朱成文，王 瑞，徐如彥，吳 洋，郝喜良，吳 佳，芮金生，沈曉晨

江蘇中煙工業(yè)有限責任公司，南京市建鄴區(qū)夢都路30 號 210019

切絲是卷煙加工的關(guān)鍵工序之一，不僅影響卷煙的質(zhì)量指標，還會影響卷煙的感官品質(zhì)。近年來，為提高細支卷煙煙支物理指標的穩(wěn)定性，40 mm 定長切絲工藝已被應(yīng)用于部分細支卷煙的生產(chǎn)中。與常規(guī)切絲模式相比，40 mm 定長切絲可以降低煙絲的特征尺寸和長絲率，提高中絲率、短絲率和均勻性，從而提高了細支卷煙主要物理指標和主流煙氣常規(guī)化學成分的批間穩(wěn)定性［1-2］。但是，有關(guān)40 mm 定長切絲對細支卷煙危害性指數(shù)影響的研究則較少。目前，有關(guān)卷煙危害性指數(shù)影響的研究主要涉及煙葉原料、打葉復(fù)烤、卷煙材料、通風稀釋、功能添加劑以及制絲關(guān)鍵工序［3-10］。切絲作為制絲關(guān)鍵工序之一，有關(guān)危害性指數(shù)的研究主要考察了切絲寬度。邱玉春等［3］研究了切絲寬度對卷煙主流煙氣中7 種有害成分的釋放量的影響；王艷麗等［4］分析不同切絲寬度對單口有害成分釋放量及煙氣危害性指數(shù)的影響。然而，上述針對切絲的研究主要基于常規(guī)卷煙，既缺少對細支卷煙的分析，又缺少切絲模式影響的研究。切絲模式能顯著影響煙絲結(jié)構(gòu)，而煙絲結(jié)構(gòu)又能改變卷煙燃燒狀態(tài)，從而影響卷煙的危害性指數(shù)。LI Bin 等［11-13］構(gòu)建了卷煙燃燒狀態(tài)的表征方法，通過燃燒錐體積、最高溫度、特征溫度、靜燃速率及抽吸平均速率等指標，探究了燃燒狀態(tài)對卷煙有害成分釋放量的影響。為此，采用定長切絲與常規(guī)切絲兩種不同工藝制備卷煙樣品，考察煙絲結(jié)構(gòu)特征和卷煙燃燒狀態(tài)的變化，分析切絲模式對卷煙7 種有害成分釋放量產(chǎn)生影響的機理，旨在為定長切絲技術(shù)在細支卷煙中的深入應(yīng)用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

濃鹽酸（質(zhì)量分數(shù)為36%～38%，南京化學試劑有限公司）；氰離子標準溶液（50 mg/L，國家標準物質(zhì)中心）；銨離子標準溶液（以氮計100 mg/L，中國計量科學研究院）；巴豆醛的2,4-二硝基苯腙標準品（純度＞99%，美國Chem Service Incorporated公司）；苯酚、苯并［a］芘（純度≥99%，美國Sigma公司）；乙腈（色譜純，美國TEDIA 公司）；吡啶（AR，上海凌峰化學試劑有限公司）；高氯酸（AR，上海金鹿化工有限公司）；2,4-二硝基苯肼（DNPH）（AR，日本TCI 公司）；NaOH、氯胺T、鄰苯二甲酸氫鉀、異煙酸、1,3-二甲基巴比妥酸（AR，上海國藥化學試劑公司）；30%聚乙氧基月桂醚Brij35（荷蘭Skalar 公司）；甲基磺酸（98%）、乙酸銨（色譜純，美國Fluka 公司）；NNK、d4-NNK（＞98%，加拿大TRC 公司）。

卷煙燃吸溫度分布分析儀（中國煙草總公司鄭州煙草研究院）；RM20H 轉(zhuǎn)盤式吸煙機、RM200A 轉(zhuǎn)盤式吸煙機（集成CO 分析儀模塊）、DT 綜合測試臺（德國Borgwaldt KC 公司）；Milli-Q Integral 10 型超純水系統(tǒng)（美國Millipore 公司）；AL204 電子天平（感量：0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；HY-5A 回旋振蕩器（江蘇省金壇市訊生儀器廠）；Binder 恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）；Skalar SAN++流動分析儀（荷蘭Skalar 公司）；ICS-5000 離子色譜儀（美國Dionex公司）；7000B 型三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜儀、7890A 型氣相色譜儀、Aglient6460 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、Agilent 1100 高效液相色譜儀（美國Agilent 公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷煙樣品的制備

對兩種規(guī)格的細支卷煙分別制作試驗樣和對照樣，同一規(guī)格卷煙所選用的葉組相同，切絲模式分別選用平板式刀片的常規(guī)切絲模式和齒間距40 mm 的鋸齒式刀片的定長切絲模式，其他制絲過程和卷接過程的工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和煙支物理指標要求均相同。以40 mm 定長切絲模式卷制的細支卷煙樣品作為試驗樣，記為1#樣品和3#樣品；常規(guī)切絲模式卷制的細支卷煙樣品作為對照樣，記為2#樣品和4#樣品，其中1#樣品和2#樣品為同一規(guī)格，3#樣品和4#樣品為同一規(guī)格，卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)、特征尺寸、煙支和卷煙紙相關(guān)參數(shù)見表1 和表2。

表1 煙絲結(jié)構(gòu)和特征尺寸數(shù)值Tab.1 Cut tobacco structural parameters and characteristic size

1.2.2 危害性指數(shù)的測定

在江蘇中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心實驗室，按照相同的單支質(zhì)量、開放吸阻和總通風率范圍篩選卷煙樣品，采用行業(yè)標準方法［14-20］分別應(yīng)用高效液相色譜儀、高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀、氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀、連續(xù)流動分析儀、離子色譜儀以及CO 分析儀等儀器測定卷煙樣品7 種有害成分的釋放量。參照文獻［21］的方法，計算卷煙樣品的危害性指數(shù)H。

表2 卷煙的煙支和卷煙紙相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters of cigarette and cigarette paper

1.2.3 燃燒錐溫度參數(shù)以及溫度場分布的測定

在煙草行業(yè)煙草工藝重點實驗室，參照文獻［11-13］的方法應(yīng)用卷煙燃吸溫度分布分析儀測定4 種細支卷煙的燃燒錐最高溫度、燃燒錐特征溫度T0.5、靜燃與抽吸過程中的瞬時燃燒速率以及溫度場分布特征等。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同切絲模式對細支卷煙7 種有害成分釋放量的影響

按照標準方法分析2 種規(guī)格4 種卷煙樣品7 種有害成分的釋放量，按規(guī)格分別進行對比，結(jié)果見表3?？芍?，與對照樣2#和4#相比，試驗樣1#和3#的7 種有害成分的釋放量變化呈現(xiàn)3 種趨勢：①巴豆醛、苯酚和HCN 釋放量降低，其中巴豆醛釋放量降低6.0%和6.1%，HCN 釋放量降低7.6%和13.8%，苯酚釋放量下降3.8%和16.6%；②氨和NNK 釋放量顯著降低，其中氨釋放量降低16.8%和18.5%，NNK 釋放量降低18.3%和23.8%；③苯并［a］芘釋放量上升6.3%和12.6%，CO 釋放量略有上升。根據(jù)7 種有害成分釋放量計算卷煙的危害性指數(shù)，其中1#試驗樣品比2#對照樣品的卷煙危害性指數(shù)降低了0.61，降低比例為10.87%；3#試驗樣品比4#對照樣品的卷煙危害性指數(shù)降低了0.30，降低比例為6.22%。

表3 4 種細支卷煙樣品7 種有害成分的釋放量Tab.3 Deliveries of seven harmful smoke components from four slim cigarettes

由此可見，應(yīng)用40 mm 定長切絲模式后，盡管苯并［a］芘和CO 的釋放量增加，但是由于氨、NNK、巴豆醛、苯酚和HCN 的釋放量降低，特別是氨和NNK 釋放量降低較多，因此卷煙的危害性指數(shù)仍有所降低。40 mm 定長切絲模式對于試驗樣品可以降低卷煙的危害性指數(shù)，尤其是在降低主流煙氣中氨和NNK 的釋放量方面表現(xiàn)突出。

2.2 不同切絲模式對細支卷煙燃燒狀態(tài)的影響

2.2.1 最高燃燒溫度、燃燒特征溫度T0.5、升溫速率及燃燒速率的變化

圖1 是2 種規(guī)格4 種卷煙樣品燃燒狀態(tài)圖，主要包含最高燃燒溫度、燃燒特征溫度T0.5以及升溫速率等燃燒參數(shù)。由燃燒錐最高溫度曲線可以看出，1#樣品與2#樣品相比，0 時刻的最高溫度低，最高溫度的峰值也低；3#樣品與4#樣品相比，0 時刻的最高溫度高，最高溫度的峰值也高。3#定長切絲樣品燃燒錐的最高溫度高于4#常規(guī)切絲樣品，但是1#定長切絲樣品燃燒錐的最高溫度低于2#常規(guī)切絲樣品。這主要由于最高燃燒溫度是單點的測試溫度，該溫度直接反映了測溫探針與燃燒錐接觸位置的最高溫度，并不能全面地反映燃燒錐整體的最高溫度。所以，為了更準確地表征燃燒溫度，本研究中主要考察燃燒特征溫度T0.5。從燃燒特征溫度T0.5可以看出，定長切絲樣品1#和3#T0.5峰值明顯高于常規(guī)切絲樣品2#和4#。燃燒特征溫度T0.5反映了卷煙燃燒錐整體的燃燒強度。抽吸過程中燃燒強度會影響有害成分的釋放量，其中氨和HCN 的釋放量隨著燃燒溫度升高而下降，苯并［a］芘和CO 釋放量隨著燃燒溫度的升高而升高［13,22-26］，因此定長切絲后卷煙樣品1#和3#氨的釋放量顯著下降，而苯并［a］芘和CO 釋放量有所增加。從升溫速率圖可以看出，定長切絲樣品1#和3#峰值明顯高于常規(guī)切絲樣品2#和4#。升溫速率的快慢也可以影響卷煙有害成分的釋放量，一般而言，升溫速度加快，氨、苯酚釋放量下降［22,27-28］，試驗樣與對照樣相比升溫速率加快，因此氨和苯酚釋放量下降。

圖1 4 種卷煙樣品卷煙燃燒狀態(tài)參數(shù)Fig.1 Characteristic parameters of combustion states of four cigarette samples

卷煙的平均抽吸速率與升溫速率具有正相關(guān)性，升溫速率快，平均抽吸速率也快，升溫速率慢，平均抽吸速率也慢。因此，從表4 可見，定長切絲樣品1#和3#的平均抽吸速率高于常規(guī)切絲樣品2#和4#。

2.2.2 溫度場和升溫速率分布圖的變化

圖2 和圖3 是2 個規(guī)格4 種卷煙樣品的溫度場分布和升溫速率分布圖，從圖中可以更直觀地發(fā)現(xiàn)，1#和3#定長切絲樣品高溫區(qū)域面積高于常規(guī)切絲樣品，即定長切絲樣品在抽吸過程中燃燒程度強于常規(guī)切絲樣品。從升溫速率圖可以看出定長切絲樣品1#和3#的升溫速率明顯快于常規(guī)切絲樣品2#和4#。

表4 4 種卷煙樣品燃燒速率Tab.4 Combustion rates of four cigarette samples（mm·s-1）

綜上可以發(fā)現(xiàn)，切絲模式改變后，卷煙的煙絲結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，并進一步影響了卷煙燃燒狀態(tài)，從而影響了與卷煙危害性指數(shù)相關(guān)的7 種有害成分釋放量。但是NNK 的釋放量顯著下降，可能是因為卷煙燃燒狀態(tài)發(fā)生變化影響到了NNK 的轉(zhuǎn)移和合成［29］，但其與燃燒溫度的關(guān)系仍需進一步深入研究。

圖2 規(guī)格1 樣品1#和2#溫度場和升溫速率分布Fig.2 Temperature fields and heating rate distribution of Samples 1#and 2#of Specification 1

圖3 規(guī)格2 樣品3#和4#溫度場和升溫速率分布Fig.3 Temperature fields and heating rate distribution of Samples 3#and 4#of Specification 2

3 結(jié)論

（1）對比分析40 mm 定長切絲模式細支卷煙和常規(guī)切絲模式細支卷煙主流煙氣中7 種有害成分的釋放量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：細支卷煙的危害性指數(shù)與對照樣相比分別降低了10.87%、6.22%，其中巴豆醛、苯酚和HCN 的釋放量與對照樣相比降低了3%～17%，氨和NNK 的釋放量與對照樣相比降低了16%～24%，苯并［a］芘和CO 釋放量略有上升。

（2）應(yīng)用40 mm 定長切絲模式后，細支卷煙煙絲結(jié)構(gòu)、煙支內(nèi)煙絲密度分布和煙支物理指標穩(wěn)定性均發(fā)生變化，影響了燃燒特征溫度T0.5、升溫速率以及溫度場中高溫區(qū)的分布面積，從而影響了7 種有害成分的釋放量，降低了細支卷煙的危害性指數(shù)。

致謝衷心感謝煙草行業(yè)煙草工藝重點實驗室對本研究支持！