棉織物三手煙去除影響因素研究及成分分析

黃文娟 梁帥童 丁雪梅 管學偉 裴劉軍 張紅娟 王際平

摘要： 中國吸煙人群數量大、分布廣泛，而被廣泛使用的棉織物吸收煙草煙霧后會釋放“三手煙”，不僅會散發難聞氣味，還會對人體產生危害。本文利用所建吸附裝置和除味裝置，對顯著影響除味效果的因素進行篩選和響應曲面建模分析，并利用頂空氣相色譜分析系統對棉織物釋放的卷煙味進行成分分析。結果顯示，響應曲面模型的R2為0.74，F統計量為38.04。水蒸氣、熱風和等離子體的作用對卷煙味去除效果影響顯著;水蒸氣和熱風同時作用對除卷煙味有正向影響，但水蒸氣持續時間過長會導致除味效果下降。GC-MS分析結果表明，三手煙成分包括吡啶類、醛、酚等多種類型化合物，本文為進一步研究其氣味成形機理和形成過程提供了有效的基礎探索。

關鍵詞： 三手煙;棉織物;水蒸氣;熱空氣;GC-MS;成分分析

中圖分類號： TS973.1

文獻標志碼： A

根據國家衛生健康委員會發布的《中國吸煙危害健康報告2020》，中國吸煙人數超過3億，吸煙人口分布廣泛。紡織品的多孔結構賦予了其較強的氣味吸附能力，煙草燃燒產物不僅被吸煙人自身的服裝吸收，還會沾染周圍人的服裝和家紡等紡織品，被吸收后的煙草燃燒產物持續釋放，將其中的有害物質傳輸到人體，危害人體身心健康，這也被稱為“三手煙”［1］。“三手煙”的存在，會導致服裝散發難聞氣味，進而增加服裝洗滌次數，加劇磨損，導致額外的碳、水排放。此外，Matt等［2-3］通過系列實驗研究發現，“三手煙”老化后可與空氣中的氧化劑反應，生成亞硝胺等二次污染物，可能進一步對人體產生危害。同時，棉織物是常用的紡織品面料，其對卷煙味的吸附是長期困擾人們的一個問題，研究證明織物含水量與吸收煙草煙霧的能力之間存在很強的相關性［4］。但是目前針對紡織品的煙草吸附去除和控制的研究比較有限，需要對“三手煙”的去除影響因素、機理及成分進行分析。

目前研究表明，消除紡織品卷煙味的方法包括物理吸附、感官遮蔽、化學反應、洗滌清潔等。其中通過洗滌清潔來消除紡織品卷煙味操作簡便，且具有較好的效果。通過液態水溶解異味分子，經熱風干燥后從織物上電離，或使用高能電子束轟擊水蒸氣使其呈離子態，利用OH-和H3O+氧化異味分子，使其分解，達到除味效果［8］。表征紡織品上的氣味，通常包括感官分析和儀器測量兩種方式［9］。感官分析可以真實反應人體對紡織品卷煙味的敏感程度，氣相色譜質譜分析（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）則可準確鑒別紡織品卷煙味的成分［10］。于昕辰等［7］分別使用主觀評價和客觀評價，驗證了吹冷風、噴蒸汽、加熱烘干及自然晾曬等單一參數或組合參數對所用純棉機織物的卷煙味的去除效果，結果表明噴蒸汽10 min、加熱烘干10 min的情況下對卷煙味的去除效果最好。

本文利用所搭建的吸附裝置和除味裝置，分別將不同水蒸氣、熱風、等離子體作用時長的組合，作用在吸附有卷煙味的棉織物上，實現對樣品上的卷煙味不同程度的去除，之后結合主觀評價結果評估各參數對卷煙味去除效果的影響，篩選影響效應較高的因素;并利用GC-MS對棉織物吸附后釋放出的卷煙味成分進行分析，以期為其他除味方法的開發提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

本文使用對卷煙味有較強吸附能力的純棉毛圈織物［11-12］，織物厚度為3.79 mm，平方米質量為612.7 g/m2;選用純棉襯衫若干件，用于驗證實驗;選用焦油含量為8 mg/支的某牌香煙;使用如圖1所示自制懸空吸附裝置進行吸附實驗，裝置規格為50 cm×50 cm×50 cm;使用所搭建的除味裝置進行除味實驗（在現有具有除味功能的產品基礎上進行改造，可實現根據實驗需要自主調控各參數開始及結束時間）;使用Agilent 5977B型氣相色譜質譜聯用儀（安捷倫科技（上海）有限公司）進行棉織物卷煙味成分分析。

1.2 制備異味樣布

將經Wascator FOM71 CLS標準洗衣機5A程序三次洗滌的實驗用毛巾布裁剪為預設規格（7 cm×10 cm）后置于標準環境（20 ℃、65% RH）中，平衡24 h。

取4塊樣布懸掛在懸空吸附裝置頂部的網格架上，點燃裝置底部香煙，關閉箱門。待香煙燃盡，靜置1 h，使樣布完全暴露在煙草煙霧中，充分吸附卷煙煙氣。完成后即刻使用密封袋將異味樣布轉移至除味裝置中，利用各參數作用時長的不同對樣布進行不同程度的除味，制得具有不同強度卷煙味的布塊。

1.3 實驗設計

此實驗設計使用響應曲面模型，包括6因素3水平和1個重復三次的中心點。影響因素包括水蒸氣、熱風及等離子體及對應的開始和持續時間，模型響應是評價員根據ISO 17299-3：2014標準給出的樣品主觀評價數值。同時，受除味裝置機器自身的限制，設置如下因子約束：因子熱風、等離子體持續工作時長小于120 min;水蒸氣持續工作時長小于10 min;各參數開始和持續時間之和小于120 min。實驗設計結果共包括102組實驗，上述實驗設計過程、方差分析及模型擬合均基于SAS JMP軟件實現［13-14］，且實驗設計結果滿足響應曲面模型精度要求。

1.4 樣品氣味評價

本文選擇4名（男、女各2名）無抽煙習慣、嗅覺正常的人員，評價開始前按照ISO 17299-3：2014標準進行培訓，培訓后成為評價員。主觀評價在無其他異味的密閉空間內進行，首先利用實驗計劃外制作的分別對應6個等級的卷煙味樣布，建立評價員區分各等級的標準。4名評價員依次按照上述評分標準對經除味處理后的樣布進行嗅聞并給出評分，評分等級及對應標準如表1所示。其中，卷煙味按照濃度高低被分為6個等級：0級最低，表明無異味;5級最高，表明具有強烈異味。

為確保數據的真實性，要求評價期間評價員不得相互交流。記錄評級數值并進行異常值處理，取4名評價員評價均值作為評價結果。

1.5 GC-MS分析與評價

卷煙煙氣中包含揮發性和半揮發性化合物［15］，氣相色譜分析利用加熱裝置使樣布中的待測物揮發成氣相，同時利用MS檢測器進行物質鑒別，結合GC-MS結果可以更好分析卷煙味在棉織物上的吸附機理［16］。操作過程要求操作員將制得的卷煙味樣布迅速放入頂空瓶中，利用Agilent 5977B型氣相色譜質譜聯用儀對棉織物卷煙味進行分析。工作參數如下：

1） 氣相色譜條件：Agilent色譜柱，規格為30 m×0.25 mm×0.25 μm;進樣口溫度250 ℃，分流比為10︰1，分流流量為1 mL/min。柱箱初始溫度40 ℃，保持2 min;以15 ℃/min的速度升至280 ℃，保持45 min，隨后運行溫度與初始溫度保持一致;載氣為氦氣。

2） 質譜條件：電子轟擊離子源（EI），MSD傳輸線溫度與最終溫度保持一致（280 ℃）;掃描模式為全掃描，掃描范圍25～400 m/z。

根據色譜數據，標定特征物質對應出峰時間，并記錄除味操作前后特征峰面積變化，計算特征物質去除率，作為異味去除率。計算方法如下：

式中：γ表示除味操作前后異味去除率，A0表示除味操作前特征物質峰面積，A1表示除味操作后特征物質峰面積。

2 結果與分析

2.1 主觀評價結果及分析

取4名評價員每組評分的平均值作為對應組別的主觀評價結果，如表2所示。

表3和表4為相應曲面模型方差分析和擬合分析結果，其中R2和調整后R2表示擬合優度，用于估算模型對觀測值的擬合程度。模型擬合使用多元逐步回歸分析模型，將響應曲面構造為模型效應，特質設定為逐步擬合。停止規則為P值閾值（進入概率為0.25，剔除概率為0.1），交替進行因素的引入和剔除，完成后進行模型擬合。

本文中模型R2為0.74，F統計量為38.04，這表明因變量對自變量的解釋度較高，所得模型精度較高，具有較好的分析和預測效果，模型檢驗顯著性小于0.001，此響應曲面模型可以用于預測本實驗中除味裝置對卷煙味的去除率。

RSM響應曲面模型的擬合結果如圖2所示。圖2中，縱軸分別代表各因素或其交互作用;橫軸為對應項的t統計量，表示對應項對主觀評價結果的影響效果，無單位。t統計量值為負表明該項對主觀得分有負向影響（即主觀評價得分較低，該項利于氣味去除）;t值為正則表明是正向影響（評價得分較高，不利于去味），且t的絕對值越大，表示影響程度越大。同時，當t統計量超出顯著性臨界值（圖中藍色豎線）時，判斷為該項對結果有顯著影響。

從圖2可以看出，熱風及水蒸氣作用時長對于棉織物卷煙味去除有較為顯著的正向影響;等離子的作用時長也會顯著提高去除卷煙味的效果，但其效應低于熱風和水蒸氣的持續時長。已有研究表明，揮發性化合物在織物上的解吸與織物結構、氣體流速、溫度和濕度有關［17-18］。熱風是被電熱絲加熱后，具有一定流速的干熱空氣。在熱風作用下，除味裝置腔體內溫度升高，空氣流動速度加快，促使以范德華力為吸附力的異味分子從棉織物上解吸［19-20］。水蒸氣的作用機制是在水蒸氣環境下，棉纖維表面所形成的納米級水膜會溶解卷煙煙味中的氣味分子［21］。離子發生器則通過高壓電離空氣，產生具有強氧化性的OH-和H3O+，將異味中的甲醛、苯酚等，分解成CO2、H2O等無害產物，促使異味消除。

此外，水蒸氣和熱風作用時長的交互作用、水蒸氣和等離子作用時長的交互作用及水蒸氣作用時長的自交互作用對于去除卷煙味有明顯的負向影響。這一結果表明，水蒸氣和熱風同時作用、水蒸氣和等離子體同時作用的效果存在拐點，長于最優作用時長有可能會降低除味效果。同時，水蒸氣的作用有利于卷煙味去除，但持續時間不宜過長，可能是因為前述纖維表面納米級水膜多發生在水蒸氣初始作用階段［22］，但在水蒸汽大量凝結的情況下，水蒸氣的存在則會阻礙氣味分子中極性化合物在纖維表面的吸附［23］。

如圖3所示，擬合結果顯示當水蒸氣持續作用5 min、熱風持續作用39 min、等離子體持續作用42 min時，主觀評價得分達到最低，即卷煙味去除效果達到最優。將此組合輸入到除味裝置中，利用純棉襯衫進行驗證。驗證結果表明，在此參數組合下，純棉襯衫的主觀評價平均得分結果為1分，表明該組合具有較好的除味效果。

2.2 GC-MS結果及分析

利用GC-MS分析吸附有卷煙味的棉織物樣布，解吸出的氣味典型成分如圖4所示。結果表明，被認為是煙草煙霧標志物的尼古丁和3-乙烯基吡啶［24］均被檢出，此外還檢出了糠醛、糠醇、苯酚和2-異丙基-2，3-二甲基丁腈等。棉織物易吸附較多的糠醛、3-EP、苯甲腈等具有極性、揮發性高的低相對分子質量化合物［16，25］。構成棉纖維的葡萄糖鏈上存在大量的羥基（—OH），使得棉織物具有較強吸水性，同時還可以與尼古丁及其衍生物等水溶性物質通過形成氫鍵的形式結合，進一步增強了多孔的紡織品對煙味的吸附作用［26］。如前述響應曲面模型顯示，使用水蒸氣溶解這些氣味物質，并使用一定流速的干熱空氣將這些水分帶走，可以顯著地降低紡織品的異味。

圖4顯示出卷煙味成分復雜，單憑某種或某幾種化合物含量很難判斷其在織物上的濃烈程度［27-28］。人體對于紡織品卷解吸出的煙味的反應也是一個異常復雜的過程，Mcclintock等［29-30］基于小鼠模型探究人體對于三手煙的生理反應，但其使用的經高度簡化后的煙味模型仍包括二十多種成分。紡織品除味產品及工藝仍處于起步階段，抗菌劑、活性炭、芳香劑、β-環糊精［31］等也被應用到異味去除中，但尚未報道有成熟的紡織品異味的預防產品。

本文將在10.6 min左右出現的尼古丁的特征峰作為卷煙味標志物質，根據除味操作前后尼古丁峰面積變化判斷異味去除率，結果表明在第12組、13組、14組、21組等參數組合的作用下，尼古丁去除率可達99%以上，而在第3組、4組等組合的作用下，去除率則在40%以下，與主觀評價結果保持一致。

3 結 論

本文利用所建吸附裝置和除味裝置，根據主、客觀評價結果篩選可能影響卷煙味去除效果的影響因素，并分析各因素對除味效果的影響水平及機理。結果表明，水蒸氣和熱風對于卷煙味去除有較明顯的正向影響，等離子體的作用也會正向影響除味效果，但效應較低;水蒸氣作用時間過長會導致除味效果下降，對于卷煙味最佳的除味參數組合是通入5 min水蒸氣、39 min熱風及42 min等離子體。三手煙成分復雜，且有效氣味成分與紡織品的相互作用機理及動力學過程尚不明確，需要進一步的研究，以期為新型的三手煙控制方法和工藝提供理論參考。

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參考文獻：

［1］WU C C， WANG W J， BAO L J， et al. Impacts of texture properties and airborne particles on accumulation of tobacco-derived chemicals in fabrics［J］. Journal of Hazardous Materials， 2019， 369： 108-115.

［2］MATT G E， QUINTANA P J， DESTAILLATS H， et al. Thirdhand tobacco smoke： Emerging evidence and arguments for a multidisciplinary research agenda［J］. Environmental Health Perspectives， 2011， 119（9）： 1218-1226.

［3］MATT G E， QUINTANA P J， ZAKARIAN J M， et al. When smokers move out and non-smokers move in： Residential thirdhand smoke pollution and exposure［J］. Tobacco Control， 2011， 20（1）： 1-8.

［4］NOBLE R E. Environmental tobacco smoke uptake by clothing fabrics［J］. Science of the Total Environment， 2000， 262（1/2）： 1-3.

［5］BEZERRA F M， LIS M J， FIRMINO H B， et al. The role of β-cyclodextrin in the textile industry［J］. Molecules， 2020， 25（16）： 3624.

［6］PERINELLI D R， PALMIERI G F， CESPI M， et al. Encapsulation of flavours and fragrances into polymeric capsules and cyclodextrins inclusion complexes： An update［J］. Molecules， 2020， 25（24）： 5878.

［7］于昕辰， 陳紅， 方艷萍， 等. 紡織品卷煙味去除效果的評價方法［J］. 紡織學報， 2020， 41（2）： 77-82.

YU Xinchen， CHEN Hong， FANG Yanping， et al. Research on assessment of removing effectiveness of cigarette odor from textiles［J］. Journal of Textile Research， 2020， 41（2）： 77-82.

［8］DENAWAKA C J， FOWLIS I A， DEAN J R. Source， impact and removal of malodour from soiled clothing［J］. Journal of Chromatography A， 2016， 1438： 216-225.

［9］MCQUEEN R H， VAEZAFSHAR S. Odor in textiles： A review of evaluation methods， fabric characteristics， and odor control technologies［J］. Textile Research Journal， 2020， 90（9/10）： 1157-1173.

［10］鄭勇， 莫月香， 羅峻. 淺析紡織品異味檢測現狀與發展［J］. 中國纖檢， 2017（1）： 80-83.

ZHENG Yong， MO Yuexiang， LUO Jun. Discussion on the status and development of odor detection in textiles［J］. China Fiber Inspection， 2017（1）： 80-83.

［11］SAINI A. Fabrics and Semi-volatile Organic Compounds： Towards Understanding Accumulation and Release［D］. Toronto： University of Toronto， 2016.

［12］BRANTON P， BRADLEY R H. Effects of active carbon pore size distributions on adsorption of toxic organic compounds［J］. Adsorption， 2011， 17（2）： 293-301.

［13］GOOS P， MEINTRUP D. Statistics with Jmp： Graphs， Descriptive Statistics and Probability［M］. Chichester： John Wiley & Sons， 2015： 8-53.

［14］MONTGOMERY D. Design and Analysis of Experiments［M］. Chichester： John Wiley & Sons， Inc， 2012： 478-544.

［15］OCHIAI T， AOKI D， SAITO H， et al. Analysis of adsorption and decomposition of odour and tar components in tobacco smoke on non-woven fabric-supported photocatalysts［J］. Catalysts， 2020， 10（3）： 304.

［16］UETA I， SAITO Y， TERAOKA K， et al. Determination of volatile organic compounds for a systematic evaluation of third-hand smoking［J］. Analytical Sciences， 2010， 26（5）： 569-574.

［17］SAINI A， OKEME J， MARK PARNIS J， et al. From air to clothing： Characterizing the accumulation of semi-volatile organic compounds to fabrics in indoor environments［J］. Indoor Air， 2017， 27（3）： 631-641.

［18］LANG C. Indoor Deposition and the Protective Effect of Houses Against Airborne Pollution［D］. Roskilde： Risoe National Lab， 1995： 87-98.

［19］CAO J， LIU N， ZHANG Y. Spme-based ca-history method for measuring svoc diffusion coefficients in clothing material［J］. Environmental Science & Technology， 2017， 51（16）： 9137-9145.

［20］曾余瑤. 多孔材料吸附行為的理論計算與應用研究［D］. 杭州： 浙江大學， 2008.

ZENG Yuyao. Computer Simulation of Fluid Adsorption Behavior in Porous Materials and Its Application［D］. Hangzhou： Zhejiang University， 2008.

［21］PETRICK L， DESTAILLATS H， ZOUEV I， et al. Sorption， desorption， and surface oxidative fate of nicotine［J］. Physical Chemistry Chemical Physics， 2010， 12（35）： 10356-10364.

［22］ZHU L， LIU Y， DING X， et al. A novel method for textile odor removal using engineered water nanostructures［J］. RSC Advances， 2019， 9（31）： 17726-17736.

［23］BORAPHECH P， THIRAVETYAN P. Trimethylamine （fishy odor） adsorption by biomaterials： Effect of fatty acids， alkanes， and aromatic compounds in waxes［J］. Journal of Hazardous Materials， 2015， 284： 269-277.

［24］PIAD J J， DANDR S， SANDERS E B. Sorption phenomena of nicotine and ethenylpyridine vapors on different materials in a test chamber［J］. Environmental Science & Technology， 1999， 33（12）： 2046-2052.

［25］CHIEN Y C， CHANG C P， LIU Z Z. Volatile organics off-gassed among tobacco-exposed clothing fabrics［J］. Journal of Hazardous Materials， 2011， 193： 139-148.

［26］SENTHILKUMAR L， GHANTY T K， KOLANDAIVEL P， et al. Hydrogen-bonded complexes of nicotine with simple alcohols［J］. International Journal of Quantum Chemistry， 2012， 112（16）： 2787-2793.

The results show that the R2 of the response surface model is 0.74 and the F-statistic is 38.04， which shows that the model has high precision and good prediction and analysis effect. The results of the response surface analysis show that the effect of water vapour， hot air and plasma on the removal of tobacco odor is significant， and the effect of both water vapour and hot air on the removal of tobacco odor is positive， but the excessively long water vapor duration will lead to the decline of the deodorization effect. The results show that the nicotine removal rate can reach 100% and the subjective evaluation score is only 1 when the water vapor is applied for 5 min， the hot air for 39 min and the ion generator for 42 min. That is to say， the effect of cigarette smell removal is the best. The results of GC-MS analysis show that the components of third-hand smoke include many kinds of compounds， such as pyridine， aldehyde and phenol， and the smell scores of the textile cannot be judged by the content of one or several components in the textile. This study provides an effective basis for the further study of the formation mechanism and process of the third-hand smoke odor.

Based on the experimental design and response surface theory， we screen out the factors that have significant influence on the removal of cigarette smell from textiles and give the optimal combination of parameters. At the same time， we analyze the components of cigarette smell adsorbed on cotton fabrics， which can provide theoretical reference for the development and function optimization of textile deodorization products.

Key words： third-hand smoke; cotton fabric; water vapor; hot airflow; GC-MS; component analysis