是將空氣引入主流煙氣，煙氣成分的相對(duì)量從而降低；同時(shí)，抽吸時(shí)吸入煙支中的氣流速率降低，提高了濾嘴的過(guò)濾效率［29］。當(dāng)爆珠位置距打孔位置較近時(shí)，由于卷煙總通風(fēng)率和濾嘴通風(fēng)率最小，通風(fēng)稀釋作用減弱，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量最高，濾嘴對(duì)煙堿的過(guò)濾效率最低。

圖4 爆珠位置對(duì)卷煙主流煙氣成分及煙堿過(guò)濾效率的影響Fig.4 Effects of capsule position on mainstream smoke components and nicotine filtration efficiency of cigarettes

爆珠破碎后的焦油和煙堿釋放量增加，煙堿過(guò)濾效率降低，表明捏破爆珠后濾嘴對(duì)煙氣的過(guò)濾能力明顯減弱。且爆珠破碎后，隨著爆珠距唇端距離的增大，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量逐漸增加，濾嘴對(duì)煙堿的截留量和過(guò)濾效率逐漸減小，并在爆珠距離打孔位置較近（即爆珠距唇端17.5 mm）時(shí)出現(xiàn)極值。

3 結(jié)論

（1）隨著爆珠直徑的增加，煙支濾嘴通風(fēng)率、總通風(fēng)率和吸阻整體呈增加趨勢(shì)，濾嘴通風(fēng)率和吸阻升高幅度分別可達(dá)28.4%和28.1%；焦油和煙堿釋放量分別可降低6.8%和3.3%，而煙堿過(guò)濾效率呈增大趨勢(shì)，升高幅度可達(dá)15.8%。

（2）隨著爆珠距唇端距離的增加，總通風(fēng)率降低，濾嘴通風(fēng)率和煙堿過(guò)濾效率在爆珠位置與打孔位置較近時(shí)達(dá)到最小。

（3）爆珠破碎后，煙支吸阻較破碎前顯著降低，幅度可達(dá)210 Pa；焦油和煙堿釋放量最大分別可升高1.9和0.08 mg/支，煙堿過(guò)濾效率降低16.3%。

（4）爆珠破碎后，隨爆珠直徑的增加，煙支濾嘴通風(fēng)率和總通風(fēng)率整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，煙堿和焦油釋放量逐漸增加；隨爆珠距唇端距離的增加，焦油和煙堿的釋放量逐漸增加，在爆珠距離打孔位置較近時(shí)出現(xiàn)極值。