水松纸透气度对中支卷烟主流烟气及燃烧温度的影响

2023-05-06杜芳琪詹望成

华东理工大学学报(自然科学版) 2023年2期

黄华，戴路，周炜，杜芳琪，詹望成，王辉

（1.浙江中烟工业有限责任公司技术中心, 杭州 310024；2.华东理工大学工业催化研究所, 上海 200237）

水松纸作为卷烟材料“三纸一棒”的组成之一，主要有两个功能，一是将卷烟烟支段与滤嘴段卷接起来，二是在纸上预先打孔或是在生产卷接过程中在线打孔来调控烟支的滤嘴通风度，从而实现减害降焦[1]。烟支在抽吸过程中燃烧段的温度变化会影响烟支主流烟气和侧流烟气中的化学成分含量，同时在滤嘴段由于水松纸透气度变化造成卷烟滤嘴通风发生变化，改变了燃烧区的进气量，影响每口抽吸时的温度[2]，同步影响滤嘴段烟气的稀释扩散，最终影响消费者入口烟气，因此水松纸透气度是影响卷烟抽吸品质的重要特征参数[3]。

近年来，随着消费多元化增长以及消费者对吸烟与健康的持续关注，加热不燃烧卷烟逐渐占领传统卷烟市场，相关领域也成为研究热点[4-5]。在传统的卷烟领域，新特异卷烟也异军突起，不仅在传统圆周卷烟的基础上增加了细支卷烟，而且中支卷烟销量的持续增长也成为消费热点之一。目前市场上的中支卷烟圆周为20 mm，长度以84～89 mm 为主，因此无论是在滤嘴段长度还是烟丝段长度方面，中支卷烟都与传统卷烟以及细支烟有所差别。针对这两种规格卷烟的辅材设计，科研人员已开展了大量相关研究，谢国勇等[6-7]分别考察了卷烟纸、成型纸和接装纸透气度对烟气常规成分及7 种有害成分释放量的影响。刘鸿等[8]全面综述了近年来国内外卷烟纸透气度、添加剂以及浆料类型等指标对常规卷烟主流烟气成分释放量的影响。周全等[9-11]考察了细支卷烟辅材参数对烟气常规成分释放量及感官质量的影响。张亚平等[12]考察了卷烟纸参数对细支卷烟和常规卷烟烟气化学成分的影响。目前针对传统卷烟或细支卷烟辅材设计参数对主流烟气的影响已有较多文献报道，但有关中支卷烟的整体研究很少，尤其是涉及到卷烟辅材或水松纸参数对中支卷烟主流烟气常规成分及燃烧温度影响的研究鲜见报道。本文主要考察卷烟辅材中水松纸透气度对中支卷烟烟气常规化学成分释放量和燃烧温度的影响，旨在为中支卷烟的产品设计提供参考依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

透气度分别为 0（不打孔）、50、100、150、200、250、500 CU 和 1000 CU 的8 种水松纸，幅宽36 mm，打孔中心距嘴端边距16 mm。

XS205 型电子天平（梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司）；SM450 直线型吸烟机（英国Cerulean 公司）；FLIR-SC7300L 型红外热像仪（美国FLIR 公司）；单孔道吸烟机LX1 型（德国Borgwaldt 公司）。

1.2 卷烟样品的制备

将8 种不同透气度的水松纸卷制成统一规格的中支卷烟，烟支所用的叶组和其余辅料完全一致，圆周规格为20.0 mm。按照行业标准保证卷烟样品的一致性，烟支先在温度（22±1）℃，相对湿度60%±3%的环境中平衡48 h，随后取平衡好的烟支50 支，测试烟支质量及吸阻的平均值，然后以此为中心点，按质量±50 mg，吸阻±20 Pa 来筛选烟支，采用GB/T 22838—2009《卷烟和滤棒物理性能的测定》测试烟支物理参数，数据见表1。

表1 测试烟支物理参数Table 1 Physical parameters of test cigarettes

1.3 卷烟烟气分析

按GB/T 16450—2004《常规分析用吸烟机定义和标准条件》定义吸烟机抽吸条件，依据GB/T 19609—2004《卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》对卷烟样品气相中的总粒相物和焦油进行测定；依据GB/T 23356—2009《卷烟烟气气相中一氧化碳的测定非散射红外法》对卷烟烟气气相中的一氧化碳进行测定；依据GB/T23355—2009《卷烟总粒相物中烟碱的测定气相色谱法》对卷烟烟气气相中的烟碱进行测定；依据GB/T23203.1—2013《卷烟总粒相物中水分的测定气相色谱法》对卷烟烟气气相中的水分进行测定。

1.4 感官质量评价

采用国标GB 5606.4—2005《卷烟第4 部分: 感官技术要求》的评价方法，对卷烟样品进行感官评价。共涉及6 个指标，分别为香气（满分32 分）、谐调性（满分6 分）、杂气（满分12 分）、刺激性（满分20 分）、光泽（满分5 分）和余味（满分25 分），评价时每个指标均以0.5 分为计分单位，各指标权重均为1。组织持有卷烟评吸资格证书的7 位专家组成感官组进行感官评吸，按式计算单项平均得分（其中为某单项得分加和；n为参加评吸人数），精确至0.01，感官质量得分为各单项平均得分之和，精确至0.1。

1.5 卷烟燃烧温度测试

烟支平衡后在温度(22±1)℃、相对湿度60%±3%的环境下，采用单孔道吸烟机进行卷烟的抽吸，抽吸模式参照ISO3308—2000 进行，抽吸2 s，间隔58 s。红外热像仪的测温范围300～1500 ℃，空间分辨率0.65 mrad，波长范围7.5～13 μm，记录频率60 Hz，精确度±2 ℃，像素640×480，热像仪和目标物的距离0.1 m，红外发射率设定为0.88[3]。在分析数据时，采用第3 口作为抽吸时最高温度[13]，抽吸最高温平均温度指全部抽吸段的最高温度的平均值，抽吸平均温度指全部抽吸段的温度平均值，阴燃平均温度指卷烟阴燃段的温度平均值，峰值平均值指全部抽吸峰值的平均温度值，取10 次测量结果的平均值。

2 结果与讨论

2.1 水松纸透气度对中支卷烟常规烟气成分和感官质量的影响

图1 所示为不同水松纸透气度的中支卷烟主流烟气常规烟气指标的测定结果，将图1 中主流烟气常规烟气指标中总粒相物（Total Particulate Matter，TPM）、水分、焦油、烟碱以及一氧化碳质量分别除以口数，即为中支卷烟主流烟气常规烟气指标单口释放量。

水松纸透气度实际改变的是烟支滤嘴通风率。表1 表明随着水松纸透气度增加，滤嘴段通风率呈上升趋势，从不打孔的1.82%上升到1000 CU 的26.71%。由图1 可以看出，随着水松纸透气度增大，中支卷烟主流烟气中的TPM、水分、焦油、烟碱和CO 质量均呈下降趋势。当透气度达到1000 CU 时，相比不打孔时，TPM、水分、焦油、烟碱和CO 的质量分别降低23.4%、68.3%、18.8%、14.6%和16.0%。卷烟抽吸口数（Puff number）却呈相反趋势，随着水松纸透气度的增大而增加，当透气度为1000 CU 时，卷烟抽吸口数较不打孔时增加了8.05%。这是因为吸烟机在ISO 3308—2000 抽吸模式下每口抽吸容量固定为35 mL，随着水松纸透气度的增大，空气从滤嘴水松纸打孔处的进入量逐渐增大，从而导致烟支段燃烧锥进气量逐渐降低，即减少了燃烧锥的抽吸容量，最终也就减少了烟丝的消耗量[14]，因此抽吸口数上升[15]。整体来说卷烟在抽吸时通风稀释作用加强，造成TPM、水分、焦油、烟碱和 CO 释放量成比例下降，与传统圆周规格的卷烟结果规律一致[16]。图1(b)单口释放量结果表明随着滤嘴通风率增加，单口TPM、焦油、水分以及CO 释放量直线下降，而单口烟碱释放量在0～250 CU 时基本没有变化，继续增加至500 CU 后略有降低，从0.15 mg 降低到0.13 mg，这一点与感官品质结果比较接近。评吸结果表明500 CU 下抽吸劲头较小，与文献[17]规律一致。

表2 所示为滤嘴通风率（x）与主流烟气常规烟气质量（y）指标的线性拟合结果。可以明显看出随着滤嘴通风率的增大，中支卷烟主流烟气中的TPM、水分、焦油、烟碱和CO 质量均呈显著下降趋势，线性回归后R2分别达到0.971 0、0.969 7、0.971 0、0.951 8以及0.9521。滤嘴通风率与单口释放量的线性拟合结果与图1（b）吻合。

表2 滤嘴通风率（x）与中支卷烟主流烟气指标（y）的线性回归方程及相关系数Table 2 Linear regression equation and correlation coefficient of mainstream smoke index (y) of medium cigarettes with ventilation of cigarette filter (x)

表3 所示为不同透气度水松纸中支卷烟的感官评价结果。可以看出，整体感官得分与主流烟气指标趋势较为一致，随着水松纸透气度的增加，感官总分呈下降趋势，表明空气进入不仅稀释了主流烟气，同时烟草特有的香味物质也同步被扩散出来。随着水松纸透气度的增加，香气特性、烟气特性均呈下降趋势，而吃味特性则先上升后下降。香气特性方面，随着水松纸透气度增加，香气和谐调性下降较明显，杂气呈先上升后下降趋势。因此在保证整体香气特性、烟气特性的前提下，可适当提高水松纸的透气度来降低部分杂气和刺激性，从而提升整体吸味。

表3 水松纸透气度与中支卷烟感官评价结果Table 3 Result of sensory properties of medium cigarette with tipping paper permeability

2.2 水松纸透气度对中支卷烟燃烧温度的影响

通过红外热像测温平台分析卷烟燃烧全过程中温度的变化，图2 是卷烟抽吸前后的温度变化图。

由图2 可以看出，卷烟抽吸前阴燃状态是燃烧锥区域偏红，随着抽吸时间的增加，大量空气进入到卷烟中发生剧烈的放热反应，温度急剧提升400～500 ℃，燃烧锥中心发亮区域逐渐增大，在抽吸时间为1.0 s时燃烧面积最大，随后降低。

图2 卷烟燃烧红外热成像图Fig.2 Infrared thermography of cigarette combustion

图3 所示为不同透气度水松纸中支卷烟燃烧温度各项指标的测定结果，表4 所示为滤嘴通风率与燃烧温度各项指标的线性拟合结果。可以明显看出随着水松纸透气度的增大，中支卷烟最高温度、抽吸最高温平均温度、抽吸平均温度以及温度平均峰值等均呈下降趋势，经线性回归后，其与滤嘴通风率变化呈现非常好的线性关系，R2分别达到0.9087、0.9820、0.9018 和0.9222，而阴燃平均温度基本不发生变化。该结果表明无论水松纸如何改变，滤嘴通风率虽然变化，但卷烟在阴燃状态时由于燃烧锥内部和外部达到一种气流平衡状态，因此并不受环境影响而发生温度变化。而抽吸时由于快速升温，烟支外部虽然有大量空气从打孔处进入燃烧锥内部，但滤嘴端通风度在增加，导致烟支燃烧锥的进气量随着滤嘴通风度增加而降低，等同于用低于标准抽吸容量来抽吸卷烟[18]，因此滤嘴通风度的增加抑制了烟丝的充分燃烧[19]，从而导致燃烧温度降低。

图3 不同透气度水松纸中支卷烟燃烧温度结果Fig.3 Result of combustion temperature of medium cigarette with different tipping paper permeability

表4 滤嘴通风率（x）与中支卷烟燃烧温度（y）线性回归方程及相关系数Table 4 Linear regression equation and correlation coefficient of cigarette filter ventilation (x) with combustion temperature (y)