卷烟规格对主流烟气6 种有害成分释放量的影响

刘 巍，崔柱文，陈进雄，张子龙，金永灿，杨艳萍，周茂忠

1. 云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市五华区红锦路181 号 650023

2. 红云红河集团昆明卷烟厂，昆明市五华区红锦路366 号 650202

近年来，中式卷烟规格不断增多，其中，细支烟、中支烟发展较快。卷烟烟气中含有多种有害物质，谢剑平等［1］采用多种数理统计方法首次确定了对卷烟主流烟气危害性影响最大的7 种有害成分［苯酚、巴豆醛、HCN、苯并［a］芘（B［a］P）、氨、NNK 和CO］。卷烟规格是影响主流烟气化学成分的重要因素之一。研究卷烟规格对主流烟气化学成分的影响，可为卷烟降焦减害提供技术支持。

目前国内外关于卷烟特征参数对其烟气化学成分的影响有诸多报道，主要集中在烟支圆周、切丝宽度、滤嘴长度等因素对主流烟气成分的影响［2-12］。例如，Lugton［6］的研究表明焦油释放量随卷烟圆周的增加而线性增加，王建民等［10］的研究表明TPM 随卷烟滤嘴长度、接装纸长度等卷烟规格变化呈线性关系变化，邱玉春等［12］研究了烟气中7 种有害成分与切丝宽度的关系。但目前的报道中，就卷烟特征参数对烟气中6 种有害成分（苯酚、巴豆醛、HCN、BaP、氨和NNK）的影响，多为研究一种参数对烟气中该6 种有害成分的影响，鲜有同时研究烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度对烟气中该6 种有害成分的影响的相关报道。因此，本研究中以无滤嘴卷烟为研究对象，采用多因素分析方法，系统研究了烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度对卷烟主流烟气中6 种有害成分（苯酚、巴豆醛、HCN、B［a］P、氨和NNK）释放量的影响，旨在为卷烟设计和卷烟工艺提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

2016 年昆明产红大品种、等级为WDC3F 的复烤烟片。

AG204 型电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettle Toledo 公司）；KBF720 型恒温恒湿箱（德国Binder 公司）；RM200A 型全自动吸烟机（德国Borgwaldt 公司）；SM450 直线型吸烟机（英国Cerulean 公司）；ICS-3000 离子色谱仪（美国Thermo公司）；AA3 连续流动分析仪（德国Bran+Luebb 公司）；7890A 气相色谱仪、6890N 气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent 公司）；E2695 高效液相色谱仪，配备紫外检测器和荧光检测器（美国Waters 公司）；UPLC（美国Waters 公司）-QTRAP 5500（美国SCIEX 公司）超高效液相色谱-三重四极杆线性离子阱质谱联用仪。

1.2 方法

1.2.1 样品制备

为减少辅料对烟气成分的影响，采用无滤嘴卷烟作为研究目标物，委托云南红塔蓝鹰纸业有限公司采用同一机台、同一批次生产，透气度为50 CU、定量为32 g/m2的直罗纹木浆卷烟纸作为实验用卷烟纸，分切成宽度19.0、22.2、25.0、26.5 和29.0 mm 等5 种规格。烟支圆周设计17.0、20.0、23.0、24.2 和27.0 mm，烟支长度设计74、84、92 和100 mm，烟丝宽度设计0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 和1.2 mm，共计120 个样品，委托云南中烟工业有限责任公司昆明卷烟厂和玉溪卷烟厂卷制完成。样品参数涵盖云南中烟公司在产产品规格。

1.2.2 样品分析

将卷烟样品在GB/T 16447—2004［13］规定的条件下平衡后，按GB/T 16450—2004［14］的方法抽吸卷烟，分别采用GB/T 19609—2004［15］、YC/T 255—2008［16］、YC/T 254—2008［17］、YC/T 253—2008［18］、GB/T 21130—2007［19］、YC/T 377—2017［20］和GB/T 23228—2008［21］的方法测定主流烟气中焦油、苯酚、巴豆醛、HCN、B［a］P、NH3和NNK 的释放量。其中，统计分析采用的数据均为每支烟主流烟气中焦油和6 种有害成分的释放量。

1.2.3 数据分析

回归分析是确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法，按照涉及变量的多少，分为一元回归和多元回归分析［22］。

多因素方差分析，可以分析两个或者两个以上因素对因变量产生的影响，且可以通过方差比较的方法判断对因变量产生显著性影响的因素［22］。为了直观简便地寻找卷烟规格对卷烟主流烟气6 种有害成分的影响规律，本研究中选取烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度作为影响因素对样品烟气中6 种有害成分释放量进行多因素方差分析。在多因素方差分析中，由于影响因变量的因素有多个，其中某些因素除了自身对因变量产生影响之外，因素之间也有可能会共同对因变量产生影响。把因素单独对因变量产生的影响称之为“主效应”；把因素之间共同对因变量产生的影响，或者因素某些水平同时出现时，除了主效应之外的附加影响，称之为“交互效应”。多因素方差分析不仅要考虑每个因素的主效应，往往还要考虑因素之间的交互效应［22］。

本研究中的数据分析均采用Minitab软件完成。

2 结果与讨论

2.1 不同规格卷烟主流烟气6 种有害成分和焦油的检测结果

120 个不同规格无滤嘴卷烟样品主流烟气中6种有害成分和焦油释放量的检测结果如表1 所示。可知，随烟支圆周和长度减小，卷烟主流烟气中焦油和6 种有害成分释放量的上下限均有所降低；而随切丝宽度改变，主流烟气中焦油和6 种有害成分释放量的变化无明显规律。

表1 不同规格烟支主流烟气6 种有害成分和焦油释放量检测结果Tab.1 Releases of six harmful components and tar in mainstream smoke from cigarettes of different specifications

表1 （续）

表1 （续）

2.2 卷烟主流烟气6 种有害成分释放量与焦油释放量的关系分析

对卷烟主流烟气6 种有害成分释放量与焦油释放量进行一元回归分析，结果见表2。可知，6种烟气有害成分与焦油的回归方差分析中，P 值均小于0.05，F 值均远大于置信水平为95%的F 值（8.18），苯酚、B[a]P、氨、NNK 的R-sq 值均大于80%，卷烟主流烟气中6 种成分释放量与焦油释放量存在显著的相关性。

表2 烟气6 种有害成分释放量与焦油释放量回归关系分析结果Tab.2 Results of regression analysis of six harmful component releases with tar in mainstream smoke

2.3 交互作用分析

交互作用图是每个因子水平在另一个因子水平始终恒定时的均值图。当某一因子水平上的响应依赖于其他因子水平时，即表示存在交互作用。如果交互作用图中显示的是平行线，则表示不存在交互作用。线偏离平行正态的程度越大，则交互作用程度越高［23］。

图1 为烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度对烟气中苯酚释放量的交互作用图。图1a 为烟支圆周和烟支长度的交互作用图，横坐标为烟支长度，纵坐标为苯酚的释放量均值，图中各线条为不同圆周、不同长度的苯酚释放量均值连线。图1a 中各条线无相交，即烟支圆周和烟支长度对烟气中苯酚释放量的交互作用不明显。图1b 为烟支圆周与烟丝宽度的交互作用图，图1c 为烟支长度与烟丝宽度的交互作用图。同理，烟丝宽度对烟气中苯酚释放量的交互作用不明显。

图2～图6 为烟支长度、烟支圆周和烟丝宽度对烟气中巴豆醛、HCN、B［a］P、氨、NNK 的交互作用图。可知，烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度对烟气中6 种有害成分释放量的交互作用不明显。

图1 烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度对烟气中苯酚释放量的交互作用Fig.1 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and phenol release in mainstream cigarette smoke

图2 烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度对烟气中巴豆醛释放量的交互作用Fig.2 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and crotonaldehyde release in mainstream cigarette smoke

图3 烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度对烟气中HCN释放量的交互作用Fig.3 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and HCN release in mainstream cigarette smoke

图4 烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度对烟气中B［a］P 释放量的交互作用Fig.4 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and B［a］P release in mainstream cigarette smoke

图5 烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度对烟气中氨释放量的交互作用Fig.5 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and ammonia release in mainstream cigarette smoke

图6 烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度对烟气中NNK释放量的交互作用Fig.6 Interaction between cigarette circumference，cigarette length，cut tobacco width and NNK release in mainstream cigarette smoke

2.4 平衡方差分析

平衡方差分析可以使用原始因子水平均值之间的差异来估计主要效应和交互作用效应。对烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度与烟气中6 种有害成分释放量进行平衡方差分析，并求出R2，结果见表3。R2=SS因子/SS合计，表示强度，即因素对变量的影响程度，强度大，因素对变量的影响大。可以看出，烟支圆周对6 种有害成分释放量的强度因子最大，影响最为显著；烟支长度影响次之；而烟丝宽度对苯酚、B［a］P、氨、NNK 的贡献强度R2较小，且P＞0.05，影响不显著，烟丝宽度对巴豆醛、HCN的释放量则影响较小。

表3 6 种烟气有害成分释放量的平衡方差分析结果Tab.3 Results of equilibrium variance analysis on releases of six harmful components in mainstream cigarette smoke

表3 （续）

2.5 主效应分析

在交互作用分析和平衡方差分析的基础上进行主效应分析，结果如图7 所示。图7a～图7f 分别为苯酚、巴豆醛、HCN、B［a］P、氨和NNK 的主效应图，其中，横坐标为烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度，纵坐标为各有害成分在不同烟支圆周、烟支长度和烟丝宽度水平时对应的响应值。在主效应图中，响应值的连线与X 轴平行时，表示不存在主效应；不平行时，表示存在主效应。线越陡峭，主效应的量值越大。

从图7 中可知，在烟支圆周17.0～24.2 mm 范围内，主流烟气6 种有害成分释放量与烟支圆周均正相关；在24.2～27.0 mm 范围内，巴豆醛和HCN的释放量与烟支圆周负相关，氨的释放量几乎不变，其余3 种烟气有害成分释放量与烟支圆周正相关。另外，从主效应图中也可看出，烟支圆周的效应大于烟支长度，烟丝宽度的效应很小。6 种主流烟气有害成分主要来自烟丝中的蛋白质、纤维素、葡萄糖、氨基酸、铵盐等的热裂解和热合成［24-27］，与裂解温度、气氛含氧量和升温速率有关，其释放量一般与裂解温度正相关，与裂解气氛含氧量负相关［28-33］。卷烟的圆周与燃吸温度密切相关，有研究表明，燃吸温度随圆周的减小先升高后降低［34］。而且卷烟圆周减小会导致燃烧过程中氧气利用率减小以及燃烧区到热解蒸馏区热量传递效率降低［35］。几个因素的综合影响，导致6 种主流烟气有害成分的释放量与烟支圆周的关系呈图7 中的变化趋势。

图7 6 种烟气成分释放量主效应分析图Fig.7 Main effect analysis diagram of releases of six harmful components in mainstream cigarette smoke

6 种烟气有害成分释放量与烟支长度均正相关。烟支长度增加，烟支内气流流量增大，烟丝柱体过滤效率降低［36］，可能是卷烟主流烟气6 种有害成分释放量随长度增大而增大的原因之一。

另外，一方面，烟支圆周和烟支长度的改变直接影响烟支实际燃烧烟丝质量的改变，烟支圆周和长度的减小导致烟丝填充量减小；另一方面，上述研究表明，6 种烟气有害成分释放量与焦油释放量关系显著，而烟支规格变化，导致了焦油的变化。这可能是6 种烟气有害成分与烟支圆周和长度正相关的主要原因。

除HCN 释放量与烟丝宽度负相关外，其余5种烟气有害成分释放量与烟丝宽度几乎无关。

3 结论

（1）烟支圆周对烟气中6 种有害成分的释放量影响最大，烟支长度次之，而烟丝宽度除了对HCN 的释放量有影响外，对其他成分释放量的影响不大。

（2）在烟支圆周17.0～24.2 mm 范围内，6 种烟气有害成分释放量与烟支圆周均正相关；在24.2～27.0 mm 范围内，巴豆醛和HCN 的释放量与烟支圆周负相关，氨的释放量几乎不变，其余3 种烟气有害成分释放量与烟支圆周正相关。

（3）烟气6 种有害成分释放量与烟支长度均正相关。除HCN 释放量与烟丝宽度负相关外，其余5 种烟气有害成分的释放量与烟丝宽度几乎无关。