逐口分析定長切絲對細支卷煙煙氣NNK釋放量的影響

王珂清，朱成文，李 煒，袁益來，王 瑞，閆新可，蔣宇陽，王仰勛，沈曉晨

江蘇中煙工業有限責任公司，南京市建鄴區夢都路30號 210019

切絲是影響卷煙質量的關鍵工序之一，改變切絲模式可影響卷煙的物理指標和煙氣化學成分釋放。朱成文等［1］研究表明，40 mm定長切絲模式可改變細支卷煙煙絲結構，提高物理指標和主流煙氣指標穩定性；李瓊等［2］測試常規平刀切絲與矩形刀定長切絲對煙絲結構的影響，分析了不同切絲工藝對烘后葉絲、成品煙絲的碎絲率及填充值等指標；訾瑩瑩等［3］研究了不同切絲模式對煙絲結構和卷煙掉火頭的影響；韓慧杰等［4］分析了不同切絲模式在不同加工環節下煙絲結構的變化以及不同切絲模式對卷煙質量的影響；朱文魁等［5］研究表明，采用40 mm定長切絲模式顯著提升了卷煙物理質量穩定性。此外，切絲模式對卷煙危害性指數影響的研究也有報道，朱成文等［6］發現40 mm定長切絲模式可影響細支卷煙7種有害成分釋放量，從而影響細支卷煙危害性指數。該研究表明切絲模式改變后，細支卷煙7種有害成分釋放量的變化趨勢也不同，B［a］P和CO釋放量略有上升，巴豆醛、苯酚、氨和NNK釋放量下降，特別是NNK的釋放量顯著降低。因此，有必要多視角分析NNK釋放量變化的原因，但迄今為止相關研究鮮有報道。逐口抽吸已廣泛用于分析煙氣常規成分、7種有害成分及香味成分等的遞送規律［7-10］。為此，本研究中采用40 mm定長切絲與常規切絲制備細支卷煙樣品，考察切絲模式對焦油和NNK逐口釋放量以及逐口燃燒溫度的影響，從逐口抽吸的角度考察應用40 mm定長切絲技術后NNK釋放量顯著降低的原因，旨在為全面剖析切絲工藝影響主流煙氣NNK釋放量的原因提供依據，為深入研究工藝技術對卷煙燃燒狀態的影響和降低有害成分的作用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

卷煙樣品選自江蘇中煙工業有限責任公司某規格細支卷煙。

異丙醇（AR，上海國藥集團化學試劑有限公司）；乙醇（色譜純，天津科密歐化學試劑有限公司）；正十七碳烷（色譜純，日本TCI公司）；甲醇（色譜純，美國Merck公司）；乙酸銨（色譜純，美國Fluka公司）；NNK、NNK-d4（＞98%，加拿大TRC公司）。

RM20H轉盤式吸煙機、LM5側流吸煙機、DT綜合測試臺（德國Borgwaldt KC公司）；MikroSpec RT7500紅外熱像儀（美國Mikron公司）；Aglient 6460液相色譜-質譜聯用儀（美國Agilent公司）；AL204電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；Milli-Q Integral 10型超純水系統（美國Millipore公司）；HY-5A回旋振蕩器（江蘇省金壇市訊生儀器廠）；Binder KBF恒溫恒濕箱（德國Binder公司）；0.22μm水相濾膜（英國Peculiar科技有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷煙樣品的制備

實驗樣和對照樣的制備：選用相同的葉組，切絲模式分別選用平板式刀片的常規切絲模式和齒間距40 mm的鋸齒式刀片的定長切絲模式，其他制絲和卷接過程的工藝參數、設備參數和煙支物理指標要求均相同。以40 mm定長切絲模式卷制的細支卷煙樣品作為實驗樣，記為A1樣品；常規切絲模式卷制的細支卷煙樣品作為對照樣，記為A0樣品。A1和A0樣品煙支的物理參數見表1。

表1 卷煙煙支相關參數Tab.1 Parameters of cigarette samples

1.2.2 卷煙主流煙氣中焦油和NNK釋放量的分析

按照GB/T 16450—2004［11］的方法設定吸煙機參數，按照GB/T 19609—2004［12］的方法分析煙氣焦油釋放量，按照文獻［13］的方法測定煙氣NNK釋放量。

1.2.3 主流煙氣焦油逐口釋放量的分析

按照GB/T 16450—2004［11］的方法設定吸煙機參數，按照“質量允差±20 mg，吸阻允差±50 Pa”的要求，篩選2種卷煙樣品。選取篩選后的20支細支卷煙，逐口抽吸，固定抽吸口數為5口。抽吸完畢，分別按照GB/T 19609—2004［12］、YC/T 157—2001［14］以及YC/T 156—2001［15］的方法測定每口煙氣中焦油、煙堿以及水分的釋放量。

1.2.4 主流煙氣NNK逐口釋放量的分析

按照1.2.3節中的方法抽吸完畢后，將濾片置于50 mL錐形瓶中，準確加入15 mL含2.0 ng/L內標NNK-d4的0.1 mol/L乙酸銨萃取液，超聲萃取30 min，靜置5 min。取適量萃取液過0.22μm水相濾膜，按照文獻［13］的方法分析。

1.2.5 卷煙逐口抽吸最高溫度的測定

在側流吸煙機上抽吸細支煙樣品，同時應用紅外成像測溫儀記錄卷煙抽吸過程中各時刻燃燒錐不同位置的溫度，從中選出最大值作為該口抽吸的最高溫度，從第2口開始記錄至第5口。每種卷煙樣品重復測定20次。

1.2.6 煙絲結構和煙支中煙絲密度分布的測定

按照文獻［1］的方法，測定兩種切絲模式下煙絲結構和煙支中的煙絲密度分布。

2 結果與討論

2.1 切絲模式對煙絲結構和煙絲密度分布的影響

加香出口和卷接跑條后的煙絲結構測定結果見表2。可知，應用40 mm定長切絲后，加香出口和卷接跑條后，長絲率均下降，中絲率、短絲率均上升。鑒于跑條后煙絲結構更接近于煙支內煙絲結構，同時，采用40 mm定長切絲模式后，跑條煙絲的長絲、中絲和短絲比例基本相當，較常規切絲模式的跑條煙絲均勻性有明顯增加，這說明40 mm定長切絲后，細支卷煙煙支內煙絲結構均勻性更優。

表2 不同切絲模式下不同加工階段的煙絲結構Tab.2 Parameters of cut tobacco at different processing stages under different cutting modes （%）

切絲模式改變了煙絲結構，也有可能改變煙絲密度分布。圖1為兩種切絲模式下煙絲密度分布圖。從圖1可知，在煙支兩個壓實點之間即煙支中部（距煙支燃燒端20～50 mm），常規切絲模式下的A0樣品煙絲密度分布曲線波動較大，而40 mm定長切絲模式下的A1樣品煙絲密度分布曲線較為平坦。由此可知，40 mm定長切絲可以提高煙支內煙絲密度分布的均勻性。

圖1 不同切絲模式下煙支內煙絲密度的分布Fig.1 Distribution of cut tobacco density along the length of cigarettes under different cutting modes

2.2 不同切絲模式下主流煙氣NNK和焦油的釋放量

兩種細支卷煙主流煙氣焦油和NNK釋放量的分析結果見表3。可知，與對照樣A0相比，實驗樣A1的煙氣焦油釋放量降低了4.97%，NNK釋放量降低了17.07%；相對于焦油，NNK選擇性降低12.10%。上述結果表明，采用40 mm定長切絲模式可顯著降低卷煙主流煙氣NNK釋放量，這與文獻［6］的研究結果一致；而40 mm定長切絲模式對焦油釋放量的影響不顯著。

表3 主流煙氣焦油和NNK的釋放量Tab.3 Releases of tar and NNK in mainstream cigarette smoke

2.3 不同切絲模式下卷煙主流煙氣中NNK和焦油的逐口釋放量比較

根據2.2節的分析可知，切絲模式改變以后，細支卷煙主流煙氣NNK的釋放量發生了明顯的變化。為從微觀角度進一步分析切絲模式改變后主流煙氣中焦油和NNK的釋放過程及其變化的原因，應用逐口抽吸分解卷煙抽吸過程，分析焦油和NNK在各口煙氣中的釋放變化情況。由表3可知，2種卷煙的平均抽吸口數均介于5.0和6.0口之間。因此，固定抽吸口數為5口，分析NNK和焦油的逐口釋放量，結果見表4。

表4 細支卷煙主流煙氣焦油和NNK的逐口釋放量Tab.4 Puff-by-puff releases of tar and NNK in mainstream smoke of slim cigarette

從表4可知，2種細支卷煙樣品煙氣焦油和NNK的逐口釋放量均隨口數的增加而增大，實驗樣A1主流煙氣中焦油和NNK的逐口釋放量均明顯低于對照樣A0。與A0相比，A1前5口焦油總釋放量降低了12.74%，NNK釋放量降低了18.30%。前5口焦油和NNK總釋放量均比整支煙的降幅更明顯，這可能是由于相較A0，A1的平均抽吸口數較多，從而導致整支煙降幅的計算值偏小。

為進一步比較2種卷煙逐口抽吸的差異，以1～5口的卷煙抽吸口數序號為自變量，以焦油和NNK的逐口釋放量為因變量進行一元線性回歸分析，線性擬合結果見圖2。

由圖2可知，2種卷煙焦油回歸方程的R2均較高，這說明一元線性方程適合于焦油的逐口釋放量與抽吸口數序號的擬合。另外，2種卷煙焦油回歸方程的斜率存在差異，實驗樣A1回歸方程的斜率小于對照樣A0，說明A1焦油逐口釋放量的增長幅度小于A0。

每種卷煙煙氣NNK回歸方程的R2均大于0.9，同樣，這說明一元線性方程也適合于煙氣NNK的逐口釋放量與抽吸口數序號的擬合。2種卷煙煙氣NNK回歸方程的斜率也存在差異。A1煙氣NNK回歸方程的斜率小于A0，表明A1煙氣NNK的逐口釋放量增量較A0小。由此可見，A1第一口煙氣NNK的釋放量略小于A0，但A1煙氣的NNK釋放量的增幅也小于A0，使A1的NNK釋放量明顯小于A0。

2.4 不同切絲模式下細支卷煙逐口最高溫度的變化

卷煙燃燒過程中溫度分布較寬，為便于快速比較逐口燃燒過程的差異，以逐口最高溫度為參數進行分析，從第2口開始記錄，直至第5口，每個細支卷煙樣品抽吸20支，樣品A1和A0逐口最高溫度結果見表5。可知，實驗樣A1相同口數的最高溫度的極差變化范圍是164.1～218.2℃，平均極差為194.7℃；對照樣A0相同口數的最高溫度的極差變化范圍是191.5～228.2℃，平均極差為211.9℃。平均極差結果表明，應用40 mm定長切絲技術后逐口最高溫度的極差變窄。

圖2 細支卷煙主流煙氣焦油和NNK逐口釋放量與抽吸口數序號的線性擬合圖Fig.2 Linear fitting curves of puff-by-puff releases of tar and NNK in mainstream smoke of slim cigarette and puffing numbers

表5 實驗樣A1和對照樣A0逐口抽吸過程中各口的最高溫度Tab.5 Puff-by-puff maximum coal temperatures of test samples A1 and control samples A0 during smoking（℃）

對20支細支卷煙每口的最高溫度進行正態分布Shapiro-Wilk檢驗。由表6可知，除第2口外，A1的正態分布相關系數均高于A0。說明抽吸A1時的最高溫度分布狀況更符合正態分布，集中度高于A0。這可能是由于A1煙支內煙絲密度分布的均勻性高于A0［1］。另外，A1和A0每口最高溫度正態分布系數均大于0.05，符合正態分布要求，因此選擇每口的正態分布中位數進行比較分析。由表5可見，A1和A0逐口最高溫度的中位數隨抽吸口數增加而增大，最高值均出現在第5口。

為進一步分析煙支逐口燃燒最高溫度的變化特性，統計整支煙的最高溫度在各口中出現的概率，結果見表7。可知，對于A1，整支煙最高溫度出現在第5口的概率最高，達80%；對于A0，整支煙燃燒的最高溫度出現在第4口的概率最高，為40%，其次是第5口的35%。由上述分析可見，A1整支煙的最高溫度相對集中地出現在第5口，而A0最高溫度的分布則較分散。這可能是因為應用40 mm定長切絲后煙絲結構發生改變，煙支的煙絲密度分布和物理指標的穩定性得到了顯著提高［1］，煙支之間煙絲密度分布的無序性和波動性相對減少了。

表5（續） （℃）

表6 實驗樣A1和對照樣A0各口最高溫度的W檢驗相關系數Tab.6 W test correlation coefficients of maximum coal temperatures of test sample A1 and the control sample A0

表7 煙支燃燒最高溫度在各口抽吸中出現的概率統計Tab.7 Appearance probability of maximum combustion temperature of cigarette in each puffing （%）

根據上述分析可見，應用40 mm定長切絲技術后，煙支逐口最高溫度的中位數變化趨勢相同，但是逐口燃燒狀態卻發生了顯著變化，特別是第5口。相比于A0，A1的第5口的中位數比較高，而且最高溫度出現的概率增加了128%，這說明A1第5口的燃燒強度要明顯高于A0。一般而言，燃燒狀態發生變化，可以影響卷煙有害成分釋放量［6，16-18］。卷煙主流煙氣中的NNK一部分是從煙草直接轉移到煙氣中的，另一部分是在加熱抽吸過程中形成和釋放的［19］。切絲模式改變后，從表1可知，煙支中煙絲的質量和煙支吸阻并未發生顯著變化，所以從原料中直接遷移的NNK釋放量差異可能不顯著；但是，從卷煙逐口燃燒最高溫度的數值和分布（表5和表7），可以看出卷煙燃燒狀態發生改變，這可能導致卷煙燃燒過程中NNK釋放量存在顯著差異。

3 結論

（1）采用40 mm定長切絲模式可顯著降低細支卷煙主流煙氣NNK和焦油的釋放量，焦油和NNK的釋放量分別降低4.97%和17.07%，NNK選擇性降低12.10%。

（2）40 mm定長切絲模式可使細支卷煙各口中焦油和NNK釋放量的變化幅度減小，一方面有效提高了焦油和NNK逐口釋放量的穩定性，另一方面也有助于降低細支卷煙整支煙的NNK釋放量。

（3）40 mm定長切絲改變了細支卷煙煙絲結構和煙絲密度分布，改變了卷煙的抽吸過程，尤其影響了第5口的燃燒狀態，細支卷煙逐口最高溫度相對集中地出現在第5口，提高了第5口的燃燒強度。

（4）細支卷煙逐口燃燒狀態發生變化，影響了NNK逐口釋放特性和整體的釋放量。