定长切丝对细支卷烟危害性指数的影响

朱成文，王 瑞，徐如彦，吴 洋，郝喜良，吴 佳，芮金生，沈晓晨

江苏中烟工业有限责任公司，南京市建邺区梦都路30 号 210019

切丝是卷烟加工的关键工序之一，不仅影响卷烟的质量指标，还会影响卷烟的感官品质。近年来，为提高细支卷烟烟支物理指标的稳定性，40 mm 定长切丝工艺已被应用于部分细支卷烟的生产中。与常规切丝模式相比，40 mm 定长切丝可以降低烟丝的特征尺寸和长丝率，提高中丝率、短丝率和均匀性，从而提高了细支卷烟主要物理指标和主流烟气常规化学成分的批间稳定性［1-2］。但是，有关40 mm 定长切丝对细支卷烟危害性指数影响的研究则较少。目前，有关卷烟危害性指数影响的研究主要涉及烟叶原料、打叶复烤、卷烟材料、通风稀释、功能添加剂以及制丝关键工序［3-10］。切丝作为制丝关键工序之一，有关危害性指数的研究主要考察了切丝宽度。邱玉春等［3］研究了切丝宽度对卷烟主流烟气中7 种有害成分的释放量的影响；王艳丽等［4］分析不同切丝宽度对单口有害成分释放量及烟气危害性指数的影响。然而，上述针对切丝的研究主要基于常规卷烟，既缺少对细支卷烟的分析，又缺少切丝模式影响的研究。切丝模式能显著影响烟丝结构，而烟丝结构又能改变卷烟燃烧状态，从而影响卷烟的危害性指数。LI Bin 等［11-13］构建了卷烟燃烧状态的表征方法，通过燃烧锥体积、最高温度、特征温度、静燃速率及抽吸平均速率等指标，探究了燃烧状态对卷烟有害成分释放量的影响。为此，采用定长切丝与常规切丝两种不同工艺制备卷烟样品，考察烟丝结构特征和卷烟燃烧状态的变化，分析切丝模式对卷烟7 种有害成分释放量产生影响的机理，旨在为定长切丝技术在细支卷烟中的深入应用提供支撑。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

浓盐酸（质量分数为36%～38%，南京化学试剂有限公司）；氰离子标准溶液（50 mg/L，国家标准物质中心）；铵离子标准溶液（以氮计100 mg/L，中国计量科学研究院）；巴豆醛的2,4-二硝基苯腙标准品（纯度＞99%，美国Chem Service Incorporated公司）；苯酚、苯并［a］芘（纯度≥99%，美国Sigma公司）；乙腈（色谱纯，美国TEDIA 公司）；吡啶（AR，上海凌峰化学试剂有限公司）；高氯酸（AR，上海金鹿化工有限公司）；2,4-二硝基苯肼（DNPH）（AR，日本TCI 公司）；NaOH、氯胺T、邻苯二甲酸氢钾、异烟酸、1,3-二甲基巴比妥酸（AR，上海国药化学试剂公司）；30%聚乙氧基月桂醚Brij35（荷兰Skalar 公司）；甲基磺酸（98%）、乙酸铵（色谱纯，美国Fluka 公司）；NNK、d4-NNK（＞98%，加拿大TRC 公司）。

卷烟燃吸温度分布分析仪（中国烟草总公司郑州烟草研究院）；RM20H 转盘式吸烟机、RM200A 转盘式吸烟机（集成CO 分析仪模块）、DT 综合测试台（德国Borgwaldt KC 公司）；Milli-Q Integral 10 型超纯水系统（美国Millipore 公司）；AL204 电子天平（感量：0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；HY-5A 回旋振荡器（江苏省金坛市讯生仪器厂）；Binder 恒温恒湿箱（德国Binder 公司）；Skalar SAN++流动分析仪（荷兰Skalar 公司）；ICS-5000 离子色谱仪（美国Dionex公司）；7000B 型三重四极杆串联质谱仪、7890A 型气相色谱仪、Aglient6460 液相色谱-质谱联用仪、Agilent 1100 高效液相色谱仪（美国Agilent 公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷烟样品的制备

对两种规格的细支卷烟分别制作试验样和对照样，同一规格卷烟所选用的叶组相同，切丝模式分别选用平板式刀片的常规切丝模式和齿间距40 mm 的锯齿式刀片的定长切丝模式，其他制丝过程和卷接过程的工艺参数、设备参数和烟支物理指标要求均相同。以40 mm 定长切丝模式卷制的细支卷烟样品作为试验样，记为1#样品和3#样品；常规切丝模式卷制的细支卷烟样品作为对照样，记为2#样品和4#样品，其中1#样品和2#样品为同一规格，3#样品和4#样品为同一规格，卷烟的烟丝结构、特征尺寸、烟支和卷烟纸相关参数见表1 和表2。

表1 烟丝结构和特征尺寸数值Tab.1 Cut tobacco structural parameters and characteristic size

1.2.2 危害性指数的测定

在江苏中烟工业有限责任公司技术中心实验室，按照相同的单支质量、开放吸阻和总通风率范围筛选卷烟样品，采用行业标准方法［14-20］分别应用高效液相色谱仪、高效液相色谱串联质谱联用仪、气相色谱串联质谱仪、连续流动分析仪、离子色谱仪以及CO 分析仪等仪器测定卷烟样品7 种有害成分的释放量。参照文献［21］的方法，计算卷烟样品的危害性指数H。

表2 卷烟的烟支和卷烟纸相关参数Tab.2 Parameters of cigarette and cigarette paper

1.2.3 燃烧锥温度参数以及温度场分布的测定

在烟草行业烟草工艺重点实验室，参照文献［11-13］的方法应用卷烟燃吸温度分布分析仪测定4 种细支卷烟的燃烧锥最高温度、燃烧锥特征温度T0.5、静燃与抽吸过程中的瞬时燃烧速率以及温度场分布特征等。

2 结果与讨论

2.1 不同切丝模式对细支卷烟7 种有害成分释放量的影响

按照标准方法分析2 种规格4 种卷烟样品7 种有害成分的释放量，按规格分别进行对比，结果见表3。可知，与对照样2#和4#相比，试验样1#和3#的7 种有害成分的释放量变化呈现3 种趋势：①巴豆醛、苯酚和HCN 释放量降低，其中巴豆醛释放量降低6.0%和6.1%，HCN 释放量降低7.6%和13.8%，苯酚释放量下降3.8%和16.6%；②氨和NNK 释放量显著降低，其中氨释放量降低16.8%和18.5%，NNK 释放量降低18.3%和23.8%；③苯并［a］芘释放量上升6.3%和12.6%，CO 释放量略有上升。根据7 种有害成分释放量计算卷烟的危害性指数，其中1#试验样品比2#对照样品的卷烟危害性指数降低了0.61，降低比例为10.87%；3#试验样品比4#对照样品的卷烟危害性指数降低了0.30，降低比例为6.22%。

表3 4 种细支卷烟样品7 种有害成分的释放量Tab.3 Deliveries of seven harmful smoke components from four slim cigarettes

由此可见，应用40 mm 定长切丝模式后，尽管苯并［a］芘和CO 的释放量增加，但是由于氨、NNK、巴豆醛、苯酚和HCN 的释放量降低，特别是氨和NNK 释放量降低较多，因此卷烟的危害性指数仍有所降低。40 mm 定长切丝模式对于试验样品可以降低卷烟的危害性指数，尤其是在降低主流烟气中氨和NNK 的释放量方面表现突出。

2.2 不同切丝模式对细支卷烟燃烧状态的影响

2.2.1 最高燃烧温度、燃烧特征温度T0.5、升温速率及燃烧速率的变化

图1 是2 种规格4 种卷烟样品燃烧状态图，主要包含最高燃烧温度、燃烧特征温度T0.5以及升温速率等燃烧参数。由燃烧锥最高温度曲线可以看出，1#样品与2#样品相比，0 时刻的最高温度低，最高温度的峰值也低；3#样品与4#样品相比，0 时刻的最高温度高，最高温度的峰值也高。3#定长切丝样品燃烧锥的最高温度高于4#常规切丝样品，但是1#定长切丝样品燃烧锥的最高温度低于2#常规切丝样品。这主要由于最高燃烧温度是单点的测试温度，该温度直接反映了测温探针与燃烧锥接触位置的最高温度，并不能全面地反映燃烧锥整体的最高温度。所以，为了更准确地表征燃烧温度，本研究中主要考察燃烧特征温度T0.5。从燃烧特征温度T0.5可以看出，定长切丝样品1#和3#T0.5峰值明显高于常规切丝样品2#和4#。燃烧特征温度T0.5反映了卷烟燃烧锥整体的燃烧强度。抽吸过程中燃烧强度会影响有害成分的释放量，其中氨和HCN 的释放量随着燃烧温度升高而下降，苯并［a］芘和CO 释放量随着燃烧温度的升高而升高［13,22-26］，因此定长切丝后卷烟样品1#和3#氨的释放量显著下降，而苯并［a］芘和CO 释放量有所增加。从升温速率图可以看出，定长切丝样品1#和3#峰值明显高于常规切丝样品2#和4#。升温速率的快慢也可以影响卷烟有害成分的释放量，一般而言，升温速度加快，氨、苯酚释放量下降［22,27-28］，试验样与对照样相比升温速率加快，因此氨和苯酚释放量下降。

图1 4 种卷烟样品卷烟燃烧状态参数Fig.1 Characteristic parameters of combustion states of four cigarette samples

卷烟的平均抽吸速率与升温速率具有正相关性，升温速率快，平均抽吸速率也快，升温速率慢，平均抽吸速率也慢。因此，从表4 可见，定长切丝样品1#和3#的平均抽吸速率高于常规切丝样品2#和4#。

2.2.2 温度场和升温速率分布图的变化

图2 和图3 是2 个规格4 种卷烟样品的温度场分布和升温速率分布图，从图中可以更直观地发现，1#和3#定长切丝样品高温区域面积高于常规切丝样品，即定长切丝样品在抽吸过程中燃烧程度强于常规切丝样品。从升温速率图可以看出定长切丝样品1#和3#的升温速率明显快于常规切丝样品2#和4#。

表4 4 种卷烟样品燃烧速率Tab.4 Combustion rates of four cigarette samples（mm·s-1）

综上可以发现，切丝模式改变后，卷烟的烟丝结构发生了变化，并进一步影响了卷烟燃烧状态，从而影响了与卷烟危害性指数相关的7 种有害成分释放量。但是NNK 的释放量显著下降，可能是因为卷烟燃烧状态发生变化影响到了NNK 的转移和合成［29］，但其与燃烧温度的关系仍需进一步深入研究。

图2 规格1 样品1#和2#温度场和升温速率分布Fig.2 Temperature fields and heating rate distribution of Samples 1#and 2#of Specification 1

图3 规格2 样品3#和4#温度场和升温速率分布Fig.3 Temperature fields and heating rate distribution of Samples 3#and 4#of Specification 2

3 结论

（1）对比分析40 mm 定长切丝模式细支卷烟和常规切丝模式细支卷烟主流烟气中7 种有害成分的释放量，结果发现：细支卷烟的危害性指数与对照样相比分别降低了10.87%、6.22%，其中巴豆醛、苯酚和HCN 的释放量与对照样相比降低了3%～17%，氨和NNK 的释放量与对照样相比降低了16%～24%，苯并［a］芘和CO 释放量略有上升。

（2）应用40 mm 定长切丝模式后，细支卷烟烟丝结构、烟支内烟丝密度分布和烟支物理指标稳定性均发生变化，影响了燃烧特征温度T0.5、升温速率以及温度场中高温区的分布面积，从而影响了7 种有害成分的释放量，降低了细支卷烟的危害性指数。

致谢衷心感谢烟草行业烟草工艺重点实验室对本研究支持！