不同长度、圆周、切丝宽度卷烟主流烟气常规指标释放量及其变化

李 超，崔柱文，蔡洁云，张 涛，秦云华，李世杰，姜 黎，刘 巍*

1. 云南中烟工业有限责任公司技术中心卷烟产品质量检测中心，昆明市五华区红锦路181 号 650023 2. 云南省烟草质量监督检测站，昆明市科医路41 号 650106 3. 红云红河烟草（集团）有限责任公司，昆明市红锦路367 号 650231

国内外研究表明，卷烟质量、吸阻［1-3］、烟用辅料规格［4-5］、切丝宽度［6-8］等卷烟物理参数协同影响着卷烟的燃烧性和烟气指标。与常规卷烟相比，烟丝填充量少、烟气过滤效率低等因素导致细支烟具有主流烟气总粒相物、烟碱和CO 释放量较低等特点［9-14］。例如罗彦波等［11］以叶组相同的3 种圆周卷烟为研究对象，分析了ISO 和加拿大深度（HCI）抽吸模式下的主流烟气常规指标、烟气危害性评价指数（H）和体外毒理学指标，发现不同圆周卷烟主流烟气单位烟碱H指数随着圆周的降低而下降。葛畅等［12］以叶组相同的细支和常规卷烟为研究对象，从单支卷烟和单位焦油的角度考察了两种规格卷烟常规烟气指标及粒相物中中性致香成分的差异，发现细支卷烟总粒相物（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分析结果均低于常规卷烟。中支烟、短支烟同样具有烟丝填充量少等特点，但烟支长度、切丝宽度和烟支圆周对卷烟主流烟气各种成分释放量影响的系统性研究，尤其是其对卷烟主流烟气常规指标释放量及其变化分析的研究尚未见报道。因此，对不同烟支长度、切丝宽度和烟支圆周卷烟的主流烟气常规指标进行研究，旨在揭示不同烟支长度、切丝宽度和烟支圆周卷烟烟气的释放特征，为中支、短支烟的研发提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

卷烟样品分别由玉溪卷烟厂和昆明卷烟厂按照设计方案卷制。

烟碱（≥98.5%，国家烟草质量监督检验中心提供）；一氧化碳标准气体（＞99.99%，国家标准物质研究中心）；乙醇（色谱纯，德国Merck 公司）；十七烷（内标，≥98.5%，美国TCI 公司）；异丙醇（AR，西陇化工股份有限公司）。

MS204S 电 子 天 平（感 量0.000 1 g，瑞 士Mettler Toledo 公司）；RM200A 转盘型吸烟机、7890A 气相色谱仪（美国Agilent 公司）；定量加液器（德国Brand 公司）；HY—8 调速振荡器（常州国华电器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 不同圆周卷烟样品的卷制

选择2016 年生产的同一产地、同一等级、同一批次产品编号“YLKFCP03WDC3FYK316”的复烤片烟进行卷制，以避免因烟叶原料的不同造成检测结果的差异。为尽量减少辅料对烟气成分的影响，采用无滤嘴卷烟作为研究对象，委托云南红塔蓝鹰纸业有限公司在同一机台生产同一批次透气度为50 CU、克重为32 g/m2的直罗纹木浆卷烟纸，并分切成宽度29.0、26.5、25.0、22.2 和19.0 mm 5种规格。为了研究切丝宽度对不同圆周和长度卷烟烟气成分释放量的影响，分别制备了0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 和1.2 mm 等宽度的烟丝，烟丝含水率控制为（12.5±0.5）%。烟叶切丝委托云南中烟工业有限责任公司技术中心工艺部在其制丝生产线上完成。卷制前将烟丝样品在（22±2）℃和（60±5）%的恒温恒湿环境中平衡48 h，并制定了不同圆周无滤嘴卷烟的放样方案，如表1 所示。

1.2.2 不同长度卷烟样品的制备

由于每台卷烟设备的圆周和长度是匹配固定的，无法用现有的卷烟设备卷制各圆周对应的不同长度的卷烟，为此采用人工剪切的方式将卷烟机卷制的不同圆周的卷烟制备成不同长度的卷烟。制备前先对样品进行外观和质量挑选：烟支样品在温度（22±2）℃、湿度（60±5）%的恒温恒湿环境中平衡48 h 后，按GB/T 22838—2009［15］的方法剔除有空头、爆口、破损、塌陷、翘边和硬度不均匀等外观缺陷的烟支；然后对外观合格的烟支进行质量挑选，按平均质量±0.03 g 的范围挑选50 支卷烟。将挑选后外观和质量满足需要的不同圆周和不同切丝宽度的卷烟，制备成烟支长度74、84、92 和100 mm 4 个规格的卷烟样品。

表1 不同圆周卷烟卷制方案①②Tab.1 Manufacturing scheme for cigarettes with different circumferences

1.2.3 卷烟主流烟气化学指标分析

按照GB/T 16447—2004［16］的方法将卷烟样品置于温度（22±1）℃和相对湿度（60±2）%的环境中平衡48 h。依据GB/T 19609—2004［17］的方法分析主流烟气中总粒相物（TPM）和焦油，依据GB/T 23355—2009［18］的方法分析主流烟气中的烟碱，依据GB/T 23203.1—2013［19］的方法分析总粒相物中的水分，依据GB/T 23356—2009［20］的方法分析主流烟气中CO 的释放量。

1.2.4 数据处理与分析

采用1.2.3 节分析得到的主流烟气中TPM、焦油、烟碱、水分和CO 的释放量以及抽吸口数、燃烧烟丝质量数据，分析单位焦油释放量、单位烟碱释放量、单位燃烧烟丝质量释放量。采用Design Expert（10.0.3）和Minitab（18.0）软件进行数据统计，通过回归分析、方差分析、显著性检验和响应面优化法［21］对不同样品进行分析。

2 结果与讨论

2.1 烟气常规指标释放量

由相同叶丝1.0 mm 切丝宽度制作的5 种烟支圆周（27.0、24.2、23.0、20.0、17.0 mm）、4 种烟支长度（100、92、84、74 mm）的20 种规格卷烟，其常规物理指标及烟气常规指标释放量如表2 所示。

表2 切丝宽度为1.0 mm 的20 种卷烟的常规物理指标和烟气常规指标释放量Tab.2 Releases of routine components in mainstream smoke of 20 cigarette samples with tobacco cutting width of 1.0 mm

当烟支圆周一定时，随着烟支长度的增加，卷烟主流烟气常规指标的释放量逐渐增加，这主要是由烟丝量增加所致。不同切丝宽度（0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 和1.2 mm）的卷烟均具有相同的规律。

2.2 烟气常规指标单位释放量分析

不同烟支长度卷烟主流烟气常规指标的差异，是由烟丝质量、叶丝宽度、烟支圆周、烟支长度、吸阻、填充密度等多因素作用所导致的［3］。为客观比较不同烟支长度和不同圆周卷烟主流烟气常规指标的释放量，采用WHO 推荐的单位烟碱释放量（mg/mg 烟碱）［14］结合单位焦油释放量、单位烟丝质量释放量的方式，进一步比较烟支长度对主流烟气常规指标的影响。

2.2.1 烟气常规指标单位烟碱释放量分析

在1.0 mm 切丝宽度下，20 种不同规格卷烟烟气常规指标单位烟碱释放量如图1 所示。结果表明：①在23.0～27.0 mm 的圆周范围内，TPM 和焦油的单位烟碱释放量，随烟支长度的增加而逐渐降低，并且随着烟支圆周增大，负相关的趋势越明显。②主流烟气TPM、焦油、水分和CO 的单位烟碱释放量，对于5 种烟支圆周，均在烟支长度为100 mm 时出现最小值。这可能是由于相同圆周下，100 mm 长度卷烟的烟碱释放量远高于中支、短支卷烟所致。

图1 1.0 mm 切丝宽度、不同烟支长度的5 种圆周卷烟烟气常规指标单位烟碱释放量Fig.1 Releases of conventional smoke indexes per unit nicotine from smoke of cigarettes with tobacco cutting width of 1.0 mm at different rod circumferences and lengths

不同切丝宽度（0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 和1.2 mm）的卷烟样品均符合以上规律，圆周24.2 mm 卷烟的烟气常规指标单位烟碱释放量的趋势见图2。

2.2.2 烟气常规指标单位焦油释放量分析

相同切丝宽度下，当烟支圆周一定时，尽管卷烟主流烟气常规指标与烟支长度正相关，但烟气常规指标的单位焦油释放量无明显差异（图3），即烟气常规指标的单位焦油释放量不随烟支长度增加而呈上升趋势。不同切丝宽度（0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 和1.2 mm）的卷烟样品均符合以上规律，24.2 mm 圆周卷烟的烟气常规指标单位焦油释放量的趋势见图4。

2.2.3 烟气常规指标单位烟丝质量释放量分析

尽管烟支长度增加使得卷烟主流烟气相关指标增大，但结果表明，以单位燃烧烟丝质量计，大多数卷烟主流烟气相关指标总体上呈下降趋势（图5）。可能的原因：①相同切丝宽度下，当烟支圆周一定时，抽吸口数取决于烟丝质量。②切丝宽度和烟支圆周一定时，TPM、焦油、水分和CO 的单位燃烧烟丝质量释放量总体上呈下降趋势，尤其是在23.0～27.0 mm 范围内。③切丝宽度一定时，主流烟气TPM、焦油、水分和CO 的单位烟丝质量释放量，在5 种烟支圆周下，均在100 mm 烟支长度时出现最小值。

图2 不同切丝宽度、不同烟支长度的24.2 mm 圆周卷烟烟气常规指标单位烟碱释放量Fig.2 Releases of conventional smoke indexes per unit nicotine from smoke of cigarettes with circumference of 24.2 mm at different tobacco cutting widths and rod lengths

图3 不同烟支长度、不同圆周的1.0 mm 切丝宽度卷烟烟气常规指标单位焦油释放量Fig.3 Releases of conventional smoke indexes per unit tar from smoke of cigarettes with tobacco cutting width of 1.0 mm at different rod circumferences and lengths

图4 不同切丝宽度、不同烟支长度的24.2 mm 圆周卷烟烟气常规指标单位焦油释放量Fig.4 Releases of conventional smoke indexes per unit tar from smoke of cigarettes with circumference of 24.2 mm at different tobacco cutting widths and rod lengths

图5 表明，切丝宽度1.0 mm 的卷烟，在圆周相同时，随着烟支长度的增加，其燃烧烟丝质量增加。但图6 表明，其单位长度烟丝质量也随着烟支长度的增大而略有增大，即燃烧烟丝质量与烟支长度并未呈线性正相关。在主流烟气TPM、焦油、水分和CO 释放量与烟支长度正相关的趋势下，随着烟支长度增加，燃烧烟丝质量的增幅大于主流烟气TPM、焦油、水分和CO 释放量的增幅。这可能是在100 mm 烟支长度时出现单位烟丝质量释放量最小值的原因。

图5 不同烟支长度、不同圆周的1.0 mm 切丝宽度卷烟烟气常规指标单位烟丝质量释放量Fig.5 Releases of conventional smoke indexes per unit tobacco weight from smoke of cigarettes with tobacco cutting width of 1.0 mm at different rod circumferences and lengths

图6 不同烟支圆周和长度的1.0 mm 切丝宽度卷烟的单位长度烟丝质量Fig.6 Cut tobacco weight per unit length of cigarettes with tobacco cutting width of 1.0 mm at different rod circumferences and lengths

不同切丝宽度（0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 和1.2 mm）的卷烟均具有相同的规律（图7）：①烟碱释放量取决于烟丝质量，对于17.0 和24.2 mm 圆周卷烟尤其明显，其他圆周卷烟有波动；②烟气成分单位烟丝质量释放量整体上与烟支长度负相关。

2.3 烟支圆周、烟支长度对烟气焦油释放量的回归分析及显著性检验

考察不同烟支圆周（A）、烟支长度（B）、切丝宽度（C）3 个自变量以及其交互作用，AB、AC、BC、A2、B2、C2等对烟支焦油释放量的影响，并通过最小二乘法拟合出回归方程如下：Sqrt（焦油释放量）-1=0.949 96-0.050 728×A-5.699 94×10-4×B+0.084 943×C+2.986 34×10-5×AB+6.366 59×10-4×AC-4.870 06×10-4×BC+8.785 95×10-4×A2-8.258 14×10-6×B2-0.026 577×C2。对回归方程及各变量进行方差分析和显著性检验的结果见表3。可知，回归方程具有显著性，说明方程成立；烟支圆周和烟支长度与焦油释放量极显著正相关，其中烟支圆周对焦油的影响更显著；切丝宽度与焦油释放量显著负相关；另外A2对焦油的影响也是极显著的，说明这种影响不仅是线性的，还存在非线性作用。

图7 不同切丝宽度、不同烟支长度的24.2 mm 圆周卷烟烟气常规指标单位烟丝质量释放量Fig.7 Releases of conventional smoke indexes per unit tobacco weight from smoke of cigarettes with circumference of 24.2mm at different tobacco cutting widths and rod lengths

表3 回归方程及各变量的方差分析和显著性检验Tab.3 Regression equation and variance analysis and significance test of each variation

2.4 烟支长度、圆周对烟气焦油释放量影响的响应面分析

采用响应面分析法考察烟支圆周（A）、烟支长度（B）和切丝宽度（C）对烟气焦油释放量的影响。由图8 可以看出，焦油释放量随烟支圆周和烟支长度的增加均呈现先上升后缓慢下降的趋势。等高线的形状为抛物线形，则表示两因素的交互作用强；烟支圆周（A）、烟支长度（B）之间交互作用的等高线为抛物线形，这就说明各两因素之间的交互作用显著。从其三维空间曲面图可以看出，焦油释放量的影响呈抛物线形，即随烟支圆周（A）和烟支长度（B）的升高，焦油释放量先增加后有降低趋势，因此，适当增加烟支圆周（A）和烟支长度（B）可以提高焦油释放量，这与2.3 节的分析结果相吻合。

图8 不同因素对卷烟焦油释放量影响的响应曲面和等高线Fig.8 Response surface and contour of effects of different factors on tar release of cigarette

3 结论

①切丝宽度一定时，卷烟主流烟气总粒相物（TPM）、焦油、水分和CO 的单位烟碱释放量和单位烟丝质量释放量在5 种烟支圆周下，均在烟支长度为100 mm 时出现最小值。②切丝宽度和烟支圆周一定时，TPM、焦油、水分和CO 的单位燃烧烟丝质量释放量，总体上呈下降趋势。切丝宽度和烟支圆周相同时，卷烟主流烟气各常规指标的实测值随烟支长度增加而增加，但烟气常规指标的单位焦油释放量无明显差异。③在圆周23.0～27.0 mm 范围内，TPM 和焦油的单位烟碱释放量随烟支长度的增大而逐渐降低，随烟支圆周的增大与之负相关的趋势越明显。④烟支圆周和烟支长度与焦油释放量均显著正相关，切丝宽度与焦油释放量显著负相关。