爆珠濾棒設計參數對卷煙通風率及主流煙氣成分的影響

崔 春，孟祥士，紀 朋，韓 路，胡少東，楚文娟，王高杰，李祿成，羅燦選，高明奇

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

爆珠卷煙是通過在濾棒中植入一粒或多粒易捏破的香味膠囊，實現卷煙吸食過程中可控的香味釋放［1］。爆珠卷煙獨特的抽吸感受和新穎趣味性，受到了國內外消費者尤其是年輕消費群體的歡迎［2-4］。爆珠卷煙在市場上取得的成功也引起了相關研究者的重視，在爆珠生產加工［5-7］和檢測技術［8-10］、卷煙煙氣分析［11-16］和爆珠設計技術［17-19］等方面的研究取得了一定進展。Dolka 等［11］對不同品牌爆珠卷煙捏破前后煙氣成分進行分析，結果表明爆珠濾嘴可以降低卷煙煙氣有害成分釋放量。朱風鵬等［12］分析了爆珠添加后及爆珠破碎對主流煙氣中有害成分釋放和截留情況的影響，結果表明，添加爆珠后，卷煙苯并芘釋放量升高，其他有害成分釋放量與常規卷煙無明顯差異；爆珠捏破后，巴豆醛單支釋放量顯著降低。對爆珠卷煙主流煙氣成分的研究也有很多［13-15］。張志剛等［16］研究了爆珠對濾棒、卷煙物理性能和卷煙主流煙氣的影響，發現爆珠濾棒壓降標準偏差分別比相同絲束填充量濾棒和相同壓降濾棒增大，若爆珠捏破后主流煙氣指標仍與常規卷煙一致，爆珠濾棒的壓降應比常規濾棒高376 Pa以上。目前，科研人員對爆珠卷煙的研究尚不充分，主要基于同一爆珠直徑和位置，采用現有規格爆珠卷煙開展研究和對比，未對爆珠濾棒設計參數的影響進行系統研究。本實驗中通過設計爆珠濾棒參數，系統考察了爆珠直徑和爆珠在濾棒中的位置對常規爆珠卷煙物理指標、主流煙氣和濾嘴對煙堿過濾效率的影響，以期為爆珠卷煙產品的設計和優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

“黃金葉”品牌常規卷煙煙絲（河南中煙工業有限責任公司）；爆珠樣品（上海華寶生物科技有限公司）；爆珠濾棒（圓周24.1 mm，牡丹江卷煙材料有限公司）。

KDF2 濾棒成型機（沈陽飛機制造公司）；PROTOS70 卷接機組（常德煙草機械有限責任公司）；AL-204-IC 電子天平（感量 0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 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）；RM20H 轉盤式吸煙機（德國Borgwaldt KC 公司）；7890A 氣相色譜儀（美國Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備方案

以河南中煙工業有限責任公司黃金葉某常規爆珠卷煙為基準卷煙進行樣品制備。基準卷煙參數：煙支長度84 mm，圓周24.3 mm，濾嘴長度25.0 mm，爆珠直徑3.6 mm，爆珠距唇端12.5 mm。基準卷煙輔材參數：卷煙紙定量28 g/m2，透氣度60 CU；高透成型紙透氣度6 000 CU；預打孔接裝紙透氣度150 CU。

根據國內外爆珠卷煙用濾棒參數設計特點，結合實際情況，按照單因素設計了7種直徑爆珠規格，不同直徑爆珠壁厚保持一致。采用3.0 Y35 000二醋酸纖維素絲束，成型7種爆珠直徑濾棒樣品，以及同一直徑爆珠（3.6 mm）成型4 種不同位置的濾棒樣品，共10 種爆珠濾棒樣品，成型濾棒壓降為3 200 Pa，并在同一機臺卷制卷煙樣品。不同直徑、不同位置爆珠卷煙樣品具體設計參數見表1、表2。

表1 不同直徑爆珠卷煙樣品設計參數①Tab.1 Design parameters of cigarette samples with breakable capsules of different diameters

表2 不同位置爆珠卷煙樣品設計參數Tab.2 Design parameters of cigarette samples with breakable capsules at different positions

濾棒及卷煙樣品控制要求見表3、表4。按照壓降為（設計值±100）Pa對已制備濾棒樣品進行篩選，按單支質量為（設計值±0.02）g、濾嘴通風率為設計值±2%對已制備卷煙樣品進行篩選后作為待測樣品，以保證所測卷煙樣品含煙絲量的一致性。

表3 常規爆珠濾棒樣品物理指標Tab.3 Physical indexes of conventional filter rod samples with breakable capsules

表4 常規爆珠卷煙樣品物理指標Tab.4 Physical indexes of conventional cigarette samples with breakable capsules

1.2.2 樣品平衡

所有樣品按照GB/T 16447—2004［20］的要求進行平衡。

1.2.3 卷煙樣品物理指標檢測

平衡好的樣品，按照 GB/T 22838—2009［21］的方法檢測卷煙物理指標，同一樣品檢測30支卷煙，并計算其平均值。

1.2.4 卷煙樣品主流煙氣和煙堿過濾效率檢測

平衡好的樣品，按照文獻［22］中的方法進行卷煙抽吸，按照文獻［22-24］中的方法測定主流煙氣中的總粒相物、焦油、煙堿及CO。按照文獻［25］中的方法測定濾嘴中的煙堿，計算卷煙濾嘴對煙堿的過濾效率。同一樣品進行兩輪抽吸，每輪抽吸20支卷煙樣品，并計算兩輪抽吸的平均值。

2 結果與討論

2.1 爆珠濾棒設計參數對常規卷煙物理指標的影響

2.1.1 爆珠直徑對卷煙物理指標的影響

卷煙濾嘴通風率、總通風率及開放吸阻隨爆珠直徑的變化見圖1。由圖1 可知，爆珠捏破前，隨著爆珠直徑的增加，煙支濾嘴通風率、總通風率和吸阻整體呈上升趨勢，濾嘴通風率和吸阻升高幅度分別可達28.4%和28.1%。其原因是絲束中嵌入無通透性的爆珠后會對氣流起到阻礙效果，且爆珠直徑越大氣流阻擋效果越明顯，導致卷煙縱向氣流減少，濾嘴通風率增加，并進一步造成卷煙總通風率增加；同時，維持煙蒂端恒定氣流量所需壓力的增加，造成煙支吸阻的增加。圖中可見，爆珠捏破后，濾嘴通風率降低幅度可達37.5%，吸阻則可降低210 Pa。隨著爆珠直徑增加，煙支濾嘴通風率和總通風率整體呈降低趨勢，原因是爆珠捏破后濾嘴內形成一個短路通道，引起縱向氣流增大，且爆珠直徑越大濾棒中形成的空腔越大，從而導致卷煙濾嘴通風率和總通風率逐步降低。同時，爆珠捏破后維持煙蒂端恒定氣流所需壓力減小，使得煙支吸阻較捏破前減小，但隨著直徑增加爆珠內含香料量也會增加，由于香料對氣流的阻礙作用，爆珠捏破后煙支吸阻仍會隨爆珠直徑增加而增大。

圖1 爆珠直徑對卷煙物理指標的影響Fig.1 Effects of capsule diameter on physical indexes of cigarettes

2.1.2 爆珠位置對卷煙物理指標的影響

爆珠位置對卷煙物理指標的影響如圖2 所示。由圖2可知，爆珠捏破前后，煙支吸阻隨爆珠距唇端位置變化均呈小幅波動，無明顯變化規律；同一位置參數下，煙支吸阻會在爆珠捏破后顯著降低。隨著爆珠離唇端距離變大，煙支總通風率整體呈降低趨勢。爆珠位置和打孔位置越接近，卷煙濾嘴通風率越小，這是由于爆珠位置與打孔位置更接近時，爆珠對濾嘴進氣的阻礙效果更明顯，導致濾嘴通風率減小。爆珠更接近煙絲段時，爆珠破碎后濾嘴通風率相較爆珠完整時更小；在爆珠接近唇端時，爆珠破碎后濾嘴通風率相較爆珠完整時更大。這是因為爆珠位于打孔帶上側（近唇端）時，對縱向和橫向氣流影響更大，而爆珠位于打孔帶下側（近煙絲端）時，爆珠對經由打孔部分進入的氣流影響較小。

圖2 爆珠位置對卷煙物理指標的影響Fig.2 Effects of capsule position on physical indexes of cigarettes

2.2 爆珠濾棒設計參數對卷煙主流煙氣常規指標及煙堿過濾效率的影響

2.2.1 爆珠直徑對卷煙主流煙氣常規指標及煙堿過濾效率的影響

不同爆珠直徑及爆珠捏破前后卷煙樣品的主流煙氣成分及煙堿過濾效率如圖3所示。可以看出爆珠捏破前，隨著爆珠直徑的增大，卷煙主流煙氣中焦油和煙堿釋放量逐漸減小，煙堿過濾效率呈逐漸增加的趨勢。其中，煙堿過濾效率升高幅度可達15.8%，焦油釋放量可降低6.8%，煙堿釋放量可降低3.3%。相關研究表明，濾棒絲束通過直接攔截、慣性沖擊和擴散沉積3 種方式攔截主流煙氣［26-27］。爆珠不同于濾嘴絲束纖維，不具有通透性，煙氣流經爆珠位置受到的阻力增加，流速降低的同時其流通路徑也發生了改變，使濾嘴整體對煙氣的過濾作用增強。當爆珠直徑增大，煙氣流經爆珠表面受到的阻力隨之增加，濾嘴對煙氣的過濾作用也隨之增強，過濾了更多的煙氣粒相物，即濾嘴對煙堿的截留量和過濾效率逐漸增加，從而降低了煙氣中焦油和煙堿的釋放量。

圖3 爆珠直徑對卷煙主流煙氣成分及煙堿過濾效率的影響Fig.3 Effects of capsule diameter on mainstream smoke components and nicotine filtration efficiency of cigarettes

爆珠破碎后，焦油、煙堿釋放量增加，煙堿過濾效率降低，表明捏破爆珠后濾嘴對煙氣的過濾能力明顯減弱。卷煙煙堿過濾效率下降幅度可達16.3%，焦油和煙堿釋放量最大分別可升高1.9 和0.08 mg/支。爆珠破碎之后，濾嘴中出現空腔，濾嘴通透性明顯增加，對煙氣的阻力顯著減小。煙氣在爆珠位置的流速加快且流通路徑變寬，進而導致濾嘴對煙氣的過濾作用減弱。

同時，爆珠破碎后，隨著爆珠直徑增大，濾棒中的空腔也隨之增大，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量逐漸增加，在爆珠直徑4.4 mm 處出現拐點；而濾嘴對煙堿的過濾效率差異不明顯。可能是由于當爆珠直徑達到4.4 mm時，爆珠破碎后有較多溶劑流出，煙堿流經濾嘴時與溶劑形成氫鍵鍵合，故主流煙氣中的煙堿釋放量降低。結合查閱的資料和實際試驗情況，煙堿與溶劑形成的氫鍵斷裂溫度在200 ℃以上［28］，而氣相色譜的柱溫為170 ℃，故按照YC/T 154—2001［25］的方法測定時濾嘴中的煙堿未能被檢出，因此數據顯示濾嘴對煙堿的過濾效率沒有升高。

在實際產品研發中，爆珠直徑作為一項影響因素可以納入卷煙的設計考慮。同時，還應考慮爆珠的成型穩定性、濾棒指標要求、經濟性等因素，確定適宜的爆珠直徑。直徑過小，爆珠難以成型，且內容物含量過少，不能達到增香和豐富口感層次的目的；直徑過大，爆珠不易添加到濾棒中，且在濾棒和卷煙儲存過程中，爆珠易破碎，導致內容物流出而污染煙支。

2.2.2 爆珠位置對卷煙主流煙氣常規指標及煙堿過濾效率的影響

固定打孔位置（15.5 mm），爆珠距唇端位置在爆珠破碎前后對卷煙樣品主流煙氣釋放量及煙堿過濾效率的影響見圖4。由圖4可以看出，隨著爆珠距唇端距離的增加，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量略有增加。研究表明，通風稀釋是最有效的降焦方法之一，其原理是將空氣引入主流煙氣，煙氣成分的相對量從而降低；同時，抽吸時吸入煙支中的氣流速率降低，提高了濾嘴的過濾效率［29］。當爆珠位置距打孔位置較近時，由于卷煙總通風率和濾嘴通風率最小，通風稀釋作用減弱，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量最高，濾嘴對煙堿的過濾效率最低。

圖4 爆珠位置對卷煙主流煙氣成分及煙堿過濾效率的影響Fig.4 Effects of capsule position on mainstream smoke components and nicotine filtration efficiency of cigarettes

爆珠破碎后的焦油和煙堿釋放量增加，煙堿過濾效率降低，表明捏破爆珠后濾嘴對煙氣的過濾能力明顯減弱。且爆珠破碎后，隨著爆珠距唇端距離的增大，卷煙主流煙氣焦油和煙堿的釋放量逐漸增加，濾嘴對煙堿的截留量和過濾效率逐漸減小，并在爆珠距離打孔位置較近（即爆珠距唇端17.5 mm）時出現極值。

3 結論

（1）隨著爆珠直徑的增加，煙支濾嘴通風率、總通風率和吸阻整體呈增加趨勢，濾嘴通風率和吸阻升高幅度分別可達28.4%和28.1%；焦油和煙堿釋放量分別可降低6.8%和3.3%，而煙堿過濾效率呈增大趨勢，升高幅度可達15.8%。

（2）隨著爆珠距唇端距離的增加，總通風率降低，濾嘴通風率和煙堿過濾效率在爆珠位置與打孔位置較近時達到最小。

（3）爆珠破碎后，煙支吸阻較破碎前顯著降低，幅度可達210 Pa；焦油和煙堿釋放量最大分別可升高1.9和0.08 mg/支，煙堿過濾效率降低16.3%。

（4）爆珠破碎后，隨爆珠直徑的增加，煙支濾嘴通風率和總通風率整體呈現降低趨勢，煙堿和焦油釋放量逐漸增加；隨爆珠距唇端距離的增加，焦油和煙堿的釋放量逐漸增加，在爆珠距離打孔位置較近時出現極值。