微波膨胀梗丝对卷烟7种烟气有害成分释放量及危害性指数的影响

赵云川，廖晓祥，陈冉，武凯，邹泉，杨光涛

云南中烟工业有限责任公司技术中心,云南省玉溪市红塔大道118号 653100

微波膨胀梗丝对卷烟7种烟气有害成分释放量及危害性指数的影响

赵云川，廖晓祥*，陈冉，武凯，邹泉，杨光涛

云南中烟工业有限责任公司技术中心,云南省玉溪市红塔大道118号 653100

为研究微波膨胀梗丝在卷烟应用中的减害效果，分析了梗丝掺配比例对卷烟7种烟气有害成分（CO、HCN、NNK、NH3、B［a］P、苯酚和巴豆醛）以及其危害性指数的影响，并与同比例传统梗丝掺配试验卷烟样品进行了对比。结果表明：在试验梗丝掺配比例范围（8%～33%）内，与传统梗丝（气流干燥梗丝）相比，微波膨胀梗丝降低烟气中CO、HCN、B［a］P和巴豆醛释放量的效果更佳，平均降低1.0 mg/支、9.43 μg/支、0.19 ng/支和0.42 μg/支。而传统梗丝对降低烟气中NNK、NH3和苯酚释放量的效果较好，平均降低0.12 ng/支、0.70 μg/支和0.23 μg/支。用卷烟危害性指数作总体评价，微波膨胀梗丝掺配样品的危害性指数均值较传统梗丝样品降低了0.1，表明其减害作用略优于传统梗丝。

微波膨胀梗丝；传统梗丝；危害性指数；主流烟气；有害成分

传统工艺膨胀后的梗丝燃吸时香气平淡，木质气较重，刺激性较大。近年来，微波膨胀烟梗技术的兴起和发展打破了传统的梗丝制备工艺，为充分利用烟梗资源开辟了新的研究领域和应用方向［1-8］。烟梗经微波处理后，原有的致密孔隙结构得到有效膨胀，形成大量多孔、多空腔且大小均匀的结构组织，不仅具有较高的填充力，又可促进卷烟的充分燃烧［9-12］，因而越来越被行业关注。目前，微波膨胀烟梗技术主要有制梗粒和制梗条丝两种形式，微波膨胀梗颗粒与烟丝掺配后，在卷接前的输送和卷制过程中易与烟丝分层分离，在烟丝中的分布均匀性较差，烟支端部落丝严重，从而影响了其在卷烟中的应用效果［7，13］。而将其经过“先切片、再切丝”的二次复切新型工艺处理，有效地克服了微波膨胀梗颗粒的上述缺陷，得到了与烟丝配伍性良好、填充值高的梗丝产品，从而提升了其在卷烟配方中的应用价值。随着微波膨胀梗丝产品应用价值的提升，其在卷烟产品中的减害作用也备受关注，尤其是对主流烟气中7种有害成分释放量的影响［14］。近年来卷烟7种有害成分释放量的影响因素研究较多［15-17］，其中不乏梗丝掺配量的影响研究。然而，目前关于微波膨胀梗丝的降焦减害效果评价还未见报道。因此，以玉溪卷烟厂微波膨胀梗丝试验线生产的微波膨胀梗丝样品为研究对象，分析不同梗丝掺配比例对7种有害成分释放量以及卷烟危害性指数（H）的影响，并与传统梗丝掺配样品形成对比，以期得到微波膨胀梗丝对卷烟产品降焦减害效果的影响趋势，为微波膨胀梗丝在产品中的配伍应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

传统梗丝、微波膨胀梗丝（玉溪卷烟厂）；滤棒（规格144 mm/24.1 mm、3 300 CU/3 430 Pa，玉溪卷烟厂）；木浆卷烟纸（定量32 g/m2，宽度26.2 mm，直螺纹50 CU，红塔蓝鹰纸业有限公司）；接装纸（定量38.5 g/m2，宽度64 mm，不通风，玉溪水松纸厂）。

CH888精密恒温恒湿箱（澳大利亚Thermoline公司）、AV5170烟支重量分选仪（中国电子科技集团公司第四十一研究所）、RM200A转盘式吸烟机（德国Borgwaldt KC公司）、Protos70卷接机组（德国Hauni公司）、1 000 kg/h微波烟梗试验线（自建）。

1.2 方法

1.2.1 样品的制备

传统梗丝工艺流程包括洗梗、贮梗、气流干燥（HT）、压梗、切丝、梗丝加料、气流干燥和梗丝加香等步骤，微波膨胀梗丝工艺流程包括梗条膨胀、洗梗、贮梗、烟梗切片、梗片切丝、梗丝加料、微波干燥和梗丝加香等步骤。取由常规梗丝工艺制备的传统梗丝、微波膨胀梗丝试验线生产的微波膨胀梗丝各50 kg，以及正常生产的叶丝200 kg，置于贮丝房平衡48 h。采用烘箱法［18］测定传统梗丝、微波膨胀梗丝、叶丝的含水率。依据含水率测定结果，折算出标准含水率（12.0%）下的物料掺配量，分别掺配后得到混合丝样品。按照改变梗丝掺配比例、滤嘴均不通风、其他参数固定的原则设计制备试验卷烟样品，制得18组试验卷烟样品，见表1。将卷制样品置入恒温恒湿箱中于22℃、相对湿度60%条件下平衡48 h，按烟支质量（900± 5）mg/支分选后备用。

表1 试验卷烟设计参数

1.2.2样品卷烟均匀性验证

将表1中的18组试验卷烟样品按质量（900± 5）mg/支分选后，参照国家标准［19］的方法检测物理指标，并按CNAS-GL03：2006［20］的方法分析每组样品的均匀性。单因素方差值均小于临界F值，表明样品组内无显著性差异，样品符合均匀性要求。

1.2.3 卷烟主流烟气中7种有害成分释放量的测定及烟气危害性指数计算

采用国家或行业标准［21-27］的方法测定卷烟主流烟气中7种有害成分的释放量，并根据文献［28］的方法，得到烟气危害性指数计算公式为：

式中：H为烟气危害性评价指数，C为实测值，R为参考值。

7种有害成分的参考值取2008年度全国卷烟主流烟气中的加权平均值，CO，HCN，NNK，NH3，B［a］P，苯酚和巴豆醛释放量的具体数值分别为14.20 mg/支，146.30 μg/支，5.50 ng/支，8.10 μg/支，10.90 ng/支，17.40 μg/支和18.60 μg/支。

1.2.4 数据处理

采用Minitab软件对CJ1～CJ6和PJ1～PJ6试验卷烟主流烟气中7种有害成分的释放量（取5次平行实验测定结果的平均值）随掺配比例的变化趋势进行方差分析，显著性水平α为0.05。

2 结果与讨论

2.1 梗丝掺配比例对卷烟抽吸口数的影响

对比分析了相同掺配比例下传统梗丝及微波膨胀梗丝对卷烟抽吸口数的影响，结果（图1）表明：当梗丝掺配比例≥13%时，掺配两种梗丝卷制样品的抽吸口数开始有明显差异。在实验范围（8%～33%）内，随着微波膨胀梗丝掺配比例的递增，卷烟抽吸口数无明显变化，约为7.7口/支，但传统梗丝掺配比例每增加5%，卷烟抽吸口数约降低0.15口/支。

图1 梗丝掺配比例对抽吸口数的影响

通过分析试验卷烟的物理特性如吸阻（图2）发现，随着梗丝掺配比例的递增，吸阻指标均呈上升趋势。即在样品卷烟质量一致时，吸阻存在较大差异，从而改变了卷烟的燃烧状态。由图2还可以看出，微波膨胀梗丝吸阻与掺配比例基本上呈线性相关关系，即当掺配比例在8%～33%范围时，以5次平行测定的均值计算，微波膨胀梗丝掺配比例每增加5%，烟支吸阻提高16 Pa［（1 085-1 005）×5%/（33%-8%）=16 Pa］。与掺配传统梗丝的试验卷烟样品相比，试验条件下6组微波膨胀梗丝掺配卷烟样品的吸阻均值高出51 Pa［（1 051-1 000）=51 Pa］，表明微波膨胀梗丝对卷烟吸阻的影响大于传统梗丝。

图2 梗丝掺配比例对卷烟吸阻的影响

2.2 梗丝掺配比例对卷烟主流烟气中7种有害成分的影响

表2为试验卷烟中7种烟气有害成分释放量及其卷烟危害性指数随梗丝掺配比例变化的数据。为考察卷烟中梗丝掺配量对7种有害成分以及卷烟危害性指数的影响趋势以及微波膨胀梗丝与传统梗丝在卷烟应用中对7种有害成分及卷烟危害性指数的影响差异，分别对表2中7种烟气有害成分释放量与梗丝掺配比例的线性关系进行了方差分析。

2.2.1 梗丝掺配比例对卷烟主流烟气中CO、HCN、巴豆醛释放量的影响

方差分析结果表明：传统梗丝、微波膨胀梗丝掺配样品中梗丝的掺配比例与CO、HCN、巴豆醛释放量之间对应的回归方程的P值分别为0.221、0.940，0.164、0.941和0.376、0.474，均大于0.05，表明主流烟气中CO、HCN、巴豆醛的释放量与梗丝掺配比例的线性关系不显著，即随着梗丝掺配比例的递增，上述3种主流烟气有害成分无明显线性变化规律。与传统梗丝掺配样品相比，试验条件下6组微波膨胀梗丝掺配样品的CO、HCN、巴豆醛释放量均值分别降低1.0 mg/支、9.43 μg/支、0.42 μg/支，表明微波膨胀梗丝对这3种有害成分的降低效果明显好于传统梗丝。

表2 卷烟样品7种有害成分检测数据及危害性指数计算结果

2.2.2 梗丝掺配比例对卷烟主流烟气中NNK、NH3、B［a］P、苯酚释放量的影响

NNK、NH3、B［a］P、苯酚释放量的方差分析结果表明：①传统梗丝、微波膨胀梗丝掺配样品中梗丝的掺配比例与四者释放量之间对应的回归方程P值分别为0.002、0.000，0.002、0.001，0.005、0.000和0.000、0.032，均小于0.05，表明主流烟气中NNK、NH3、B［a］P、苯酚的释放量与梗丝掺配比例之间呈显著线性关系，即随着梗丝掺配比例的递增，上述4种有害成分均呈明显下降趋势。②与传统梗丝掺配样品相比，试验条件下6组微波膨胀梗丝掺配样品的NNK、NH3、苯酚释放量均值分别升高0.12 ng/支、0.70 μg/支和0.23 μg/支，但B［a］P释放量均值降低0.19 ng/支。可见，微波膨胀梗丝降低卷烟样品中NNK、NH3和苯酚释放量的效果弱于传统梗丝，而降低B［a］P释放量的效果优于传统梗丝。实验中还发现，在不同的梗丝掺配比例区间，微波膨胀梗丝对NNK释放量的降低效果更稳定（表3）。

表3 不同梗丝掺配比例区间NNK变化值统计结果

2.3 梗丝掺配比例对卷烟危害性指数的影响

以梗丝掺配比例对卷烟危害性指数做回归方程，传统梗丝、微波膨胀梗丝掺配的卷制样品对应的P值分别为0.001、0.003，均小于0.05，线性关系显著，即随着掺配比例递增，卷烟危害性指数呈明显下降趋势。与传统梗丝掺配样品相比，试验条件下6组微波膨胀梗丝掺配样品的危害性指数均值约降低0.10，降低卷烟危害性指数的效果略高于传统梗丝。

通过上述线性关系方差分析结果可知，梗丝掺配比例与NNK、NH3、B［a］P、苯酚释放量、卷烟危害性指数之间均存在显著线性关系，采用线性回归分析法分别建立梗丝掺配比例（x，8%～33%）与上述4种烟气有害成分释放量及卷烟危害性指数（y）的线性关系模型，如表4所示。可见，除微波膨胀梗丝掺配比例与苯酚释放量无显著线性相关关系外，其余均为显著线性相关（R＞0.9）。

表4 梗丝掺配比例与NNK、NH3、B［a］P、苯酚释放量及卷烟危害性指数的线性模型①

采用6个外部样品对两种梗丝3个不同掺配比例下的应用效果进行对比分析，分别为CJ7/ PJ7、CJ8/PJ8、CJ9/PJ9，同时对线性模型的预测能力进行验证（表5）。

表5 验证样品4种有害成分释放量及卷烟危害性指数的预测值、实测值及相对偏差①

由表5可知，对于上述3组验证样品，4种有害成分释放量及卷烟危害性指数的预测结果与实测值基本一致，相对偏差均低于10%，表明利用所建模型能对上述4种有害成分的释放量及卷烟危害性指数进行有效预测。

以外部样品CJ7/PJ7、CJ8/PJ8、CJ9/PJ9的实测值均值对两种梗丝添加后的效果进行对比分析，其中NNK对应的均值分别为5.09和5.47 ng/支，NH3为11.31和11.56 μg/支，B［a］P为6.91和6.89 ng/支，H对应的均值分别为9.40和9.11。可见，传统梗丝降低烟气中NNK、NH3释放量的作用略优于微波膨胀梗丝，而降低B［a］P、危害性指数的作用弱于微波膨胀梗丝，这与前文所得结论一致。

3 结论

两种梗丝对于7种有害成分的影响趋势一致，随着梗丝掺配比例递增，NNK、NH3、B［a］P、苯酚释放量呈明显降低趋势，而CO、HCN、巴豆醛的释放量无明显变化规律。微波膨胀梗丝降低烟气中CO、HCN、B［a］P、巴豆醛释放量的效果较好，传统梗丝降低NNK、NH3、苯酚释放量的效果较好。在卷烟中增加梗丝掺配比例，卷烟危害性指数降低，且微波膨胀梗丝的减害作用略好于传统梗丝。根据微波膨胀梗丝与传统梗丝的减害特性，在产品中结合应用微波膨胀梗丝与传统梗丝将是未来研究和发展的重要方向。

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责任编辑 洪广峰

Influences of Microwave Expanded Cut Stems on Deliveries of Seven Harmful Components in Mainstream Smoke and Hazard Index of Cigarette

ZHAO Yunchuan,LIAO Xiaoxiang*,CHEN Ran,WU Kai,ZOU Quan,and YANG Guangtao Technology Center,China Tobacco Yunnan Industrial Co.,Ltd.,Yuxi 653100,Yunnan,China

In order to study the influences of microwave expanded cut stems on the reduction of harmful components in mainstream cigarette smoke,the effects of blending ratio of microwave expanded cut stems in cigarette on the deliveries of seven harmful components（CO,HCN,NNK,NH3,B[a]P,phenol and crotonaldehyde）in mainstream smoke and hazard index of cigarette were investigated and compared with those blended with pneumatically dried cut stems at the same blending ratio.The results showed that: Within the blending ratio of 8%-33%,microwave expanded cut stems performed better in reducing CO, HCN,B[a]P and crotonaldehyde in mainstream cigarette smoke with the average reduction amount of 1.0 mg/cig,9.43 μg/cig,0.19 ng/cig and 0.42 μg/cig,respectively;while pneumatically dried cut stems were better in reducing NNK,NH3and phenol in mainstream cigarette smoke with the average reduction amount of 0.12 ng/cig,0.7 μg/cig and 0.23 μg/cig,respectively.Viewing from the hazard index of cigarette, the cigarette blended with microwave expanded cut stems was slightly better than that blended withpneumatically dried cut stems with hazard index 0.1 point less.

Microwave expanded cut stem；Traditional cut stem；Hazard index；Mainstream cigarette smoke；Harmful component

TS411.2

A

1002-0861（2015）11-0053-06

10.16135/j.issn1002-0861.20151110

2014-10-09

2015-06-26

云南中烟工业有限责任公司项目“微波膨胀新型梗丝的应用研究”（2013GY01）；红塔烟草（集团）有限责任公司自立科研项目“新型膨胀烟梗工艺、设备技术研究及应用”（K-103.26）。

赵云川（1975—），学士，工程师，主要从事卷烟工艺研究工作。E-mail:zyc@hongta.com；*

廖晓祥，E-mail:zijinwangzhe@hongta.com

赵云川，廖晓祥，陈冉，等.微波膨胀梗丝对卷烟7种烟气有害成分释放量及危害性指数的影响［J］.烟草科技，2015，48（11）：53-58.

ZHAO Yunchuan，LIAO Xiaoxiang，CHEN Ran，et al.Influences of microwave expanded cut stems on deliveries of seven harmful components in mainstream smoke and hazard index of cigarette［J］.Tobacco Science&Technology，2015，48（11）：53-58.