濾嘴通風對卷煙燃燒溫度及主流煙氣中七種有害成分的影響

連芬燕+李斌+黃朝章

摘要：利用熱電偶測溫裝置考察不同濾嘴通風度對卷煙燃燒錐溫度的影響，進而探索不同通風度濾嘴對卷煙主流煙氣中有害成分的影響。結果表明，燃吸時隨著濾嘴通風度0～31.04%范圍內，煙支燃燒高溫區體積呈下降趨勢；隨著卷煙濾嘴通風度的增加，卷煙主流煙氣中的7種有害成分釋放量均呈下降趨勢，與濾嘴通風度呈線性負相關；通過增加卷煙的濾嘴通風度可減少卷煙煙氣中有害成分的絕對釋放量，但不能起到選擇性降低有害成分的目的。

關鍵詞：濾嘴通風；燃燒溫度；有害成分

中圖分類號：S572 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）17-4074-05

Effects of Filter Ventilation on Burning Temperature and 7 Kinds of Harmful Components of Mainstream Smoke

LIAN Fen-yan1， LI Bin2， HUANG Chao-zhang1

（1. Technology Center of China Tobacco Fujian Industrial Corporation， Xiamen 361022， Fujian，China；

2. Zhengzhou Tobacco Institute of CNTC， Zhengzhou 450001，China）

Abstract： The effects of filter ventilation on 7 kinds of harmful components of mainstream smoke and burning temperature during smoking were studied. The cigarette burning temperature was investigated with a thermocouple-based device. The results showed that during puffing， the high temperature zone shrank when the filter ventilation increased from 0.00% to 31.04%. When the filter ventilation increased， the delivery levels of 7 kinds of harmful components of mainstream smoke decreased， negatively correlated with filter ventilation. Increasing the filter ventilation can reduce the absolute value of the harmful components of mainstream smoke， but can't reduce them selectively.

Keywords： filter ventilation； burning temperature； harmful components

濾嘴通風是降低卷煙焦油、減少煙氣中有害成分的有效方法。濾嘴通風可降低煙氣流速，延長煙氣在煙支中的停留時間，提高過濾效率，同時通過改變卷煙燃燒的熱解條件，改變煙氣氣溶膠的組成及含量[1]。目前較多的研究關注濾嘴通風度對卷煙煙氣量，煙氣中焦油、煙堿及CO的過濾效率與煙氣中的一些香味成分遞送量的影響[2-4]。

眾多裂解試驗結果表明，燃燒溫度直接影響煙草成分的熱解合成反應，影響卷煙中揮發與半揮發成分向煙氣中的輸送量，與煙氣中有害成分的釋放量也有很大的關聯[5]。因此，考察濾嘴通風度對卷煙燃燒溫度的影響，進而研究由于燃燒溫度的改變對卷煙主流煙氣中7種主要有害成分釋放量的影響至關重要。

近年來，卷煙燃燒溫度的測定有較大進展，鄭賽晶[6]建立了卷煙燃燒溫度的測定方法，并考察了外加鉀鹽[7]、抽吸參數[8]對卷煙燃燒溫度的影響及卷煙燃燒溫度對煙氣常規的影響。李斌等[9]建立了一種卷煙燃吸溫度分布檢測的數據采集、控制方法及其系統，并考察了卷煙紙透氣度對卷煙燃燒錐溫度的影響[10]。

卷煙減害技術重大專項提出以CO、HCN、NNK、NH3、苯并[a]芘（B[a]P）、苯酚及巴豆醛7種主要有害成分綜合表征卷煙主流煙氣的危害性，為行業減害降焦技術研究的深入開展提供了參考依據[11]。

本試驗采用熱電偶測定樣品的燃燒溫度以研究濾嘴通風對卷煙燃燒溫度及主流煙氣中7種有害成分釋放量的影響。

1 材料與方法

1.1 試劑、樣品與儀器

1.1.1 試劑 氫氧化鈉（分析純，廣東光華化學廠）；水中氰標準溶液、水中氨離子標準溶液（分析純，中國計量科學研究院）；氯胺T、2，4-二硝基苯肼（分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司）；鄰苯二甲酸氫鉀、濃鹽酸、無水硫酸鈉、醋酸、高氯酸（分析純，廣東汕頭西隴化工廠）；異煙酸、1，3-二甲基巴比妥酸、吡啶（分析純，Acros）；聚乙氧基月桂醚Brij35（30%，Skalar）；NNK、N-戊基-（3-甲基吡啶基）亞硝胺、巴豆醛-2，4-二硝基苯肼衍生物（純度>97%，百靈威化學試劑公司）；二氯甲烷、甲醇、環己烷（色譜純，Acros）；甲烷磺酸（純度>99%，Acros）；苯并[a]芘、D12-苯并[a]芘（純度>98%，百靈威化學試劑公司）；50 mg硅膠固相萃取柱（瓦里安公司）；苯酚（AR，購自于日本東京化工工業株式會社）；乙腈（色譜純，百靈威化學試劑公司）。

1.1.2 樣品 通過接裝紙（固定中心打孔位置18，激光打孔，長度固定30，透氣度0～500 CU）預打孔方式和不同透氣度高透成形紙（3 000～10 000 CU）組合制備濾嘴通風率0.00%～31.04%間變化的6個樣品，參數如表1所示，以某個牌號煙絲，固定一個卷煙紙A，固定卷煙參數卷制1-6號試驗樣品。

1.1.3 儀器 Sanplus型自動分析儀（荷蘭Skalar 公司，配光度檢測器和600 nm濾光片）；GFL3017 型臺式旋轉震蕩器（德國Gesellschaft公司）、AT-500 N型標準自動電位滴定儀（日本KEM公司）、80 mL打孔氣體吸收瓶、70 mL打孔氣體吸收瓶（上海訊宏儀器有限公司）；SM400型直線型吸煙機（英國Filtrona公司）；RM200型轉盤吸煙機（德國Borgwaldt-KC公司）；Human型超純水系統（Pgeneral公司）；AG104型電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler2Toledo儀器公司）；離子色譜儀、戴安ED-50型電導檢測器、戴安CSRS-Ⅱ型抑制器、戴安IonpacCS12A型陽離子交換分析柱、戴安IonpacCG12A型陽離子交換預柱（美國戴安公司）；Acquity型超高效液相色譜儀（Waters），配備熒光/PDA檢測器；Luna HPLC C18型色譜柱（菲羅門，100.0 mm×3.9 mm，5 μm）； Acclaim Explosive E2型色譜柱（戴安，250.0 mm×4.6 mm 120？魡），Acclaim Explosive E2型預柱（戴安，10.0 mm×4.3 mm 120？魡）；950HTAE型超聲波清洗器（美國Crest超聲波公司）；TurboVap‖Ⅱ型氮吹濃縮儀（美國ZYMARK公司）；DB-5（30.00 m×0.25 mm×0.25 μm）型彈性毛細管色譜柱、HP50+（30.00 m×0.53 mm×1.00 μm）型彈性毛細管色譜柱、1.00 m×0.53 mm×1.00 μm石英毛細管保護柱（美國Agilent公司）；氣相色譜-熱能分析聯用儀（安捷論6890N-聯合層析CSI-TEA610）；PE600-600T型氣相色譜-質譜聯用儀（美國PE公司）。

1.2試驗方法

1.2.1 卷煙燃燒溫度測試方法 如圖1所示，將熱電偶從夾持器下部插入后，精確調整熱電偶位置，用螺絲固定，再用卡煙器卡好卷煙位置，使熱電偶與卷煙的相對位置固定。

感官評吸一般是從第2～3口開始，因此模擬卷煙感官評吸的方法，選擇測量抽吸第3口時的煙支燃燒錐溫度分布。在標準狀態下，測量卷煙開始抽吸第3口時卷煙紙燃燒線的位置，取其平均值，作標記線，在軸向方向每隔2 mm依次插入1根熱電偶，當卷煙紙燃燒線到達標記線時，開始采集熱電偶數據。

1.2.2 卷煙主流煙氣中7種有害成分的測定方法 依據GB/T 19069-2004[12]、YC/T 156-2001[13]、YC/T 157-2001[14]、GB/T 23356-2009[15]、GB/T21130-2007[16]、YC/T253-2008[17]、GB/T23228-2008[18]、YC/T 377-2010[19]、YC/T255-2008[20]和YC/T254-2008[21]等標準進行卷煙主流煙氣中焦油及7種有害成分的測定。

2 結果與分析

2.1 濾嘴通風度對卷煙燃燒溫度的影響

計算不同濾嘴通風度卷煙1-6號第3口燃吸前燃燒錐上各溫度區的體積分布，結果如表2所示。由表2可知，隨著濾嘴通風度的增加，600 ℃以上的高溫區體積呈逐漸減少的趨勢，究其原因為隨著濾嘴通風度的增加，在抽吸間隙通過自然對流擴散進入燃燒錐區域的空氣量減少，阻礙了煙絲的充分燃燒，因此燃燒錐的高溫區域體積隨之減少。而燃燒錐后部低溫區域的各溫度區間體積基本保持不變，這是因為煙支陰燃時燃燒線附近的空氣很大一部分是通過自然對流擴散進入的，1-6號不同樣品采用相同透氣度的卷煙紙，通過卷煙紙擴散進入燃燒錐后部的空氣量大致相同，燃燒線附近的煙絲燃燒情況大致相同，因此各溫度區間的體積分布基本保持一致。

計算不同濾嘴通風度卷煙1-6號第3口燃吸期間各溫度區間體積分布結果如表3所示。將表3與表2對比可知，抽吸期間進入燃燒錐的空氣流速快速增加，煙絲燃燒劇烈，>700 ℃的高溫區體積迅速增加，且隨著濾嘴通風度的增加，1-6號高溫區體積呈減少趨勢，反映了隨著濾嘴通風度的加大，通過自然對流擴散進入燃燒錐區域的空氣量減少，煙絲燃燒不充分，燃燒溫度降低。

計算不同濾嘴通風度卷煙1-6號第3口抽吸后10 s各溫度區的體積分布，結果如表4所示。將表4與表2及表3對比可知，隨著抽吸的繼續進行，600～700 ℃、>700 ℃的溫度區間的體積繼續增大，可能是由于進入燃燒錐中的空氣流隨燃吸時間的延長流速增加造成的，且與抽吸前、抽吸期間表現出相同的趨勢，隨著濾嘴通風度的增加，燃燒錐的最高溫度呈下降趨勢。

濾嘴通風所帶來的稀釋在整個吸煙過程中都保持恒定，當濾嘴通風時，流經燃燒錐和煙支的氣流流速均降低。Mikami等[22]推斷認為，濾嘴通風卷煙等同于用低于標準抽吸容量來抽吸卷煙。因此，隨著濾嘴通風度的增加，即等同于減少卷煙抽吸容量，降低了通過自然對流進入燃燒錐的空氣流速，進而降低了卷煙的燃燒最高溫度，與鄭賽晶等[8]研究指出的隨著抽吸容量上升，空氣流速增加，導致煙支燃燒的最高溫度呈上升趨勢的結果一致。

2.2 濾嘴通風對主流煙氣中7種有害成分的影響

2.2.1 濾嘴通風對主流煙氣中7種有害成分釋放量的影響 濾嘴通風為空氣稀釋煙氣提供了途徑，如Mikami等[22]所描述的一樣，濾嘴通風相當于用低于標準抽吸容量抽吸非通風卷煙，因此抽吸時消耗的煙絲減少，主流煙氣中有害成分的釋放量也相應減少。但是煙氣中的每種組分的沸點、分子量及極性等不同，不同稀釋程度的濾嘴對這些物質的輸送量的影響存在一定差異。

考察濾嘴通風度變化對卷煙主流煙氣中7種有害成分釋放量的影響，結果如表5、圖2、圖3及圖4中的線性擬合曲線所示，隨著濾嘴通風度從0.00%增至31.04%，樣品卷煙主流煙氣中的常規成分焦油、煙堿及7種有害成分釋放量均呈逐步下降的趨勢。如表6的擬合方程所示：焦油、煙堿、CO、巴豆醛、HCN及B[a]P與濾嘴通風度呈高度線性負相關，R2分別為0.988 8、0.989 3、0.986 0、0.970 0、0.933 2和0.960 6，NNK、NH3及苯酚與濾嘴通風度的線性負相關性較弱，R2分別為0.857 9、0.752 8和0.712 8。從斜率絕對值可以得出濾嘴通風度對其影響程度排序為：CO>巴豆醛>HCN>焦油>NH3>B[a]P>煙堿>苯酚>NNK。

2.2.2 濾嘴通風對主流煙氣中7種有害成分選擇性降低的影響 為考察改變濾嘴通風能否選擇性降低卷煙煙氣中的有害成分，統計分析了不同濾嘴通風度下卷煙煙氣中的7種有害成分單位焦油的釋放量如表7所示。由表7可知，CO、HCN及NH3的單位焦油釋放量隨濾嘴通風度的加大基本保持不變，而巴豆醛、NNK、B[a]P及苯酚的單位焦油釋放量隨濾嘴通風度的加大呈增加趨勢。通過計算，濾嘴每增加10%的通風度可降低主流煙氣中NH3的釋放量約為9.80%，降低焦油、CO及HCN的釋放量均約為9.35%，降低巴豆醛、NNK、B[a]P及苯酚的釋放量分別為6.76%、6.24%、5.18%和4.37%。因此，通過增加卷煙的濾嘴通風度只能減少卷煙煙氣中有害成分的釋放量，但不能達到選擇性降低有害成分的目的。

卷煙煙氣是一種極其復雜的化合物，煙氣的形成機理復雜，目前對某種煙氣成分形成機理的認識僅處于初步階段，均認為與煙草本身成分的熱解和燃燒有關。如CO和CO2是由淀粉、纖維素、羧酸和氨基酸等經熱解或燃燒形成的，卷煙濾嘴通風減少了流經燃燒區的空氣量，降低了每口抽吸時的溫度，并減少了CO2轉化為CO的量，同時濾嘴通風對煙氣中的CO具有稀釋作用，因此濾嘴通風對CO釋放量的影響最大。煙氣中的多環芳烴和煙草中的萜稀類、纖維素類等的熱解和高溫熱合成反應有關，燃燒溫度高于800 ℃時生成多環芳烴，因此當濾嘴通風度增大時，燃燒溫度呈下降趨勢，B[a]P的生成隨之降低。煙氣中醛酮類化合物大多由糖、纖維素、果膠質和蛋白質燃燒產生，苯酚主要由纖維素和木質素等裂解生成。因此，當濾嘴通風時，改變熱解條件將進一步影響主流煙氣中化學成分的釋放量。另外，由于通風稀釋可改變煙氣燃燒熱解條件，改變燃燒錐的溫度梯度，對于不同性質的組分影響也不一致。

3 結論

本研究分析了卷煙濾嘴對卷煙燃燒溫度及卷煙主流煙氣中7種有害成分釋放量的影響，結果表明，隨著卷煙濾嘴通風度的增加，卷煙燃燒溫度的高溫區體積分布呈下降趨勢；卷煙主流煙氣中的7種有害成分釋放量均呈現下降趨勢，與濾嘴通風度呈線性負相關；由斜率絕對值可以得出影響程度為CO>巴豆醛>HCN>NH3>B[a]P>苯酚>NNK；通過增加卷煙的濾嘴通風度可減少卷煙煙氣中有害成分的絕對釋放量，但不能達到選擇性降低有害成分的目的。

通過研究卷煙濾嘴通風對卷煙燃燒溫度及卷煙主流煙氣中7種有害成分釋放量的影響，有助于更進一步了解濾嘴通風卷煙的燃燒行為，同時為低危害卷煙的設計提供思路。

參考文獻：

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[22] MIKAMI， NAITO Y N， KABURAKI Y. Some factors affecting carbon monoxide concentration in cigarette smoke[J]. Japanse Monopoly Corporation Central Research Institute Science paper， 1971，113：99-105.

2.2.2 濾嘴通風對主流煙氣中7種有害成分選擇性降低的影響 為考察改變濾嘴通風能否選擇性降低卷煙煙氣中的有害成分，統計分析了不同濾嘴通風度下卷煙煙氣中的7種有害成分單位焦油的釋放量如表7所示。由表7可知，CO、HCN及NH3的單位焦油釋放量隨濾嘴通風度的加大基本保持不變，而巴豆醛、NNK、B[a]P及苯酚的單位焦油釋放量隨濾嘴通風度的加大呈增加趨勢。通過計算，濾嘴每增加10%的通風度可降低主流煙氣中NH3的釋放量約為9.80%，降低焦油、CO及HCN的釋放量均約為9.35%，降低巴豆醛、NNK、B[a]P及苯酚的釋放量分別為6.76%、6.24%、5.18%和4.37%。因此，通過增加卷煙的濾嘴通風度只能減少卷煙煙氣中有害成分的釋放量，但不能達到選擇性降低有害成分的目的。

卷煙煙氣是一種極其復雜的化合物，煙氣的形成機理復雜，目前對某種煙氣成分形成機理的認識僅處于初步階段，均認為與煙草本身成分的熱解和燃燒有關。如CO和CO2是由淀粉、纖維素、羧酸和氨基酸等經熱解或燃燒形成的，卷煙濾嘴通風減少了流經燃燒區的空氣量，降低了每口抽吸時的溫度，并減少了CO2轉化為CO的量，同時濾嘴通風對煙氣中的CO具有稀釋作用，因此濾嘴通風對CO釋放量的影響最大。煙氣中的多環芳烴和煙草中的萜稀類、纖維素類等的熱解和高溫熱合成反應有關，燃燒溫度高于800 ℃時生成多環芳烴，因此當濾嘴通風度增大時，燃燒溫度呈下降趨勢，B[a]P的生成隨之降低。煙氣中醛酮類化合物大多由糖、纖維素、果膠質和蛋白質燃燒產生，苯酚主要由纖維素和木質素等裂解生成。因此，當濾嘴通風時，改變熱解條件將進一步影響主流煙氣中化學成分的釋放量。另外，由于通風稀釋可改變煙氣燃燒熱解條件，改變燃燒錐的溫度梯度，對于不同性質的組分影響也不一致。

3 結論

本研究分析了卷煙濾嘴對卷煙燃燒溫度及卷煙主流煙氣中7種有害成分釋放量的影響，結果表明，隨著卷煙濾嘴通風度的增加，卷煙燃燒溫度的高溫區體積分布呈下降趨勢；卷煙主流煙氣中的7種有害成分釋放量均呈現下降趨勢，與濾嘴通風度呈線性負相關；由斜率絕對值可以得出影響程度為CO>巴豆醛>HCN>NH3>B[a]P>苯酚>NNK；通過增加卷煙的濾嘴通風度可減少卷煙煙氣中有害成分的絕對釋放量，但不能達到選擇性降低有害成分的目的。

通過研究卷煙濾嘴通風對卷煙燃燒溫度及卷煙主流煙氣中7種有害成分釋放量的影響，有助于更進一步了解濾嘴通風卷煙的燃燒行為，同時為低危害卷煙的設計提供思路。

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[22] MIKAMI， NAITO Y N， KABURAKI Y. Some factors affecting carbon monoxide concentration in cigarette smoke[J]. Japanse Monopoly Corporation Central Research Institute Science paper， 1971，113：99-105.

2.2.2 濾嘴通風對主流煙氣中7種有害成分選擇性降低的影響 為考察改變濾嘴通風能否選擇性降低卷煙煙氣中的有害成分，統計分析了不同濾嘴通風度下卷煙煙氣中的7種有害成分單位焦油的釋放量如表7所示。由表7可知，CO、HCN及NH3的單位焦油釋放量隨濾嘴通風度的加大基本保持不變，而巴豆醛、NNK、B[a]P及苯酚的單位焦油釋放量隨濾嘴通風度的加大呈增加趨勢。通過計算，濾嘴每增加10%的通風度可降低主流煙氣中NH3的釋放量約為9.80%，降低焦油、CO及HCN的釋放量均約為9.35%，降低巴豆醛、NNK、B[a]P及苯酚的釋放量分別為6.76%、6.24%、5.18%和4.37%。因此，通過增加卷煙的濾嘴通風度只能減少卷煙煙氣中有害成分的釋放量，但不能達到選擇性降低有害成分的目的。

卷煙煙氣是一種極其復雜的化合物，煙氣的形成機理復雜，目前對某種煙氣成分形成機理的認識僅處于初步階段，均認為與煙草本身成分的熱解和燃燒有關。如CO和CO2是由淀粉、纖維素、羧酸和氨基酸等經熱解或燃燒形成的，卷煙濾嘴通風減少了流經燃燒區的空氣量，降低了每口抽吸時的溫度，并減少了CO2轉化為CO的量，同時濾嘴通風對煙氣中的CO具有稀釋作用，因此濾嘴通風對CO釋放量的影響最大。煙氣中的多環芳烴和煙草中的萜稀類、纖維素類等的熱解和高溫熱合成反應有關，燃燒溫度高于800 ℃時生成多環芳烴，因此當濾嘴通風度增大時，燃燒溫度呈下降趨勢，B[a]P的生成隨之降低。煙氣中醛酮類化合物大多由糖、纖維素、果膠質和蛋白質燃燒產生，苯酚主要由纖維素和木質素等裂解生成。因此，當濾嘴通風時，改變熱解條件將進一步影響主流煙氣中化學成分的釋放量。另外，由于通風稀釋可改變煙氣燃燒熱解條件，改變燃燒錐的溫度梯度，對于不同性質的組分影響也不一致。

3 結論

本研究分析了卷煙濾嘴對卷煙燃燒溫度及卷煙主流煙氣中7種有害成分釋放量的影響，結果表明，隨著卷煙濾嘴通風度的增加，卷煙燃燒溫度的高溫區體積分布呈下降趨勢；卷煙主流煙氣中的7種有害成分釋放量均呈現下降趨勢，與濾嘴通風度呈線性負相關；由斜率絕對值可以得出影響程度為CO>巴豆醛>HCN>NH3>B[a]P>苯酚>NNK；通過增加卷煙的濾嘴通風度可減少卷煙煙氣中有害成分的絕對釋放量，但不能達到選擇性降低有害成分的目的。

通過研究卷煙濾嘴通風對卷煙燃燒溫度及卷煙主流煙氣中7種有害成分釋放量的影響，有助于更進一步了解濾嘴通風卷煙的燃燒行為，同時為低危害卷煙的設計提供思路。

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