水松紙透氣度對中支卷煙主流煙氣及燃燒溫度的影響

黃 華，戴 路，周 煒，杜芳琪，詹望成，王 輝

（1.浙江中煙工業有限責任公司技術中心, 杭州 310024；2.華東理工大學工業催化研究所, 上海 200237）

水松紙作為卷煙材料“三紙一棒”的組成之一，主要有兩個功能，一是將卷煙煙支段與濾嘴段卷接起來，二是在紙上預先打孔或是在生產卷接過程中在線打孔來調控煙支的濾嘴通風度，從而實現減害降焦[1]。煙支在抽吸過程中燃燒段的溫度變化會影響煙支主流煙氣和側流煙氣中的化學成分含量，同時在濾嘴段由于水松紙透氣度變化造成卷煙濾嘴通風發生變化，改變了燃燒區的進氣量，影響每口抽吸時的溫度[2]，同步影響濾嘴段煙氣的稀釋擴散，最終影響消費者入口煙氣，因此水松紙透氣度是影響卷煙抽吸品質的重要特征參數[3]。

近年來，隨著消費多元化增長以及消費者對吸煙與健康的持續關注，加熱不燃燒卷煙逐漸占領傳統卷煙市場，相關領域也成為研究熱點[4-5]。在傳統的卷煙領域，新特異卷煙也異軍突起，不僅在傳統圓周卷煙的基礎上增加了細支卷煙，而且中支卷煙銷量的持續增長也成為消費熱點之一。目前市場上的中支卷煙圓周為20 mm，長度以84～89 mm 為主，因此無論是在濾嘴段長度還是煙絲段長度方面，中支卷煙都與傳統卷煙以及細支煙有所差別。針對這兩種規格卷煙的輔材設計，科研人員已開展了大量相關研究，謝國勇等[6-7]分別考察了卷煙紙、成型紙和接裝紙透氣度對煙氣常規成分及7 種有害成分釋放量的影響。劉鴻等[8]全面綜述了近年來國內外卷煙紙透氣度、添加劑以及漿料類型等指標對常規卷煙主流煙氣成分釋放量的影響。周全等[9-11]考察了細支卷煙輔材參數對煙氣常規成分釋放量及感官質量的影響。張亞平等[12]考察了卷煙紙參數對細支卷煙和常規卷煙煙氣化學成分的影響。目前針對傳統卷煙或細支卷煙輔材設計參數對主流煙氣的影響已有較多文獻報道，但有關中支卷煙的整體研究很少，尤其是涉及到卷煙輔材或水松紙參數對中支卷煙主流煙氣常規成分及燃燒溫度影響的研究鮮見報道。本文主要考察卷煙輔材中水松紙透氣度對中支卷煙煙氣常規化學成分釋放量和燃燒溫度的影響，旨在為中支卷煙的產品設計提供參考依據。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

透氣度分別為 0（不打孔）、50、100、150、200、250、500 CU 和 1000 CU 的8 種水松紙，幅寬36 mm，打孔中心距嘴端邊距16 mm。

XS205 型電子天平（梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司）；SM450 直線型吸煙機（英國Cerulean 公司）；FLIR-SC7300L 型紅外熱像儀（美國FLIR 公司）；單孔道吸煙機LX1 型（德國Borgwaldt 公司）。

1.2 卷煙樣品的制備

將8 種不同透氣度的水松紙卷制成統一規格的中支卷煙，煙支所用的葉組和其余輔料完全一致，圓周規格為20.0 mm。按照行業標準保證卷煙樣品的一致性，煙支先在溫度（22±1）℃，相對濕度60%±3%的環境中平衡48 h，隨后取平衡好的煙支50 支，測試煙支質量及吸阻的平均值，然后以此為中心點，按質量±50 mg，吸阻±20 Pa 來篩選煙支，采用GB/T 22838—2009《卷煙和濾棒物理性能的測定》測試煙支物理參數，數據見表1。

表1 測試煙支物理參數Table 1 Physical parameters of test cigarettes

1.3 卷煙煙氣分析

按GB/T 16450—2004《常規分析用吸煙機定義和標準條件》定義吸煙機抽吸條件，依據GB/T 19609—2004《卷煙用常規分析用吸煙機測定總粒相物和焦油》對卷煙樣品氣相中的總粒相物和焦油進行測定；依據GB/T 23356—2009《卷煙煙氣氣相中一氧化碳的測定非散射紅外法》對卷煙煙氣氣相中的一氧化碳進行測定；依據GB/T23355—2009《卷煙總粒相物中煙堿的測定氣相色譜法》對卷煙煙氣氣相中的煙堿進行測定；依據GB/T23203.1—2013《卷煙總粒相物中水分的測定氣相色譜法》對卷煙煙氣氣相中的水分進行測定。

1.4 感官質量評價

采用國標GB 5606.4—2005《卷煙第4 部分: 感官技術要求》的評價方法，對卷煙樣品進行感官評價。共涉及6 個指標，分別為香氣（滿分32 分）、諧調性（滿分6 分）、雜氣（滿分12 分）、刺激性（滿分20 分）、光澤（滿分5 分）和余味（滿分25 分），評價時每個指標均以0.5 分為計分單位，各指標權重均為1。組織持有卷煙評吸資格證書的7 位專家組成感官組進行感官評吸，按式計算單項平均得分（其中為某單項得分加和；n為參加評吸人數），精確至0.01，感官質量得分為各單項平均得分之和，精確至0.1。

1.5 卷煙燃燒溫度測試

煙支平衡后在溫度(22±1)℃、相對濕度60%±3%的環境下，采用單孔道吸煙機進行卷煙的抽吸，抽吸模式參照ISO3308—2000 進行，抽吸2 s，間隔58 s。紅外熱像儀的測溫范圍300～1500 ℃，空間分辨率0.65 mrad，波長范圍7.5～13 μm，記錄頻率60 Hz，精確度±2 ℃，像素640×480，熱像儀和目標物的距離0.1 m，紅外發射率設定為0.88[3]。在分析數據時，采用第3 口作為抽吸時最高溫度[13]，抽吸最高溫平均溫度指全部抽吸段的最高溫度的平均值，抽吸平均溫度指全部抽吸段的溫度平均值，陰燃平均溫度指卷煙陰燃段的溫度平均值，峰值平均值指全部抽吸峰值的平均溫度值，取10 次測量結果的平均值。

2 結果與討論

2.1 水松紙透氣度對中支卷煙常規煙氣成分和感官質量的影響

圖1 所示為不同水松紙透氣度的中支卷煙主流煙氣常規煙氣指標的測定結果，將圖1 中主流煙氣常規煙氣指標中總粒相物（Total Particulate Matter，TPM）、水分、焦油、煙堿以及一氧化碳質量分別除以口數，即為中支卷煙主流煙氣常規煙氣指標單口釋放量。

水松紙透氣度實際改變的是煙支濾嘴通風率。表1 表明隨著水松紙透氣度增加，濾嘴段通風率呈上升趨勢，從不打孔的1.82%上升到1000 CU 的26.71%。由圖1 可以看出，隨著水松紙透氣度增大，中支卷煙主流煙氣中的TPM、水分、焦油、煙堿和CO 質量均呈下降趨勢。當透氣度達到1000 CU 時，相比不打孔時，TPM、水分、焦油、煙堿和CO 的質量分別降低23.4%、68.3%、18.8%、14.6%和16.0%。卷煙抽吸口數（Puff number）卻呈相反趨勢，隨著水松紙透氣度的增大而增加，當透氣度為1000 CU 時，卷煙抽吸口數較不打孔時增加了8.05%。這是因為吸煙機在ISO 3308—2000 抽吸模式下每口抽吸容量固定為35 mL，隨著水松紙透氣度的增大，空氣從濾嘴水松紙打孔處的進入量逐漸增大，從而導致煙支段燃燒錐進氣量逐漸降低，即減少了燃燒錐的抽吸容量，最終也就減少了煙絲的消耗量[14]，因此抽吸口數上升[15]。整體來說卷煙在抽吸時通風稀釋作用加強，造成TPM、水分、焦油、煙堿和 CO 釋放量成比例下降，與傳統圓周規格的卷煙結果規律一致[16]。圖1(b)單口釋放量結果表明隨著濾嘴通風率增加，單口TPM、焦油、水分以及CO 釋放量直線下降，而單口煙堿釋放量在0～250 CU 時基本沒有變化，繼續增加至500 CU 后略有降低，從0.15 mg 降低到0.13 mg，這一點與感官品質結果比較接近。評吸結果表明500 CU 下抽吸勁頭較小，與文獻[17]規律一致。

表2 所示為濾嘴通風率（x）與主流煙氣常規煙氣質量（y）指標的線性擬合結果。可以明顯看出隨著濾嘴通風率的增大，中支卷煙主流煙氣中的TPM、水分、焦油、煙堿和CO 質量均呈顯著下降趨勢，線性回歸后R2分別達到0.971 0、0.969 7、0.971 0、0.951 8以及0.9521。濾嘴通風率與單口釋放量的線性擬合結果與圖1（b）吻合。

表2 濾嘴通風率（x）與中支卷煙主流煙氣指標（y）的線性回歸方程及相關系數Table 2 Linear regression equation and correlation coefficient of mainstream smoke index (y) of medium cigarettes with ventilation of cigarette filter (x)

表3 所示為不同透氣度水松紙中支卷煙的感官評價結果。可以看出，整體感官得分與主流煙氣指標趨勢較為一致，隨著水松紙透氣度的增加，感官總分呈下降趨勢，表明空氣進入不僅稀釋了主流煙氣，同時煙草特有的香味物質也同步被擴散出來。隨著水松紙透氣度的增加，香氣特性、煙氣特性均呈下降趨勢，而吃味特性則先上升后下降。香氣特性方面，隨著水松紙透氣度增加，香氣和諧調性下降較明顯，雜氣呈先上升后下降趨勢。因此在保證整體香氣特性、煙氣特性的前提下，可適當提高水松紙的透氣度來降低部分雜氣和刺激性，從而提升整體吸味。

表3 水松紙透氣度與中支卷煙感官評價結果Table 3 Result of sensory properties of medium cigarette with tipping paper permeability

2.2 水松紙透氣度對中支卷煙燃燒溫度的影響

通過紅外熱像測溫平臺分析卷煙燃燒全過程中溫度的變化，圖2 是卷煙抽吸前后的溫度變化圖。

由圖2 可以看出，卷煙抽吸前陰燃狀態是燃燒錐區域偏紅，隨著抽吸時間的增加，大量空氣進入到卷煙中發生劇烈的放熱反應，溫度急劇提升400～500 ℃，燃燒錐中心發亮區域逐漸增大，在抽吸時間為1.0 s時燃燒面積最大，隨后降低。

圖2 卷煙燃燒紅外熱成像圖Fig.2 Infrared thermography of cigarette combustion

圖3 所示為不同透氣度水松紙中支卷煙燃燒溫度各項指標的測定結果，表4 所示為濾嘴通風率與燃燒溫度各項指標的線性擬合結果。可以明顯看出隨著水松紙透氣度的增大，中支卷煙最高溫度、抽吸最高溫平均溫度、抽吸平均溫度以及溫度平均峰值等均呈下降趨勢，經線性回歸后，其與濾嘴通風率變化呈現非常好的線性關系，R2分別達到0.9087、0.9820、0.9018 和0.9222，而陰燃平均溫度基本不發生變化。該結果表明無論水松紙如何改變，濾嘴通風率雖然變化，但卷煙在陰燃狀態時由于燃燒錐內部和外部達到一種氣流平衡狀態，因此并不受環境影響而發生溫度變化。而抽吸時由于快速升溫，煙支外部雖然有大量空氣從打孔處進入燃燒錐內部，但濾嘴端通風度在增加，導致煙支燃燒錐的進氣量隨著濾嘴通風度增加而降低，等同于用低于標準抽吸容量來抽吸卷煙[18]，因此濾嘴通風度的增加抑制了煙絲的充分燃燒[19]，從而導致燃燒溫度降低。

圖3 不同透氣度水松紙中支卷煙燃燒溫度結果Fig.3 Result of combustion temperature of medium cigarette with different tipping paper permeability

表4 濾嘴通風率（x）與中支卷煙燃燒溫度（y）線性回歸方程及相關系數Table 4 Linear regression equation and correlation coefficient of cigarette filter ventilation (x) with combustion temperature (y)

3 結 論

（1）隨著水松紙透氣度的增大，中支卷煙主流煙氣中TPM、水分、焦油、煙堿及CO 的質量均顯著下降，但卷煙抽吸口數增加；單口TPM、水分、焦油以及CO 釋放量隨著水松紙透氣度增大而直線降低，但單口煙堿釋放量基本沒有變化；適當提高水松紙的透氣度可去除雜氣和刺激性，對吸味有改進作用。

（2）水松紙透氣度對中支卷煙燃燒溫度的影響顯著，隨著接裝紙透氣度的增大，卷煙抽吸溫度呈現明顯下降趨勢，而陰燃平均溫度未發生明顯變化。

（3）水松紙透氣度變化造成卷煙濾嘴通風度發生改變，不僅稀釋了主流煙氣指標，同時濾嘴通風度的增加抑制了煙絲充分燃燒，從而導致燃燒溫度降低。