烟草生产中卷烟降焦减害技术的应用

2023-01-04刘志顺

农村科学实验 2022年5期

刘志顺

（山东临沂烟草有限公司莒南分公司，山东临沂 276600）

随着一系列烟草技术标准的相继出台，通过对市售卷烟焦油含量的严格限制来减少吸烟对人类健康的危害。经研究发现，卷烟焦油中存在具有致癌和辅助致癌作用特性的物质和成分。消费者从自身出发选择吸味平和、焦油含量低的品牌卷烟，逐渐改变原先单纯过烟瘾的消费习惯。国家烟草局和烟草工业企业将烟草生产中减少焦油和其他有害物质作为重点工作来抓，卷烟降焦减害成了烟草行业的重点关注。因此，为适应烟草行业市场的发展趋势，加大力度探索开发烟草生产中卷烟降焦减害技术仍旧任重而道远。

1.卷烟焦油的产生及危害

经研究发现，香烟中存在2540多种成分经过燃烧会发生一系列复杂的化学反应，生成的烟气中含有致癌物质高达400多种，致癌促进剂高达10多种。卷烟焦油是在缺氧环境下，有机成分由于不完全燃烧生成的物质，这种混合物涉及大部分含氧、含硫、含氮的烃及烃类的衍生物，所含多种致癌物质（苯并芘、镉、砷、β荼、胺、亚硝胺以及放射性同位素等）和致癌促进剂（苯酚类、富马酸等），尽管含量极低，但是存在经常性、反复性、长期性积累效应。烟气焦油中有害物质占比99.4%，引发致癌物质占比0.2%，起到协同致癌作用的物质占比0.4%。从香烟盒上给出了高、中、低焦油含量的标识，可以证实焦油是香烟中极为重要的有害成分。焦油中含量占比最多的是多环芳烃（如苯并芘、二苯吡、二苯蒽），这些强烈致癌剂一旦侵袭人类就会被人体组织中的芳烃羟化酶诱导代谢，进而产生能够共价结合DNA分子的物质，该物质具有强烈的致癌作用。焦油中还含有一类自身无致癌效果的酚类化合物，但是具备强烈的致癌促进作用，对于不同种类型的烟草，它们的含量也有所不同。焦油中所含具有致癌和促癌作用的物质，一旦被人类吸入呼吸道，能够直接作用于气管、支气管粘膜，从而产生更多分泌物，抑制纤毛运动，导致气管和支气管出现炎症；一旦被肺吸入后，就会使得酵素生成，作用于肺泡壁并使之受到破坏，从而弹性消失，变得彭大，进而出现破裂，最终成为肺气肿病变；一旦长期在人体的咽部、喉部、气管和支气管部位的粘膜上持续粘附累积，就会使得细胞被诱发，出现异常增生现象，进而发生癌变。每天吸食香烟数量不足10支的消费者与不吸食香烟的消费者相比，患肺癌概率为5倍，然而，每天吸食香烟数量超过2包的消费者与不吸食香烟的消费者相比，患肺癌概率为20倍，由美国癌症协会公布的数据可以得出吸食香烟患肺癌的概率高达90%以上。

2.卷烟降焦减害技术及应用

2.1 农业方面

农业降焦减害技术的途径是从源头上寻求解决的方法。在烟草种植培育阶段，选取焦油含量较低或者烟碱/焦油比值高的烟叶原料替换原来的卷烟配方里面的烟叶原料，或者选取新型的育种技术，通过烟草品种的改进，进而种植培育出焦油含量较低，危害较小的烟草品种。烟叶的种植方式，包括打顶方式、施肥方式、灌溉情况和采叶留叶多少和烟叶成熟度均会影响烟叶化学组分及总粒相物的含量，进而影响烟叶的燃烧性能、焦油释放量及其危害性，通过改进烟叶的种植方式，既能保证烟草的产量同时又达到降焦减害的目的。无机组分包括氮元素、钾元素等与烟叶化学组分及总粒相物的含量存在密切关系，进而对烟叶焦油含量产生影响，改变无机组分的含量对降焦减害发挥着重要作用。

2.1.1 烟草品种的改进及培育

烟草农业一直把低焦油、低有害物质的优质、高产、新型的烟草品种作为改进及培育的重大导向目标。有研究表明，烟叶原料不同，香烟焦油释放量不同。目前低焦油育种有两条路径，一方面通过选取焦油含量较低或者烟碱/焦油比值高的烟叶原料，进而抑制焦油及有害物质的生成；另一方面就是通过新型的育种技术改良和选育烟草品种，进而种植培育出焦油含量较低、危害较小、产量稳定、品质优良的烟草品种。研究表明，烟叶中含有机钾含量或者含钾浓度与焦油的释放量存在负相关性，有机钾含量越高或含钾浓度越高，烟叶焦油及一氧化碳（CO）等有害成分的生成量越少。中国农业科学院通过烟草品种对钾元素吸收能力的遗传特性研究，将土壤肥料中所含钾元素进行充分利用，研究出高钾含量的烟叶材料，从而种植培育出焦油含量较低、危害较小、产量稳定、品质优良的烟草品种。基于数据分析，对于不同品种的烟草，焦油释放量有所不同，且具有遗传方面的差异性。对于烤烟、晒晾烟和白肋烟来说，烤烟这种烟草类型含糖量最高，长期以来对于烤烟品种，主要是选育品质优良、产量稳定的烟草品种，在农业生产方面，品种选育是降焦油的主要手段之一，应该通过一些育种手段，在烟碱含量和香气浓度不受影响的前提下，降低烟气中的总粒相物，进而选育出焦油含量较低的烤烟品种，使之成为主料烟草。先进国家也高度重视低焦油烟草品种的培育，成功采用多种育种技术（比如现代生物技术、基因技术）改良和培育烟草品种，进而培育焦油含量较低、危害较小、产量稳定、品质优良的烟草品种。经研究表明烟草独特具有的亚硝胺TSNA，是一种比较强烈的致癌物质，在烟草调制陈化过程中基于中间产物生成TSNAs，基因技术，杂交或者优选低硝酸盐品种或者基因，从而培育出具有低硝酸盐特性的烟草新品种。如美国通过这种基因技术已经培育出具有低亚硝胺特性的烟草新品种，并在田间大量生产。此外其他国家也利用现代生物技术，在烟叶生产环节中，尽可能地选取较好的植物生活环境、对农药的种类或者用量进行筛选限制，以及对农药的剩余量进行限制，从而培育出低有害物质含量的烟草新品种。

2.1.2 烟叶种植方式的改进

2.1.2.1 打顶对焦油含量的影响

在烟草栽培过程中，打顶方式对于烟叶发育和成熟度有所影响，还会对烟气所含的化学组分及所含的总粒相物的含量有很大的影响，进而会影响卷烟焦油释放量。打顶会使烟叶变大、变重和变厚，影响烟碱含量和糖分，导致烟丝填充性能变差，从而使得焦油释放量增加。但是如果不打顶，就会出现另外一个结果，改变烟叶质量，呈现中性，使烟碱含量极速降低，烟叶无任何特性可言。此外烟株烟叶，早打顶、晚打顶和不打顶3种打顶方式对于烟气中所含的总粒相物和生物碱的含量的影响来说，早打顶的高于晚打顶和不打顶。原因在于烟株被打顶之后，就会失去顶端优势，从而影响烟叶对养分的吸收，因此烟叶打顶时间和打顶高度等打顶方式的准确把握对烟叶品质、产量和焦油释放量、有害物质的生成具有至关重要的影响。通过烤烟打顶对其焦油释放量的影响关系研究表明，高打顶可以使烟叶焦油含量降低20%-30%。然而在实际烟叶栽培过程中，不仅要把焦油含量和烟碱含量考虑进去，还需要保证烟气的产量和品质，因此在实际种植过程中，对烟叶尽量早进行打顶，多留一些烟叶数量，这样的打顶方式不仅可以使烟叶产量和品质有所保证，还会达到降焦减害的目的。

2.1.2.2 烟叶成熟度对焦油含量的影响

烟叶成熟程度不同，产生的焦油含量不同，烟叶成熟程度与卷烟焦油含量有着密切联系。发育完好成熟度高的烟叶细胞组织生长发育良好，烟叶的组织结构相对比较疏松，细胞排列的间隙相对较大，密度相对变得比较小，烟叶含糖量相对变得较低，从而使其生产出的烟丝填充性相对较好，燃烧性等物理特性相对较好，此外，发育完好成熟度高的烟叶所释放香味较浓，从而减少青杂气和刺激性味道，从而增加烟叶的可使用性，降低焦油的释放量。对于发育完好成熟度高的烟叶，颜色呈现橘黄色，所含的焦油量较低，与烟碱量能够达成平衡，生产出的烟丝填充值性能好，所释放较浓的香味；而对于发育较完好成熟度较高烟叶来说，所含焦油量相对较低，所含的烟碱量相对较低，其具有较强的燃烧能力，由此做出来的烟丝填充性能相对较好，不仅可以在生产烟草薄片过程中使用，也可以添加配方里面用来增加卷烟填充值。发育不太好且不太成熟的烟叶焦油产生量或者释放量比发育较好且成熟度高的烟叶焦油产生量或者释放量高。对于烟叶成熟度和发育程度来说，发育完好的成熟度高的烟叶机能对烟叶的产量和品质有所保证，还能减少烟叶燃烧后所释放的焦油量。相对于外国的烟叶来说，我国烟叶的成熟度和发育程度普遍认为不太好。目前已经把烟气成熟度和发育程度作为烟叶行业生产过程中实现降焦减害的重要衡量指标。

2.1.3 无机元素在烟草降焦减害中的作用

2.1.3.1 钾元素对焦油含量的影响

烟叶中钾含量不同，可以对烟叶降焦减害产生不同的影响。研究发现，每增加1%-5%钾含量，焦油含量能降低 21%。对于烤烟烟叶，种植在含钾含量低的砂土上，提供的钾肥越多越会抑制焦油的释放量，然而不会影响烟叶的品质和产量。因此烟叶种植地的土壤条件，利用适当的施肥方法，适当的增加施钾肥量，将烟叶中钾元素含量加以提高达到烟叶降焦减害的效果。国外试验研究证明，一方面通过改变土壤条件，选择合适的施肥方法，另一方面可以通过改良矿质营养性状遗传基因技术培育出钾含量高的烟叶品种，进而增加烟叶中钾元素含量，从而达到烟叶降焦减害的效果。

2.1.3.2 氮元素对焦油含量的影响

氮元素是烟叶中蛋白质和糖类的重要组成部分，与焦油含量存在着密不可分的关系。研究发现，不同形态氮肥不仅对烟叶的早期发育及生长有影响，而且对烟叶里面的化学成分也有很大影响，从而影响烟叶焦油含量。烟草施用硝态氮肥要好于氨态氮肥。在培育烟株时期，适当控制和降低烟叶施氮量来降低烟叶总氮和烟碱含量，并且提高烟叶含糖量，从而使烟株的化学成分更加协调，焦油含量控制在较低水平，从而达到降焦减害的作用。

2.2 工业方面

工业方面，降焦减害主要体现在采用新型滤嘴降焦、烟叶组分配方的优化、添加减害剂降焦、采用高透气度的卷烟纸降焦等。

2.2.1 新型滤嘴降焦

滤嘴是通过截留作用拦截烟气中的粒子, 从而使粒子通过惯性碰撞、扩散作用被滤嘴截留下来，进而实现从粒子的沉积过滤。滤嘴的功能不仅可以作用于烟气中的有害成分，也可以作用于烟气中的香气物质，从而通过拦截过滤作用将这些物质过滤掉。目前在实际需求中，仅将滤嘴长度加长使降焦减害的效果不是很理想，对具有选择性吸附滤嘴的研发、推广及应用，已经发展成卷烟降焦减害一种的必要措施。

活性炭滤嘴作为烟草行业发明最早的一种新型滤嘴，得到广泛的应用。活性炭的微晶结构特性使其具备较强吸附作用。活性炭可以选择性的过滤掉甲醛、乙醛、丙烯醛等气相成分，其中包括沸点＜152℃半挥发性组分，此外还可以过滤掉气相组分存在的重金属元素以及放射性元素。与传统丝束加碳相比，吸附法工艺更加简单，成本更低，对挥发性组分、焦油等有害成分都可以有效吸附，目前除了活性炭以外，吸附法使用的吸附材料还有碳分子筛、硅胶、碳化聚合物等。近年来,设计出的各种沟槽形式的新型滤嘴获得了专利权认证，由于这种设计使烟气与沟槽部分的接触面积变大，能够大大提高烟气中焦油等固态小颗粒的碰撞概率, 大幅度减少对焦油的释放。此外新型滤嘴包括纳米材料滤嘴、生物滤嘴、催化剂滤嘴、增香型滤嘴在降焦减害方面正处于研究阶段。

2.2.2 叶组配方优化

叶组配方优化方式将其中含有的不同等级、不同类型的烟叶进行合理的组配，进而达到降焦减害的目的。优化的主要手段是通过掺兑合理的膨胀填充料、选取合适比例范围的配方、控制合适的糖/碱比例以及优化制丝工艺参数来实现。研究发现，上部烟叶和部分晒烟的用量有所增加，使卷烟低焦油香味不递减。糖/碱比例控制在6-10的范围内，卷烟质量相对最佳。

2.2.3 高透气度卷烟纸

选用高透气度的卷烟纸，是因为在燃烧过程中接触的空气量变大，使其更加充分地燃烧，更快地增加燃烧速度，进而通过抽吸次数进而降低焦油的吸入量。目前主要是通过增加填充材料或者打孔的方式来实现。