接裝紙和成型紙透氣度對卷煙中元素遷移行為的影響

龐永強，李 雪，羅彥波，朱風鵬，姜興益，胡清源，陳再根

國家煙草質量監督檢驗中心，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

隨著吸煙與健康問題研究的不斷深入，煙氣中一些有害成分已得到廣泛研究。重金屬元素是卷煙煙氣中的一類有害物質，已被許多國家列為卷煙安全性評價指標。卷煙抽吸過程中，重金屬元素會通過煙支燃燒形成的煙氣進入人體，因此其對吸煙者的危害不僅取決于它們在卷煙中的實際量，更重要的是其在卷煙抽吸過程中的遷移行為。目前，國內外相關研究主要集中在煙絲、煙用香精香料、卷煙材料和卷煙煙氣中重金屬元素的檢測分析等方面［1-8］，關于接裝紙和成型紙等材料參數的變化對卷煙抽吸過程中重金屬遷移行為影響的研究未見文獻報道。卷煙接裝紙和成型紙的合理搭配可以調控卷煙濾嘴通風率，改變卷煙燃燒狀態，降低煙氣有害成分的釋放量，進而達到降低卷煙危害性的目的［9-12］。因此，研究了接裝紙透氣度和成型紙透氣度對卷煙抽吸過程中鉻（Cr）、鎳（Ni）、砷（As）、硒（Se）、鎘（Cd）和鉛（Pb）6 種元素主流煙氣、側流煙氣、煙蒂和煙灰遷移率的影響，旨在為低危害卷煙產品的開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

5 種不同透氣度（0，100，400，800 和1 200 CU）激光打孔接裝紙，長度固定為32 mm；5 種不同透氣度（3 300，4 500，6 000，10 000 和15 000 CU）成型紙；某牌號卷煙（烤煙型）同一批次的煙絲，木漿卷煙紙（定量28 g/m2、透氣度60 CU）；普通醋酸纖維濾棒樣品（濾嘴長度24 mm、濾棒吸阻4 000 Pa、圓周24 mm）。

濃硝酸（65%，質量分數）、過氧化氫（30%，質量分數）、甲醇、硝酸（10%，體積分數）（德國Merck公司）。Cr，Ni，As，Se，Cd 和Pb 混合環境標準樣品（濃度10 mg/L，基體溶劑為5%硝酸，美國Agilent 公司）。

CP224S 電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius 公司）；NexION300X 電感耦合等離子體質譜 儀（ICP-MS）（美 國 PerkinElmer 公 司）；MARsX-Press 微波消解儀（美國CEM 公司）；RM20H 轉盤型吸煙機、LM5 側流吸煙機（德國Borgwaldt 公司）。

1.2 方法

1.2.1 試驗卷煙的制備

按照卷煙輔助材料的單因素變化設計方案，共設計了5 個不同接裝紙透氣度試驗卷煙樣品（成型紙透氣度固定為3 300 CU，接裝紙透氣度依次為0，100，400，800 和1 200 CU）和5 個不同成型紙透氣度試驗卷煙樣品（接裝紙透氣度固定為1 200 CU，成型紙透氣度依次為3 300，4 500，6 000，10 000 和15 000 CU）。在同一機臺上，采用同一批次的煙絲、相同規格的普通醋酸纖維濾棒、卷煙紙和不同透氣度的接裝紙、成型紙卷制試驗卷煙。試驗卷煙樣品于溫度（22±1）℃、相對濕度（60±3）%的恒溫恒濕環境中平衡48 h 后檢測。

1.2.2 6 種元素的測定

按照YC/T 380—2010［13］的方法測定試驗卷煙煙絲柱體中的6 種元素，按照YC/T 379—2010［14］的方法測定主流煙氣中的6 種元素。

側流煙氣中6 種元素的測定:采用魚尾罩和濾片捕集側流煙氣粒相物；魚尾罩用20 mL 甲醇淋洗，濾片用甲醇分3 次進行萃取（第1 次用魚尾罩淋洗后的溶液，后兩次各用20 mL 甲醇）；合并萃取液至消解罐中，在90 ℃下使甲醇揮發至1～2 mL；加入5 mL 濃硝酸100 ℃下預消解30 min，補加1 mL 濃硝酸，加2 mL 過氧化氫，置于微波消解儀中消解；消解后樣品定容到30 mL，進行ICP-MS分析，參數同YC/T 380—2010。

煙灰中6 種元素的測定（所測定的煙灰為主流煙氣分析時產生的煙灰）:將聚四氟乙烯煙灰板（預先用甲醇清洗并干燥）放置于煙灰盤上，按照YC/T 379—2010 的方法抽吸卷煙并收集煙灰；抽吸結束后，混勻煙灰，稱取0.05 g 于消解罐中，分別加入6 mL 硝酸、2 mL 鹽酸和1 mL 過氧化氫，置于微波消解儀中進行消解；消解后樣品定容至50 mL，進 行ICP-MS 分 析，參數同YC/T 380—2010。

煙蒂中6 種元素的測定（所測定的煙蒂為主流煙氣分析時的煙蒂）:卷煙抽吸終止后，取下煙蒂，振去浮灰，迅速放入盛有6 mL 硝酸的消解罐中，靜置5 min 后，向罐中分別加入1 mL 過氧化氫、2 mL 鹽酸和1 mL 氫氟酸，置于微波消解儀中進行消解；消解后樣品定容到30 mL，進行ICP-MS 分析，參數同YC/T 380—2010。按照相同的測試方法測定卷煙抽吸前煙蒂對應部分的元素量。

1.2.3 6 種元素遷移率的計算

分別測定卷煙抽吸前煙蒂對應部分（X1），在卷煙抽吸過程中實際燃燒的煙支部分（X2）（圖1），以及卷煙燃吸后煙蒂（Y1），收集的主流煙氣（MS）（Y2），側流煙氣（SS）（Y3），煙灰（ASH）（Y4）（圖2）中Cr，Ni，As，Se，Cd 和Pb 的量。理論上，燃燒的煙支部分中重金屬元素量為燃燒后轉移至各部分的量之和，即:X2=（Y1-X1）+Y2+Y3+Y4。元素的各部分遷移率分別為卷煙主流煙氣（Y2）、側流煙氣（Y3）和煙灰（Y4）中重金屬量及煙蒂截留量（Y1-X1）與參與燃燒前煙絲柱體（X2）中重金屬量的比值。

圖1 抽吸前卷煙測定元素量的部分

圖2 抽吸后卷煙測定元素量的部分

1.2.4 數據處理與分析

采用數據統計軟件SPSS 17.0 分別對主流煙氣、側流煙氣、煙蒂、煙灰中Cr，Ni，As，Se，Cd 和Pb 的遷移率與接裝紙、成型紙透氣度進行線性回歸分析，R2的大小表示兩者間的相關性程度。由R2值的大小判斷相關性強弱，R2≥0.9 表示顯著相關，0.9＞R2≥0.5 表示一般相關，R2＜0.5 表示不相關。

2 結果與討論

2.1 接裝紙和成型紙透氣度對卷煙主流煙氣中6種元素遷移率的影響

接裝紙、成型紙是卷煙的重要組成部分，對卷煙煙氣的遞送有較大影響。實驗考察了不同接裝紙、成型紙透氣度條件下重金屬在燃燒過程中向主流煙氣的遷移率。結果（圖3）表明:隨著接裝紙、成型紙透氣度的增加，卷煙抽吸過程中重金屬向主流煙氣的遷移率呈降低趨勢，且對Cr，As，Cd和Pb 的調控作用較為明顯。

接裝紙、成型紙透氣度與主流煙氣重金屬遷移率的回歸方程（表1）顯示:①接裝紙透氣度對主流煙氣中Cr，As，Cd 和Pb 的遷移率有顯著影響（R2≥0.9），對Ni 的遷移率有一定影響（0.9＞R2≥0.5），對Se 的遷移率基本無影響（R2＜0.5）。②成型紙透氣度對主流煙氣中Cr，Se 和Pb 的遷移率有顯著影響（R2≥0.9），對As 和Cd 的遷移率有一定影響（0.9＞R2≥0.5），對Ni 的遷移率基本無影響（R2＜0.5）。③接裝紙、成型紙透氣度與重金屬向主流煙氣的遷移率均呈負相關關系。

2.2 接裝紙和成型紙透氣度對卷煙側流煙氣中6種元素遷移率的影響

圖3 接裝紙、成型紙透氣度對主流煙氣中6 種元素遷移率的影響

表1 接裝紙、成型紙透氣度與主流煙氣中6 種元素遷移率的回歸方程

表2 接裝紙、成型紙透氣度對側流煙氣中6 種元素遷移率的回歸方程

卷煙側流煙氣指卷煙兩次抽吸之間陰燃時產生的煙氣和抽吸過程中透過卷煙紙擴散出來的煙氣。隨著人們對吸煙與健康問題的日益重視，側流煙氣中的有害物質已成為人們關注的焦點。考察了不同接裝紙、成型紙透氣度條件下，重金屬在燃燒過程中向側流煙氣的遷移率。結果（表2）表明:接裝紙透氣度對側流煙氣中Cr，As，Se 和Pb 的遷移率有一定影響（0.9＞R2≥0.5），對Ni，Cd 的遷移率基本無影響（R2＜0.5）；隨接裝紙透氣度的增加，Cr，As，Se 和Pb 的側流煙氣遷移率有一定程度的降低，但接裝紙透氣度對側流煙氣的調控作用比較有限。成型紙透氣度對重金屬向卷煙側流煙氣的遷移基本無影響。

2.3 接裝紙和成型紙透氣度對煙蒂中6 種元素遷移率的影響

煙蒂作為隨處可見的丟棄物，已成為目前數量最多的固體廢物之一，所致污染日趨嚴重，但是常被忽視。煙蒂中殘留物質會遷移到土壤等環境中，對環境和生物造成危害。考察了不同接裝紙透氣度條件下，重金屬在燃燒過程中向煙蒂的遷移率。結果（表3）表明:①接裝紙透氣度對煙蒂中Pb 的遷移率有顯著影響（R2≥0.9），對Cr，Ni 和Cd有一定影響（0.9＞R2≥0.5），對As 和Se 的遷移率基本無影響（R2＜0.5），接裝透氣度與Cr，Ni，Cd 和Pb的煙蒂遷移率呈負相關關系。②成型紙透氣度對煙蒂中Se 的遷移率有顯著影響，對Cr，Ni，As 和Pb 有一定影響（0.9＞R2≥0.5），對Cd 的遷移率基本無影響（R2＜0.5）。成型紙透氣度與重金屬元素的煙蒂遷移率呈負相關關系。接裝紙和成型紙透氣度對煙蒂中重金屬遷移率的影響與主流煙氣類似，即隨著接裝紙、成型紙透氣度的增加，卷煙抽吸過程中重金屬向煙蒂的遷移呈降低趨勢。

表3 接裝紙、成型紙透氣度對煙蒂中6 種元素遷移率的回歸方程

2.4 接裝紙和成型紙透氣度對煙灰中6 種元素遷移率的影響

考察了不同接裝紙和成型紙透氣度條件下，重金屬在燃燒過程中向煙灰的遷移率。結果（表4）表明:①接裝紙透氣度對煙灰中Cr，As，Se，Cd和Pd 有一定影響（0.9＞R2≥0.5），對Ni 的遷移率基本無影響（R2＜0.5）。②成型紙透氣度對煙灰中Se和Cd 的遷移率有一定影響（0.9＞R2≥0.5），對Cr，Ni，As 和Pb 的遷移率基本無影響（R2＜0.5）。③隨著接裝紙、成型紙透氣度的增加，6 種重金屬元素的煙灰遷移率呈增加趨勢。由表4 中回歸方程的截距可以看出，煙草中痕量重金屬元素（除Cd 外）在卷煙燃燒后，70%以上遷移到煙灰中。

表4 接裝紙、成型紙透氣度對煙灰中6 種元素遷移率的回歸方程

3 結論

卷煙燃燒過程中，煙草中痕量重金屬元素（除Cd 外）的70%以上遷移到煙灰中；金屬元素轉移到主流煙氣的比例在10%以內，其中As，Cd 和Pb 的轉移率明顯大于Ni，Se 和Cr；側流煙氣中Cd 的轉移率顯著大于其他元素。

接裝紙、成型紙雖不直接參與卷煙燃燒過程，但其透氣度的增加可以提高卷煙濾嘴通風率，進而影響煙支內部的氣流變化和煙氣中化學物質的遷移行為。隨著接裝紙、成型紙透氣度的增加，金屬元素向主流煙氣和煙蒂的遷移率呈降低趨勢。而側流煙氣主要在卷煙陰燃階段產生，主要受卷煙陰燃性能和環境氣流變化的影響。因此，接裝紙、成型紙對重金屬向卷煙側流煙氣的遷移幾乎沒有調控作用。接裝紙和成型紙透氣度的增加會降低卷煙抽吸期間的燃燒強度和煙支抽吸的相對長度，造成卷煙陰燃時間的相對增加，進而使元素遷移至煙灰的比例呈現增加的趨勢。

［1］索衛國，胡清源，王芳，等.卷煙煙氣中微量和痕量元素研究綜述［J］.中國煙草學報，2007，13（5）:61-64.

［2］石杰，李力，胡清源，等.煙草中微量元素和重金屬檢測進展［J］.煙草科技，2006（2）:40-45.

［3］江今朝，彭書海，習欽，等.重金屬元素在卷煙主流煙氣中遷移率分析［J］.江西化工，2013（3）:50-53.

［4］Pappas R S，Polzin G M，Zhang L，et al.Cadmium，lead，and thallium in mainstream tobacco smoke particulate［J］.Food and Chemical Toxicology，2006，44（5）:714-723.

［5］Chang M J,Walker K，McDaniel R T，et al.Impaction collection and slurry sampling for the determination of arsenic，cadmium，and lead in sidestream cigarette smoke by inductively coupled plasma-mass spectrometry［J］.Journal of Environmental Monitoring，2005，7:1349-1354.

［6］張艷玲，周漢平.煙草重金屬研究概述［J］.煙草科技，2004（12）:20-23.

［7］黃海濤，夭建華，耿永勤，等.卷煙抽吸過程中重金屬元素的轉移量及轉移率研究［J］.云南大學學報:自然科學版，2010，32（S1）:139-142.

［8］黃海濤，施紅林，金永燦，等.卷煙紙和接裝紙性質對主流煙氣中重金屬元素釋放量的影響［J］.中國煙草學報，2010，16（4）:1-4.

［9］龐永強，黃春暉，陳再根，等.通風稀釋對卷煙燃燒溫度及主流煙氣中有害成分釋放量的影響［J］.煙草科技，2012（11）:29-32.

［10］于川芳，羅登山，王芳，等.卷煙“三紙一棒”對煙氣特征及感觀質量的影響（一）［J］.中國煙草學報，2001，7（2）:1-7.

［11］王理珉，馬靜，胡群，等.通風技術對卷煙性能的影響研究［C］//中國煙草學會工業專業委員會煙草化學學術研討會論文集.海口:中國煙草學會，2005:158-163.

［12］周會舜，宗永立，張杰，等.濾嘴長度和通風度對一些酯類香料在卷煙中轉移率的影響［J］.煙草科技，2010（8）:41-45.

［13］YC/T 380—2010 煙草及煙草制品 鉻、鎳、砷、硒、鎘、鉛的測定 電感耦合等離子體質譜法［S］.

［14］YC/T 379—2010 卷煙 主流煙氣中鉻、鎳、砷、硒、鎘、鉛的測定 電感耦合等離子體質譜法［S］.