抽吸模式对纸打孔细支卷烟烟气释放量的影响

何红梅 张 媛 朱怀远 庄亚东 熊晓敏 刘献军

(江苏中烟工业有限责任公司技术研发中心，江苏 南京 210019)

卷烟烟气是在燃烧过程中卷烟组分经过热解、降解、蒸馏等一系列复杂的物理和化学变化形成的[1]。卷烟纸直接参与卷烟的燃烧，其透气度与卷烟燃烧过程中烟草成分的热解和化学反应、烟气有害成分的产生量密切相关[2]，是影响卷烟燃烧的一项重要参数。打孔是改变纸透气度常用的一种方式[3]，针对接装纸打孔对卷烟烟气释放量的影响，研究人员[4-8]已开展较为深入的研究。在卷烟纸方面，已有研究[9-10]显示，提高卷烟纸的助燃剂K/Na比例以及添加不同金属盐的卷烟纸可促进卷烟纸纤维的裂解致孔，有效降低烟气中HCN和CO释放量。但直接在卷烟纸上打孔尚鲜有报道。

由于国际标准化组织烟草技术委员会规定的吸烟机参数标准条件(ISO抽吸模式)越来越受到一些国家和地区的反对和质疑，WHO推荐制定了“加拿大深度抽吸(HCI)模式”国际标准[11]。这2种模式下，常规卷烟主流烟气及有害成分释放量差异性研究已有相关报道[12-16]。然而针对细支卷烟、不同抽吸模式下纸打孔透气度对烟气释放量的影响及差异性尚未见报道。另一方面，细支卷烟的发展呈现个性化的发展趋势，研究纸打孔卷烟主流烟气化学成分的逐口释放规律可以为细支卷烟的设计提供技术支撑。

本研究针对不同打孔参数的细支卷烟样品，分析ISO与HCI 2种抽吸模式下打孔卷烟主流烟气中焦油和烟碱的逐口递送趋势，旨在为降低卷烟主流烟气中相关化学成分的释放量提供理论参考和技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

样品：烟支长度为97 mm，圆周17 mm，首孔距离烟支末端均为2 mm，其余参数见表1(图1为卷烟孔带示意图)，江苏中烟工业有限责任公司；

异丙醇：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

乙醇：色谱纯，天津科密欧化学试剂有限公司；

正十七碳烷：色谱纯，梯希爱(上海)化成工业发展有限公司；

烟碱标液：>97%，郑州烟草研究院；

20孔道吸烟机：RM20H型，德国Borgwaldt KC公司；

综合测试台：DT-5型，德国Borgwaldt KC公司；

气相色谱仪：7890A型，美国Agilent公司；

电子天平：AL204型，瑞士Mettler Toledo公司。

表1 不同卷烟样品打孔参数及物理指标Table 1 Perforation parameters and physical index of different cigarette samples

图1 卷烟孔带示意图Figure 1 Schematic diagram of the cigarette hole belt

1.2 方法

按照GB/T 16450—2004《常规分析用吸烟机定义和标准条件》规定的条件逐口抽吸卷烟。抽吸完毕，按照GB/T 19609—2004《卷烟常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》、GB/T 23203.1—2013 《卷烟 总粒相物中水分的测定 第1部分：气相色谱法》及GB/T 23355—2009 《卷烟 总粒相物中烟碱的测定 气相色谱法》处理每口抽吸的剑桥滤片，测定每口烟气粒相物中焦油、水分及烟碱的含量。每个样品平行测定2次。

2 结果与讨论

2.1 ISO模式下焦油、烟碱释放量

表2、3给出了ISO模式下不同卷烟样品的逐口烟气焦油、烟碱释放量。结果表明，完整抽吸口序时(前5口)，各样品焦油逐口释放量范围为0.294 7～1.387 3 mg/Cig，烟碱逐口释放量范围为0.032 5～0.151 7 mg/Cig，各样品焦油、烟碱逐口释放量随抽吸口序的增加呈显著增加趋势。对照样品的焦油和烟碱方差分别是0.067 2和0.000 9，均小于纸打孔样品，表明相对于纸打孔样品，对照样品逐口烟气释放量的变化趋势较为平缓。

与对照样品相比，纸打孔卷烟样品从燃烧端进入的空气流量被分割为从燃烧锥端和孔带处两部分进入，增加了烟气的稀释度；另一方面，纸打孔增加了纸通风率，改变了卷烟燃烧锥燃烧状态，氧气补给速率提升，引起卷烟烟丝在富氧状态下燃烧[17]，焦油释放量也相应降低。因此，纸打孔样品的焦油释放量有不同程度降低。

表2的结果显示，与对照样相比，纸打孔卷烟样品第1口的焦油释放量均明显降低，且随着孔带宽度的增加，P4～P6第1口焦油释放量显著降低，P1～P3第1口焦油释放量变化规律不够明显。随着抽吸口序的进行，烟支燃烧端向滤嘴端前移，燃烧锥接近或通过打孔位置，抽吸至第3口时，P1～P3 3个样品的燃烧锥已全部通过打孔位置，P4～P6 3个样品的燃烧锥接近最后一个打孔位置，打孔数目的减少，直接导致打孔对卷烟焦油释放量的影响进一步减小。因此，并非所有纸打孔样品的第2口焦油释放量均低于对照样品，抽吸至第3口时，纸打孔样品的焦油释放量与对照样品已无明显差异。

表3的数据显示，卷烟纸打孔，对于卷烟焦油释放量的影响较烟碱更加明显。P6的焦油降幅高达9.38%，而烟碱降幅仅为0.46%，其第2口焦油降幅为30.93%，烟碱释放量仅从0.099 7 mg/Cig 降至0.084 5 mg/Cig，降幅为15.25%。与对照样品相比，纸打孔卷烟的烟碱总释放量变化幅度并不明显，P3样品的烟碱总释放量变化幅度最大，也仅增加了4.07%。这可能是烟气中的烟碱由烟草中的烟碱直接迁移而来[18]，盘纸打孔降低了卷烟燃烧锥的温度，致使焦油有所降低[19]，但是燃烧锥温度仍远高于烟碱的迁移温度(160～220 ℃)[20]。

2.2 HCI模式下焦油、烟碱释放量

表4、5给出了HCI模式下不同卷烟样品的焦油、烟碱逐口释放量。由于采用了更小的抽吸频率、更大的抽吸容量以及滤嘴通风孔的完全封闭，样品的抽吸口数明显增加，焦油和烟碱释放量明显高于ISO模式下的释放量。对照样品HCI模式下焦油、烟碱释放量分别是ISO模式的2.92，2.32倍，P6样品更是高达3.30，2.40倍。

表2 ISO模式下不同卷烟样品烟气中焦油释放量Table 2 The yield of tar in mainstream smoke of different cigarette samples under ISO regime

表3 ISO模式下不同卷烟样品烟气中烟碱释放量Table 3 The yield of nicotine in mainstream smoke of different cigarette samples under ISO regime

表4 HCI模式下不同卷烟样品烟气中焦油释放量Table 4 The yield of tar in mainstream smoke of different cigarette samples under HCI regime

表5 HCI模式下不同卷烟样品烟气中烟碱释放量Table 5 The yield of nicotine in mainstream smoke of different cigarette samples under HCI regime

与ISO模式不同，HCI模式下各样品完整抽吸口序时(前8口)，只有前5口的焦油和烟碱释放量随抽吸口序的增加而增加，第7口开始，基本呈现逐渐降低的趋势。这可能是随着抽吸口序的进一步增加，烟支变短，烟气在未燃烧烟支内部的沉积、冷凝等因素令抽吸燃烧期间压降升高、截留效应增加[21-22]。

在HCI模式下，卷烟纸打孔对样品烟气中焦油和烟碱释放量与ISO模式有较大的区别。与对照样品相比，只有P6样品前7口的焦油释放量有一定降低，P1样品前5口略有下降，但是两样品的总焦油释放量较对照样均有所升高，其中P6的焦油升高了2.29%，P1升高了0.93%，其它4个样品总焦油和烟碱释放量均比对照样品高，焦油和烟碱增幅分别为0.94%～6.56%和0.45%～6.7%，表明在HCI模式下，卷烟纸打孔对于卷烟整体焦油和烟碱释放量有不利的影响。

2.3 2种抽吸模式下焦油与烟碱释放量分析

ISO模式下，P1～P6样品前3口焦油释放量变化较为明显，因此，进一步比较分析了2种抽吸模式下前3口焦油逐口释放量的增长率。图2为不同卷烟样品两种抽吸模式下前3口烟气中焦油的逐口增长率。如图2所示，ISO模式下第1口到第2口的增长率最高，其对照样增长率为32.3%，P1～P6增长率为56.0%～90.9%，而HCI模式下对照样增长率只有5.1%，P1～P6增长率为11.4%～30.8%，远低于ISO模式下的增长率；第2口到第3口，对照样增长率为36.1%，打孔卷烟增长率为33.7%～67.6%，纸打孔样品的增长率有所减小，HCI模式下对照样增长率为20.8%，打孔卷烟增长率为11.0%～38.8%，缩小了与 ISO模式增长率之间的差距；ISO模式下第3口到第4口的增长率继续迅速降低，此时卷烟样品HCI模式下的增长率已与ISO模式相当。前3口焦油增长率的变化趋势反映了ISO模式下焦油逐口释放量的变化趋势较HCI模式大。

与对照样品相比，HCI模式下，纸打孔样品的焦油和烟碱总释放量均有不同程度的升高。P4样品的焦油增幅最大，达6.57%，烟碱增幅达6.69%。一方面是由于纸打孔时，静燃速率未受卷烟纸打孔的影响[23]，卷烟抽吸口数明显增加所致(表5中P6样品的抽吸口数较对照样增加了0.9口)；另一方面，尽管HCI模式下，采用较高的抽吸容量，卷烟燃烧温度升高，而阴燃温度差异性不大[19]，抽吸结束后热气流降温速率较快，有利于挥发性成分的迅速冷凝，以及在下一口抽吸时向烟支下游的递送，同时，抽吸燃烧期间升温速率的升高，也进一步增加了烟气焦油释放量[24]。

2.4 2种抽吸模式下烟碱/焦油比分析

表6给出了2种抽吸模式下，烟气中烟碱/焦油比值的分析结果。从表6中可以看出，HCI模式下，与对照样品相比，总的烟碱/焦油比数值变化不大，变化范围为0%～2.12%，但是无论是总烟碱/焦油比还是逐口烟碱/焦油比，打孔卷烟与对照样品均未呈现明显的变化规律。而在ISO模式下，纸打孔卷烟的总烟碱/焦油比均大于对照样品，且呈现打孔数目相同的情况下，总烟碱/焦油比随着孔带宽度的增加而增加，孔带宽度相同时，烟碱/焦油比随着打孔数目的增加而升高的趋势。ISO模式下的逐口烟碱/焦油比值显示，针对完整抽吸口序(前5口)，相同打孔数目下，随着孔带宽度的增加，P1～P3样品第2口的烟碱/焦油比逐渐升高，第3口先降低后升高，第4口和第5口又逐渐升高。P4～P6样品第2口和第3口的烟碱/焦油比逐渐升高，第4口先降低后升高，第5口又逐渐升高。如前文所述，相对于对照样品，打3个孔时，第3口为过渡抽吸口序，打4个孔时，第4口为过渡抽吸口序，纸打孔对卷烟燃烧状态的影响所致。有研究表明，烟草中烟碱保持一定水平，吸烟者抽吸低焦油卷烟时无代偿作用[25]，而且烟碱/焦油比与卷烟的香气、杂气、刺激性、余味等指标之间均呈极显著线性正相关关系[26]，即烟碱/焦油比在一定范围内增加时，卷烟的综合质量较好，设计低焦油卷烟时，应设法提高烟碱/焦油比的数值。本研究的纸打孔卷烟在焦油释放量降低的同时，烟碱/焦油比仍维持在较高的水平，可为低焦油细支卷烟的设计提供一定的技术支撑。

图2 不同卷烟样品2种抽吸模式下前3口烟气中 焦油的逐口增长率

Figure 2 The growth rate of tar in the first three puff with different cigarette samples under the two smoke regimes

表6 2种模式下不同卷烟样品主流烟气烟碱/焦油比Table 6 The nicotine/tar ratio in the mainstream smoke of different cigarette samples under the two smoke regimes

3 结论

ISO模式下，卷烟纸打孔细支卷烟的焦油释放量整体呈现下降趋势，烟碱释放量无明显变化，打孔样品的总烟碱/焦油比均大于对照样品，且烟碱/焦油比与孔带宽度、打孔数目呈正比，即在焦油释放量降低的同时，烟碱/焦油比仍保持在较高水平，这可为有效解决低焦油卷烟烟气满足感提供技术支撑。HCI模式下，卷烟纸打孔细支卷烟的焦油和烟碱总释放量均有不同程度的升高，且在完整抽吸口序下，第6口以后的逐口释放量呈现逐渐减小的趋势。一般说来，随着通风率的增加，焦油释放量降低；完整抽吸口序下，随着抽吸口序的增加，逐口释放量呈现增加趋势，本研究结论与此相左。这可能是在HCI模式下，卷烟纸打孔改变了卷烟的燃烧状态所致，下一步将针对2种抽吸模式下卷烟燃烧锥燃烧温度、逐口在线压降变化情况的差异性开展深入研究。