通风对细支烟主流烟气常规成分及7种有害成分释放量的影响

杨松，岳保山，孙培健，孙学辉，王宜鹏，颜权平，贾云祯，秦亚琼，聂聪，张晓兵，余振华*，蔡君兰*

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院烟草行业烟草化学重点实验室，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号450001

2.云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市五华区红锦路367号650000

通风技术是卷烟设计中使用较多的技术，是降焦减害的一种重要技术手段。卷烟通风的实现方式主要包括滤嘴通风和卷烟纸通风。通风主要通过影响卷烟的燃烧以及烟气的稀释、过滤和扩散，进而影响主流烟气化学成分释放量［1-4］。谢剑平等［5］研究确定了卷烟主流烟气代表性有害成分为CO、氰化氢（HCN）、4-（甲基亚硝氨基）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮（NNK）、氨（NH3）、苯并[a]芘（B[a]P）、苯酚和巴豆醛（以下简称7种有害成分）。以往已开展了大量通风对常规卷烟主流烟气7种有害成分影响的研究工作［6-9］。近年来，国内细支烟产销量快速增长，已成为烟草企业和消费市场关注的热点之一［10］。与常规卷烟相比，细支烟的圆周大幅降低、烟支长度增长，导致细支烟烟气化学成分的生成、过滤和扩散均与常规卷烟差异较大［11］，其辅材参数对烟气成分的影响规律与常规卷烟有较大不同［10］。对于细支烟来说，辅材参数对烟气化学成分的影响研究主要集中在常规成分和香味成分，如杨松等［10］考察了卷烟纸透气度和定量、丝束规格以及接装纸透气度对细支烟烟气常规成分释放量及感官质量的影响，董艳娟等［12］考察了卷烟纸参数对细支烟烟气常规成分释放量的影响，周全等［13］考察了卷烟纸参数对细支烟主流烟气常规化学成分和香味成分释放量的影响，张亚平等［14］考察了卷烟纸组分对常规和细支烟烟气释放量的影响，高明奇等［15］考察了细支烟滤嘴参数对烟碱过滤效率的影响。楚文娟等［16］建立了基于材料参数（滤嘴通风、滤棒压降、卷烟纸定量、卷烟纸透气度、卷烟纸助燃剂质量分数和卷烟纸助燃剂钾钠比）的细支烟主流烟气焦油、7种有害成分、烟碱释放量及H值的预测模型。迄今为止，通风对细支烟主流烟气7种有害成分影响的研究鲜见报道。因此，考察了滤嘴通风和卷烟纸通风对细支烟烟气常规化学成分和7种有害成分的影响，旨在为细支烟设计和开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

1.1.1 实验卷烟

采用相同烤烟型烟丝，卷制具有不同滤嘴通风率和卷烟纸透气度的细支烟，滤嘴通风通过在线打孔方式实现，实验卷烟设计方案见表1。

表1实验卷烟的设计方案①Tab.1 Design scheme of test cigarettes

采用标准测试方法对实验卷烟和卷烟纸的物理指标进行测试，结果分别见表2和表3。由表2可知，所有烟支质量基本一致，变异系数为1.4%；滤嘴通风率基本达到设计要求，烟丝段通风率随卷烟纸透气度升高而增大，样品卷烟符合设计要求。由表3可知，卷烟纸参数实测值与设计值基本一致，达到设计要求。

1.1.2 仪器和试剂

SM450直线型吸烟机（英国Cerulean公司）；AA3连续流动分析仪（德国Bran Luebbe公司）；TurboVap LV浓缩氮吹仪（美国Zymark公司）；ICS-2500离子色谱仪（美国Dionex公司）；Aglient 6890气相色谱-热能分析联用仪（GC-TEA）、Agilent 6890-5973N气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）、Agilent 1200高效液相色谱仪（配备二极管阵列检测器DAD）（美国Agilent公司）；AL-204-IC电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）。

表2实验卷烟物理参数Tab.2 Physical parameters of test cigarettes

表3卷烟纸参数实测值Tab.3 Measured parameters of cigarette papers

氯胺T（AR,天津光复精细化工研究所）；异烟酸、1,3-二甲基巴比妥酸（99%,北京百灵威科技有限公司）；4-（甲基亚硝氨基）-1-（3-吡啶基）-1-丁酮（NNK）、9-苯基蒽、苯并[a]芘（B[a]P）（标准物质，≥98%，中国标准物质中心）；苯酚（标准物质，≥99.5%，美国Chem Service Standards公司）；2,4-二硝基苯肼、巴豆醛、苯甲醛-2,4-二硝基苯腙（≥98%，美国Supelco公司）；环己烷、二氯甲烷、甲醇、乙腈（色谱纯，美国J T Baker公司）；其他试剂均为市售分析纯。

1.2 方法

1.2.1 卷烟物理参数分析

采用GB/T 22838—2009［17］的方法进行卷烟质量、开式吸阻、滤嘴通风率、总通风率和圆周等物理参数分析。

1.2.2 烟气常规成分和7种有害成分分析

采用相应的国家或烟草行业标准方法测定卷烟主流烟气焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛释放量［18-27］，并计算相应的H值。

2 结果与讨论

2.1 总通风率对细支烟烟气常规成分及7种有害成分释放量的影响

样品卷烟常规成分释放量结果见表4，7种有害成分释放量及H值见表5。

表4不同通风率细支烟主流烟气常规成分释放量Tab.4 Releases of routine components in mainstream smoke of slim cigarettes with different ventilationrates（mg∙支-1）

表5不同通风率细支烟主流烟气7种有害成分释放量及H值Tab.5 Releases of seven harmful components in mainstream smoke and the H index of slim cigarettes with different ventilation rates

将总通风率与总粒相物、焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值进行线性拟合，结果见表6。线性拟合结果表明，总通风率与总粒相物、焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值均负相关；总通风率增加1%，CO、HCN和巴豆醛等释放量的降低率较高。这可能是由于CO、HCN和巴豆醛的沸点较低、主要分布于烟气气相，而通风对气相成分影响较大［28］导致的。

为了考察总通风对单位焦油烟气释放量的影响，将总通风率与单位焦油烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值进行线性拟合，结果见表7。线性拟合结果表明，总通风率与单位焦油烟碱、NNK、氨和苯酚的释放量及H值均正相关，与单位焦油CO、HCN和巴豆醛的释放量负相关，与单位焦油水分和B[a]P释放量无相关关系。这是由于随总通风的增加，烟碱、NNK、氨和苯酚的释放量及H值的降低幅度小于焦油的降低幅度，CO、HCN和巴豆醛释放量的降低幅度大于焦油的降低幅度（表6）。

表6总通风率与总粒相物、焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值线性拟合结果Tab.6 Regression equation parameters of releases of TPM,tar,nicotine,CO,moisture,HCN,NNK,ammonia,B[a]P,phenol and crotonaldehyde and the H index value with total ventilation rate

表7总通风率与单位焦油烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值线性拟合结果Tab.7 Regression equation parameters of releases of nicotine,CO,moisture,HCN,NNK,ammonia,B[a]P,phenol and crotonaldehyde per unit tar basis and the H index with total ventilation rate

2.2 滤嘴通风率对细支烟烟气常规成分及7种有害成分释放量的影响及与常规卷烟对比分析

在卷烟纸透气度20、40、50和80 CU下，将滤嘴通风率与总粒相物、焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值进行线性拟合，结果见表8。可知：①线性拟合结果表明，在不同卷烟纸透气度下，滤嘴通风率与总粒相物、焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值均负相关；②在不同卷烟纸透气度下，滤嘴通风率增加1%，CO、HCN和巴豆醛的降低率较高，这与上述总通风的影响是一致的。

为了考察滤嘴通风对单位焦油烟气释放量的影响，将滤嘴通风率与单位焦油烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值进行线性拟合（卷烟纸透气度为50 CU时），结果见表9。线性拟合结果表明，滤嘴通风率与单位焦油烟碱、NNK、氨和苯酚的释放量及H值均正相关，与单位焦油CO、HCN和巴豆醛的释放量负相关，与单位焦油水分和B[a]P的释放量无相关关系。这是由于随滤嘴通风的增加，烟碱、NNK、氨和苯酚释放量的降低幅度小于焦油，CO、HCN和巴豆醛释放量的降低幅度大于焦油，这与总通风对单位焦油烟气释放量的影响趋势一致。

表8滤嘴通风率与总粒相物、焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值线性拟合结果Tab.8 Regression equation parameters of releases of TPM,tar,nicotine,CO,moisture,HCN,NNK,ammonia,B[a]P,phenol and crotonaldehyde and the H index with filter ventilation rate

表8（续）

表9滤嘴通风率与单位焦油烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值线性拟合结果①Tab.9 Regression equation parameters of releases of nicotine,CO,moisture,HCN,NNK,ammonia,B[a]P,phenol,crotonaldehyde per unit tar basis and the H index with filter ventilation rate

为了对比滤嘴通风率对细支和常规卷烟主流烟气常规成分和7种有害成分的释放量及H值的影响，同时参考以往文献报道［6,29］，列出滤嘴通风率与常规卷烟主流烟气常规成分、7种有害成分释放量及H值的回归方程参数，滤嘴通风率与细支烟主流烟气常规成分、7种有害成分释放量及H值的回归方程参数选择表6中卷烟纸透气度为50 CU时的结果（因文献中常规卷烟卷烟纸透气度为60 CU），具体结果见表10。可知：①滤嘴通风率与细支和常规卷烟的常规成分和7种有害成分的释放量、H值均负相关；滤嘴通风率增加1%时，细支烟焦油、烟碱、CO、HCN、氨、苯酚和巴豆醛的释放量及H值的降低率均小于常规卷烟，NNK和B[a]P两种成分无差异。说明滤嘴通风率对细支烟焦油、烟碱、CO、HCN、氨、苯酚和巴豆醛的释放量及H值的影响小于常规卷烟。细支烟横截面积仅为常规卷烟的48.5%（23/47.4），在标准抽吸条件下，细支烟的气体流速远大于常规卷烟，可能是滤嘴通风对细支烟烟气影响小于常规卷烟的主要原因。②滤嘴通风率对细支烟和常规卷烟NNK和B[a]P的影响差异较小，这可能是由于NNK和B[a]P沸点较高，受通风影响较小。

表10滤嘴通风率对细支和常规卷烟主流烟气常规、7种有害成分释放量及H值影响比较Tab.10 Comparison of influences of filter ventilation rate on releases of routine components and seven harmful components in mainstream smoke and the H index between slim and king-sized cigarettes

2.3 卷烟纸通风对细支烟烟气常规成分及7种有害成分释放量的影响及与常规卷烟对比分析

由于滤嘴通风率对烟气常规成分及7种有害成分释放量有影响，因此选择在滤嘴通风率为0条件下，考察纸通风对细支烟烟气常规成分及7种有害成分释放量的影响。

将纸通风率与总粒相物、焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值进行线性拟合，结果见表11。结果表明：①线性拟合结果表明，卷烟纸通风率与总粒相物、焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛释放量及H值均负相关；②纸通风率增加1%，CO、HCN和巴豆醛的降低率较高，这与上述总通风和滤嘴通风的影响是一致的；③纸通风增加1%时，总粒相物、焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、苯酚、巴豆醛及H值的降低率均大于滤嘴通风率增加1%时的降低率，表明卷烟纸通风的影响大于滤嘴通风，这可能是由于卷烟纸的通风孔较小（孔径为1μm左右［30］），滤嘴在线打孔的孔径较大（孔径约为100μm左右），相同通风率下较小的孔径更有利于烟气的扩散［31］。

为了考察纸通风对单位焦油烟气释放量的影响，将纸通风率与单位焦油烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值进行线性拟合（滤嘴通风率为0时），结果见表12。线性拟合结果表明，纸通风率与单位焦油烟碱、氨释放量均正相关，与单位焦油CO、HCN和巴豆醛的释放量及H值均负相关，与单位焦油水分、NNK、B[a]P和苯酚释放量均无相关关系。这是由于随纸通风的增加，烟碱和氨释放量的降低幅度小于焦油，CO、HCN和巴豆醛的释放量及H值的降低幅度大于焦油。

表11卷烟纸通风率与总粒相物、焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛的释放量及H值线性拟合结果Tab.11 Regression equation parameters of releases of TPM,tar,nicotine,CO,moisture,HCN,NNK,ammonia,B[a]P,phenol,crotonaldehyde and the H index with ventilation rate of cigarette paper

为了对比卷烟纸通风对细支和常规卷烟主流烟气常规成分、7种有害成分释放量及H值的影响，同时参考以往文献报道［6,32］，表13中同时列出卷烟纸透气度与常规卷烟主流烟气常规成分、7种有害成分释放量及H值的回归方程参数。可知：①卷烟纸透气度与细支和常规卷烟的7种有害成分释放量、H值均呈负相关关系；②卷烟纸透气度增加10 CU时，细支烟烟气焦油、烟碱、CO、HCN、氨、B[a]P和苯酚释放量及H值降低率均小于常规卷烟，说明纸通风对细支烟烟气焦油、烟碱、CO、HCN、氨、B[a]P和苯酚释放量及H值的影响小于常规卷烟。

表12纸通风率与单位焦油烟碱、CO、水分、HCN、NNK、氨、B[a]P、苯酚和巴豆醛释放量及H值的线性拟合结果①Tab.12 Regression equation parameters of releases of nicotine,CO,moisture,HCN,NNK,ammonia,B[a]P,phenol and crotonaldehyde per unit tar basis and the H index with the paper ventilation rates

表13卷烟纸透气度对细支和常规卷烟主流烟气常规成分和7种有害成分释放量及H值影响比较Tab.13 Comparison of influences of cigarette paper air permeability on releases of routine components and seven harmfulcomponents and the H index between slim and king-sized cigarettes

3 结论

①总通风率、滤嘴通风率、纸通风率与细支烟主流烟气常规成分、7种有害成分释放量及H值呈负相关关系；②总通风率、滤嘴通风率或纸通风率增加1%时，CO、HCN、巴豆醛降低率较高；③纸通风对细支烟总粒相物、焦油、烟碱、CO、水分、HCN、NNK、苯酚和巴豆醛的释放量及H值的影响大于滤嘴通风；④滤嘴通风和纸通风对细支烟焦油、烟碱、CO、HCN、氨和苯酚的释放量及H值的影响小于常规卷烟。