滤嘴参数对细支烟主要理化指标的影响

楚文娟，孟祥士，许 旭，崔 春，李明哲，马宇平，田海英*，高明奇*

1. 河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州经济技术开发区第三大街8 号 450000

2. 河北白沙烟草有限责任公司保定卷烟厂，河北省保定市南市区玉兰大街8 号 071000

卷烟材料是卷烟设计的关键因素之一，其中“三纸一棒”的搭配对卷烟烟气的释放和卷烟感官质量具有重要影响，国内开展了大量的相关研究[1-5]。近年来，细支烟作为中式卷烟新品类，在国内获得了快速发展。与常规卷烟相比，细支烟呈现烟支细长、横截面小、吸阻较大、抽吸气流速度大的特点[6-9]。对常规卷烟的研究结论可能不适用于细支烟。文献调研发现，目前有关细支烟的研究报道主要集中在烟气化学指标[10-12]、烟机设备研制改造[13-17]、制丝卷接工艺[18-19]等方面。在细支烟材料研究方面，李海锋等[20]研究表明细支烟卷烟纸透气度、定量、助燃剂质量分数对主流烟气焦油、烟碱、CO 释放量具有显著影响。张亚平等[21]指出细支烟烟气TPM、烟碱、CO 释放量以及单位焦油CO 释放量均随卷烟纸包灰助剂质量分数和钾钠比的增大呈下降趋势，且随着卷烟纸亚麻配比和钾钠比的增大、包灰剂和助燃剂质量分数的降低，细支烟的感官质量得到改善。Bundren 等[22]通过研究适用于细支滤棒的高单旦、低总旦二醋酸纤维素丝束卷曲加工工艺，指出所成型细支滤棒压降变异系数远高于常规滤棒压降变异系数。葛畅等[13]发现细支烟TPM、烟碱、焦油、CO、水分、单口烟碱、单口焦油以及各中性致香成分的单支释放量均低于常规卷烟，这种差异由细支烟与常规卷烟多种物理指标和热解反应的差异共同导致。张大波等[23]研究指出细支烟吸阻普遍较大，烟支质量、吸阻、硬度的稳定性较差，烟气质量指标稳定性较好，优于常规卷烟控制水平。

目前，关于细支烟的基础研究仍较为薄弱，针对滤嘴参数对卷烟主要理化指标影响方面的研究鲜有报道。因此，本研究在项目组前期考察的5种丝束规格成型能力[24]的基础上，将5 种丝束规格（6.0Y/17 000、6.7Y/17 000、8.0Y/15 000、9.5Y/12 000、11.0Y/15 000）成型为不同压降的滤棒，并卷制成不同滤嘴通风率的细支烟，考察了滤嘴参数对细支烟的烟支吸阻、烟碱过滤效率、主流烟气常规成分的影响，旨在为细支烟的设计开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

6.0Y/17 000、6.7Y/17 000、8.0Y/15 000、9.5Y/12 000、11.0Y/15 000 二醋酸纤维素丝束（南通醋酸纤维有限公司）。

KDF2 滤棒成型机（沈阳飞机制造公司）；ML204 型电子分析天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler 公司）；SODIMAX 全功能综合测试台、滤棒物理指标综合测试台（法国Sodim Instrumentation公司）；KBF 型恒温恒湿箱（德国Binder 公司）；RM200A 型转盘吸烟机（德国Borgwaldt 公司）。

1.2 方法

1.2.1 不同压降滤棒的成型制备

采用6.0Y/17 000、6.7Y/17 000、8.0Y/15 000、9.5Y/12 000、11.0Y/15 000 规格的二醋酸纤维素丝束，在各自成型能力范围内，分别成型为圆周16.90 mm、长度120 mm 的不同压降梯度的滤棒。

1.2.2 不同滤嘴设计参数卷烟样品制备

以河南中烟工业有限责任公司某一在产规格细支烟为基础（烟支长度97 mm，圆周17 mm，滤嘴长度30 mm，卷烟纸定量28 g/m2，卷烟纸透气度50 CU，普通成形纸）采用同一种配方烟丝，控制相同的烟丝填充量，采用在线激光打孔，按照单因素的3 个滤棒压降梯度，搭配4 个滤嘴通风梯度，在同一机台卷接60 个卷烟样品。制作的滤棒及卷烟样品物理指标的设计值见表1。

表1 不同滤嘴参数卷烟样品设计Tab.1 Cigarette samples with different filter parameters

对制作的60 个卷烟样品进行检测，检测结果与设计值基本吻合。为提高所测卷烟样品一致性，按照吸阻为（平均值±0.03）kPa、质量为（平均值±0.02）g、滤嘴通风率为（设计值±2）%的标准对样品进行分选。

1.2.3 卷烟主流烟气化学指标检测

分别按照GB/T 16447—2004[25]、GB/T 22838—2009[26]的方法平衡卷烟样品和滤棒样品、检测滤棒物理性能。按照GB/T 16450—2004[27]的条件抽吸卷烟后，再分别根据GB/T 19609—2004[28]和GB/T 23355—2009[29]的方法测定卷烟主流烟气和滤嘴中总粒相物、焦油、水分，以及主流烟气烟碱释放量。

1.2.4 统计分析方法

统计分析采用SPSS 19.0 软件[30]，其中，方差分析采用单因素方差分析F 检验。

2 结果与讨论

2.1 丝束规格对烟支吸阻、烟碱过滤效率、主流烟气常规成分的影响

为了考察丝束规格对细支烟烟支吸阻、烟碱过滤效率、主流烟气常规成分的影响，进行了单因素方差分析，结果（表2）表明：烟支吸阻在5 种丝束规格间的差异达到显著性水平（P＜0.05）；烟碱过滤效率在5 种丝束规格间的差异达到极显著性水平（P＜0.01）；说明丝束规格对细支烟烟支吸阻、烟碱过滤效率影响显著。焦油、烟碱、CO 释放量在5 种丝束规格间的差异均未达到显著性水平（P＞0.05），因此，着重研究了滤棒压降和滤嘴通风率对细支烟焦油、烟碱、CO 释放量的影响。

表2 丝束规格对烟支吸阻、烟碱过滤效率、主流烟气常规成分释放量影响的单因素方差分析结果Tab.2 Single-factor variance analysis results of effects of tow specifications on cigarette draw resistance, nicotine filtration efficiency, releases of routine smoke components

2.2 滤嘴参数对烟支吸阻的影响

本研究中5 种规格丝束的成型能力见高明奇等[24]相关报道。高明奇等[31]研究结果表明，烟支吸阻与滤嘴通风率和滤棒压降均有显著的相关关系，且高单旦、低总旦规格的二醋酸纤维丝束更适宜于成型低压降细支滤棒，进而可以有效降低烟支吸阻。烟支吸阻是卷烟设计时一个重要物理指标，本研究中在前期研究的基础上，将60 个样品的烟支吸阻实测值与滤棒压降、滤嘴通风率、丝束单旦和丝束总旦进行拟合，得到回归方程：

式中：Y 为烟支吸阻，Pa；X1为滤棒压降，Pa；X2为滤嘴通风率，%；X3为丝束单旦；X4为丝束总旦。

回归方程的P 值小于0.05，决定系数R2为0.995，说明该回归方程有统计学意义。为了进一步验证该回归方程计算的准确性，进行了内部验证，结果见图1。

图1 烟支吸阻内部验证结果Fig.1 Internal validation results of cigarette draw resistance

由图1 可知，计算值与实测值的回归方程斜率为0.994 5，R2为0.995 3，说明计算值和实测值吻合度较好。因此，应用该回归方程可以同时进行滤棒压降、滤嘴通风率以及丝束规格的调节，进而实现对细支烟烟支吸阻的调控，可为细支烟开发提供设计依据。

2.3 滤嘴参数对烟碱过滤效率的影响

常规卷烟滤嘴参数对烟气中烟碱过滤效率的研究相对较多[1-2,4]。魏玉玲等[4]研究了卷烟材料多因素对通风率及烟碱过滤效率的影响，结果表明，对于30 mm 长的卷烟滤嘴，烟碱的过滤效率基本均大于40%。本研究中测定了细支烟在不同滤嘴通风和压降条件下的烟碱过滤效率，结果表明，同样30 mm 长的滤嘴，在0～58%滤嘴通风条件下，细支烟滤嘴烟碱过滤效率在18%～27%之间，远低于常规卷烟。原因可能是细支烟丝束单旦较高，烟气截留能力相对较弱；且细支烟直径较小，抽吸过程中烟气流通速度较高，进一步减少了对烟气的截留。

高明奇等[32]的研究结果表明，细支烟烟碱的过滤效率与滤嘴通风率呈显著的正相关关系（R2＞0.91），在研究的滤棒压降范围内，滤嘴通风率每增加10%，细支烟对烟碱的过滤效率增加0.624%～1.046%；与滤棒压降呈显著正线性相关关系（R2＞0.87）；在研究的滤嘴通风率范围内，滤棒压降每增大400 Pa，过滤效率增加1.1%～1.5%。而于川芳等[2]对常规卷烟过滤效率的研究结果表明，常规卷烟滤棒压降每增加400 Pa，烟碱过滤效率增加2.8%左右，约为细支烟的2 倍。综上可以看出，烟碱过滤效率同时受滤嘴通风和滤棒压降的影响，且相关性较强；此外，丝束规格中的单旦和总旦也是影响烟碱过滤效率的重要因素。因此本研究中采用烟碱过滤效率实测值与滤嘴通风率、滤棒压降、丝束单旦、丝束总旦进行拟合，得到回归方程：

式中：Y 为烟碱过滤效率，%；X1为滤棒压降，Pa；X2为滤嘴通风率，%；X3为丝束单旦，X4为丝束总旦。

该回归方程的P 值小于0.05，决定系数R2为0.956，说明该回归方程有统计学意义。为了进一步验证该回归方程计算的准确性，进行了内部验证，结果见图2。

图2 烟碱过滤效率内部验证结果Fig.2 Internal validation results of nicotine filtration efficiency

由图2 可知，计算值与实测值的回归方程斜率为0.934 2，R2为0.955 6，说明计算值和实测值吻合度较好。因此，利用该回归方程，可以同时进行滤棒压降、滤嘴通风率以及丝束规格的调整，进而实现对细支烟滤嘴烟碱过滤效率的精准调控。

2.4 滤嘴参数对主流烟气常规成分的影响

2.4.1 滤棒压降

不考虑丝束规格，将滤棒压降与细支烟主流烟气常规成分释放量进行拟合，结果见表3。可以看出，对于不同丝束规格的细支烟，当滤嘴通风率一定时，其焦油、烟碱的释放量与滤棒压降呈一定的负相关关系（R2＞0.663），CO 释放量与滤棒压降无相关性。在所研究的滤嘴通风率范围内，滤棒压降每增加400 Pa，烟气焦油、烟碱的释放量分别降低0.10～0.17、0.010～0.026 mg/支。与于川芳等[2]对常规卷烟的研究结果相比，滤棒压降对常规卷烟烟气成分的影响幅度明显高于细支烟，约为细支烟的3 倍。

表3 滤棒压降对细支烟主流烟气焦油、烟碱和CO 释放量的影响Tab.3 Effects of filter rod pressure drop on deliveries of tar, nicotine, and CO in mainstream smoke of slim cigarettes

2.4.2 滤嘴通风率

对于同一丝束规格，将滤嘴通风率与细支烟主流烟气释放量进行拟合，结果见表4。可以看出，对于同一滤棒压降，其焦油、烟碱、CO 的释放量与滤嘴通风率呈负相关关系（R2＞0.86）。滤嘴通风率每增加10%，烟气焦油、烟碱和CO 释放量的降 低 量 分 别 为0.623～0.817、0.041 9～0.053 0 和0.625～0.698 mg/支。与于川芳等[1]对常规卷烟的研究结果相比，滤嘴通风率对常规卷烟主流烟气常规成分的影响幅度是细支烟的3 倍左右。

2.4.3 滤嘴参数与主流烟气常规成分释放量的回归方程

由于丝束规格主要影响滤棒压降，且单因素方差分析表明焦油、烟碱、CO 释放量在5 种丝束规格间的差异均未达到显著性水平（P＞0.05）。因此，本研究中采用细支烟常规成分释放量实测值与滤棒压降、滤嘴通风率进行拟合，得到如下回归方程：

表4 滤嘴通风率对细支烟烟气焦油、烟碱和CO 释放量的影响Tab.4 Effects of filter ventilation rate on deliveries of tar, nicotine, and CO in mainstream smoke of slim cigarettes

式中：Y 为焦油释放量，mg·支-1；X1为滤棒压降，Pa；X2为滤嘴通风率，%。

式中：Y 为烟碱释放量，mg·支-1；X1为滤棒压降，Pa；X2为滤嘴通风率，%。

式中：Y 为CO 释放量，mg·支-1；X2为滤嘴通风率，%。

焦油、烟碱、CO 的回归方程的P 值均小于0.05，且决定系数R2均大于0.970，说明3 个回归方程均有统计学意义。为了进一步验证该回归方程计算的准确性，进行了内部验证，见图3。

由图3 可知，主流烟气常规成分释放量计算值与实测值的回归方程的斜率分为0.984 9、0.974 4、0.983 0，R2分别为0.984 1、0.972 4、0.982 4，说明主流烟气常规成分释放量的计算值和实测值吻合度较好。因此，可以利用主流烟气常规成分释放量回归方程，通过调整滤棒压降和滤嘴通风率，实现对细支烟常规烟气成分释放量的精准调控。

图3 主流烟气常规成分释放量内部验证结果Fig.3 Internal validation results of routine smoke components

3 结论

①单因素方差分析结果显示：烟支吸阻和烟碱过滤效率在5 种丝束规格间的差异分别达到显著和极显著的水平，而主流烟气常规成分释放量在5 种丝束规格间的差异均未达到显著性水平。②焦油、烟碱的释放量与滤棒压降和滤嘴通风率均负相关，CO 释放量与滤棒压降无相关性，与滤嘴通风率负相关。③滤嘴参数对细支烟主流烟气常规成分释放量、滤嘴烟碱过滤效率的影响幅度低于常规卷烟。④建立了烟支吸阻、烟碱过滤效率、主流烟气常规成分释放量与滤嘴参数的回归方程，且R2均大于0.95，内部验证显示回归方程计算值与实测值吻合度较好。本研究结果可为细支烟理化指标的精准调控、细支烟数字化设计的实现提供支撑。