陈化条件对卷烟物理指标和有害成分的影响

岳华峰，石 炬，李晓红，刘志晖

(湖北中烟工业有限责任公司 广水卷烟厂，湖北 广水 432700)

近年来随着物质生活的不断丰富，绿色健康成为人们对食品选择的一个重要因素。卷烟作为一种食品，其危害与健康矛盾的协调越来越受到世界各国关注，有研究表明，卷烟主流烟气中的焦油、烟碱、NH3(氨)、CO(一氧化碳)、B[a]P(苯并芘)、NNK(降烟碱)、HCN(氢氰酸)、苯酚、巴豆醛对吸烟者的危害最为显著[1-4]，可见降焦减害技术已成为衡量各大卷烟企业核心竞争力的重要标志[5-7]。为此，大量专家学者围绕降焦减害这一主题开展了大量的研究[8-10]。王乃定等[11]研究了不同吸附材料对卷烟降焦减害的影响，结果表明，纳米材料应用于卷烟滤棒中可有效地达到降焦减害的作用。王建新等[1]研究表明，使用AXL的卷烟焦油释放量和B[a]P释放量分别降低了7%和7.6%。李绍民等[12]研究表明，利用改性Y型分子筛能显著降低卷烟烟气的焦油量，而且对卷烟烟气中的苯系物、稠环芳烃、酚类成分和烟草特有亚硝胺等有害成分均具有一定的选择性过滤效果，这些研究成果对卷烟危害性的降低都起到了一定的作用，但成本较高。为此需要在降低危害的基础上控制生产成本，而陈化是卷烟生产中的重要环节，是卷烟制丝加工成卷烟的前提保障[13-15]，陈化过程中烤烟在微生物与酶活性的作用下内含物质进一步降解转化，使烤烟的品质得到一定程度的改善[16]。申培林等[17]对烤烟陈化过程中多酚含量进行了研究，结果表明，绿原酸含量在陈化后较陈化前升高，芸香苷含量呈现不同的特点。赵铭钦等[18]研究表明，烟叶中各种有机酸含量在陈化过程中的变化趋势明显不同，其中大部分酸性物质的含量呈下降趋势。然而关于陈化过程中卷烟物理特性对主流烟气中有害成分影响的研究尚未见报道。因此，对不同陈化条件下卷烟的物理特性以及主流烟气中的有害成分进行检测分析，以期对降焦减害的进一步实现提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2017年3月在湖北中烟公司技术中心进行，供试烤烟品种为中烟100，样品为许昌市、漯河市、平顶山市、南阳市、驻马店市、洛阳市、三门峡市以及郑州市等下属的10个植烟县(市)的123个C3F烟叶。

卷烟所用烟筒由湖北中烟广水卷烟厂统一提供，其中烟筒的圆周为24.4 mm，长度为84 mm，滤嘴长度为25 mm，接装纸长度为32 mm，盘纸长度为52 mm。

试验所用吸烟机为RM-200A转盘式吸烟机(德国Borgwaldt公司)；气相色谱仪Agilent 7890A型、气相质谱仪Agilent 5975C、高效液相色谱仪Agilent 1200(美国Agilent公司)，液相色谱三重四极杆质谱联用仪API 4000(美国ABSCIEX 公司)，连续流动分析仪AA3型(英国Seal公司)，离子色谱仪ICS 3000(美国戴安公司)。

1.2 试验方法

陈化过程中设置3个处理，T1：不套袋，T2：套袋敞口，T3：套袋封口。分别在陈化的0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、36个月测定相关指标。

烟丝质量的测定采用千分之一分析天平称取10支然后计算均值；燃烧温度采用HB-SP801型红外点温图像仪进行测量，每20 s测量一次求均值；静燃速率每次选10支烟同时点燃，记录静然时间，计算静燃速率，求平均值。

CO含量的测定采用GB/T 23356—2009进行；NNN含量的测定采用LC-MS/MS法进行，B[a]P含量的测定采用GB/T 21130—2007进行，巴豆醛含量的测定采用YC/T 254—2008进行，苯酚含量的测定采用YC/T 255—2008进行，HCN含量的测定采用YC/T 253—2008进行，NH3含量的测定采用YC/T 377—2010进行。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2010与MATLAB2016b进行分析。

2 结果与分析

2.1 陈化过程中不同陈化条件下卷烟物理指标的变化

由图1可知，随着烤烟陈化的不断进行，卷烟的物理指标呈现出一定的变化规律，各处理卷烟烟丝的质量均呈现出波浪形变化，但均控制在780～825 mg/支。烟支在吸食过程中燃烧温度随陈化时间的延长总体表现为先增加后降低的趋势，且T1处理的燃烧温度在陈化18个月达到峰值，T2处理在陈化27个月达到峰值，T3处理在陈化21个月达到峰值，峰值的大小表现为T3>T1>T2；此外在陈化的前18个月T1处理的燃烧温度明显高于T2和T3处理。陈化过程中各处理卷烟的静燃速率均逐渐提高，且在陈化进行的0～12个月T3处理略高于T1和T2处理，陈化进行的12～24个月3个处理差异不明显，陈化进行的24～36个月各处理的静燃速率表现为T3>T2>T1。陈化过程中烟支的吸阻随陈化时间的延长总体上逐渐降低，且各处理在陈化9～15个月吸阻表现为T2>T3>T1，且T2和T1处理吸阻的最大差值为144 Pa，而T2和T3处理吸阻的最大差值为41 Pa；在陈化的15～30个月，卷烟的吸阻表现为T3>T2>T1，且在陈化18～27个月 T2和T1处理的差异保持在较小水平，T3和T2处理的最大吸阻差值出现在陈化的第21个月，差值为83 Pa，T3和T1处理的最大吸阻差值出现在陈化的第24个月，差值为101 Pa。

图1 陈化过程中卷烟物理指标的变化

2.2 陈化过程中不同陈化条件下卷烟主流烟气中有害成分的变化

由图2可知，陈化过程中各处理卷烟主流烟气中的不同有害成分的变化差异较大，其中各处理主流烟气中焦油含量总体表现为先减少后增加的趋势，且各处理焦油含量均在陈化24个月左右达到谷值，在陈化的18～24个月各处理焦油含量表现为T3>T2>T1，而其他陈化阶段各处理的焦油含量均表现为T1>T2>T3。综合来看，经过陈化后烤烟的焦油含量有一定幅度的降低，对卷烟的降焦减害有较大的促进作用，烤烟的可用性得到进一步提高。

与焦油含量相比，在陈化过程中烤烟主流烟气中HCN含量大体上也表现为先降低后增加的趋势，但3个处理HCN含量达到谷值的时间差异较大，其中T1和T3处理出现在陈化的21个月，而T2处理出现在陈化的15个月；且在陈化的前9个月各处理HCN含量差异较小，在陈化的9～18个月T1处理显著大于T2和T3处理(P<0.05)，且在陈化的15个月T1和T3处理的HCN含量的差值达到最大，为31.3 μg/g，陈化进行18个月后各处理烟气中HCN含量表现为T2>T3>T1。就整个陈化过程而言，各处理烤烟经过陈化后卷烟主流烟气中HCN含量均有较大幅度的降低，卷烟的危害性得到一定程度的降低。

图2 陈化过程中卷烟主流烟气中有害成分的变化

各处理卷烟主流烟气中苯酚含量在陈化过程中均总体上表现为先增加后减少的趋势，且3个处理苯酚含量的最大值差异较小，但各处理达到峰值的陈化时间有所差异；陈化过程中的前6个月各处理苯酚含量差异较小；在陈化进行的6～12个月各处理卷烟主流烟气中苯酚含量表现为T1>T2>T3；在陈化15个月后各处理卷烟主流烟气中苯酚的含量表现为T3>T2>T1，且在陈化的24～27个月各处理差异出现最大值，其中T3处理比T1处理高12.81 μg/g，比T2处理高10.01 μg/g。陈化27个月后苯酚含量迅速降低，但考虑到卷烟企业正常的烤烟陈化时间，陈化对苯酚危害的降低作用较小。

陈化过程中烤烟主流烟气中NH3含量变化也总体表现为先增加后降低的趋势，且均在陈化的9个月达到峰值，之后迅速下降；在陈化的6～15个月主流烟气中NH3含量大体表现为T1>T3>T2，其他陈化时期则表现为T2>T3>T1。综合来看，陈化可以降低烤烟主流烟气中NH3的含量，提高卷烟的安全性，且套袋不利于NH3含量的降低。

陈化过程中B[a]P含量表现为先增加后降低的趋势，但经过陈化烤烟主流烟气中B[a]P含量均高于陈化前，峰值出现在陈化的21～24个月，3个处理之间的差异无明显规律，表明在烟叶适用于卷烟制造的正常陈化时间范围内(24个月左右)，可以明显降低B[a]P的危害。

陈化过程中烤烟主流烟气中CO、烟碱与NNK含量总体上均随陈化时间的延长逐渐降低，且CO与烟碱含量大体上表现为T1处理高于T2和T3处理，表明陈化过程中套袋能降低烤烟主流烟气CO和烟碱含量，进一步降低卷烟的危害；烤烟主流烟气中NNK含量在3个处理间差异不明显，表明烤烟经过陈化后NNK含量在一定程度上得到降低。

烤烟主流烟气中巴豆醛含量随陈化的进行总体上逐渐增加，且在陈化进行6～18个月不同处理间差异比较明显，表现为T3>T2>T1，表明套袋处理不利于巴豆醛含量的降低，其他陈化阶段3个处理间差异不明显。

综合分析表明，可以在卷烟生产中可以通过陈化减少卷烟制品主流烟气中的有害成分，且套袋处理对一些有害成分指标的降解效果较好。

2.3 卷烟物理指标与有害成分含量的灰色关联分析

由表1可知，经过陈化后卷烟的烟丝质量与焦油、HCN、CO以及烟碱含量均有较高的关联度，关联系数均达到0.43以上，表明卷烟中烟丝的质量对主流烟气中焦油、HCN、CO以及烟碱的含量影响较大，在生产中可以利用膨胀烟丝技术增加烟丝的填充值，降低烟丝质量，进而降低焦油、HCN、CO以及烟碱的危害；烟支燃烧温度与主流烟气中B[a]P和巴豆醛的含量有较高的关联度，关联系数分别为0.408 6和0.479 2，表明在卷烟生产过程中可以增加卷烟的进气量，促进烟叶的充分燃烧，控制卷烟的燃烧温度，进而减少B[a]P和巴豆醛的危害；卷烟的静燃速率与烟气中NNK含量的关联度达到各指标的最大值，关联系数为0.741 7，表明卷烟的静燃速率对主流烟气中NNK含量影响较大，在生产中可以适当增加卷烟的燃烧速率进而降低NNK的危害，从而达到减害的目的；烟支吸阻与除B[a]P、烟碱和NNK之外的其他有害成分含量均有较高的关联度，表明在卷烟生产中可以通过升级滤棒的手段降低卷烟吸阻，从而降低主流烟气中有害成分的危害。

表1 卷烟物理指标与有害成分含量的灰色关联分析

3 结论与讨论

烤烟陈化过程中卷烟的物理指标有不同程度的差异，其中烟丝质量变化呈波浪形变化，不同陈化条件下的差异较大，但均保持在0.8 g左右，这主要是由于实际卷烟的要求所致[19]。而在陈化的前18个月不套袋陈化的卷烟燃烧温度明显高于2个套袋处理，可能是由于套袋陈化过程中在微生物与酶的作用下，烤烟的干物质消耗较多，燃烧的温度相对较低[19]。在陈化过程中各处理卷烟的静燃速率均逐渐增加，但差异不明显，可能是由于烤烟的干物质在陈化过程中虽然进一步降解转化，但各处理的降解转化量只在一定范围内变化，不足以影响卷烟静燃速率变化，另外在燃烧时由于没有抽吸作用的助燃，使得燃烧时的速率差异不大。烟支的吸阻随陈化时间的延长总体上逐渐降低，且在陈化的6～30个月套袋处理烟叶的吸阻要大于不套袋处理，可能是由于套袋陈化的内含物质消耗略多，制成的烟丝填充值较低，烟丝较多使得吸阻较大[19]。

经过陈化，除巴豆醛外烤烟主流烟气中的危害成分含量均有一定程度的降低，这主要是由于巴豆醛的化学性质比较稳定，在陈化条件下绝对含量变化不大，随着陈化过程中烤烟干物质的消耗相对含量逐渐增加[19]；套袋处理在一定的陈化时期能够降低焦油、HCN、B[a]P、CO以及烟碱的含量，可能是由于这些有害成分的前体物或本身物质在套袋陈化时，微生物以及相关酶的作用较强，降解速率较快[19]，但不利于苯酚与NH3含量的降低，这可能是由于不套袋处理的环境条件更有利于此类物质的降解转化。且不同处理对NNK含量影响不大，表明套袋处理不足以营造足够的环境条件来降低NNK的含量。

本研究分析表明，卷烟的物理指标对主流烟气中有害成分的影响较大，其中烟丝质量对焦油、HCN、CO以及烟碱含量均有较大的影响，由于烟丝量越多，烟丝间的空隙越小，抽吸时进入的氧气量越低，烟丝燃烧不充分，主流烟气中焦油、HCN、CO以及烟碱含量相应增加；烟支燃烧温度对主流烟气中B[a]P和巴豆醛含量影响较大。于建军[19]研究表明，卷烟的燃烧温度越高，B[a]P和巴豆醛前提物裂解产生的量越多，可知在一定范围内减少烟丝的燃烧量、降低燃烧温度可以降低主流烟气中高B[a]P和巴豆醛的含量。烟支的静燃速率与NNK含量有较高的关联度。庞永强等[20]研究表明，增加抽吸时烤烟的通风量能够明显降低卷烟主流烟气中NNK等有害成分的含量，可知随着静燃速率增加，卷烟充分燃烧，NNK含量相对减少。烟支吸阻对主流烟气中除B[a]P、烟碱和NNK之外的其他有害成分含量均有较大影响，可能是吸阻较大造成烟丝的燃烧不充分，进而使得苯酚、NH3以及CO含量增加[20]。

参考文献:

[1] 王建新,熊斌,李青城,等.新型AXL卷烟的研制及其降焦减害效果评价[J].武汉工程大学学报,2003,25(4):4-6.

[2] 孙肖,王士奎,樊惠玲,等.降焦减害滤嘴添加剂的研究进展[J].安徽农业科学,2012,40(36):17742-17744.

[3] 金勇,王诗太,李克,等.卷烟滤嘴在降焦减害中的研究进展[J].烟草科技,2016,49(11):68-76.

[4] 何景福.新型材料在卷烟降焦减害中的应用[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2007,22(2):53-57.

[5] 孙学辉,杨松,孙培健,等.基于卷烟降焦减害的滤嘴添加剂研究与应用进展[J].烟草科技,2017,50(2)：86-96.

[6] 田海英,张展,聂聪,等.烟丝添加剂在卷烟降焦减害中的研究进展[J].中国烟草学报,2016,22(5):133-144.

[7] 张悠金.新型纳米材料的制备、表征及在卷烟降焦减害中应用研究[D].合肥:中国科学技术大学,2005.

[8] 张博,陈胜利,冯涛,等.从农业和工业的角度阐述烟草降焦减害的技术途径[J].北京农业,2013(33)：10-12.

[9] 白家峰,刘政,黄江锋,等.苹果酸钾选择性降低卷烟有害成分含量的研究[J].轻工科技,2012(7):123-124.

[10] 陈永森,崔成哲,朱良华,等.“人参皂苷”胶囊滤棒对卷烟有害成分及香气特征的影响[J].安徽农业科学,2015，43(35):131-133.

[11] 王乃定,向能军,李春,等.不同吸附材料在卷烟降焦减害中的应用[J].光谱实验室,2010,27(3):1135-1138.

[12] 李绍民,胡有持,赵明月,等.利用改性Y型分子筛降低卷烟烟气中的有害成分[J].中国烟草学报,2003,9(3):28-39.

[13] 李炎强,胡有持,宗永立,等.烤烟陈化过程中挥发性、半挥发性脂肪酸和pH的变化研究[J].香料香精化妆品,2004(3):21-24.

[14] 韩锦峰,朱大恒,杨素勤,等.不同陈化时期烤烟几种酶活性及相关化学成分的分析[J].中国烟草科学,1999(1):1-2.

[15] 张西仲,徐晓燕,韩忠明,等.烤烟片陈化过程中化学成分及相关酶活性的分析[J].贵州农业科学,2008,36(6):24-26.

[16] 李丹丹,张保全,夏琛,等.不同程度含青烤烟在陈化期间化学成分的变化[J].江西农业学报,2012,24(8):41-42.

[17] 申培林,李亚培,杨铁钊,等.烤烟陈化过程中多酚含量的变化[J].浙江农业科学,2011(3):609-612.

[18] 赵铭钦,陈秋会,陈红华.温湿度对烤烟陈化过程中质量变化的影响[J].浙江农业科学,2008(5):609-613.

[19] 于建军.卷烟工艺[M].北京：中国农业出版社，2003.

[20] 庞永强,黄春晖,陈再根,等.通风稀释对卷烟燃烧温度及主流烟气中主要有害成分释放量的影响[J].烟草科技,2012(11):29-32.