滤嘴参数对细支烟主要理化指标及感官品质的影响

楚文娟，纪朋，韩路，孙培健，孙学辉，邱建华，田海英，聂聪

1.河南中烟工业有限责任公司 技术中心，河南 郑州 450000；2.中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南 郑州 450001

0 引言

近年来，国内细支烟销量快速增长，已成为行业新的研究热点。与常规卷烟相比，细支卷烟具有以下特点：一是烟支细长，吸阻较大；二是横截面小，抽吸时气流速度较快；三是滤嘴通风率普遍较高。这些物理特征导致细支烟主流烟气化学成分释放量及感官品质与常规烟有较大差异。因此，系统研究滤嘴参数对细支烟主要理化指标及感官品质的影响规律，对于细支烟产品开发具有重要意义。

卷烟材料设计参数的改变对常规烟烟气常规成分、香味成分、有害成分释放量，以及卷烟的燃烧性能、感官品质的影响等研究已有较多报道[1-10]；而对于细支烟，目前已有研究则多集中于适宜成型为细支滤棒的丝束，卷烟纸参数及圆周变化对细支烟主流烟气常规成分、香味成分释放量的影响等[11-14]。如高明奇等[15]研究发现,高单旦、低总旦的二醋酸纤维丝束适宜成型低压降细支滤棒；C.M.Bundren等[16]指出高单旦、低总旦的二醋酸纤维丝束所成型的细支滤棒压降变异系数远高于常规滤棒；W.D.E.Irwin[17]研究发现，随卷烟圆周的减小，单位质量烟丝与空气接触的面积增大，烟草燃烧更加充分，焦油、烟碱、CO的释放量呈降低的趋势；李超等[18]研究发现，在圆周23.0～27.0 mm范围内，卷烟主流烟气总粒相物(TPM)和焦油对应的的单位烟碱释放量随烟支长度的增加而减小，且随烟支圆周的增大，负相关的趋势愈加明显。

楚文娟等[19]考查了不同丝束规格下，滤棒压降、滤嘴通风率对细支烟烟支吸阻、烟碱过滤效率、主流烟气常规成分的影响，结果显示烟支吸阻、烟碱过滤效率等指标在5种丝束规格间的差异分别达到显著和极显著水平。常规烟滤嘴中，普遍使用3.0Y/35000规格的丝束成型滤棒，这种常规滤棒对卷烟烟气常规指标和感官品质的影响方面已有报道，但细支烟常用的丝束规格为6.0Y/17000，其成型的细支滤棒对细支烟相关指标和感官品质的影响却鲜有报道。鉴于此，本研究拟选用国内细支烟常用的6.0Y/17000规格丝束，在其适宜的范围内成型细支滤棒，考查滤嘴参数对细支烟烟支吸阻、烟碱过滤效率、主流烟气常规成分释放量、主流烟气pH值及感官品质的影响，并建立相应的预测模型，以期为细支烟滤嘴的数字化设计提供参考与借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

主要材料：6.0Y/17000规格丝束，南通醋酸纤维有限公司提供；滤棒(圆周16.9 mm，长度120 mm)，焦作市卷烟材料有限公司提供；接装纸(定量40 g/m2，宽度74 mm)，河南省新郑金芒果实业总公司提供；卷烟纸(定量28 g/m2，宽度19 mm，透气度50 CU)，牡丹江恒丰纸业有限公司提供；细支烟专用烟丝(黄金叶品牌)，河南中烟工业有限责任公司提供。

主要仪器：XSE204型电子天平(感量0.000 1 g)，瑞士Mettler Toledo公司产；KDF2滤棒成型机，沈阳飞机制造公司产；Quantum Neo综合测试台，英国Cerulean公司产；RM200A型转盘吸烟机，德国Borgwaldt公司产；Agilent 7890A气相色谱仪，美国Agilent公司产；Metrohm848型自动电位滴定仪，瑞士万通中国有限公司产。

1.2 实验方法

1.2.1 细支烟样品的设计与制备选用6.0Y/17000规格丝束，根据其适宜的成型范围，结合滤棒实际使用情况，设计并制备16种细支烟样品，具体物理参数见表1。由表1可知，细支烟样品的滤嘴参数(滤棒压降、滤嘴通风率)和单支质量均能满足实验设计的需要。

表1 细支烟样品的物理参数Table 1 Physical parameters of cigarette samples

1.2.2 细支烟样品的平衡与筛选参照文献[21]规定的方法平衡细支烟，按照(平均吸阻±30)/Pa、(平均质量±0.02)/g、(滤嘴通风率设计值±3)/%的标准筛选细支烟，作为待测样品。

1.2.3 细支烟样品主要理化指标的检测首先按文献[22]规定的方法抽吸细支烟，通过综合测试台对烟支吸阻进行直接测定；参照文献[23]测定与计算滤嘴对烟碱的过滤效率；参照文献[24-25]测定细支烟主流烟气中焦油、烟碱、CO的释放量；参照文献[26]测定主流烟气的pH值。

1.2.4 滤嘴参数与细支烟样品主要理化指标回归方程的建立根据检测结果，将各理化指标(烟支吸阻、烟碱过滤效率、主流烟气常规成分释放量、主流烟气pH值)与滤棒压降(X1)和滤嘴通风率(X2)的关系进行拟合，建立回归方程。另外设定不同的滤嘴参数，制备5支细支烟作为验证样品，测量验证样品主要理化指标，以验证样品的平均预测相对偏差(RDAP)来考查回归方程的预测精准度。

式中：C″i为模型预测值，Ci为实测值，m为预测样品数。

1.2.5 细支烟样品感官品质评价为保证评吸样品的一致性，采用筛选后的待测样品进行感官品质评价，按照文献[27]的规定对细支烟感官品质进行评价，评吸人员共11人，参与评吸的人员均具有省级以上评吸资质。

2 结果与讨论

2.1 细支烟样品主要理化指标测定结果

细支烟样品主要理化指标测定结果见表2。从表2可以看出，在滤棒压降一定时，随着滤嘴通风率的增加，烟支吸阻、焦油、烟碱、CO释放量呈下降趋势，烟碱过滤效率、主流烟气pH值呈增加趋势；在滤嘴通风率一定时，随着滤棒压降的增加，烟支吸阻、烟碱过滤效率、主流烟气pH值呈增加趋势，焦油、烟碱释放量呈下降趋势，CO释放量变化不大。

表2 细支烟样品主要理化指标测定结果Table 2 Determination results of main physical and chemical indexes of cigarette samples

2.2 滤嘴参数对烟支吸阻的影响

滤嘴参数对烟支吸阻的影响结果见表3，其中PV为滤嘴通风率每增加10%烟支吸阻的降低值;PD为滤棒压降每增加100 Pa烟支吸阻的增加值。

由表3可以看出，在滤棒压降一定的条件下，烟支吸阻与滤嘴通风率呈负相关关系(R2>0.98)；在滤嘴通风率增加幅度相同时，滤棒压降越大，烟支吸阻降低值越大。彭斌等[28]对常规烟的研究表明，当滤嘴通风率变化10%时，常规烟吸阻的变化幅度为91.9～103.1 Pa。在滤嘴通风率变化一致时，本文中细支烟的烟支吸阻变化幅度约为彭斌等[28]研究的常规烟的1.7倍，这可能是因为随着烟支圆周减小、长度增加，细支烟轴向阻力增加，因此相同的滤嘴通风率的变化对细支烟烟支吸阻影响程度更大。

表3 滤嘴参数对烟支吸阻的影响Table 3 Effect of filter ventilation on draw resistances

当滤嘴通风率相同时，烟支吸阻与滤棒压降呈显著正相关(R2>0.95)；在滤棒压降增加幅度相同时，滤嘴通风率越高，烟支吸阻增加值越小。高铭等[29]对常规卷烟的研究表明，滤棒压降与烟支吸阻之间存在正相关关系，固定滤嘴通风率，滤棒压降改变100 Pa，烟支吸阻改变约54 Pa。在滤棒压降变化一致时，本文细支卷烟烟支吸阻的变化量约为常规烟的1/2，这可能是因为常规烟多采用低单旦、高总旦的丝束，与常规烟相比，细支烟纤维丝束间的空隙较大，因此改变相同的滤棒压降，细支烟的变化幅度相对较小。

2.3 滤嘴参数对烟碱过滤效率的影响

滤嘴参数对烟碱过滤效率的影响结果见表4，其中EV为滤嘴通风率每增加10%滤嘴对烟碱过滤效率的增加值；ED为滤棒压降每增加100 Pa滤嘴对烟碱的过滤效率增加值。由表4可以看出，烟碱的过滤效率与滤嘴通风率显著正相关(R2>0.97)，这与高明奇等[23,30]的研究结果一致。在本文研究的滤棒压降范围内，滤嘴通风率每增加10%，细支烟滤嘴对烟碱的过滤效率增加1%左右。魏玉玲等[31]的研究表明，滤嘴长度为30 mm的常规烟，烟碱过滤效率均高于40%，本文中同样滤嘴长度的细支烟，在所研究的滤嘴通风率范围内，烟碱过滤效率均低于30%，明显低于常规烟。这可能是由于细支烟横截面相对较小，抽吸时气流速度较快，烟气在滤嘴中驻留时间较短，使得滤嘴对烟气的截留效率降低[23]。烟碱的过滤效率与滤棒压降呈显著正相关(R2>0.85)，这与于川芳等[10]对常规烟的研究结果一致。在本文研究的滤嘴通风率范围内，滤棒压降每增加100 Pa，细支烟滤嘴对烟碱的过滤效率增加1.20%～1.56%。

表4 滤嘴参数对烟碱过滤效率的影响Table 4 Effect of filter ventilation on nicotine filtration efficiency

2.4 滤嘴参数对主流烟气常规成分释放量的影响

2.4.1 滤嘴通风率对主流烟气常规成分释放量的影响滤嘴通风率对主流烟气常规成分释放量的影响如表5所示。由表5可知，在滤棒压降一定的条件下，主流烟气焦油、烟碱、CO的释放量与滤嘴通风率均呈负相关关系(R2>0.95)。该趋势与连芬燕等[32]对常规烟的研究结果一致。在本文所研究的滤棒压降范围内，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0.68～0.71 mg/支、0.05 mg/支和0.65～0.73 mg/支。连芬燕等[32]针对常规烟的研究，得到1.07 mg/支、0.44 mg/支和1.25 mg/支的结果，约为本文细支烟的1.5～9倍。这可能是由于细支烟烟支圆周相对较小，单位质量烟丝与空气的接触面积较大，烟丝燃烧相对充分，导致滤片截留的常规烟气成分的变化量较小。

表5 滤嘴通风率对主流烟气常规成分释放量的影响Table 5 Effect of filter ventilation on the deliveries of conventional components in mainstream smoke

2.4.2 滤棒压降对主流烟气常规成分释放量的影响滤棒压降对主流烟气常规成分释放量的影响见表6。由表6可知，滤嘴通风率相同时，主流烟气焦油、烟碱的释放量与滤棒压降均显著负相关(R2>0.91)，CO释放量与滤棒压降没有相关性，该趋势与于川芳等[10]对常规烟的研究结论相同。在本文研究的滤嘴通风率范围内，滤棒压降每增加400 Pa，细支烟烟气焦油、烟碱的释放量分别降低0.12～0.28 mg/支、0.024～0.040 mg/支。于川芳等[10]针对常规烟的研究，得到0.56 mg/支、0.04 mg/支的结果，约为本文细支烟的2～5倍。

表6 滤棒压降对主流烟气常规成分释放量的影响Table 6 Effect of filter rod pressure drop on the deliveries of conventional components in mainstream smoke

2.4.3 滤嘴参数对主流烟气中各成分释放量比值的影响不同滤棒压降下滤嘴通风率对CO与焦油的释放量比值(CO/焦油)和烟碱与焦油的释放量比值(烟碱×10/焦油)的影响见图1。从图1可以看出，不同滤棒压降下，CO/焦油(即CO的单位焦油释放量)随着滤嘴通风率的增加而减小，烟碱×10/焦油(即烟碱的单位焦油释放量)随着滤嘴通风率的增加而增大，这与R.Baker[33]关于常规烟的研究结论一致。这是因为滤嘴通风率增大导致烟气流速减小，增加了烟气在烟支段的驻留时间，导致CO气体的扩散增加，焦油在烟丝段的截留增加，使得CO、焦油降低相对较多，而对于半挥发性成分烟碱来说，仅影响了其冷凝和再蒸发过程，因而烟碱的减少量相对较小。

图1 不同滤棒压降下滤嘴通风率对CO/焦油和烟碱/焦油比值的影响Fig.1 Effect of filter ventilation on the ratios of CO/tar and nicotine/tar under different filter rod pressure drop

2.5 滤嘴参数对主流烟气pH值的影响

滤嘴参数对主流烟气pH值的影响如表7所示，其中HV为滤嘴通风率每增加10%主流烟气pH值的增加值；HD为滤棒压降每增加100 Pa主流烟气pH值的增加值。由表7可以看出，当滤棒压降相同时，主流烟气pH值与滤嘴通风率显著正相关(R2>0.93)；在滤嘴通风率增加幅度相同时，滤棒压降越大，主流烟气pH值增加值越大。这可能是因为增加滤嘴通风率，主流烟气的径向扩散增强，分子量小、沸点低的酸性成分更易于发生测流逸散，使得游离态烟碱含量增加，进而形成主流烟气pH值增加值呈增大的趋势[26]。当滤嘴通风率相同时，主流烟气pH值与滤棒压降显著正相关(R2>0.93)。这可能是因为当滤棒压降增加，主流烟气中对烟气pH值贡献较大的非挥发性有机酸更易于被滤嘴截留，使得主流烟气中非质子化烟碱含量增加，因此主流烟气pH值呈上升趋势[26]。

表7 滤嘴参数对主流烟气pH值的影响Table 7 Effect of filter ventilation on mainstream smoke pH

2.6 细支烟样品主要理化指标与滤嘴参数的预测模型

细支烟烟支吸阻、烟碱过滤效率、主流烟气常规成分释放量、主流烟气pH值等理化指标均同时受滤嘴通风率(X1)和滤棒压降(X2)的影响，其与滤嘴参数的回归方程如表8所示。由表8可知，各理化指标与滤嘴参数之间均有较强的相关性。

表8 细支烟各理化指标与滤嘴参数的回归方程Table 8 Regression equation between cigarette physical and chemical indexes and filter parameters

以回归方程为预测模型，预测5个验证样品的主要理化指标。细支烟主要理化指标的预测值和实测值结果如表9所示。由表9可知，验证样品各理化指标的平均预测相对偏差均在0.36%～3.89%范围内，说明所建立的6个预测模型预测精度良好，具有一定的适用性。

表9 细支烟主要理化指标的预测值和实测值结果Table 9 Predicted and measured results of main physical and chemical indexex of slim cigarette

2.7 滤嘴参数对细支烟样品感官品质的影响

滤嘴参数对细支烟样品感官品质的影响如图2所示。由图2可知，感官评价得分随滤嘴通风率的增加均呈现先升高后降低的趋势，滤嘴通风率为40%时感官品质较佳。滤嘴通风率较小，烟支吸阻较大，影响细支烟抽吸的轻松感；滤嘴通风率过大，烟气稀释程度较大，对烟气浓度、香气量、满足感均有不利影响。随着滤棒压降的增加，细支烟感官评价得分呈降低趋势，对于不同压降细支滤棒，均为最低压降时感官评价得分最高。因此，细支烟设计可优先选择低压降滤棒，再搭配适宜的滤嘴通风率，可使细支烟抽吸时具有较好的轻松感、满足感和舒适感。

图2 滤嘴参数对细支烟感官品质的影响Fig.2 Effect of filter parameters on sensory quality of slim cigarettes

3 结论

本研究系统考查了利用6.0Y/17000规格丝束制备细支烟时，滤嘴参数(滤嘴通风率、滤棒压降)对细支烟烟支吸阻、烟碱过滤效率、主流烟气常规成分释放量、主流烟气pH值等主要理化指标，以及感官品质的影响，得到如下结论：

1)烟支吸阻与滤嘴通风率负相关，且随着滤棒压降的增加，滤嘴通风率对烟支吸阻的影响逐渐变大；烟支吸阻与滤棒压降正相关，且随着滤嘴通风率的增加，滤棒压降对烟支吸阻的影响逐渐变小；相同滤嘴通风率变化，细支烟烟支吸阻的变化幅度大于常规烟，相同的滤棒压降变化，细支烟烟支吸阻的变化幅度小于常规烟。

2)细支烟滤嘴对烟碱的过滤效率与滤棒压降和滤嘴通风率均呈正相关，过滤效率低于常规烟；滤嘴通风率与焦油、烟碱、CO的释放量均负相关；滤棒压降与焦油、烟碱释放量负相关、与CO释放量无相关性；滤嘴参数变化对细支烟常规成分释放量的影响幅度低于常规烟；CO的单位焦油释放量随滤嘴通风率的增大而减小，烟碱的单位焦油释放量随滤嘴通风率的增大而增大。

3)主流烟气pH值与滤棒压降和滤嘴通风率均呈正相关；细支烟感官评价得分随滤棒压降的增加而降低，随滤嘴通风率的增加先升高后降低，滤嘴通风率为40%时感官品质最优。

4)分别建立了烟支吸阻、 烟碱过滤效率、 焦油、烟碱、CO、主流烟气pH的回归方程，且回归方程R2均大于0.96，预测精度良好。

本文仅针对6.0Y/17000规格丝束滤嘴参数对细支烟主要理化指标的影响进行了研究，后续工作中将开展滤嘴参数对短支烟、中支烟主要理化指标的影响研究，旨在为细支烟产品主要理化指标的精准调控及数字化设计提供技术支撑。