卷煙燃燒錐面孔率與主流煙氣CO 釋放量的關系

王 亮，銀董紅，秦亮生，謝國勇，吳名劍，譚新良

湖南中煙工業有限責任公司技術中心，長沙市勞動中路386 號 410007

煙氣是吸煙者對卷煙的最終消費形式，煙氣的化學組成決定吸煙者對卷煙的吸食需求和感官質量評價。一直以來，研發人員希望建立煙草固有成分和煙氣成分之間的相互關系，應用于指導煙草加工工藝過程的改進［1-7］，但由于影響因素眾多，且彼此間相互關聯，故難以獲得具有普適性的規律。卷煙在燃燒過程中形成的燃燒錐是煙氣組分產生的源泉，燃燒錐結構變化對煙氣的形成具有顯著的影響。因此，研究燃燒錐結構，探索燃燒過程的共性問題，才有可能從根本上調整卷煙的燃燒狀態，進而揭示卷煙煙氣的形成機理。

國內外研究者在燃燒錐的溫度特性和熱效應等方面已經取得了許多卓有成效的研究成果［8-14］，初步研究表明燃燒錐溫度與煙氣化學成分間具有相關性。但是，由于燃燒錐結構的復雜性和易碎性，很難直觀地獲得或評價其結構特性，行業內外迄今尚未建立系統的燃燒錐結構表征方法和評價指標。近年來，本團隊一直致力于卷煙燃燒過程的研究，發現了卷煙燃燒過程中煙絲形態結構的變化規律［15］，以及燃燒錐表面微孔數目變化對煙氣中CO 和HCN 等有害成分釋放量的影響規律［16-19］，這些研究結果對深入探討卷煙燃燒錐結構及其調控方法具有參考價值。在此基礎上，采用包埋固定法獲得燃燒錐的面孔率，研究卷煙燃燒錐面孔率變化與煙氣CO 釋放量之間的關系，并通過調整燃燒錐結構來降低主流煙氣CO釋放量，旨在為卷煙設計和降焦減害提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑和儀器

Pon 812 包埋劑套裝［812 樹脂單體、十二烯基琥珀酸酐、N-羥甲基丙烯酰胺、2,4,6-三（二甲氨基甲基）苯酚］（美國SPI 公司）；蛭石（片徑1～3 mm，河北澤陽礦產公司）；可膨脹石墨（粒徑75 μm，青島星遠石墨乳公司）。

RM 200A 吸煙機（德國Borgwaldt 公司）；SM-100 型單孔道吸煙機（中國科學院安徽光學精密機械研究所）；CNM-PFV203 智能壓降儀（長沙中迅電子工程研究所）；CP 224S 電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius 公司）；IsoMet4000 精密切片機（美國Buehler 公司）；DMLP 光學顯微鏡（德國LEICA 公司）；FED240 干燥箱（德國BINDER 公司）；方形包埋管（內徑10 mm，自制）。

1.2 方法

1.2.1 計算及測定方法

燃燒錐位置的確定：由于煙支煙絲密度分布呈啞鈴型，煙支中段（20～45 mm）范圍內煙絲分布較為均勻，為了消除煙支結構分布的差異，本實驗中燃燒錐的取樣位置均為離點燃端30 mm 處。

燃燒錐切片制備及面孔率計算：卷煙燃燒錐切片采用包埋切片法制備，其具體操作方法及面孔率計算方法參照文獻［15］。

卷煙動態吸阻的測定與計算方法參照文獻［20］。煙氣常規成分及7 種有害成分的測定方法參照文獻［13］和［17］。

1.2.2 卷煙樣品制備

1.2.2.1 不同參數的卷煙樣品制備

以某品牌的配方煙絲為基準，通過改變煙絲填充密度、調整膨脹煙絲摻配比例等方式，卷制卷煙樣品，樣品信息見表1。

表1 不同煙絲結構的卷煙樣品信息Tab.1 Information on cigarette samples with different cut tobacco structures

1.2.2.2 含體積膨脹劑再造煙葉及其卷煙樣品制備

含體積膨脹劑再造煙葉的制備：選擇粒徑為75 μm 的可膨脹石墨或片徑約為1 mm 的蛭石，分別按照質量分數20%加入煙粉中，采用稠漿法［21］制備再造煙葉，烘干，切絲后備用。

含體積膨脹劑再造煙葉卷煙的制備：將所制備的含體積膨脹劑再造煙葉分別按照質量分數5%加入某配方煙絲中，控制煙支單支質量，卷制卷煙，得到含體積膨脹劑再造煙葉的卷煙，其體積膨脹劑在煙支中的質量約為煙絲質量的1%。

2 結果與討論

2.1 煙絲結構變化對卷煙燃燒錐面孔率的影響

2.1.1 煙絲填充密度的影響

采用包埋固定法對煙支進行切片后，獲得不同煙絲填充密度卷煙樣品燃燒錐切片，并置于光學顯微鏡下放大25 倍進行圖像采集，結果見圖1。由圖1 可知，隨著煙絲密度的增加，燃燒錐內煙絲彼此粘連、局部煙絲聚集現象增多。采用Image J 軟件統計分析面孔率，計算得到4 個卷煙樣品燃燒錐的面孔率分別為24.53%、23.31%、20.49%和18.97%，即隨著煙絲填充密度的增加，煙支的燃燒錐面孔率從24.53%（A1）下降至18.97%（A4），降幅為22.67%。煙絲填充密度的增大意味著單位體積內煙絲數量增多，在高溫下更易發生聚集，致使燃燒錐面孔率降低，燃燒錐更加致密。

圖1 不同煙絲密度卷煙燃燒錐顯微圖（×25）Fig.1 Micrograph of cigarette burning cones with different cut tobacco densities（×25）

同時，煙支的動態吸阻隨著煙支密度增加從1 344 Pa 逐漸上升至1 592 Pa（表2），也從側面證明燃燒錐結構更加緊密，煙支抽吸時阻力增大。

表2 不同煙絲結構的卷煙樣品動態吸阻Tab.1 Dynamic draw resistances of cigarette samples with different cut tobacco structures

2.1.2 膨脹煙絲的影響

不同膨脹煙絲摻配比例煙支樣品的燃燒錐切片見圖2。由圖2 可知，隨著膨脹煙絲摻配比例的增加，煙支燃燒錐面孔率呈先升高后降低的趨勢。膨脹煙絲比例從0 增加到5%，燃燒錐的面孔率從24.88%（B1）增大到36.70%（B3），增幅接近50%；而當膨脹煙絲比例達到10%后，燃燒錐面孔率迅速降低至21.98%（B4），甚至低于未添加膨脹煙絲的煙支。

圖2 不同膨脹煙絲摻配比例卷煙燃燒錐切片（×25）Fig.2 Sliced images of burning cones of cigarettes with different expanded cut tobacco contents（×25）

由以上結果可以看出，膨脹煙絲的加入顯著影響了卷煙燃燒錐的結構，其根本原因在于膨脹煙絲與普通煙絲結構存在較大差異：膨脹煙絲的結構更加飽滿，氣孔多張開，內部孔隙顯著大于普通煙絲［22］，且膨脹煙絲的寬度更寬，約為未膨脹煙絲的1.4 倍。對加入膨脹煙絲之前的配方煙絲進行篩分，發現其中長絲（＞4.25 mm）比例在60%以上，而膨脹煙絲中接近80%為4.25 mm 以下的中短絲及碎絲（表3）。煙絲寬度的增加和長度的降低，均有利于提升膨脹煙絲結構的剛性，減弱其在受熱過程中的卷曲變形程度［15］，進而影響燃燒錐的內部結構。

表3 不同煙絲的尺寸分布數據Tab.3 Size distribution of different cut tobacco（%）

但是當膨脹煙絲比例上升至10%，燃燒錐結構反而變得更加致密，可能的原因在于：膨脹煙絲對于燃燒錐結構的影響具有雙向性。本實驗中煙支卷制條件控制為單支質量一致，低摻配比例下，膨脹煙絲的弱變形能力能夠有效抵抗煙支的熱塌陷，有利于燃燒錐面孔率的增大；而在高摻配比例下，由于膨脹煙絲的填充值顯著高于普通葉絲，相同質量的膨脹煙絲會占據更多的空間，煙絲間的堆積孔隙減少，抵消了自身剛性結構對于燃燒錐結構的影響，導致燃燒錐面孔率降低。

而煙支的動態吸阻（表2）也能反映上述燃燒錐結構的變化規律：當膨脹煙絲比例為5%（B3）時，煙支動態吸阻降低至1 417 Pa，表明燃燒錐段吸阻降低程度大于后端煙支吸阻由于膨脹煙絲比例增加而升高的程度，即此時燃燒錐結構更加疏松，其面孔率也達到最大值（36.70%）。而膨脹煙絲比例進一步增大至10%時，由于燃燒錐結構變得致密，其動態吸阻也隨之增大至1 460 Pa。

2.2 卷煙燃燒錐面孔率與CO 釋放量的關系

（1）煙絲填充密度

隨著煙絲填充密度的增加，燃燒錐的面孔率從24.53%逐步降低至18.97%，降幅達22.67%，而煙支的CO 釋放量則從10.82 mg/支升高至12.04 mg/支，增幅為11.28%，二者表現出明顯的負相關關系（圖3）。這主要是因為隨著煙絲堆積密度的增大，煙絲間的空隙減小，所形成的燃燒錐結構更加致密，煙絲燃燒不充分，且降低了主流煙氣CO向側流煙氣中的擴散量，導致更多的CO 進入主流煙氣，使主流煙氣CO 釋放量升高。

圖3 不同煙絲填充密度煙支燃燒錐面孔率與CO 釋放量的關系Fig.3 Relationships between surface porosity and CO release of cigarettes with different cut tobacco densities

（2）摻配膨脹煙絲

隨著膨脹煙絲摻配比例的增加，燃燒錐的面孔率先升高后降低：當摻配比例為5%（B3）時，燃燒錐面孔率達到極大值36.70%；膨脹煙絲比例進一步升高至10%（B4）時，面孔率反而迅速降低至21.98%，甚至低于未添加膨脹煙絲的對照樣品（B0）。與此相對應，煙支的CO 釋放量則呈現先降低后升高的趨勢，B3 樣品的主流煙氣CO 釋放量為極小值10.32 mg/支，B4 樣品的CO 釋放量則升高至10.95 mg/支。不同膨脹煙絲摻配比例卷煙樣品燃燒錐面孔率與主流煙氣CO 釋放量也表現出明顯的負相關關系（圖4）。這主要是因為膨脹煙絲摻配比例較低時（＜5%），燃燒錐結構較為疏松，有利于煙絲的充分燃燒以及CO 向側流煙氣中的擴散，使主流煙氣CO 釋放量降低；而當膨脹煙絲比例較高時，形成的燃燒錐結構更加致密，這將不利于煙絲充分燃燒和CO 向側流煙氣中的擴散，導致主流煙氣CO 釋放量升高。

圖4 含不同比例膨脹煙絲的卷煙燃燒錐面孔率與CO 釋放量關系Fig.4 Relationships between surface porosity of burning cone and CO release of cigarettes with different expanded cut tobacco contents

2.3 燃燒錐結構調整

以上研究結果表明，卷煙燃燒錐面孔率越大，其結構越疏松，越有利于主流煙氣CO 釋放量的降低。在卷煙燃燒過程中，燃燒錐結構變得致密的主要原因是由于煙絲在受熱燃燒過程中的變形和收縮，導致煙支在燃燒過程中表現出明顯的熱塌陷，使得燃燒錐孔隙率降低。如果能夠抑制這種變形和收縮，則可維持煙絲燃燒前較為疏松的狀態，進而達到降低CO 釋放量的目的。從前文可知，可通過提升初始孔隙率（降低煙絲填充密度）或改變燃燒過程中煙草物質結構（添加結構剛性較強的膨脹煙絲），進而增大燃燒錐的孔隙率。但對于工業生產實際而言，由于卷煙配方結構的穩定性，前者的可操作空間并不大，后者的可行性較高。因此，在煙絲中添加含有體積膨脹劑的再造煙葉，以減弱燃燒過程中煙支的熱塌陷程度，進而驗證該方法中卷煙燃燒錐的面孔率和煙氣CO 的關系。

蛭石是一種層狀結構的含鎂的水鋁硅酸鹽次生變質礦物，通常由黑（金）云母、綠泥石等礦物經熱液蝕變作用或風化而成，其受熱膨脹時呈撓曲狀，形態酷似水蛭（圖5）。蛭石膨脹的原理在于：其層狀結構間含有大量的層間水，高溫加熱時，層間水氣化，產生巨大的壓力使得層狀結構分離膨脹，形成水蛭狀的結構，其最大體積膨脹倍數可達20 倍［23］。而具有相似結構特性的可膨脹石墨［24］在高溫下體積膨脹的倍數更是高達數十至數百倍，且不參與燃燒反應，不會引入新的煙氣成分，均是優良的體積膨脹劑選擇對象。

圖5 蛭石膨脹前后結構圖Fig.5 Structural appearance of vermiculite before and after expansion

鑒于此，在稠漿法制備的再造煙葉中添加蛭石或可膨脹石墨，獲得含有體積膨脹劑的再造煙葉，然后將含蛭石與可膨脹石墨的再造煙葉分別加入某牌號配方煙絲中（體積膨脹劑的添加比例為煙絲質量的1%）進行卷制，控制煙支質量一致，得到樣品P2（添加蛭石）和樣品P3（添加可膨脹石墨）。將P1（對照樣）、P2、P3 樣品進行燃燒錐結構分析，結果見圖6。

圖6 添加膨脹劑煙支的燃燒錐顯微照片（×25）Fig.6 Micrograph of burning cones of cigarettes containing expanding agent（×25）

圖6 結果表明，加入了體積膨脹劑的煙支樣品其燃燒錐面孔率顯著增大，相較于未添加膨脹劑的對照樣品（P1），蛭石和可膨脹石墨的加入分別使燃燒錐面孔率從18.25%增大至28.69%和35.60%，表明體積膨脹劑的確起到了顯著調節燃燒錐結構的作用。

這3 種卷煙的煙氣常規成分和7 種有害成分分析結果分別見表4 和表5。表4 中的結果表明，主流煙氣中CO 的釋放量隨著膨脹劑的加入顯著下降。當蛭石添加量為1%時，CO 釋放量減少0.66 mg/支，降幅為5.93%；可膨脹石墨降低CO 釋放量的效果更加顯著，CO 釋放量減少1.37 mg/支，降幅高達12.30%，而吸阻、抽吸口數、TPM 等均基本保持穩定。表5 中的結果表明，體積膨脹劑的加入不僅減少了主流煙氣中CO 的釋放量，同時HCN、NNK 等也有不同程度的降低，煙支的危害性指數從7.31 下降至7.01。

表6 為添加體積膨脹劑煙支的感官評吸結果。結果表明：體積膨脹劑的加入對煙絲煙氣感官質量無明顯影響，各項評分均基本保持穩定。此外，相較于對照樣品P1，P2 和P3 樣品煙氣的木質氣稍有降低，香氣飽滿感稍有增強。

表4 添加膨脹劑卷煙的煙氣常規成分分析結果Tab.4 Routine chemical components in smoke of cigarettes containing expanding agent

表5 添加膨脹劑卷煙煙氣7 種有害成分分析結果Tab.5 Seven harmful components in mainstream smoke of cigarettes containing expanding agent

表6 添加膨脹劑卷煙感官質量評吸結果Tab.6 Sensory quality evaluation of cigarettescontaining expanding agent（分）

3 結論

①卷煙燃燒錐的面孔率與CO 釋放量呈顯著的負相關關系，燃燒錐面孔率越大，燃燒錐結構越疏松，主流煙氣CO 總釋放量越低。②降低煙絲的填充密度、添加較低比例的膨脹煙絲可有效改善燃燒錐結構，有利于煙氣CO 釋放量的降低。③在常規卷煙樣品中添加體積膨脹劑，可有效降低燃燒錐致密程度。含1%可膨脹石墨的卷煙樣品，其燃燒錐面孔率從18.25%增大至35.60%，主流煙氣CO 釋放量降低12.30%。在保持煙氣感官質量穩定的基礎上，卷煙危害性指數從7.31 下降至7.01。