濾嘴參數對細支煙主要理化指標的影響

楚文娟，孟祥士，許 旭，崔 春，李明哲，馬宇平，田海英*，高明奇*

1. 河南中煙工業有限責任公司技術中心，鄭州經濟技術開發區第三大街8 號 450000

2. 河北白沙煙草有限責任公司保定卷煙廠，河北省保定市南市區玉蘭大街8 號 071000

卷煙材料是卷煙設計的關鍵因素之一，其中“三紙一棒”的搭配對卷煙煙氣的釋放和卷煙感官質量具有重要影響，國內開展了大量的相關研究[1-5]。近年來，細支煙作為中式卷煙新品類，在國內獲得了快速發展。與常規卷煙相比，細支煙呈現煙支細長、橫截面小、吸阻較大、抽吸氣流速度大的特點[6-9]。對常規卷煙的研究結論可能不適用于細支煙。文獻調研發現，目前有關細支煙的研究報道主要集中在煙氣化學指標[10-12]、煙機設備研制改造[13-17]、制絲卷接工藝[18-19]等方面。在細支煙材料研究方面，李海鋒等[20]研究表明細支煙卷煙紙透氣度、定量、助燃劑質量分數對主流煙氣焦油、煙堿、CO 釋放量具有顯著影響。張亞平等[21]指出細支煙煙氣TPM、煙堿、CO 釋放量以及單位焦油CO 釋放量均隨卷煙紙包灰助劑質量分數和鉀鈉比的增大呈下降趨勢，且隨著卷煙紙亞麻配比和鉀鈉比的增大、包灰劑和助燃劑質量分數的降低，細支煙的感官質量得到改善。Bundren 等[22]通過研究適用于細支濾棒的高單旦、低總旦二醋酸纖維素絲束卷曲加工工藝，指出所成型細支濾棒壓降變異系數遠高于常規濾棒壓降變異系數。葛暢等[13]發現細支煙TPM、煙堿、焦油、CO、水分、單口煙堿、單口焦油以及各中性致香成分的單支釋放量均低于常規卷煙，這種差異由細支煙與常規卷煙多種物理指標和熱解反應的差異共同導致。張大波等[23]研究指出細支煙吸阻普遍較大，煙支質量、吸阻、硬度的穩定性較差，煙氣質量指標穩定性較好，優于常規卷煙控制水平。

目前，關于細支煙的基礎研究仍較為薄弱，針對濾嘴參數對卷煙主要理化指標影響方面的研究鮮有報道。因此，本研究在項目組前期考察的5種絲束規格成型能力[24]的基礎上，將5 種絲束規格（6.0Y/17 000、6.7Y/17 000、8.0Y/15 000、9.5Y/12 000、11.0Y/15 000）成型為不同壓降的濾棒，并卷制成不同濾嘴通風率的細支煙，考察了濾嘴參數對細支煙的煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規成分的影響，旨在為細支煙的設計開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

6.0Y/17 000、6.7Y/17 000、8.0Y/15 000、9.5Y/12 000、11.0Y/15 000 二醋酸纖維素絲束（南通醋酸纖維有限公司）。

KDF2 濾棒成型機（沈陽飛機制造公司）；ML204 型電子分析天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler 公司）；SODIMAX 全功能綜合測試臺、濾棒物理指標綜合測試臺（法國Sodim Instrumentation公司）；KBF 型恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）；RM200A 型轉盤吸煙機（德國Borgwaldt 公司）。

1.2 方法

1.2.1 不同壓降濾棒的成型制備

采用6.0Y/17 000、6.7Y/17 000、8.0Y/15 000、9.5Y/12 000、11.0Y/15 000 規格的二醋酸纖維素絲束，在各自成型能力范圍內，分別成型為圓周16.90 mm、長度120 mm 的不同壓降梯度的濾棒。

1.2.2 不同濾嘴設計參數卷煙樣品制備

以河南中煙工業有限責任公司某一在產規格細支煙為基礎（煙支長度97 mm，圓周17 mm，濾嘴長度30 mm，卷煙紙定量28 g/m2，卷煙紙透氣度50 CU，普通成形紙）采用同一種配方煙絲，控制相同的煙絲填充量，采用在線激光打孔，按照單因素的3 個濾棒壓降梯度，搭配4 個濾嘴通風梯度，在同一機臺卷接60 個卷煙樣品。制作的濾棒及卷煙樣品物理指標的設計值見表1。

表1 不同濾嘴參數卷煙樣品設計Tab.1 Cigarette samples with different filter parameters

對制作的60 個卷煙樣品進行檢測，檢測結果與設計值基本吻合。為提高所測卷煙樣品一致性，按照吸阻為（平均值±0.03）kPa、質量為（平均值±0.02）g、濾嘴通風率為（設計值±2）%的標準對樣品進行分選。

1.2.3 卷煙主流煙氣化學指標檢測

分別按照GB/T 16447—2004[25]、GB/T 22838—2009[26]的方法平衡卷煙樣品和濾棒樣品、檢測濾棒物理性能。按照GB/T 16450—2004[27]的條件抽吸卷煙后，再分別根據GB/T 19609—2004[28]和GB/T 23355—2009[29]的方法測定卷煙主流煙氣和濾嘴中總粒相物、焦油、水分，以及主流煙氣煙堿釋放量。

1.2.4 統計分析方法

統計分析采用SPSS 19.0 軟件[30]，其中，方差分析采用單因素方差分析F 檢驗。

2 結果與討論

2.1 絲束規格對煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規成分的影響

為了考察絲束規格對細支煙煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規成分的影響，進行了單因素方差分析，結果（表2）表明：煙支吸阻在5 種絲束規格間的差異達到顯著性水平（P＜0.05）；煙堿過濾效率在5 種絲束規格間的差異達到極顯著性水平（P＜0.01）；說明絲束規格對細支煙煙支吸阻、煙堿過濾效率影響顯著。焦油、煙堿、CO 釋放量在5 種絲束規格間的差異均未達到顯著性水平（P＞0.05），因此，著重研究了濾棒壓降和濾嘴通風率對細支煙焦油、煙堿、CO 釋放量的影響。

表2 絲束規格對煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規成分釋放量影響的單因素方差分析結果Tab.2 Single-factor variance analysis results of effects of tow specifications on cigarette draw resistance, nicotine filtration efficiency, releases of routine smoke components

2.2 濾嘴參數對煙支吸阻的影響

本研究中5 種規格絲束的成型能力見高明奇等[24]相關報道。高明奇等[31]研究結果表明，煙支吸阻與濾嘴通風率和濾棒壓降均有顯著的相關關系，且高單旦、低總旦規格的二醋酸纖維絲束更適宜于成型低壓降細支濾棒，進而可以有效降低煙支吸阻。煙支吸阻是卷煙設計時一個重要物理指標，本研究中在前期研究的基礎上，將60 個樣品的煙支吸阻實測值與濾棒壓降、濾嘴通風率、絲束單旦和絲束總旦進行擬合，得到回歸方程：

式中：Y 為煙支吸阻，Pa；X1為濾棒壓降，Pa；X2為濾嘴通風率，%；X3為絲束單旦；X4為絲束總旦。

回歸方程的P 值小于0.05，決定系數R2為0.995，說明該回歸方程有統計學意義。為了進一步驗證該回歸方程計算的準確性，進行了內部驗證，結果見圖1。

圖1 煙支吸阻內部驗證結果Fig.1 Internal validation results of cigarette draw resistance

由圖1 可知，計算值與實測值的回歸方程斜率為0.994 5，R2為0.995 3，說明計算值和實測值吻合度較好。因此，應用該回歸方程可以同時進行濾棒壓降、濾嘴通風率以及絲束規格的調節，進而實現對細支煙煙支吸阻的調控，可為細支煙開發提供設計依據。

2.3 濾嘴參數對煙堿過濾效率的影響

常規卷煙濾嘴參數對煙氣中煙堿過濾效率的研究相對較多[1-2,4]。魏玉玲等[4]研究了卷煙材料多因素對通風率及煙堿過濾效率的影響，結果表明，對于30 mm 長的卷煙濾嘴，煙堿的過濾效率基本均大于40%。本研究中測定了細支煙在不同濾嘴通風和壓降條件下的煙堿過濾效率，結果表明，同樣30 mm 長的濾嘴，在0～58%濾嘴通風條件下，細支煙濾嘴煙堿過濾效率在18%～27%之間，遠低于常規卷煙。原因可能是細支煙絲束單旦較高，煙氣截留能力相對較弱；且細支煙直徑較小，抽吸過程中煙氣流通速度較高，進一步減少了對煙氣的截留。

高明奇等[32]的研究結果表明，細支煙煙堿的過濾效率與濾嘴通風率呈顯著的正相關關系（R2＞0.91），在研究的濾棒壓降范圍內，濾嘴通風率每增加10%，細支煙對煙堿的過濾效率增加0.624%～1.046%；與濾棒壓降呈顯著正線性相關關系（R2＞0.87）；在研究的濾嘴通風率范圍內，濾棒壓降每增大400 Pa，過濾效率增加1.1%～1.5%。而于川芳等[2]對常規卷煙過濾效率的研究結果表明，常規卷煙濾棒壓降每增加400 Pa，煙堿過濾效率增加2.8%左右，約為細支煙的2 倍。綜上可以看出，煙堿過濾效率同時受濾嘴通風和濾棒壓降的影響，且相關性較強；此外，絲束規格中的單旦和總旦也是影響煙堿過濾效率的重要因素。因此本研究中采用煙堿過濾效率實測值與濾嘴通風率、濾棒壓降、絲束單旦、絲束總旦進行擬合，得到回歸方程：

式中：Y 為煙堿過濾效率，%；X1為濾棒壓降，Pa；X2為濾嘴通風率，%；X3為絲束單旦，X4為絲束總旦。

該回歸方程的P 值小于0.05，決定系數R2為0.956，說明該回歸方程有統計學意義。為了進一步驗證該回歸方程計算的準確性，進行了內部驗證，結果見圖2。

圖2 煙堿過濾效率內部驗證結果Fig.2 Internal validation results of nicotine filtration efficiency

由圖2 可知，計算值與實測值的回歸方程斜率為0.934 2，R2為0.955 6，說明計算值和實測值吻合度較好。因此，利用該回歸方程，可以同時進行濾棒壓降、濾嘴通風率以及絲束規格的調整，進而實現對細支煙濾嘴煙堿過濾效率的精準調控。

2.4 濾嘴參數對主流煙氣常規成分的影響

2.4.1 濾棒壓降

不考慮絲束規格，將濾棒壓降與細支煙主流煙氣常規成分釋放量進行擬合，結果見表3?？梢钥闯觯瑢τ诓煌z束規格的細支煙，當濾嘴通風率一定時，其焦油、煙堿的釋放量與濾棒壓降呈一定的負相關關系（R2＞0.663），CO 釋放量與濾棒壓降無相關性。在所研究的濾嘴通風率范圍內，濾棒壓降每增加400 Pa，煙氣焦油、煙堿的釋放量分別降低0.10～0.17、0.010～0.026 mg/支。與于川芳等[2]對常規卷煙的研究結果相比，濾棒壓降對常規卷煙煙氣成分的影響幅度明顯高于細支煙，約為細支煙的3 倍。

表3 濾棒壓降對細支煙主流煙氣焦油、煙堿和CO 釋放量的影響Tab.3 Effects of filter rod pressure drop on deliveries of tar, nicotine, and CO in mainstream smoke of slim cigarettes

2.4.2 濾嘴通風率

對于同一絲束規格，將濾嘴通風率與細支煙主流煙氣釋放量進行擬合，結果見表4?？梢钥闯?，對于同一濾棒壓降，其焦油、煙堿、CO 的釋放量與濾嘴通風率呈負相關關系（R2＞0.86）。濾嘴通風率每增加10%，煙氣焦油、煙堿和CO 釋放量的降 低 量 分 別 為0.623～0.817、0.041 9～0.053 0 和0.625～0.698 mg/支。與于川芳等[1]對常規卷煙的研究結果相比，濾嘴通風率對常規卷煙主流煙氣常規成分的影響幅度是細支煙的3 倍左右。

2.4.3 濾嘴參數與主流煙氣常規成分釋放量的回歸方程

由于絲束規格主要影響濾棒壓降，且單因素方差分析表明焦油、煙堿、CO 釋放量在5 種絲束規格間的差異均未達到顯著性水平（P＞0.05）。因此，本研究中采用細支煙常規成分釋放量實測值與濾棒壓降、濾嘴通風率進行擬合，得到如下回歸方程：

表4 濾嘴通風率對細支煙煙氣焦油、煙堿和CO 釋放量的影響Tab.4 Effects of filter ventilation rate on deliveries of tar, nicotine, and CO in mainstream smoke of slim cigarettes

式中：Y 為焦油釋放量，mg·支-1；X1為濾棒壓降，Pa；X2為濾嘴通風率，%。

式中：Y 為煙堿釋放量，mg·支-1；X1為濾棒壓降，Pa；X2為濾嘴通風率，%。

式中：Y 為CO 釋放量，mg·支-1；X2為濾嘴通風率，%。

焦油、煙堿、CO 的回歸方程的P 值均小于0.05，且決定系數R2均大于0.970，說明3 個回歸方程均有統計學意義。為了進一步驗證該回歸方程計算的準確性，進行了內部驗證，見圖3。

由圖3 可知，主流煙氣常規成分釋放量計算值與實測值的回歸方程的斜率分為0.984 9、0.974 4、0.983 0，R2分別為0.984 1、0.972 4、0.982 4，說明主流煙氣常規成分釋放量的計算值和實測值吻合度較好。因此，可以利用主流煙氣常規成分釋放量回歸方程，通過調整濾棒壓降和濾嘴通風率，實現對細支煙常規煙氣成分釋放量的精準調控。

圖3 主流煙氣常規成分釋放量內部驗證結果Fig.3 Internal validation results of routine smoke components

3 結論

①單因素方差分析結果顯示：煙支吸阻和煙堿過濾效率在5 種絲束規格間的差異分別達到顯著和極顯著的水平，而主流煙氣常規成分釋放量在5 種絲束規格間的差異均未達到顯著性水平。②焦油、煙堿的釋放量與濾棒壓降和濾嘴通風率均負相關，CO 釋放量與濾棒壓降無相關性，與濾嘴通風率負相關。③濾嘴參數對細支煙主流煙氣常規成分釋放量、濾嘴煙堿過濾效率的影響幅度低于常規卷煙。④建立了煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規成分釋放量與濾嘴參數的回歸方程，且R2均大于0.95，內部驗證顯示回歸方程計算值與實測值吻合度較好。本研究結果可為細支煙理化指標的精準調控、細支煙數字化設計的實現提供支撐。