接装纸和成型纸透气度对卷烟中元素迁移行为的影响

庞永强，李 雪，罗彦波，朱风鹏，姜兴益，胡清源，陈再根

国家烟草质量监督检验中心，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

随着吸烟与健康问题研究的不断深入，烟气中一些有害成分已得到广泛研究。重金属元素是卷烟烟气中的一类有害物质，已被许多国家列为卷烟安全性评价指标。卷烟抽吸过程中，重金属元素会通过烟支燃烧形成的烟气进入人体，因此其对吸烟者的危害不仅取决于它们在卷烟中的实际量，更重要的是其在卷烟抽吸过程中的迁移行为。目前，国内外相关研究主要集中在烟丝、烟用香精香料、卷烟材料和卷烟烟气中重金属元素的检测分析等方面［1-8］，关于接装纸和成型纸等材料参数的变化对卷烟抽吸过程中重金属迁移行为影响的研究未见文献报道。卷烟接装纸和成型纸的合理搭配可以调控卷烟滤嘴通风率，改变卷烟燃烧状态，降低烟气有害成分的释放量，进而达到降低卷烟危害性的目的［9-12］。因此，研究了接装纸透气度和成型纸透气度对卷烟抽吸过程中铬（Cr）、镍（Ni）、砷（As）、硒（Se）、镉（Cd）和铅（Pb）6 种元素主流烟气、侧流烟气、烟蒂和烟灰迁移率的影响，旨在为低危害卷烟产品的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

5 种不同透气度（0，100，400，800 和1 200 CU）激光打孔接装纸，长度固定为32 mm；5 种不同透气度（3 300，4 500，6 000，10 000 和15 000 CU）成型纸；某牌号卷烟（烤烟型）同一批次的烟丝，木浆卷烟纸（定量28 g/m2、透气度60 CU）；普通醋酸纤维滤棒样品（滤嘴长度24 mm、滤棒吸阻4 000 Pa、圆周24 mm）。

浓硝酸（65%，质量分数）、过氧化氢（30%，质量分数）、甲醇、硝酸（10%，体积分数）（德国Merck公司）。Cr，Ni，As，Se，Cd 和Pb 混合环境标准样品（浓度10 mg/L，基体溶剂为5%硝酸，美国Agilent 公司）。

CP224S 电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius 公司）；NexION300X 电感耦合等离子体质谱 仪（ICP-MS）（美 国 PerkinElmer 公 司）；MARsX-Press 微波消解仪（美国CEM 公司）；RM20H 转盘型吸烟机、LM5 侧流吸烟机（德国Borgwaldt 公司）。

1.2 方法

1.2.1 试验卷烟的制备

按照卷烟辅助材料的单因素变化设计方案，共设计了5 个不同接装纸透气度试验卷烟样品（成型纸透气度固定为3 300 CU，接装纸透气度依次为0，100，400，800 和1 200 CU）和5 个不同成型纸透气度试验卷烟样品（接装纸透气度固定为1 200 CU，成型纸透气度依次为3 300，4 500，6 000，10 000 和15 000 CU）。在同一机台上，采用同一批次的烟丝、相同规格的普通醋酸纤维滤棒、卷烟纸和不同透气度的接装纸、成型纸卷制试验卷烟。试验卷烟样品于温度（22±1）℃、相对湿度（60±3）%的恒温恒湿环境中平衡48 h 后检测。

1.2.2 6 种元素的测定

按照YC/T 380—2010［13］的方法测定试验卷烟烟丝柱体中的6 种元素，按照YC/T 379—2010［14］的方法测定主流烟气中的6 种元素。

侧流烟气中6 种元素的测定:采用鱼尾罩和滤片捕集侧流烟气粒相物；鱼尾罩用20 mL 甲醇淋洗，滤片用甲醇分3 次进行萃取（第1 次用鱼尾罩淋洗后的溶液，后两次各用20 mL 甲醇）；合并萃取液至消解罐中，在90 ℃下使甲醇挥发至1～2 mL；加入5 mL 浓硝酸100 ℃下预消解30 min，补加1 mL 浓硝酸，加2 mL 过氧化氢，置于微波消解仪中消解；消解后样品定容到30 mL，进行ICP-MS分析，参数同YC/T 380—2010。

烟灰中6 种元素的测定（所测定的烟灰为主流烟气分析时产生的烟灰）:将聚四氟乙烯烟灰板（预先用甲醇清洗并干燥）放置于烟灰盘上，按照YC/T 379—2010 的方法抽吸卷烟并收集烟灰；抽吸结束后，混匀烟灰，称取0.05 g 于消解罐中，分别加入6 mL 硝酸、2 mL 盐酸和1 mL 过氧化氢，置于微波消解仪中进行消解；消解后样品定容至50 mL，进 行ICP-MS 分 析，参数同YC/T 380—2010。

烟蒂中6 种元素的测定（所测定的烟蒂为主流烟气分析时的烟蒂）:卷烟抽吸终止后，取下烟蒂，振去浮灰，迅速放入盛有6 mL 硝酸的消解罐中，静置5 min 后，向罐中分别加入1 mL 过氧化氢、2 mL 盐酸和1 mL 氢氟酸，置于微波消解仪中进行消解；消解后样品定容到30 mL，进行ICP-MS 分析，参数同YC/T 380—2010。按照相同的测试方法测定卷烟抽吸前烟蒂对应部分的元素量。

1.2.3 6 种元素迁移率的计算

分别测定卷烟抽吸前烟蒂对应部分（X1），在卷烟抽吸过程中实际燃烧的烟支部分（X2）（图1），以及卷烟燃吸后烟蒂（Y1），收集的主流烟气（MS）（Y2），侧流烟气（SS）（Y3），烟灰（ASH）（Y4）（图2）中Cr，Ni，As，Se，Cd 和Pb 的量。理论上，燃烧的烟支部分中重金属元素量为燃烧后转移至各部分的量之和，即:X2=（Y1-X1）+Y2+Y3+Y4。元素的各部分迁移率分别为卷烟主流烟气（Y2）、侧流烟气（Y3）和烟灰（Y4）中重金属量及烟蒂截留量（Y1-X1）与参与燃烧前烟丝柱体（X2）中重金属量的比值。

图1 抽吸前卷烟测定元素量的部分

图2 抽吸后卷烟测定元素量的部分

1.2.4 数据处理与分析

采用数据统计软件SPSS 17.0 分别对主流烟气、侧流烟气、烟蒂、烟灰中Cr，Ni，As，Se，Cd 和Pb 的迁移率与接装纸、成型纸透气度进行线性回归分析，R2的大小表示两者间的相关性程度。由R2值的大小判断相关性强弱，R2≥0.9 表示显著相关，0.9＞R2≥0.5 表示一般相关，R2＜0.5 表示不相关。

2 结果与讨论

2.1 接装纸和成型纸透气度对卷烟主流烟气中6种元素迁移率的影响

接装纸、成型纸是卷烟的重要组成部分，对卷烟烟气的递送有较大影响。实验考察了不同接装纸、成型纸透气度条件下重金属在燃烧过程中向主流烟气的迁移率。结果（图3）表明:随着接装纸、成型纸透气度的增加，卷烟抽吸过程中重金属向主流烟气的迁移率呈降低趋势，且对Cr，As，Cd和Pb 的调控作用较为明显。

接装纸、成型纸透气度与主流烟气重金属迁移率的回归方程（表1）显示:①接装纸透气度对主流烟气中Cr，As，Cd 和Pb 的迁移率有显著影响（R2≥0.9），对Ni 的迁移率有一定影响（0.9＞R2≥0.5），对Se 的迁移率基本无影响（R2＜0.5）。②成型纸透气度对主流烟气中Cr，Se 和Pb 的迁移率有显著影响（R2≥0.9），对As 和Cd 的迁移率有一定影响（0.9＞R2≥0.5），对Ni 的迁移率基本无影响（R2＜0.5）。③接装纸、成型纸透气度与重金属向主流烟气的迁移率均呈负相关关系。

2.2 接装纸和成型纸透气度对卷烟侧流烟气中6种元素迁移率的影响

图3 接装纸、成型纸透气度对主流烟气中6 种元素迁移率的影响

表1 接装纸、成型纸透气度与主流烟气中6 种元素迁移率的回归方程

表2 接装纸、成型纸透气度对侧流烟气中6 种元素迁移率的回归方程

卷烟侧流烟气指卷烟两次抽吸之间阴燃时产生的烟气和抽吸过程中透过卷烟纸扩散出来的烟气。随着人们对吸烟与健康问题的日益重视，侧流烟气中的有害物质已成为人们关注的焦点。考察了不同接装纸、成型纸透气度条件下，重金属在燃烧过程中向侧流烟气的迁移率。结果（表2）表明:接装纸透气度对侧流烟气中Cr，As，Se 和Pb 的迁移率有一定影响（0.9＞R2≥0.5），对Ni，Cd 的迁移率基本无影响（R2＜0.5）；随接装纸透气度的增加，Cr，As，Se 和Pb 的侧流烟气迁移率有一定程度的降低，但接装纸透气度对侧流烟气的调控作用比较有限。成型纸透气度对重金属向卷烟侧流烟气的迁移基本无影响。

2.3 接装纸和成型纸透气度对烟蒂中6 种元素迁移率的影响

烟蒂作为随处可见的丢弃物，已成为目前数量最多的固体废物之一，所致污染日趋严重，但是常被忽视。烟蒂中残留物质会迁移到土壤等环境中，对环境和生物造成危害。考察了不同接装纸透气度条件下，重金属在燃烧过程中向烟蒂的迁移率。结果（表3）表明:①接装纸透气度对烟蒂中Pb 的迁移率有显著影响（R2≥0.9），对Cr，Ni 和Cd有一定影响（0.9＞R2≥0.5），对As 和Se 的迁移率基本无影响（R2＜0.5），接装透气度与Cr，Ni，Cd 和Pb的烟蒂迁移率呈负相关关系。②成型纸透气度对烟蒂中Se 的迁移率有显著影响，对Cr，Ni，As 和Pb 有一定影响（0.9＞R2≥0.5），对Cd 的迁移率基本无影响（R2＜0.5）。成型纸透气度与重金属元素的烟蒂迁移率呈负相关关系。接装纸和成型纸透气度对烟蒂中重金属迁移率的影响与主流烟气类似，即随着接装纸、成型纸透气度的增加，卷烟抽吸过程中重金属向烟蒂的迁移呈降低趋势。

表3 接装纸、成型纸透气度对烟蒂中6 种元素迁移率的回归方程

2.4 接装纸和成型纸透气度对烟灰中6 种元素迁移率的影响

考察了不同接装纸和成型纸透气度条件下，重金属在燃烧过程中向烟灰的迁移率。结果（表4）表明:①接装纸透气度对烟灰中Cr，As，Se，Cd和Pd 有一定影响（0.9＞R2≥0.5），对Ni 的迁移率基本无影响（R2＜0.5）。②成型纸透气度对烟灰中Se和Cd 的迁移率有一定影响（0.9＞R2≥0.5），对Cr，Ni，As 和Pb 的迁移率基本无影响（R2＜0.5）。③随着接装纸、成型纸透气度的增加，6 种重金属元素的烟灰迁移率呈增加趋势。由表4 中回归方程的截距可以看出，烟草中痕量重金属元素（除Cd 外）在卷烟燃烧后，70%以上迁移到烟灰中。

表4 接装纸、成型纸透气度对烟灰中6 种元素迁移率的回归方程

3 结论

卷烟燃烧过程中，烟草中痕量重金属元素（除Cd 外）的70%以上迁移到烟灰中；金属元素转移到主流烟气的比例在10%以内，其中As，Cd 和Pb 的转移率明显大于Ni，Se 和Cr；侧流烟气中Cd 的转移率显著大于其他元素。

接装纸、成型纸虽不直接参与卷烟燃烧过程，但其透气度的增加可以提高卷烟滤嘴通风率，进而影响烟支内部的气流变化和烟气中化学物质的迁移行为。随着接装纸、成型纸透气度的增加，金属元素向主流烟气和烟蒂的迁移率呈降低趋势。而侧流烟气主要在卷烟阴燃阶段产生，主要受卷烟阴燃性能和环境气流变化的影响。因此，接装纸、成型纸对重金属向卷烟侧流烟气的迁移几乎没有调控作用。接装纸和成型纸透气度的增加会降低卷烟抽吸期间的燃烧强度和烟支抽吸的相对长度，造成卷烟阴燃时间的相对增加，进而使元素迁移至烟灰的比例呈现增加的趋势。

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