煙絲/卷煙紙組合對卷煙焦油量變異的影響

程傳玲, 佘 鑫, 竇元春, 舒云波, 倪和朋, 管仕栓,胡明輝, 馬 俊, 王曉斌, 李洪濤, 鄭力文, 馬曉偉

(1.鄭州輕工業大學 煙草科學與工程學院, 河南 鄭州 450000; 2.紅塔煙草( 集團) 有限責任公司 工藝質量部, 云南 玉溪 653100; 3.紅塔煙草(集團)有限責任公司 玉溪卷煙廠, 云南 玉溪 653100; 4.山東中煙工業有限責任公司 技術中心, 山東 青島 266101; 5.紅塔煙草(集團)有限責任公司 昭通卷煙廠, 云南 昭通 657000)

0 引言

卷煙燃燒是煙絲與卷煙紙共同參與完成的過程,煙絲及卷煙紙是影響卷煙煙氣的主要因素.降焦減害[1,2]一直是人們熱議的話題,其中焦油量一直備受人們關注.已有研究表明,卷煙煙絲參數[3-5],輔助材料[6-9],如卷煙紙參數[10-12]、添加劑[13-16]等對卷煙的焦油量均有影響.戴路等[17]研究發現通過優化設計卷煙輔材設計參數可以調控煙氣中TPM、焦油和CO的釋放量,并且有助于提升中支卷煙感官質量,鄭淑娟等[18]在考慮煙用材料4個因素(卷煙紙透氣度、卷煙紙助燃劑用量、濾嘴通風率及濾嘴長度)及各因素間的交互作用及平方項的基礎下,運用逐步回歸法建立了利用卷煙材料預測焦油的預測模型.王澤理等[19]發現下部煙葉與焦油成負相,但與感官質量成正相關,葉組配方中合理利用下部煙葉,既能起到降焦減害的作用,又可使感官質量保持穩定.可見目前針對煙氣焦油含量的研究大多集中在煙絲或者卷煙紙的某一方面,沒有考慮煙絲和卷煙紙組合對煙氣中焦油量的影響.

為準確分析煙絲/卷煙紙組合對卷煙焦油量的影響,選取5種煙絲10種卷煙紙組合而成的49種卷煙,測定煙絲中煙絲組成(薄片添加比例、膨脹梗絲添加比例)、常規化學成分(氯、煙堿、總糖、還原糖、鉀、總氮、氨態堿),金屬元素含量(鈣、鈉、鎂、鐵、錳、鋅、銅)以及10種卷煙紙參數,分析了煙絲及卷煙紙參數對卷煙焦油量的影響,旨在為改善卷煙焦油量提供參考.

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

1.1.1 主要材料

5種常規規格卷煙煙絲(1～5#),10種卷煙紙(1～10#)卷制成的49種卷煙樣品,其中1～4#煙絲各10種卷煙紙、5#煙絲9種卷煙紙,每種煙絲卷制樣品時除更換卷煙紙外其它條件不變.10種卷煙紙的參數信息如表1所示,5種煙絲的參數信息如表2、表3所示,包括煙絲組成、常規化學成分.

表1 10種卷煙紙的各項參數

表2 5種煙絲的組成

表3 5種煙絲的常規化學成分

1.1.2 主要試劑

硝酸(煙臺市雙雙化工有限公司)、氫氟酸(天津市凱通化學試劑有限公司)、30%過氧化氫(洛陽昊華化學試劑有限公司)、氯化銫(阿拉丁試劑(上海)有限公司)、硝酸鑭(阿拉丁試劑(上海)有限公司)、鈣、鈉、鎂、鐵、錳、鋅、銅7種金屬元素標準儲備液(國家有色金屬及電子材料分析測試中心)、醫用酒精(新鄉市三偉消毒制劑有限公司)、娃哈哈飲用純凈水(新鄉市娃哈哈昌盛飲料有限公司)、異丙醇(色譜級,天津市大茂化學試劑廠)、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).

1.2 實驗方法與儀器

1.2.1 金屬元素含量的測定方法

(1)測定方法:參照文獻[20]建立的方法.

(2)主要儀器:SX3-5-12ASP高效節能陶瓷纖維箱式電阻爐(北京科偉永興儀器有限公司)、DL-1電子電爐(上海樹立儀器儀表有限公司)、電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)、微波消解儀、EHD-24趕酸儀(北京東航科儀儀器有限公司)、KBF240恒溫恒濕箱(河南捷隆科技有限公司)、AA240FS原子吸收光譜儀(美國安捷倫公司)、自制持灰箱.

其他儀器:燒杯、容量瓶、坩堝、坩堝鉗、移液槍、聚四氟乙烯高壓消解罐、PE手套、研缽等.

1.2.2 煙氣指標的檢測方法

(1)檢測方法:參照文獻[21]檢測卷煙抽吸口數及焦油量釋放量.

(2)主要儀器: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)、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).

2 結果與討論

2.1 煙絲及卷煙紙對焦油量變異的影響

49個卷煙樣品的檢測結果如表4所示,焦油量介于9.10～11.40 mg、平均值為10.43 mg、RSD為5.67%.相同煙絲與不同卷煙紙組合時的焦油量不同,平均值介于9.94 ～10.90 mg、RSD介于2.90%～5.37%;相同卷煙紙與煙絲組合時的焦油量也不同,平均值介于9.95～11.08 mg、RSD介于2.74%～7.31%.可見,焦油量既會隨煙絲變化而變化,也會隨卷煙紙不同而變化.可能是煙絲中添加劑、煙絲中金屬元素含量或者卷煙紙參數不同等多重方面的影響,因此有必要對不同煙絲卷煙紙組合進行討論,分析造成這種差異的最主要影響因素 .

表4 49種卷煙樣品焦油量測定結果 (mg)

由于卷煙樣品由5種煙絲、10種卷煙紙卷制而成,因此焦油量的變異主要是煙絲和卷煙紙共同作用的結果.為了比較煙絲和卷煙紙對焦油量的貢獻,以焦油量為變量,卷煙紙、煙絲為影響因素,采用一般線性模型法進行方差分析,結果表明模型的決定系數(R2)為0.819,即兩者共同解釋了焦油量變異的81.9%.如表5所示,煙絲、卷煙紙對焦油量的影響均為極顯著,由均方差或F值可以看出,煙絲導致的焦油量變異約為卷煙紙的2.30倍,說明煙絲是影響焦油量的主要因素,卷煙紙為次要因素.

表5 以焦油量為因變量的主體間效應檢驗

2.2 煙絲參數對焦油量變異的影響

5種牌號卷煙煙絲中7種金屬元素測量結果如表6所示,由表6可知,各牌號卷煙煙絲鈣元素含量介于298.71～355.41 mg/g之間,銅含量介于0.01～0.05 mg/g之間,鐵含量介于0.39～4.07 mg/g之間,鎂元素含量介于1.69 ～4.50 mg/g之間,錳含量介于0.05～0.13 mg/g之間,鈉含量介于2.56～19.71 mg/g之間,鋅含量介于0.02 ～0.04 mg/g之間.

表6 5種牌號卷煙煙絲中7種金屬元素測量結果(mg/g)

由2.1部分可知,焦油量受煙絲的影響大于卷煙紙.選擇薄片添加比例(T1)、膨脹梗絲添加比例(T2)作為表征煙絲組成的參數,煙絲中氯(s1)、煙堿(s2)、總糖(s3)、還原糖(s4)、鉀(s5)、總氮(s6)、氨態堿(s7)含量作為表征煙絲常規化學成分含量的參數,鈣(j1)、鈉(j2)、鎂(j3)、鐵(j4)、錳(j5)、鋅(j6)、銅(j7)作為表征煙絲中金屬元素含量的參數,通過相關分析研究煙絲參數對焦油量的影響.

表7所示的簡單相關分析結果表明,薄片(T1)、鋅(j6)含量與焦油量呈極顯著負相關關系,煙堿(s2)含量與焦油量呈顯著正相關關系.

表7 焦油量與煙絲參數間的簡單相關分析結果

以49種卷煙的焦油量為因變量,煙絲的16種參數為自變量進行多元線性回歸分析逐步回歸分析,回歸分析結果如表8、表9所示.由表8焦油量與煙絲參數的回歸模型中F檢驗中的P值(P=0.000,<0.01)可以看出,此模型達到了極顯著,同時各元素也達到了極顯著的水平,所以此模型回歸效果較好;回歸方程的決定系數為0.486,一般線性模型的決定系數為0.819,進一步證明不同卷煙樣品焦油量的變異主要是由煙絲作用的結果,卷煙紙的影響較小.由表9的標準化系數可以看出,鈉、鎂、錳、鉀含量是影響焦油量的主要因素,鎂、錳、鉀含量與焦油量呈負相關關系(鎂、錳、鉀標準化系數均為負值).鈉含量與焦油量呈正相關關系(鈉標準化系數為1.044),鉀的影響最大(標準化系數最大,為-1.161),其次是鈉、鎂、錳.

表8 焦油量與煙絲參數的回歸模型概述

表9 焦油量與煙絲參數回歸系數的t檢驗結果

2.3 卷煙紙參數對焦油量變異的影響

章節2.2部分研究結果表明煙絲中鈉、鎂、錳、鉀含量是影響焦油量的主要因素,四者可共同解釋焦油量變異的48.6%,而由2.1部分一般線性模型的決定系數可知,煙絲和卷煙紙對焦油量變異的總解釋度為81.9%,兩者之差可以看作是由卷煙紙不同造成的,約為33.3%.可見,在煙絲、卷煙紙共變體系中卷煙紙不同引起的焦油量變異有限.由于卷煙紙造成的焦油量變異很小,直接分析時會因煙絲的干擾而無法得出客觀的結論,為此,可以根據表9的模型構建一個由鈉、鎂、錳、鉀四種元素組成的煙絲參數因子,即保留該模型的預測值作為煙絲參數因子(S焦油量),以便在控制煙絲影響的條件下分析卷煙紙參數對焦油量的影響.

以49種卷煙的焦油量為因變量,卷煙紙透氣度、定量、灰分含量、鉀鈉比和陰燃速率(依次記為Z1～Z5)為自變量進行二次多項式逐步回歸分析,為了控制煙絲的影響,將煙絲參數因子作為自變量參與回歸分析.焦油量與卷煙紙參數及煙絲因子的回歸分析結果如表10、表11所示.由表10模型中F檢驗中的P值(P=0.000,<0.01)可以看出,此模型達到了極顯著;回歸方程的決定系數為0.808,接近一般線性模型的0.819,進一步證明了章節2.1中不同卷煙樣品焦油量的變異是由煙絲和卷煙紙共同作用的結果,但煙絲金屬元素的影響稍大于卷煙紙.

表10 焦油量與卷煙紙參數及煙絲因子的回歸模型概述

由表11所示的回歸模型及標準化系數可知,卷煙紙透氣度、定量、灰分含量、陰燃速率對焦油量有顯著影響,且卷煙紙透氣度與灰分含量(Z1*Z3)、卷煙紙透氣度與陰燃速率(Z1*Z5)、定量與灰分含量(Z2*Z3)、灰分含量與陰燃速率(Z3*Z5)、灰分含量與灰分含量(Z3*Z3)之間存在交互作用.卷煙紙定量、灰分含量分別與焦油量呈負相關關系(標準化系數分別為-17.426、-4.700),焦油量隨著卷煙紙定量、灰分含量的增加呈下降趨勢.

3 結論

通過從煙絲的組成、常規化學成分、金屬元素含量以及卷煙紙參數四個方面分析煙絲及卷煙紙組合對卷煙焦油量的影響,得出如下結論:

(1)卷煙規格及卷制質量一定時,隨著煙絲與卷煙紙組合的變化,卷煙的焦油量發生了明顯變化,表明煙絲與卷煙紙間的配合是影響焦油量的重要因素.

(2)在煙絲、卷煙紙共變體系中,煙絲是影響焦油量的主要因素、卷煙紙是次要因素.因此,通過煙絲優化改善焦油量將能獲得更為明顯的效果,相應地,煙絲質量波動也更容易造成焦油量的波動.

(3)煙絲中鈉、鎂、錳、鉀含量會顯著影響焦油量,鎂、錳、鉀含量與焦油量呈負相關關系,鈉含量與焦油量呈正相關關系.

(4)卷煙紙透氣度、定量、灰分含量、陰燃速率是影響焦油量的主要參數,卷煙紙定量、灰分含量分別與焦油量呈負相關關系,焦油量隨著卷煙紙定量、灰分含量的增加呈下降趨勢但其影響的趨勢和程度會受到煙絲中參數的影響.