天然材料滤嘴添加剂在卷烟中增香降害的应用研究

蔡 波， 李 勇， 杨 蕾， 冯洪涛， 杨乾栩， 杨 清*

（1.云南中烟工业有限责任公司 技术中心，云南 昆明 650202；2.红云红河烟草（集团）有限责任公司 博士后科研工作站，云南 昆明650202）

天然材料滤嘴添加剂在卷烟中增香降害的应用研究

蔡 波1，2， 李 勇1， 杨 蕾1， 冯洪涛1， 杨乾栩1， 杨 清*1

（1.云南中烟工业有限责任公司 技术中心，云南 昆明 650202；2.红云红河烟草（集团）有限责任公司 博士后科研工作站，云南 昆明650202）

利用气质联用、感官评价、顶空分析、扫描电镜等方法，研究了3种天然材料甘蔗（MZ）、香橼（HR）和杉木（G1）滤嘴添加剂的结构及其在卷烟产品中的应用。研究结果表明：添加了天然材料MZ和G1的卷烟的烟香更为丰富、刺激性大大降低、舒适性得到了有效的改善；添加了天然材料的卷烟的烟气的危害性指数大大降低，其中添加了G1的卷烟危害性指数下降了23.08%；3种天然材料的致香成分都较为丰富，其中以G1材料在高温下的致香成分的种类和含量最高；具有较大比表面积的材料具有较好的增香降害的作用。

天然材料；减害；滤嘴；卷烟；增香

随着世界控烟的趋势和人们对健康的日益关注，烟草行业所受到的压力越来越大，《烟草框架条约》的签订使得烟草行业的所面临的形势显得空前严峻。从整体来看，中国的控烟仍然处于起步阶段，要实现全面的控烟和禁烟仍然需要很长的路去走。在这些背景下，“减害降焦”的战略得以确定，烟草行业也迎来了快速的发展[1]。因此，开发低焦油、低危害的卷烟产品成为了未来卷烟发展的主流方向[2-3]。但是当焦油含量降低到一定程度的时候，卷烟的香味会受到很大的影响，所以，卷烟的增香工作也越来越重要[4]。

国际上卷烟行业针对减害降焦采取了一系列的措施，如烟草薄片、膨胀梗丝烟丝、卷烟纸透气度、打孔稀释和多种形式的滤嘴等新技术[5-7]。滤嘴，作为烟支的重要组成部分之一，在卷烟的减害降焦中起到了非常重要的作用。在滤嘴中添加吸附剂、催化剂等新型材料的特殊滤棒已经成为卷烟减害降焦的一种最为重要而又实用的技术措施。其中二氧化硅、氧化铝、云母、沸石和活性炭等无机吸附剂在减害降焦中得到了较多的研究[8-10]。天然材料以其天然安全和草本同香等优点得到了研究者的广泛关注，但是以天然材料作为滤嘴添加剂的研究却还相对较少[11]。作者研究了3种天然材料的结构特点及其在卷烟中的增香降害的应用。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

无水乙醇、无水硫酸钠、二氯甲烷和氯化钠：AR，国药集团化学试剂有限公司产品；甘蔗（简称MZ）、香橼（简称HR）和杉木（简称G1）：购自云南昆明市场；卷烟产品A：2012年在用叶组烟丝、在线醋纤滤棒和卷烟空筒：红云红河集团技术中心产品；XS104电子天平：感量0.0001 g，瑞士 Mettler-Toledo公司产品；GC6890N/MS5975气相色谱-质谱联用仪：美国Agilent公司产品；RUIZ-SPME手动固相微萃取装置：美国SUPELCD公司产品；CarboxenTM/PDMS（75 μm）固相萃取头：美国SUPELCD公司产品；JSM-6360LV扫描电镜SEM：日本电子株式会社产品；ASAP-2010C氮气吸附仪：美国Micromeritics公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 颗粒复合滤棒和试验卷烟的制备 将所筛选的植物材料MZ、植物材料HR和植物材料G1原料进行破碎造粒处理，风选得到20～60目的颗粒，将所得颗粒替换原有颗粒，添加量均为30 mg/支，通过KDF2滤嘴成型机卷制成滤棒。所设计的丝束规格为3.0Y/35000，滤棒的设计指标为：长度为（105±0.5）mm，硬度为（90±2）%，增塑剂质量分数为6%～10%，圆周长度为（24.35±0.2）mm，成型纸为12000 CU。将用天然颗粒制备的滤棒与卷烟产品A的其他辅料通过卷包机进行卷包制得试验卷烟。

1.2.2 卷烟的物理指标的检测 卷烟的物理指标的检测标准为GB/T 16447-2004、YC/T 28-1996和GB/T19610-2004等。

1.2.3 卷烟的感官质量评价 以卷烟产品A的叶组，用MZ、HR和G1颗粒替换在用颗粒而成的滤棒进行卷烟卷制。将制备的卷烟与卷烟产品A进行对照，对样品的感官质量进行评价。

1.2.4 卷烟的常规烟气和主流烟气的有害成分分析 检测标准为 GB5606.5-2005、GB/T19609-2004、YC/T30-1996、YC/T156-2001、YC/T157-2001、YC/T253-2008、YC/T254-2008、YC/T255-2008、GB/T21130-2007、GB/T23228-2008等。

1.2.5 天然材料颗粒的顶空-SPME-GC-MS分析准确称取1 000 mg天然材料颗粒MZ、HR、G1样品置于22 mL顶空瓶中，按照卷烟抽吸过程中卷烟滤嘴的温度变化范围分别设定为40、60、80℃3个温度条件进行平衡和SPME萃取，萃取时间为20 min，之后将SPME进样针在气相色谱高温气化室中解吸附，进样时间为2 min，采用GC-MS进行分析，分析结果用NIST98进行检索，峰面积归一化计算相对百分含量。GC-MS条件：HP-5MS石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；载气为高纯He；载气流量1.0 mL/min；进样口温度240℃；程序升温：50℃，保持1 min；以5.0℃/min升至100℃；以8℃/min升至260℃，保持5 min。分流进样，分流比为1∶15；GC/MS接口温度280℃，质量扫描范围35～450，EI离子源温度200℃，EI电离能量70 cv。

1.2.6 天然材料的形态结构分析 用扫描电镜（SEM）分析样品的表面形貌，样品直接铺撒在导电胶上，喷金预处理，用SEM放大，从而观察不同材料的表面形态。通过氮气吸附仪分析样品的织构特征，样品检测前真空脱气3 h以上；比表面积采用BET方法计算，孔径和孔容分布采用BJH法计算。

2 试验结果与分析

2.1 颗粒功能性滤棒对卷烟物理指标的影响

通过不同滤棒制备的卷烟的物理指标的测试结果列于表1中。通过卷烟的物理指标发现，添加MZ、G1和HR颗粒对卷烟产品A的质量、圆周、吸阻、总通风度、长度和硬度的影响并不明显；同时这些结果也表明天然材料MZ、G1和HR作为滤棒添加剂能够较好的应用在卷烟产品A上。

表1 不同颗粒滤棒卷烟的物理指标Table 1 Physics indexes of the cigarettes with different materials in the tips

2.2 颗粒功能性滤棒对卷烟感官评价的影响

将以天然材料颗粒取代某卷烟产品A原有滤棒颗粒制备而成的卷烟与卷烟产品A进行卷烟感官评价分析，分析结果列于表2。

从表2中可以看出，添加了MZ、G1颗粒卷制而成的样品与对照样卷烟产品A相比较，它们的卷烟的烟香更为丰富、刺激性大大降低、舒适性得到了有效的改善，使卷烟抽吸品质得到了有效的提升；而添加了HR颗粒卷制而成的样品的卷烟与对照样卷烟产品A相比较时，刺激性更为明显，感官品质有所下降。

表2 卷烟感官评价分析结果Table 2 Sensory evaluation results of the cigarettes with different materials in the tips

2.3 颗粒物对卷烟的常规烟气的影响

将添加了天然材料颗粒MZ、G1和HR的样品与对照样卷烟产品A按照相应的标准进行常规烟气的检测，检测结果列于表3中。

将添加了天然材料颗粒物MZ、G1和HR的卷烟与对照样卷烟产品A的常规烟气中进行对比可以发现，滤嘴添加剂的改变对卷烟的烟碱改变不大；也可以发现，添加了天然材料的卷烟的烟气中总粒相物、焦油和CO的含量会出现明显的下降，而且添加了G1颗粒物的卷烟的效果更为明显，说明添加天然材料的滤嘴能起到一定的降焦作用。

表3 卷烟常规烟气分析结果Table 3 Analysis results of the conventional smoke

2.4 卷烟主流烟气有害成分分析

将添加了MZ、G1和HR颗粒卷制而成的样品和卷烟产品A进行了卷烟有害成分分析，并且按照公式计算危害性指数[12]，其中CO、HCN、NNK、NH3、B[α]P、苯酚、巴豆醛分别为14.2、146.3、5.5、8.1、10.9、17.4、18.6。检测和计算结果列于表4中。

以卷烟产品A为对照，计算了天然材料的样品的主流烟气的有害成分和危害性指数的降幅，计算结果列于表5中。

为了更加直观的表述出3种天然材料的加入对卷烟的有害成分和危害性指数的影响，所获结果见图1。

表4 卷烟主流烟气中7种有害成分检测报告Table 4 Analysis results of mainstream smokes

表5 不同颗粒的卷烟主流烟气中7种有害成分降幅比较Table 5 Comparison of the decreasing of 7 harmful ingredients in the mainstream smokes which were yielded by the cigarettes with different materials in the tips %

图1 不同颗粒的卷烟主流烟气中7种有害成分降幅比较Fig.1 Comparison of the decreasing of 7 harmful ingredients in mainstream smokes which were yielded by the cigarettes with different materials in the tips

从表5和图1中可以看出，添加了天然材料MZ的样品的烟气中除了NNK含量有所升高，其他有害成分均有所下降，而且B[α]P、巴豆醛和苯酚的降幅尤为明显[13]，分别达到了22.84%、26.38%和23.80%；添加了天然材料G1的样品的烟气中NH3的含量增加5.92%，其他成分均会明显下降，而且B [α]P、巴豆醛和NNK的降幅较大，分别达到了31.44%、41.67%和20.34%；添加了天然材料HR的样品的苯酚、NH3和NNK含量均有所增加，其中NNK的增幅达到10.41%，其他成分有所下降，而且B[α]P和巴豆醛降幅较大，分别达到了21.58%和32.29%。

添加了天然材料MZ、G1和HR颗粒的卷烟的危害性指数都有了明显的下降，而且以添加了G1颗粒的卷烟的危害性下降最多，达到了23.08%。

2.5 颗粒物对挥发性致香成分的影响

从评吸结果来看，添加了天然材料的卷烟的香味更加丰富，表明天然材料添加剂本身在抽吸时有着增香的作用。通过顶空-SPME-GC-MS方法模拟吸烟条件，考察了不同顶空温度下不同颗粒物对挥发性致香成分的影响，分析结果列于表6、表7和表8中。

表6 MZ颗粒的顶空-SPME-GC-MS分析结果Table 6 Headspace-SPME-GC-MS analysis results of the MZ particles

表7 G1颗粒的顶空-SPME-GC-MS分析结果Table 7 Headspace-SPME-GC-MS analysis results of the G1 particles

表8 HR颗粒的顶空-SPME-GC-MS分析结果Table 8 Headspace-SPME-GC-MS analysis results of the HR particles

从颗粒的顶空-SPME-GC-MS分析结果可以看出，颗粒的种类和温度都会影响致香成分的种类数和相对含量。从分析结果可以看出，这3种颗粒物在卷烟中能够起到一定的丰富香味的作用。从表6、表7和表8中可以看出，3种天然材料的致香成分都比较丰富。对3种颗粒物进行具体分析可以发现，G1、HR、MZ颗粒随着温度的升高，所释放的挥发性致香物质的种类数呈现明显的增加，香气成分越来越丰富；颗粒释放的致香成分构成发生较大改变，醛酮类、烯烃类卷烟关键致香成分所占的比重越来越大；在卷烟抽吸的后段，随着卷烟滤嘴温度的升高，颗粒释放出的挥发性致香成分更丰富，增香效果更为明显[14]。其中G1颗粒的挥发性致香成分含量明显高于HR、MZ颗粒，而且在80℃时，相对质量分数达到了69.90%。

2.6 材料形态结构分析

颗粒物的加入起到了一定的减害降焦的作用，这可能与所加入的材料形态结构是相关的，通过扫描电镜可以研究材料的表面结构[15-16]。从图2中可以看出，这3种材料都具有多孔的结构。

图2 天然材料颗粒（a）MZ，（b）G1和（c）HR的扫描电镜图片，图中标尺代表10 μmFig.2 SEM images of（a）MZ，（b）G1和 （c）HR particles.Bar represents 10 μm

为了更加深入的研究材料的结构，将这3种材料进行了氮气吸附测试，测量所得数据进行计算，获得的结果列于表9中。

表9 3种材料MZ、G1、HR的结构分析结果Table 9 Structural analysis of the MZ，G1，and HR particles

从表9的结果中可以看出，这3种材料的平均孔径都比较适中，属于介孔材料的范畴。对于这3种材料而言，它们的比表面积的大小是G1＞MZ＞HR，总孔容的大小是HR＞G1＞MZ，平均孔径大小是MZ＞G1＞HR。可以发现，G1的比表面积达到了32.1 m2/g；天然材料的结构与卷烟的减害降焦之间有着一定的关系，具有较大比表面积的材料添加到卷烟滤棒中时能起到较好的降害的作用[17]。所选择的天然材料，在具有较大比表面积时，能对卷烟的有害成分起到一定的吸附的效果。

3 结语

创新性的将3种天然材料MZ、G1和HR成功应用到卷烟产品A的滤嘴中，并且取得了较好的效果。加入了天然材料颗粒MZ和G1的产品A的卷烟在香气的丰富性、刺激性和感官品质上均较原来的产品A有了明显提升。对卷烟的常规烟气和主流烟气有害成分进行了相关的分析，结果表明添加了MZ、G1和HR颗粒的卷烟都能起到减害降焦的作用，其中以G1颗粒的效果更为明显。对3种颗粒MZ、G1和HR的挥发性致香成分进行了分析，结果表明随着温度的升高，3种颗粒的致香成分的种类和含量均有提高，能够在卷烟增香中起到一定的作用；同时也发现，在高温时，具有G1颗粒物的挥发性致香成分种类是明显高于其他两种材料。通过对3种材料MZ、G1和HR的形态结构进行研究，发现3种材料都具有多孔的结构且属于多孔材料的范畴，而且具有较大比表面积的颗粒的卷烟产品具有较好的减害降焦的作用。

综合以上的研究结果，可以看出，添加了天然材料颗粒的卷烟能在一定程度对卷烟起到增香的作用，天然材料添加剂的加入也能大大的降低卷烟的主流烟气的有害成分和卷烟的危害性指数。相信以天然材料为添加剂的滤嘴将来能在各类卷烟中得到广泛的应用。

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Application of Natural Materials as Tip Additives in Cigarette Products for Favor Enhancement and the Reduction of Harmful Substances

CAI Bo1，2， LI Yong1， YANG Lei1， FENG Hongtao1， YANG Qianxu1， YANG Qing*1
（1.Technology Centre，China Tobacco Yunnan Industrial Co.，Ltd.，Kunming 650202，China；2.Post-Doctoral Scientific Research Station of HongYunHongHe Tobacco（Group）Co.，Ltd.，Kunming 650202，China）

Structures and applications of cane（MZ），citron（HR）and cunninghamia（G1）-derived tip additives in cigaretteswere investigated by GC-MS，sensory evaluation，SPME-GC-MS and SEM. Results showed thatthe sensory quality of the cigarettes with MZ and G1 was significant improved，the hazard indexes of the cigarettes with natural materials were greatly reduced（the hazard index of the cigarette with G1 was reduced by 23.08%），three materials contained abundant aroma components with the types and the contents of aroma components in the cigarette with G1 beingthe highest at the high temperature，and the larger the specific surface area for the material was，the better the harm reduction for the cigarette was.

natural materials，harm reduction，tip，cigarette，favor enhancement

TS 411

A

1673—1689（2015）07—0772—07

2014-07-31

云南中烟工业有限责任公司科技项目（2013CP02）。

蔡 波（1985—），男，湖北仙桃人，理学博士，工程师，主要从事烟草化学研究。E-mail：caibo198553@163.com

*通信作者：杨 清（1972—），男，云南红河人，理学硕士，工程师，主要从事烟草化学研究。E-mail：yq226699@soho.com