卷烟滤嘴在降焦减害中的应用

李思哲，谢国勇，银董红，唐 翔，潘春跃，唐俊涛

（1.中南大学，湖南 长沙 410083；2.湖南中烟工业有限责任公司，湖南 长沙 410007）

随着烟草开始向无公害方向发展，着力开发低焦油、低危害的卷烟产品是提高卷烟水平的关键，也是顺应卷烟市场发展潮流的必要之举[1]。卷烟滤嘴在卷烟降焦减害中发挥着举足轻重的作用，因此，从改进卷烟滤嘴着手开展工作一直都是研究人员关注的重点。本研究综述了滤嘴结构、滤嘴材料、滤嘴技术的应用及其在卷烟降焦减害中发挥的作用，并对滤嘴技术今后的发展趋势作出展望。

1 滤嘴结构

卷烟滤嘴由接装纸、成形纸、滤芯棒构成[2]。滤嘴和烟支通过接装纸连接在一起；成形纸作为专用纸用于卷包过滤材料；滤芯棒可以有效地滤除主流烟气中的部分有害成分。

2 滤嘴材料

随着合成技术及功能材料的发展，卷烟滤嘴已从传统材料滤嘴发展至多种新型材料滤嘴。

2.1 传统材料滤嘴

2.1.1 纸质过滤嘴

纸质过滤嘴棒以木浆纤维为原材料，优点是成本低，且有较强的去除焦油和尼古丁的能力，而且材料本身安全健康、降解性能好。然而，其较软的材质、受潮后易软化、木浆含有气味等缺点影响了卷烟的吸食体验[3]。

2.1.2 活性炭过滤嘴

活性炭因多孔结构，具有较大的比表面积且吸附能力较强，被应用于制备过滤嘴棒。其吸附能力由两方面要素决定，表面结构特性决定其物理吸附能力，表面化学特性决定其化学吸附能力[4]。

2.1.3 醋酸纤维滤嘴

以廉价易得的醋酸、棉短绒与木材等为原料制成醋片后进行纺丝，可制得醋酸纤维，用于制备醋酸纤维过滤嘴棒，其中，丝束主要为二醋酸纤维[5]。醋酸纤维丝束具有无毒无味、机械强度合适、过滤及加工性能好、易分解等优点；但其资源有限，所以成本较高、生产工艺复杂、有机溶剂回收复杂等。

2.1.4 聚丙烯纤维滤嘴

以烟用聚丙烯丝束作为主要原料、专用水性胶黏剂作为黏合剂粘连后，将滤棒烘干成形可制得聚丙烯滤嘴[6]，具有密度小、强度高、回潮率低、熔点低等物理性能以及稳定的化学性能，这些性能使其能有效截留烟气中的自由基。但聚丙烯材料的惰性使得烟支的口感有所下降，目前只能更多应用于低档卷烟。

2.2 新型材料滤嘴

2.2.1 纳米材料滤嘴

纳米颗粒丰富的表面活性位点和充足的化学反应接触面积，使其在卷烟滤棒添加中得到十分广泛的应用。纳米材料滤嘴作用的基本原理是：纳米材料可高效吸附烟气从而达到过滤效果。周宛虹[7]将介孔二氧化硅材料进行胺基功能化得到的新型纳米材料（MCM-41-NH2）添加至滤棒，在保持烟气常规成分释放量基本不变的情况下，对HCN选择性降低至25.7%。此外，某学者将基于多壁碳纳米管（MWCNT）的薄柔性膜插入常规醋酸纤维素过滤嘴中，该过滤器显示出卓越的PM2.5去除性能，去除率约为99%；其还具有去除烟碱、尼古丁、焦油和有毒重金属（例如香烟中的铅）的显著能力[8]。

2.2.2 天然植物材料添加剂滤嘴

天然植物材料添加剂滤嘴，顾名思义，是由天然材料制成，其富含的有机化合物具有增香、杀菌、抗氧化的作用。将其添加至滤嘴在吸附主流烟气中有害成分的同时，还具有不参与燃烧、不产生其他有毒有害物质等优点。戴亚[9]报道了一种二元复合滤棒，将天然植物中提取的多种酮、酚类及其衍生物，与新鲜动物血液中的血红素复合成卟啉类化合物，而后负载于茶末载体之上。运用此方法制成的卷烟对减少主流烟气中的稠环芳烃（PAHs）、烟草特有亚硝（TSNAs）和自由基等有害物质具有较好的效果。另外，茶叶的加入不仅能使烟气的香味发生变化，还因其吸附能力，可以选择性地吸附酚类、稠环芳烃类物质。

2.2.3 复合型滤嘴

复合型滤嘴分为二元复合和三元复合。二元复合滤嘴由内外两段构成，外段为二醋酸纤维，内段为具有吸附能力的物质，能对烟气进行有效吸附，制作工艺的简单性使其成为目前应用范围最广的复合滤嘴。三元复合滤嘴由内、中、外3个部分构成，外段为醋酸纤维，中段为选择性吸附物质，内段为醋酸纤维或者加入了添加物的醋酸纤维。某学者报道了由一种活性炭纤维制成的三元复合滤嘴，该滤嘴由内外普通滤芯段中间夹杂活性炭纤维滤芯段构成。活性炭纤维滤芯段的加入，使得卷烟中的有害成分被选择性地高效吸附。除了将活性炭用于制作复合滤嘴外，近年来，对其他材料的复合也进行了相应的研究。

3 滤嘴技术的应用

目前，一般认为烟气中的主要有害物质为一氧化碳、自由基、N-亚硝胺、苯并芘（稠环芳烃）等。下面介绍滤嘴技术在降低卷烟主要有害成分中的应用。

3.1 降低一氧化碳释放量（CO）

CO是烟丝通过裂解形成的有害气体之一，为降低主流烟气中的CO，已经展开了多种方法的研究。常见的物理方法为：用在卷烟纸上打孔的方式提高透气度和滤嘴通风度，使得CO等有害气体可通过孔排出。

此外，加入添加剂或者催化剂也是降低烟气中CO的有效方法。一种途径是直接抑制CO的产生。菲·莫公司报道了一种直接降低CO的方法，将纳米级的Fe2O3催化剂加入烟丝中，可降低烟丝的裂解温度，使其达不到CO产生的要求。另一种途径是将产生的CO转化为CO2，中国科学院兰州化学物理研究所和郑州烟草研究院将二元纳米催化材料和纳米贵金属催化材料复合，该滤棒在常温下将CO氧化为CO2，有效降低了CO的释放量。

3.2 降低自由基浓度

自由基是卷烟中一类重要的有害物质，会诱发一系列重大疾病，如癌症、心脏病等。目前，常用且有效的方法是将天然抗氧化剂添加至滤嘴。根据某学者报道，将一定梯度的叶黄素和β-胡萝卜素添加至卷烟，可对降低焦油中的自由基浓度起一定作用。美国专利报道了一种包括L-谷胱甘肽、抗氧化剂酶、过氧化氢酶以及超氧化物歧化酶源谷胱甘肽的混合物，可有效降低烟气中的自由基浓度。将该混合物添加到烟丝或滤嘴内，可以清除和中和烟气内的自由基。

3.3 降低N-亚硝胺质量分数

亚硝胺类化合物是一种来自含氮化合物的氧化物，是烟草中公认的最强致癌物。某学者将硅胶、沸石、多孔氧化铝、硅铝酸盐等多孔材料与海藻酸盐制成悬浮液后，喷洒至烟丝上，能使烟气中的亚硝胺降低17%～65%。美国专利报道，用微波或者较高频波在烟草植物调制周期中进行辐射，处理后的烟草中亚硝胺含量可降低至鲜烟叶水平。最好的实验结果显示，其处理过的烟制品金黄烟叶与传统的调制烟叶相比，已知致癌物的含量几乎可以忽略不计。

3.4 减少苯并芘（稠环芳烃）

烟草不完全燃烧产生稠环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbon，PAHs），选用含稠环芳烃较少的烟草品种、改进滤嘴组成、增大卷烟纸透气率、改变烟丝组成等，是目前常用的减少卷烟烟气中稠环芳烃的方法。新型NaY型分子筛和二元分子筛复合滤棒被应用于烟草工业。对照实验结果表明，苯并[a]芘、3种稠环芳烃总量等均有效降低。中草药添加剂也具有较好的降焦减害效果，华东理工大学报道了一种多环芳烃，作为中药添加剂，可有效降低烟气中的自由基。他们采用邻苯三酚自氧化紫外方法和荧光法筛选中药，得到几种中草药的复方，然后喷洒在烟丝卷上制成烟支，通过实验及检测，证实烟气中的多环芳烃得到很大程度的减少。

4 展望

卷烟滤嘴作为卷烟产品中的一个重要组成部分，已经受到了科研工作者的足够重视，而且随着人们对美好生活追求水平的不断提高以及法律体系的不断完善，如何处理吸烟与健康之间的关系，是烟草行业面临的新的、更具挑战性的课题。为了充分迎接并处理好这一课题，需要在滤嘴技术的3个方面寻求突破。

首先，积极研究相关多学科发展前沿技术并探索新技术的实际应用，聚焦于截留烟气中的焦油以及选择性吸附有害成分。烟气中的致癌物质和焦油含量往往非同比例被吸附，因此，需结合烟气成分与相关生理学实验成果，找到能选择性减少致癌物质的方法。

其次，实现功效与吃味的完美结合。虽然很多滤嘴能有效减少有害物质，但是对卷烟的吃味和香气产生了较大影响。如何在最大限度地降焦减害的同时保持卷烟的吃味，是个值得研究的课题。

最后，滤嘴添加物安全性及稳定性的研究。在升温过程中，添加剂是否会产生危害物质，对人体产生新伤害，是一个急需关注的重点。添加物随滤嘴中温度、压力、水分等的变化能否均匀释放香气，实现香气的可控和智能释放，是个有前景的研究方向。

相信在研究人员的努力下，将会研究出性能更好、更具针对性的滤嘴，卷烟的吸味会更加丰富多彩，各种添加剂的安全性及稳定性也将得到进一步验证。