楚文娟，紀(jì)朋，韓路，孫培健，孫學(xué)輝，邱建華，田海英，聶聰

1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，河南 鄭州 450000；2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001

0 引言

近年來，國內(nèi)細(xì)支煙銷量快速增長，已成為行業(yè)新的研究熱點(diǎn)。與常規(guī)卷煙相比，細(xì)支卷煙具有以下特點(diǎn)：一是煙支細(xì)長，吸阻較大；二是橫截面小，抽吸時(shí)氣流速度較快；三是濾嘴通風(fēng)率普遍較高。這些物理特征導(dǎo)致細(xì)支煙主流煙氣化學(xué)成分釋放量及感官品質(zhì)與常規(guī)煙有較大差異。因此，系統(tǒng)研究濾嘴參數(shù)對(duì)細(xì)支煙主要理化指標(biāo)及感官品質(zhì)的影響規(guī)律，對(duì)于細(xì)支煙產(chǎn)品開發(fā)具有重要意義。

卷煙材料設(shè)計(jì)參數(shù)的改變對(duì)常規(guī)煙煙氣常規(guī)成分、香味成分、有害成分釋放量，以及卷煙的燃燒性能、感官品質(zhì)的影響等研究已有較多報(bào)道[1-10]；而對(duì)于細(xì)支煙，目前已有研究則多集中于適宜成型為細(xì)支濾棒的絲束，卷煙紙參數(shù)及圓周變化對(duì)細(xì)支煙主流煙氣常規(guī)成分、香味成分釋放量的影響等[11-14]。如高明奇等[15]研究發(fā)現(xiàn),高單旦、低總旦的二醋酸纖維絲束適宜成型低壓降細(xì)支濾棒；C.M.Bundren等[16]指出高單旦、低總旦的二醋酸纖維絲束所成型的細(xì)支濾棒壓降變異系數(shù)遠(yuǎn)高于常規(guī)濾棒；W.D.E.Irwin[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨卷煙圓周的減小，單位質(zhì)量煙絲與空氣接觸的面積增大，煙草燃燒更加充分，焦油、煙堿、CO的釋放量呈降低的趨勢(shì)；李超等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在圓周23.0～27.0 mm范圍內(nèi)，卷煙主流煙氣總粒相物(TPM)和焦油對(duì)應(yīng)的的單位煙堿釋放量隨煙支長度的增加而減小，且隨煙支圓周的增大，負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)愈加明顯。

楚文娟等[19]考查了不同絲束規(guī)格下，濾棒壓降、濾嘴通風(fēng)率對(duì)細(xì)支煙煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規(guī)成分的影響，結(jié)果顯示煙支吸阻、煙堿過濾效率等指標(biāo)在5種絲束規(guī)格間的差異分別達(dá)到顯著和極顯著水平。常規(guī)煙濾嘴中，普遍使用3.0Y/35000規(guī)格的絲束成型濾棒，這種常規(guī)濾棒對(duì)卷煙煙氣常規(guī)指標(biāo)和感官品質(zhì)的影響方面已有報(bào)道，但細(xì)支煙常用的絲束規(guī)格為6.0Y/17000，其成型的細(xì)支濾棒對(duì)細(xì)支煙相關(guān)指標(biāo)和感官品質(zhì)的影響卻鮮有報(bào)道。鑒于此，本研究擬選用國內(nèi)細(xì)支煙常用的6.0Y/17000規(guī)格絲束，在其適宜的范圍內(nèi)成型細(xì)支濾棒，考查濾嘴參數(shù)對(duì)細(xì)支煙煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規(guī)成分釋放量、主流煙氣pH值及感官品質(zhì)的影響，并建立相應(yīng)的預(yù)測模型，以期為細(xì)支煙濾嘴的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料：6.0Y/17000規(guī)格絲束，南通醋酸纖維有限公司提供；濾棒(圓周16.9 mm，長度120 mm)，焦作市卷煙材料有限公司提供；接裝紙(定量40 g/m2，寬度74 mm)，河南省新鄭金芒果實(shí)業(yè)總公司提供；卷煙紙(定量28 g/m2，寬度19 mm，透氣度50 CU)，牡丹江恒豐紙業(yè)有限公司提供；細(xì)支煙專用煙絲(黃金葉品牌)，河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供。

主要儀器：XSE204型電子天平(感量0.000 1 g)，瑞士Mettler Toledo公司產(chǎn)；KDF2濾棒成型機(jī)，沈陽飛機(jī)制造公司產(chǎn)；Quantum Neo綜合測試臺(tái)，英國Cerulean公司產(chǎn)；RM200A型轉(zhuǎn)盤吸煙機(jī)，德國Borgwaldt公司產(chǎn)；Agilent 7890A氣相色譜儀，美國Agilent公司產(chǎn)；Metrohm848型自動(dòng)電位滴定儀，瑞士萬通中國有限公司產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 細(xì)支煙樣品的設(shè)計(jì)與制備選用6.0Y/17000規(guī)格絲束，根據(jù)其適宜的成型范圍，結(jié)合濾棒實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)并制備16種細(xì)支煙樣品，具體物理參數(shù)見表1。由表1可知，細(xì)支煙樣品的濾嘴參數(shù)(濾棒壓降、濾嘴通風(fēng)率)和單支質(zhì)量均能滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的需要。

表1 細(xì)支煙樣品的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of cigarette samples

1.2.2 細(xì)支煙樣品的平衡與篩選參照文獻(xiàn)[21]規(guī)定的方法平衡細(xì)支煙，按照(平均吸阻±30)/Pa、(平均質(zhì)量±0.02)/g、(濾嘴通風(fēng)率設(shè)計(jì)值±3)/%的標(biāo)準(zhǔn)篩選細(xì)支煙，作為待測樣品。

1.2.3 細(xì)支煙樣品主要理化指標(biāo)的檢測首先按文獻(xiàn)[22]規(guī)定的方法抽吸細(xì)支煙，通過綜合測試臺(tái)對(duì)煙支吸阻進(jìn)行直接測定；參照文獻(xiàn)[23]測定與計(jì)算濾嘴對(duì)煙堿的過濾效率；參照文獻(xiàn)[24-25]測定細(xì)支煙主流煙氣中焦油、煙堿、CO的釋放量；參照文獻(xiàn)[26]測定主流煙氣的pH值。

1.2.4 濾嘴參數(shù)與細(xì)支煙樣品主要理化指標(biāo)回歸方程的建立根據(jù)檢測結(jié)果，將各理化指標(biāo)(煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規(guī)成分釋放量、主流煙氣pH值)與濾棒壓降(X1)和濾嘴通風(fēng)率(X2)的關(guān)系進(jìn)行擬合，建立回歸方程。另外設(shè)定不同的濾嘴參數(shù)，制備5支細(xì)支煙作為驗(yàn)證樣品，測量驗(yàn)證樣品主要理化指標(biāo)，以驗(yàn)證樣品的平均預(yù)測相對(duì)偏差(RDAP)來考查回歸方程的預(yù)測精準(zhǔn)度。

式中：C″i為模型預(yù)測值，Ci為實(shí)測值，m為預(yù)測樣品數(shù)。

1.2.5 細(xì)支煙樣品感官品質(zhì)評(píng)價(jià)為保證評(píng)吸樣品的一致性，采用篩選后的待測樣品進(jìn)行感官品質(zhì)評(píng)價(jià)，按照文獻(xiàn)[27]的規(guī)定對(duì)細(xì)支煙感官品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)吸人員共11人，參與評(píng)吸的人員均具有省級(jí)以上評(píng)吸資質(zhì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)支煙樣品主要理化指標(biāo)測定結(jié)果

細(xì)支煙樣品主要理化指標(biāo)測定結(jié)果見表2。從表2可以看出，在濾棒壓降一定時(shí)，隨著濾嘴通風(fēng)率的增加，煙支吸阻、焦油、煙堿、CO釋放量呈下降趨勢(shì)，煙堿過濾效率、主流煙氣pH值呈增加趨勢(shì)；在濾嘴通風(fēng)率一定時(shí)，隨著濾棒壓降的增加，煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣pH值呈增加趨勢(shì)，焦油、煙堿釋放量呈下降趨勢(shì)，CO釋放量變化不大。

表2 細(xì)支煙樣品主要理化指標(biāo)測定結(jié)果Table 2 Determination results of main physical and chemical indexes of cigarette samples

2.2 濾嘴參數(shù)對(duì)煙支吸阻的影響

濾嘴參數(shù)對(duì)煙支吸阻的影響結(jié)果見表3，其中PV為濾嘴通風(fēng)率每增加10%煙支吸阻的降低值;PD為濾棒壓降每增加100 Pa煙支吸阻的增加值。

由表3可以看出，在濾棒壓降一定的條件下，煙支吸阻與濾嘴通風(fēng)率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2>0.98)；在濾嘴通風(fēng)率增加幅度相同時(shí)，濾棒壓降越大，煙支吸阻降低值越大。彭斌等[28]對(duì)常規(guī)煙的研究表明，當(dāng)濾嘴通風(fēng)率變化10%時(shí)，常規(guī)煙吸阻的變化幅度為91.9～103.1 Pa。在濾嘴通風(fēng)率變化一致時(shí)，本文中細(xì)支煙的煙支吸阻變化幅度約為彭斌等[28]研究的常規(guī)煙的1.7倍，這可能是因?yàn)殡S著煙支圓周減小、長度增加，細(xì)支煙軸向阻力增加，因此相同的濾嘴通風(fēng)率的變化對(duì)細(xì)支煙煙支吸阻影響程度更大。

表3 濾嘴參數(shù)對(duì)煙支吸阻的影響Table 3 Effect of filter ventilation on draw resistances

當(dāng)濾嘴通風(fēng)率相同時(shí)，煙支吸阻與濾棒壓降呈顯著正相關(guān)(R2>0.95)；在濾棒壓降增加幅度相同時(shí)，濾嘴通風(fēng)率越高，煙支吸阻增加值越小。高銘等[29]對(duì)常規(guī)卷煙的研究表明，濾棒壓降與煙支吸阻之間存在正相關(guān)關(guān)系，固定濾嘴通風(fēng)率，濾棒壓降改變100 Pa，煙支吸阻改變約54 Pa。在濾棒壓降變化一致時(shí)，本文細(xì)支卷煙煙支吸阻的變化量約為常規(guī)煙的1/2，這可能是因?yàn)槌Ｒ?guī)煙多采用低單旦、高總旦的絲束，與常規(guī)煙相比，細(xì)支煙纖維絲束間的空隙較大，因此改變相同的濾棒壓降，細(xì)支煙的變化幅度相對(duì)較小。

2.3 濾嘴參數(shù)對(duì)煙堿過濾效率的影響

濾嘴參數(shù)對(duì)煙堿過濾效率的影響結(jié)果見表4，其中EV為濾嘴通風(fēng)率每增加10%濾嘴對(duì)煙堿過濾效率的增加值；ED為濾棒壓降每增加100 Pa濾嘴對(duì)煙堿的過濾效率增加值。由表4可以看出，煙堿的過濾效率與濾嘴通風(fēng)率顯著正相關(guān)(R2>0.97)，這與高明奇等[23,30]的研究結(jié)果一致。在本文研究的濾棒壓降范圍內(nèi)，濾嘴通風(fēng)率每增加10%，細(xì)支煙濾嘴對(duì)煙堿的過濾效率增加1%左右。魏玉玲等[31]的研究表明，濾嘴長度為30 mm的常規(guī)煙，煙堿過濾效率均高于40%，本文中同樣濾嘴長度的細(xì)支煙，在所研究的濾嘴通風(fēng)率范圍內(nèi)，煙堿過濾效率均低于30%，明顯低于常規(guī)煙。這可能是由于細(xì)支煙橫截面相對(duì)較小，抽吸時(shí)氣流速度較快，煙氣在濾嘴中駐留時(shí)間較短，使得濾嘴對(duì)煙氣的截留效率降低[23]。煙堿的過濾效率與濾棒壓降呈顯著正相關(guān)(R2>0.85)，這與于川芳等[10]對(duì)常規(guī)煙的研究結(jié)果一致。在本文研究的濾嘴通風(fēng)率范圍內(nèi)，濾棒壓降每增加100 Pa，細(xì)支煙濾嘴對(duì)煙堿的過濾效率增加1.20%～1.56%。

表4 濾嘴參數(shù)對(duì)煙堿過濾效率的影響Table 4 Effect of filter ventilation on nicotine filtration efficiency

2.4 濾嘴參數(shù)對(duì)主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響

2.4.1 濾嘴通風(fēng)率對(duì)主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響濾嘴通風(fēng)率對(duì)主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響如表5所示。由表5可知，在濾棒壓降一定的條件下，主流煙氣焦油、煙堿、CO的釋放量與濾嘴通風(fēng)率均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2>0.95)。該趨勢(shì)與連芬燕等[32]對(duì)常規(guī)煙的研究結(jié)果一致。在本文所研究的濾棒壓降范圍內(nèi)，濾嘴通風(fēng)率每增加10%，煙氣焦油、煙堿和CO釋放量的降低量分別為0.68～0.71 mg/支、0.05 mg/支和0.65～0.73 mg/支。連芬燕等[32]針對(duì)常規(guī)煙的研究，得到1.07 mg/支、0.44 mg/支和1.25 mg/支的結(jié)果，約為本文細(xì)支煙的1.5～9倍。這可能是由于細(xì)支煙煙支圓周相對(duì)較小，單位質(zhì)量煙絲與空氣的接觸面積較大，煙絲燃燒相對(duì)充分，導(dǎo)致濾片截留的常規(guī)煙氣成分的變化量較小。

表5 濾嘴通風(fēng)率對(duì)主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響Table 5 Effect of filter ventilation on the deliveries of conventional components in mainstream smoke

2.4.2 濾棒壓降對(duì)主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響濾棒壓降對(duì)主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響見表6。由表6可知，濾嘴通風(fēng)率相同時(shí)，主流煙氣焦油、煙堿的釋放量與濾棒壓降均顯著負(fù)相關(guān)(R2>0.91)，CO釋放量與濾棒壓降沒有相關(guān)性，該趨勢(shì)與于川芳等[10]對(duì)常規(guī)煙的研究結(jié)論相同。在本文研究的濾嘴通風(fēng)率范圍內(nèi)，濾棒壓降每增加400 Pa，細(xì)支煙煙氣焦油、煙堿的釋放量分別降低0.12～0.28 mg/支、0.024～0.040 mg/支。于川芳等[10]針對(duì)常規(guī)煙的研究，得到0.56 mg/支、0.04 mg/支的結(jié)果，約為本文細(xì)支煙的2～5倍。

表6 濾棒壓降對(duì)主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響Table 6 Effect of filter rod pressure drop on the deliveries of conventional components in mainstream smoke

2.4.3 濾嘴參數(shù)對(duì)主流煙氣中各成分釋放量比值的影響不同濾棒壓降下濾嘴通風(fēng)率對(duì)CO與焦油的釋放量比值(CO/焦油)和煙堿與焦油的釋放量比值(煙堿×10/焦油)的影響見圖1。從圖1可以看出，不同濾棒壓降下，CO/焦油(即CO的單位焦油釋放量)隨著濾嘴通風(fēng)率的增加而減小，煙堿×10/焦油(即煙堿的單位焦油釋放量)隨著濾嘴通風(fēng)率的增加而增大，這與R.Baker[33]關(guān)于常規(guī)煙的研究結(jié)論一致。這是因?yàn)闉V嘴通風(fēng)率增大導(dǎo)致煙氣流速減小，增加了煙氣在煙支段的駐留時(shí)間，導(dǎo)致CO氣體的擴(kuò)散增加，焦油在煙絲段的截留增加，使得CO、焦油降低相對(duì)較多，而對(duì)于半揮發(fā)性成分煙堿來說，僅影響了其冷凝和再蒸發(fā)過程，因而煙堿的減少量相對(duì)較小。

圖1 不同濾棒壓降下濾嘴通風(fēng)率對(duì)CO/焦油和煙堿/焦油比值的影響Fig.1 Effect of filter ventilation on the ratios of CO/tar and nicotine/tar under different filter rod pressure drop

2.5 濾嘴參數(shù)對(duì)主流煙氣pH值的影響

濾嘴參數(shù)對(duì)主流煙氣pH值的影響如表7所示，其中HV為濾嘴通風(fēng)率每增加10%主流煙氣pH值的增加值；HD為濾棒壓降每增加100 Pa主流煙氣pH值的增加值。由表7可以看出，當(dāng)濾棒壓降相同時(shí)，主流煙氣pH值與濾嘴通風(fēng)率顯著正相關(guān)(R2>0.93)；在濾嘴通風(fēng)率增加幅度相同時(shí)，濾棒壓降越大，主流煙氣pH值增加值越大。這可能是因?yàn)樵黾訛V嘴通風(fēng)率，主流煙氣的徑向擴(kuò)散增強(qiáng)，分子量小、沸點(diǎn)低的酸性成分更易于發(fā)生測流逸散，使得游離態(tài)煙堿含量增加，進(jìn)而形成主流煙氣pH值增加值呈增大的趨勢(shì)[26]。當(dāng)濾嘴通風(fēng)率相同時(shí)，主流煙氣pH值與濾棒壓降顯著正相關(guān)(R2>0.93)。這可能是因?yàn)楫?dāng)濾棒壓降增加，主流煙氣中對(duì)煙氣pH值貢獻(xiàn)較大的非揮發(fā)性有機(jī)酸更易于被濾嘴截留，使得主流煙氣中非質(zhì)子化煙堿含量增加，因此主流煙氣pH值呈上升趨勢(shì)[26]。

表7 濾嘴參數(shù)對(duì)主流煙氣pH值的影響Table 7 Effect of filter ventilation on mainstream smoke pH

2.6 細(xì)支煙樣品主要理化指標(biāo)與濾嘴參數(shù)的預(yù)測模型

細(xì)支煙煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規(guī)成分釋放量、主流煙氣pH值等理化指標(biāo)均同時(shí)受濾嘴通風(fēng)率(X1)和濾棒壓降(X2)的影響，其與濾嘴參數(shù)的回歸方程如表8所示。由表8可知，各理化指標(biāo)與濾嘴參數(shù)之間均有較強(qiáng)的相關(guān)性。

表8 細(xì)支煙各理化指標(biāo)與濾嘴參數(shù)的回歸方程Table 8 Regression equation between cigarette physical and chemical indexes and filter parameters

以回歸方程為預(yù)測模型，預(yù)測5個(gè)驗(yàn)證樣品的主要理化指標(biāo)。細(xì)支煙主要理化指標(biāo)的預(yù)測值和實(shí)測值結(jié)果如表9所示。由表9可知，驗(yàn)證樣品各理化指標(biāo)的平均預(yù)測相對(duì)偏差均在0.36%～3.89%范圍內(nèi)，說明所建立的6個(gè)預(yù)測模型預(yù)測精度良好，具有一定的適用性。

表9 細(xì)支煙主要理化指標(biāo)的預(yù)測值和實(shí)測值結(jié)果Table 9 Predicted and measured results of main physical and chemical indexex of slim cigarette

2.7 濾嘴參數(shù)對(duì)細(xì)支煙樣品感官品質(zhì)的影響

濾嘴參數(shù)對(duì)細(xì)支煙樣品感官品質(zhì)的影響如圖2所示。由圖2可知，感官評(píng)價(jià)得分隨濾嘴通風(fēng)率的增加均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，濾嘴通風(fēng)率為40%時(shí)感官品質(zhì)較佳。濾嘴通風(fēng)率較小，煙支吸阻較大，影響細(xì)支煙抽吸的輕松感；濾嘴通風(fēng)率過大，煙氣稀釋程度較大，對(duì)煙氣濃度、香氣量、滿足感均有不利影響。隨著濾棒壓降的增加，細(xì)支煙感官評(píng)價(jià)得分呈降低趨勢(shì)，對(duì)于不同壓降細(xì)支濾棒，均為最低壓降時(shí)感官評(píng)價(jià)得分最高。因此，細(xì)支煙設(shè)計(jì)可優(yōu)先選擇低壓降濾棒，再搭配適宜的濾嘴通風(fēng)率，可使細(xì)支煙抽吸時(shí)具有較好的輕松感、滿足感和舒適感。

圖2 濾嘴參數(shù)對(duì)細(xì)支煙感官品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of filter parameters on sensory quality of slim cigarettes

3 結(jié)論

本研究系統(tǒng)考查了利用6.0Y/17000規(guī)格絲束制備細(xì)支煙時(shí)，濾嘴參數(shù)(濾嘴通風(fēng)率、濾棒壓降)對(duì)細(xì)支煙煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規(guī)成分釋放量、主流煙氣pH值等主要理化指標(biāo)，以及感官品質(zhì)的影響，得到如下結(jié)論：

1)煙支吸阻與濾嘴通風(fēng)率負(fù)相關(guān)，且隨著濾棒壓降的增加，濾嘴通風(fēng)率對(duì)煙支吸阻的影響逐漸變大；煙支吸阻與濾棒壓降正相關(guān)，且隨著濾嘴通風(fēng)率的增加，濾棒壓降對(duì)煙支吸阻的影響逐漸變??；相同濾嘴通風(fēng)率變化，細(xì)支煙煙支吸阻的變化幅度大于常規(guī)煙，相同的濾棒壓降變化，細(xì)支煙煙支吸阻的變化幅度小于常規(guī)煙。

2)細(xì)支煙濾嘴對(duì)煙堿的過濾效率與濾棒壓降和濾嘴通風(fēng)率均呈正相關(guān)，過濾效率低于常規(guī)煙；濾嘴通風(fēng)率與焦油、煙堿、CO的釋放量均負(fù)相關(guān)；濾棒壓降與焦油、煙堿釋放量負(fù)相關(guān)、與CO釋放量無相關(guān)性；濾嘴參數(shù)變化對(duì)細(xì)支煙常規(guī)成分釋放量的影響幅度低于常規(guī)煙；CO的單位焦油釋放量隨濾嘴通風(fēng)率的增大而減小，煙堿的單位焦油釋放量隨濾嘴通風(fēng)率的增大而增大。

3)主流煙氣pH值與濾棒壓降和濾嘴通風(fēng)率均呈正相關(guān)；細(xì)支煙感官評(píng)價(jià)得分隨濾棒壓降的增加而降低，隨濾嘴通風(fēng)率的增加先升高后降低，濾嘴通風(fēng)率為40%時(shí)感官品質(zhì)最優(yōu)。

4)分別建立了煙支吸阻、 煙堿過濾效率、 焦油、煙堿、CO、主流煙氣pH的回歸方程，且回歸方程R2均大于0.96，預(yù)測精度良好。

本文僅針對(duì)6.0Y/17000規(guī)格絲束濾嘴參數(shù)對(duì)細(xì)支煙主要理化指標(biāo)的影響進(jìn)行了研究，后續(xù)工作中將開展濾嘴參數(shù)對(duì)短支煙、中支煙主要理化指標(biāo)的影響研究，旨在為細(xì)支煙產(chǎn)品主要理化指標(biāo)的精準(zhǔn)調(diào)控及數(shù)字化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。