微波膨脹梗絲對卷煙7種煙氣有害成分釋放量及危害性指數的影響

趙云川，廖曉祥，陳冉，武凱，鄒泉，楊光濤

云南中煙工業有限責任公司技術中心,云南省玉溪市紅塔大道118號 653100

微波膨脹梗絲對卷煙7種煙氣有害成分釋放量及危害性指數的影響

趙云川，廖曉祥*，陳冉，武凱，鄒泉，楊光濤

云南中煙工業有限責任公司技術中心,云南省玉溪市紅塔大道118號 653100

為研究微波膨脹梗絲在卷煙應用中的減害效果，分析了梗絲摻配比例對卷煙7種煙氣有害成分（CO、HCN、NNK、NH3、B［a］P、苯酚和巴豆醛）以及其危害性指數的影響，并與同比例傳統梗絲摻配試驗卷煙樣品進行了對比。結果表明：在試驗梗絲摻配比例范圍（8%～33%）內，與傳統梗絲（氣流干燥梗絲）相比，微波膨脹梗絲降低煙氣中CO、HCN、B［a］P和巴豆醛釋放量的效果更佳，平均降低1.0 mg/支、9.43 μg/支、0.19 ng/支和0.42 μg/支。而傳統梗絲對降低煙氣中NNK、NH3和苯酚釋放量的效果較好，平均降低0.12 ng/支、0.70 μg/支和0.23 μg/支。用卷煙危害性指數作總體評價，微波膨脹梗絲摻配樣品的危害性指數均值較傳統梗絲樣品降低了0.1，表明其減害作用略優于傳統梗絲。

微波膨脹梗絲；傳統梗絲；危害性指數；主流煙氣；有害成分

傳統工藝膨脹后的梗絲燃吸時香氣平淡，木質氣較重，刺激性較大。近年來，微波膨脹煙梗技術的興起和發展打破了傳統的梗絲制備工藝，為充分利用煙梗資源開辟了新的研究領域和應用方向［1-8］。煙梗經微波處理后，原有的致密孔隙結構得到有效膨脹，形成大量多孔、多空腔且大小均勻的結構組織，不僅具有較高的填充力，又可促進卷煙的充分燃燒［9-12］，因而越來越被行業關注。目前，微波膨脹煙梗技術主要有制梗粒和制梗條絲兩種形式，微波膨脹梗顆粒與煙絲摻配后，在卷接前的輸送和卷制過程中易與煙絲分層分離，在煙絲中的分布均勻性較差，煙支端部落絲嚴重，從而影響了其在卷煙中的應用效果［7，13］。而將其經過“先切片、再切絲”的二次復切新型工藝處理，有效地克服了微波膨脹梗顆粒的上述缺陷，得到了與煙絲配伍性良好、填充值高的梗絲產品，從而提升了其在卷煙配方中的應用價值。隨著微波膨脹梗絲產品應用價值的提升，其在卷煙產品中的減害作用也備受關注，尤其是對主流煙氣中7種有害成分釋放量的影響［14］。近年來卷煙7種有害成分釋放量的影響因素研究較多［15-17］，其中不乏梗絲摻配量的影響研究。然而，目前關于微波膨脹梗絲的降焦減害效果評價還未見報道。因此，以玉溪卷煙廠微波膨脹梗絲試驗線生產的微波膨脹梗絲樣品為研究對象，分析不同梗絲摻配比例對7種有害成分釋放量以及卷煙危害性指數（H）的影響，并與傳統梗絲摻配樣品形成對比，以期得到微波膨脹梗絲對卷煙產品降焦減害效果的影響趨勢，為微波膨脹梗絲在產品中的配伍應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

傳統梗絲、微波膨脹梗絲（玉溪卷煙廠）；濾棒（規格144 mm/24.1 mm、3 300 CU/3 430 Pa，玉溪卷煙廠）；木漿卷煙紙（定量32 g/m2，寬度26.2 mm，直螺紋50 CU，紅塔藍鷹紙業有限公司）；接裝紙（定量38.5 g/m2，寬度64 mm，不通風，玉溪水松紙廠）。

CH888精密恒溫恒濕箱（澳大利亞Thermoline公司）、AV5170煙支重量分選儀（中國電子科技集團公司第四十一研究所）、RM200A轉盤式吸煙機（德國Borgwaldt KC公司）、Protos70卷接機組（德國Hauni公司）、1 000 kg/h微波煙梗試驗線（自建）。

1.2 方法

1.2.1 樣品的制備

傳統梗絲工藝流程包括洗梗、貯梗、氣流干燥（HT）、壓梗、切絲、梗絲加料、氣流干燥和梗絲加香等步驟，微波膨脹梗絲工藝流程包括梗條膨脹、洗梗、貯梗、煙梗切片、梗片切絲、梗絲加料、微波干燥和梗絲加香等步驟。取由常規梗絲工藝制備的傳統梗絲、微波膨脹梗絲試驗線生產的微波膨脹梗絲各50 kg，以及正常生產的葉絲200 kg，置于貯絲房平衡48 h。采用烘箱法［18］測定傳統梗絲、微波膨脹梗絲、葉絲的含水率。依據含水率測定結果，折算出標準含水率（12.0%）下的物料摻配量，分別摻配后得到混合絲樣品。按照改變梗絲摻配比例、濾嘴均不通風、其他參數固定的原則設計制備試驗卷煙樣品，制得18組試驗卷煙樣品，見表1。將卷制樣品置入恒溫恒濕箱中于22℃、相對濕度60%條件下平衡48 h，按煙支質量（900± 5）mg/支分選后備用。

表1 試驗卷煙設計參數

1.2.2樣品卷煙均勻性驗證

將表1中的18組試驗卷煙樣品按質量（900± 5）mg/支分選后，參照國家標準［19］的方法檢測物理指標，并按CNAS-GL03：2006［20］的方法分析每組樣品的均勻性。單因素方差值均小于臨界F值，表明樣品組內無顯著性差異，樣品符合均勻性要求。

1.2.3 卷煙主流煙氣中7種有害成分釋放量的測定及煙氣危害性指數計算

采用國家或行業標準［21-27］的方法測定卷煙主流煙氣中7種有害成分的釋放量，并根據文獻［28］的方法，得到煙氣危害性指數計算公式為：

式中：H為煙氣危害性評價指數，C為實測值，R為參考值。

7種有害成分的參考值取2008年度全國卷煙主流煙氣中的加權平均值，CO，HCN，NNK，NH3，B［a］P，苯酚和巴豆醛釋放量的具體數值分別為14.20 mg/支，146.30 μg/支，5.50 ng/支，8.10 μg/支，10.90 ng/支，17.40 μg/支和18.60 μg/支。

1.2.4 數據處理

采用Minitab軟件對CJ1～CJ6和PJ1～PJ6試驗卷煙主流煙氣中7種有害成分的釋放量（取5次平行實驗測定結果的平均值）隨摻配比例的變化趨勢進行方差分析，顯著性水平α為0.05。

2 結果與討論

2.1 梗絲摻配比例對卷煙抽吸口數的影響

對比分析了相同摻配比例下傳統梗絲及微波膨脹梗絲對卷煙抽吸口數的影響，結果（圖1）表明：當梗絲摻配比例≥13%時，摻配兩種梗絲卷制樣品的抽吸口數開始有明顯差異。在實驗范圍（8%～33%）內，隨著微波膨脹梗絲摻配比例的遞增，卷煙抽吸口數無明顯變化，約為7.7口/支，但傳統梗絲摻配比例每增加5%，卷煙抽吸口數約降低0.15口/支。

圖1 梗絲摻配比例對抽吸口數的影響

通過分析試驗卷煙的物理特性如吸阻（圖2）發現，隨著梗絲摻配比例的遞增，吸阻指標均呈上升趨勢。即在樣品卷煙質量一致時，吸阻存在較大差異，從而改變了卷煙的燃燒狀態。由圖2還可以看出，微波膨脹梗絲吸阻與摻配比例基本上呈線性相關關系，即當摻配比例在8%～33%范圍時，以5次平行測定的均值計算，微波膨脹梗絲摻配比例每增加5%，煙支吸阻提高16 Pa［（1 085-1 005）×5%/（33%-8%）=16 Pa］。與摻配傳統梗絲的試驗卷煙樣品相比，試驗條件下6組微波膨脹梗絲摻配卷煙樣品的吸阻均值高出51 Pa［（1 051-1 000）=51 Pa］，表明微波膨脹梗絲對卷煙吸阻的影響大于傳統梗絲。

圖2 梗絲摻配比例對卷煙吸阻的影響

2.2 梗絲摻配比例對卷煙主流煙氣中7種有害成分的影響

表2為試驗卷煙中7種煙氣有害成分釋放量及其卷煙危害性指數隨梗絲摻配比例變化的數據。為考察卷煙中梗絲摻配量對7種有害成分以及卷煙危害性指數的影響趨勢以及微波膨脹梗絲與傳統梗絲在卷煙應用中對7種有害成分及卷煙危害性指數的影響差異，分別對表2中7種煙氣有害成分釋放量與梗絲摻配比例的線性關系進行了方差分析。

2.2.1 梗絲摻配比例對卷煙主流煙氣中CO、HCN、巴豆醛釋放量的影響

方差分析結果表明：傳統梗絲、微波膨脹梗絲摻配樣品中梗絲的摻配比例與CO、HCN、巴豆醛釋放量之間對應的回歸方程的P值分別為0.221、0.940，0.164、0.941和0.376、0.474，均大于0.05，表明主流煙氣中CO、HCN、巴豆醛的釋放量與梗絲摻配比例的線性關系不顯著，即隨著梗絲摻配比例的遞增，上述3種主流煙氣有害成分無明顯線性變化規律。與傳統梗絲摻配樣品相比，試驗條件下6組微波膨脹梗絲摻配樣品的CO、HCN、巴豆醛釋放量均值分別降低1.0 mg/支、9.43 μg/支、0.42 μg/支，表明微波膨脹梗絲對這3種有害成分的降低效果明顯好于傳統梗絲。

表2 卷煙樣品7種有害成分檢測數據及危害性指數計算結果

2.2.2 梗絲摻配比例對卷煙主流煙氣中NNK、NH3、B［a］P、苯酚釋放量的影響

NNK、NH3、B［a］P、苯酚釋放量的方差分析結果表明：①傳統梗絲、微波膨脹梗絲摻配樣品中梗絲的摻配比例與四者釋放量之間對應的回歸方程P值分別為0.002、0.000，0.002、0.001，0.005、0.000和0.000、0.032，均小于0.05，表明主流煙氣中NNK、NH3、B［a］P、苯酚的釋放量與梗絲摻配比例之間呈顯著線性關系，即隨著梗絲摻配比例的遞增，上述4種有害成分均呈明顯下降趨勢。②與傳統梗絲摻配樣品相比，試驗條件下6組微波膨脹梗絲摻配樣品的NNK、NH3、苯酚釋放量均值分別升高0.12 ng/支、0.70 μg/支和0.23 μg/支，但B［a］P釋放量均值降低0.19 ng/支?？梢?，微波膨脹梗絲降低卷煙樣品中NNK、NH3和苯酚釋放量的效果弱于傳統梗絲，而降低B［a］P釋放量的效果優于傳統梗絲。實驗中還發現，在不同的梗絲摻配比例區間，微波膨脹梗絲對NNK釋放量的降低效果更穩定（表3）。

表3 不同梗絲摻配比例區間NNK變化值統計結果

2.3 梗絲摻配比例對卷煙危害性指數的影響

以梗絲摻配比例對卷煙危害性指數做回歸方程，傳統梗絲、微波膨脹梗絲摻配的卷制樣品對應的P值分別為0.001、0.003，均小于0.05，線性關系顯著，即隨著摻配比例遞增，卷煙危害性指數呈明顯下降趨勢。與傳統梗絲摻配樣品相比，試驗條件下6組微波膨脹梗絲摻配樣品的危害性指數均值約降低0.10，降低卷煙危害性指數的效果略高于傳統梗絲。

通過上述線性關系方差分析結果可知，梗絲摻配比例與NNK、NH3、B［a］P、苯酚釋放量、卷煙危害性指數之間均存在顯著線性關系，采用線性回歸分析法分別建立梗絲摻配比例（x，8%～33%）與上述4種煙氣有害成分釋放量及卷煙危害性指數（y）的線性關系模型，如表4所示?？梢?，除微波膨脹梗絲摻配比例與苯酚釋放量無顯著線性相關關系外，其余均為顯著線性相關（R＞0.9）。

表4 梗絲摻配比例與NNK、NH3、B［a］P、苯酚釋放量及卷煙危害性指數的線性模型①

采用6個外部樣品對兩種梗絲3個不同摻配比例下的應用效果進行對比分析，分別為CJ7/ PJ7、CJ8/PJ8、CJ9/PJ9，同時對線性模型的預測能力進行驗證（表5）。

表5 驗證樣品4種有害成分釋放量及卷煙危害性指數的預測值、實測值及相對偏差①

由表5可知，對于上述3組驗證樣品，4種有害成分釋放量及卷煙危害性指數的預測結果與實測值基本一致，相對偏差均低于10%，表明利用所建模型能對上述4種有害成分的釋放量及卷煙危害性指數進行有效預測。

以外部樣品CJ7/PJ7、CJ8/PJ8、CJ9/PJ9的實測值均值對兩種梗絲添加后的效果進行對比分析，其中NNK對應的均值分別為5.09和5.47 ng/支，NH3為11.31和11.56 μg/支，B［a］P為6.91和6.89 ng/支，H對應的均值分別為9.40和9.11?？梢?，傳統梗絲降低煙氣中NNK、NH3釋放量的作用略優于微波膨脹梗絲，而降低B［a］P、危害性指數的作用弱于微波膨脹梗絲，這與前文所得結論一致。

3 結論

兩種梗絲對于7種有害成分的影響趨勢一致，隨著梗絲摻配比例遞增，NNK、NH3、B［a］P、苯酚釋放量呈明顯降低趨勢，而CO、HCN、巴豆醛的釋放量無明顯變化規律。微波膨脹梗絲降低煙氣中CO、HCN、B［a］P、巴豆醛釋放量的效果較好，傳統梗絲降低NNK、NH3、苯酚釋放量的效果較好。在卷煙中增加梗絲摻配比例，卷煙危害性指數降低，且微波膨脹梗絲的減害作用略好于傳統梗絲。根據微波膨脹梗絲與傳統梗絲的減害特性，在產品中結合應用微波膨脹梗絲與傳統梗絲將是未來研究和發展的重要方向。

［1］Laszlo T S.Microwave expansion of tobacco：CA，1002417［P］.1976-12-28.

［2］Neumann C L，Best F W.Tobacco expansion process utilizing microwave energy：US，382879［P］.1974-08-13.

［3］何炬，劉維涓，師建全，等.微波膨脹煙梗質量研究［J］.煙草科技，2006（2）：9-12.

［4］劉志華，師建全，孫志勇，等.ESS梗絲在中式卷煙中應用研究［J］.煙草科學研究，2007（6）：44-47.

［5］易文波，朱效群，吳文強，等.顆粒狀梗絲在卷煙中的可用性［J］.煙草科技，2008（2）：13-16.

［6］陳晶鈴，陳明功，汪曉艷，等.煙梗微波膨化基本規律的研究［J］.安徽理工大學學報：自然科學版，2008，28（3）：61-64.

［7］王慧，曾曉鷹，楊濤，等.微波膨脹煙梗制備顆粒應用于卷煙的效果評價［J］.煙草科技，2008（10）：5-8.

［8］楊偉祖，李雪梅，邱曄，等.微波烘烤對烤煙梗絲填充力及內在化學成分的影響［J］.中國煙草學報，1997，3（4）：1-6.

［9］楊威，張強，董高峰，等.微波膨脹對煙梗品質及顯微結構的影響［J］.江西農業學報，2014，26（3）：69-72.

［10］楊濤，楊偉祖，周川，等.一種制備膨脹煙梗顆粒的方法及其設備：中國，200710065892.3［P］.2007-01-25.

［11］高銳，黃志強，王松峰，等.煙梗微波膨脹條件優化及其對煙?；瘜W成分和物理結構的影響［J］.河南農業科學，2013，42（11）：50-54.

［12］李軍，資文華，宋蓮英，等.陳化時間對微波膨脹煙梗加工過程物理特性的影響［J］.煙草科技，2010（11）：15-17.

［13］盧幼祥，舒俊生，徐迎波，等.微波膨脹梗絲理化指標及其應用于卷煙產品的效果［J］.湖南文理學院學報：自然科學版，2013，25（3）：89-93.

［14］謝劍平.卷煙危害性評價原理與方法［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［15］夭建華，陳輝敏，方力，等.國內外卷煙危害性評價方法現狀和發展趨勢［J］.煙草科技，2007（1）：50-53，58.

［16］羅彥波，龐永強，姜興益，等.PLS回歸法分析多因素對卷煙燃燒溫度及主流煙氣有害成分釋放量的影響［J］.煙草科技，2014（10）：56-60.

［17］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主要有害成分釋放量的影響［J］.煙草科技，2009（11）：29-32.

［18］YC/T 31—1996煙草及煙草制品試樣的制備和水分的測定烘箱法［S］.

［19］GB/T 22838.2—2009卷煙和濾棒物理性能的測定［S］.

［20］CNAS-GL03：2006能力驗證樣品均勻性和穩定性評價指南［S］.

［21］GB/T 23356—2009卷煙煙氣氣相中一氧化碳的測定非散射紅外法［S］.

［22］YC/T 253—2008卷煙主流煙氣中氰化氫的測定連續流動法［S］.

［23］GB/T 23228—2008卷煙主流煙氣總粒相物中煙草特有N-亞硝胺的測定氣相色譜-熱能分析聯用法［S］.

［24］YC/T 377—2010卷煙主流煙氣中氨的測定離子色譜法［S］.

［25］GB/T 21130—2007卷煙煙氣總粒相物中苯并［a］芘的測定［S］.

［26］YC/T 255—2008卷煙主流煙氣中主要酚類化合物的測定高效液相色譜法［S］.

［27］YC/T 254—2008卷煙主流煙氣中主要羰基化合物的測定高效液相色譜法［S］.

［28］謝劍平，劉惠民，朱茂祥，等.卷煙煙氣危害指數研究［J］.煙草科技，2009（2）：5-15.

責任編輯 洪廣峰

Influences of Microwave Expanded Cut Stems on Deliveries of Seven Harmful Components in Mainstream Smoke and Hazard Index of Cigarette

ZHAO Yunchuan,LIAO Xiaoxiang*,CHEN Ran,WU Kai,ZOU Quan,and YANG Guangtao Technology Center,China Tobacco Yunnan Industrial Co.,Ltd.,Yuxi 653100,Yunnan,China

In order to study the influences of microwave expanded cut stems on the reduction of harmful components in mainstream cigarette smoke,the effects of blending ratio of microwave expanded cut stems in cigarette on the deliveries of seven harmful components（CO,HCN,NNK,NH3,B[a]P,phenol and crotonaldehyde）in mainstream smoke and hazard index of cigarette were investigated and compared with those blended with pneumatically dried cut stems at the same blending ratio.The results showed that: Within the blending ratio of 8%-33%,microwave expanded cut stems performed better in reducing CO, HCN,B[a]P and crotonaldehyde in mainstream cigarette smoke with the average reduction amount of 1.0 mg/cig,9.43 μg/cig,0.19 ng/cig and 0.42 μg/cig,respectively;while pneumatically dried cut stems were better in reducing NNK,NH3and phenol in mainstream cigarette smoke with the average reduction amount of 0.12 ng/cig,0.7 μg/cig and 0.23 μg/cig,respectively.Viewing from the hazard index of cigarette, the cigarette blended with microwave expanded cut stems was slightly better than that blended withpneumatically dried cut stems with hazard index 0.1 point less.

Microwave expanded cut stem；Traditional cut stem；Hazard index；Mainstream cigarette smoke；Harmful component

TS411.2

A

1002-0861（2015）11-0053-06

10.16135/j.issn1002-0861.20151110

2014-10-09

2015-06-26

云南中煙工業有限責任公司項目“微波膨脹新型梗絲的應用研究”（2013GY01）；紅塔煙草（集團）有限責任公司自立科研項目“新型膨脹煙梗工藝、設備技術研究及應用”（K-103.26）。

趙云川（1975—），學士，工程師，主要從事卷煙工藝研究工作。E-mail:zyc@hongta.com；*

廖曉祥，E-mail:zijinwangzhe@hongta.com

趙云川，廖曉祥，陳冉，等.微波膨脹梗絲對卷煙7種煙氣有害成分釋放量及危害性指數的影響［J］.煙草科技，2015，48（11）：53-58.

ZHAO Yunchuan，LIAO Xiaoxiang，CHEN Ran，et al.Influences of microwave expanded cut stems on deliveries of seven harmful components in mainstream smoke and hazard index of cigarette［J］.Tobacco Science&Technology，2015，48（11）：53-58.