特殊旋转滤嘴卷烟的制备及对主流烟气常规指标的影响

杨建礼，常小红，葛 畅，赵晓梅，巩佳豪，薛 磊，曹永艳，乔 诚，曹 稳*

1. 陕西中烟工业有限责任公司技术中心， 陕西省宝鸡市高新大道100 号 721000 2. 陕西中烟工业有限责任公司物资采购中心，西安市高新区沣惠南路38 号 710065 3. 陕西中烟工业有限责任公司宝鸡卷烟厂，陕西省宝鸡市高新大道100 号 721000

与普通醋纤滤嘴卷烟相比，特殊旋转滤嘴卷烟通过滤棒环切和接装纸预打孔使滤嘴可旋转，再配合滤嘴在线打孔实现滤嘴通风率可调，最终表现为烟气浓度可以通过滤嘴旋转而变化，从而适应不同消费者的需求。国外有关特殊滤嘴的研究主要集中于选择性降低卷烟烟气有害成分和毒理学研究上［1-9］。Brokl 等［1］研究发现，滤嘴中添加CR20 树脂可以选择性地去除部分挥发性羰基化合物和HCN；Talaiekhozani 等［3］将MgO 纳米粒子添加到卷烟滤嘴中，与对照卷烟相比，主流烟气CO、CO2、氮氧化物和总碳氢化合物的释放量大幅减少。国内关于特殊滤嘴的研究主要在沟槽滤嘴和滤嘴添加剂等方面［10-22］。李艳平等［15］分析了普通滤嘴、外置及内置沟槽滤嘴、空腔滤嘴的烟碱截留效率和空间分布模式；王建民等［11］研究了沟槽滤嘴替换普通滤嘴后对卷烟品质及风格的影响；鲁平等［12］比较了普通滤嘴，外置及内置沟槽滤嘴对卷烟香气成分的截留效率及差异；孙志伟等［13］建立了烟气在沟槽滤嘴内流动的计算流体力学模型，并模拟了烟气在沟槽滤嘴内的流场分布情况；卢真宝等［17］制备了β-苯乙醇-活性炭颗粒，并研究了其滤嘴加香效果；华青等［18］将NH4Cl 和活性炭混配制成复合滤嘴，研究其减害效果以及对烟气成分的影响；Tian 等［21］研究发现与普通醋纤滤嘴相比，蚕丝纤维滤嘴卷烟主流烟气中多环芳烃总释放量明显降低；Yu 等［22］研制了一种新型改性醋纤滤嘴，对主流烟气中镉和铬的去除效果较好。然而目前关于特殊旋转滤嘴卷烟的滤嘴材料设计以及旋转前后的差异性研究鲜见报道。因此，通过滤嘴材料研究制备了特殊旋转滤嘴卷烟，并分析特殊旋转滤嘴旋转前后主流烟气常规物理和烟气指标以及感官质量的差异，旨在为特殊旋转滤嘴卷烟的设计提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

普通醋纤滤棒（长度120 mm，圆周24.1 mm，压降3 400 Pa，丝束规格3.0Y/35 000，普通成型纸，宝鸡好猫实业有限公司）；接装纸（不打孔，宽度72 mm，定量41 g/m2，青岛嘉泽包装有限公司）；卷烟纸（透气度60 CU，定量29 g/m2，牡丹江恒丰纸业股份有限公司）；以某牌号配方烟丝作为实验烟丝。

烟碱（99.5%，中国烟草总公司郑州烟草研究院提供）。

纸张激光打孔机（上海杰瑞电子有限公司）；JK350-M 型实验室烟支激光打孔机（南京瑞驰电子技术工程实业有限公司）；自制滤棒环切机；QTM8.0 型烟支/滤棒综合测试台（英国Cerulean 公司）；RM200A 转盘型吸烟机（德国Borgwaldt KC公司）；HY-B2 型振荡器（常州迈科诺仪器有限公司）；ME414S 型电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius 公司）；7890 气相色谱仪（配有FID 和TCD检测器，美国Agilent 公司）。

1.2 方法

1.2.1 环切滤棒样品的制备

为使卷烟滤嘴可旋转，首先需要使卷烟滤棒可旋转，因此需要对滤棒进行360°环切。在实验中发现，滤棒环切深度越深，其可以旋转的幅度也就越大，但滤棒环切深度过深时，易造成滤棒内芯断裂从而导致滤棒直接被切断，因此设置环切深度为2 mm 和3 mm，得到2 种滤棒样品。在卷制样烟时将滤棒一切为四，滤棒环切处、切断处、滤嘴近唇端和搓接端的位置见图1。

1.2.2 预打孔接装纸样品的制备

接装纸切断处（滤嘴近唇端）、预打孔处和搓接端的位置以及外表面上的指示标识见图2。为与环切后的滤棒相配合使滤嘴可旋转，使用纸张激光打孔机对接装纸进行预打孔处理。激光打孔穿透纸张，相邻孔之间保持一定距离以免多个孔连接成线而直接切断接装纸。在旋转滤嘴时，接装纸会从预打孔处断开。为给后续的滤嘴在线打孔预留空间，接装纸预打孔位置距唇端距离需大于滤棒环切位置距唇端距离。如图2 所示，卷制样烟时接装纸从距边缘36 mm 处切开，此处为滤嘴近唇端。纸张激光打孔机在距边缘19 mm 处打孔，平均孔间距设置为0.05 mm，平均孔径分别设置为0.15、0.10、0.05 mm，得到3 种预打孔接装纸样品。接装纸外表面预打孔旁设置有表示烟气浓度的标识，其中min 和max 分别表示最小和最大的烟气浓度，min 和max 之间的距离为3.2 mm。

图1 环切滤棒样品制备示意图Fig.1 Schematic diagram of preparation of ring cut filter rods

图2 预打孔接装纸样品的制备示意图Fig.2 Schematic diagram of preparation of preperforated tipping paper samples

1.2.3 预打孔接装纸无胶区宽度的设置

为使接装纸在滤嘴上粘贴牢固的同时不影响旋转，如图3 所示设置3 种无胶区，其宽度分别为8、11、14 mm，阴影部分为施胶区域。

图3 接装纸无胶区宽度的设置Fig.3 Width of glue-free zone in tipping paper

1.2.4 特殊旋转滤嘴样烟的制备

利用2 种环切滤棒、3 种预打孔接装纸、3 种无胶区宽度和实验烟丝在同一机台上卷制的18 种样烟的滤嘴参数见表1。样烟规格为常规卷烟，烟支长度84 mm。每种样品取样100 支，并通过评价卷制效果确定最佳滤嘴设计参数。

表1 不同滤嘴设计参数的18 种样烟Tab.1 Eighteen cigarette samples with different filter parameters

1.2.5 特殊旋转滤嘴样烟卷制效果评价标准

在特殊旋转滤嘴卷烟的材料设计中，材料的上机适用性（B）、样烟卷制成型后的外观（A1）及其旋转效果（A2）是影响样烟卷制效果的3 个重要因素。统计因滤棒和接装纸使用造成设备停机的时间，并参考文献［23］中的方法用设备有效作业率表征材料的上机适用性，设备有效作业率=［（设备运行时间-材料使用停机时间）/设备运行时间］×100%。在材料上机运行的过程中，设备有效作业率较高（≥90%），因此令B 占样烟卷制效果总分20%的权重，另两个更为重要的因素A1和A2各占40%，即总分（S）=（A1+A2)×0.4+B×0.2，各影响因素满分计100 分。各因素的评价标准见表2。

1.2.6 特殊旋转滤嘴样烟滤嘴打孔线参数的设置

为使烟气浓度可以随滤嘴旋转而变化，在最佳滤嘴设计参数上增加滤嘴在线打孔。滤嘴在线打孔穿透接装纸和成型纸，孔与孔之间相连通，位置在距离唇端13 mm 的圆周上，在该圆周上形成平均分布的3 条打孔线。滤嘴在线打孔孔径为0.5 mm，设置1、2 和3 mm 3 个不同长度的打孔线，分别编号为P1、P2和P3，另加一个不打孔的对照样品P0，共得到4 种样烟。样烟卷制后滤嘴接装纸展开效果如图4 所示，图中标出了样烟滤棒环切处、滤嘴打孔线和接装纸预打孔线的位置。

表2 样烟卷制效果的影响因素评价标准Tab.2 Evaluation standards of factors influencing cigarette manufacturing effect

图4 特殊旋转滤嘴接装纸展开示意图Fig.4 Schematic diagram of unfolded tipping paper of special rotation filter

1.2.7 样烟常规物理指标和烟气指标的测定

按照GB/T 22838.15—2009 的方法测定样烟的滤嘴通风率、纸通风率和总通风率；按照GB/T 22838.5—2009 的方法测定样烟的开放吸阻；按照GB/T 19609—2004 的方法测定样烟主流烟气总粒相物（TPM）、抽吸口数和焦油；按照GB/T 23355—2009 的方法测定样烟总粒相物中烟碱的质量分数；按照GB/T 23203.1—2008 的方法测定样烟总粒相物中的水分。

1.2.8 样烟感官质量综合评价

参考相关行业标准［24-27］制订卷烟感官质量综合评价方法，方法评价指标分为浓度、烟气状态、香气质、香气量、透发性、甜感、杂气、刺激性、余味舒适性和纯净度共10 项指标，各指标满分为10分。组织11 位具有行业卷烟感官评价资质的人员采用本感官质量综合评价方法对样烟进行评价。

2 结果与讨论

2.1 特殊旋转滤嘴卷烟材料设计参数的选择

依据表2 中的卷制效果影响因素及其权重计算18 种样烟的卷制效果得分（表3）。在卷制成型的样品中，滤棒环切深度2 mm 与3 mm 相比，旋转后回弹较多，旋转效果较差；接装纸预打孔孔径0.10、0.05 mm 与0.15 mm 的样品相比，部分烟支旋转时预打孔处无法断开；接装纸无胶区宽度设置为8 mm 时，较多烟支存在漏胶现象并且影响旋转效果和上机适用性，设置为14 mm 时，部分烟支出现泡皱等外观缺陷。从表3 可知，样品11 的卷制效果得分最高，因此选择滤棒环切深度3 mm、接装纸预打孔孔径0.15 mm、接装纸无胶区宽度11 mm 作为特殊旋转滤嘴卷烟的材料设计参数。

表3 18 种样烟的卷制效果得分Tab.3 Scores of cigarette manufacturing effect of 18 cigarette samples （分）

2.2 样烟常规物理指标分析

样烟旋转前后滤嘴打孔线处的横截面如图5所示。滤嘴旋转前，接装纸上的箭头对准min 的位置，此时接装纸的打孔线和成型纸的打孔线完全重叠；滤嘴旋转后，接装纸上的箭头对准max 的位置，此时接装纸的打孔线和成型纸的打孔线完全错开。

图5 样烟滤嘴打孔线处的横截面Fig.5 Cross section of cigarette sample from perforated line in filter

由表4 可知，滤嘴没有打孔线的样烟（P0）旋转后的滤嘴通风率大于旋转前，吸阻略小于旋转前。这是由于在标准测量条件［28］下，从烟蒂端流出的气体流速是恒定的，为17.5 mL/s，滤嘴旋转后，接装纸从预打孔处断开，从断开处吸入的空气量增大，同时维持烟蒂端气体流速的负压减小，造成滤嘴通风率增大，吸阻下降。对于滤嘴有打孔线的样烟（P1、P2、P3）而言，旋转后接装纸和成型纸的通风线完全错开，从接装纸打孔线吸入的空气量减小，烟蒂端的负压增大，导致滤嘴通风率变小，吸阻变大。随滤嘴打孔线长度的增加，样烟旋转前的滤嘴通风率增大，吸阻下降，这是由于从打孔线吸入滤嘴的空气量增大导致的；旋转后样烟的滤嘴通风率随打孔线的延长呈轻微升高趋势，吸阻呈降低趋势，原因可能是滤嘴旋转后打孔线错开，抽吸时空气仍可从接装纸打孔线进入接装纸与成型纸的间隙，并进一步扩散至滤嘴内造成的。随着滤嘴通风率增大，总通风率与之愈接近，这是由于总通风由滤嘴通风和纸通风组成，从打孔线进入的空气量增大会导致纸通风减少。

表4 4 种样烟常规物理指标Tab.4 Routine physical indexes of 4 cigarette samples

2.3 样烟常规烟气指标分析

4 种样烟主流烟气焦油、烟碱和CO 释放量的散点图（图6）显示，滤嘴没有打孔线的样烟旋转后烟气焦油、烟碱和CO 的释放量下降；相较于没有打孔线的样烟，滤嘴有打孔线的样烟旋转后，烟气焦油、烟碱和CO 的释放量则上升。随滤嘴打孔线长度的增加，样烟旋转前后烟气焦油、烟碱和CO释放量的变化范围呈降低趋势。

图6 4 种样烟主流烟气焦油、烟碱、CO 的释放量Fig.6 Releases of tar, nicotine and CO in mainstream smoke of 4 cigarette samples

4 种样烟常规烟气指标的分析结果见表5。ISO 抽吸模式［29］为抽吸容量35 mL，每口抽吸2 s，每60 s 抽1 口，而35 mL 的烟气总吸入量由卷烟燃烧锥、滤嘴通风孔和卷烟纸3 个部位的空气吸入量组成。在抽吸通风卷烟的过程中，由于一部分空气吸入滤嘴通风孔和卷烟纸使从卷烟燃烧锥吸入的空气量降低，导致主流烟气被从滤嘴通风孔和卷烟纸吸入的空气所稀释，因此本研究中提出用燃烧锥处空气吸入量来表征烟气总吸入量中从燃烧锥吸入的部分，燃烧锥处空气吸入量（mL）=35×（1-总通风率）。主流烟气TPM、水分是卷烟抽吸期间热解燃烧区域物理化学反应生成的产物，因此与燃烧锥处空气吸入量呈正比。卷烟抽吸口数与燃烧锥处空气吸入量有关，当燃烧锥处空气吸入量减少时，相应地每口抽吸消耗烟草的质量也减少，因此卷烟抽吸口数增加；相反地，燃烧锥处空气吸入量增加时，抽吸口数减少。卷烟单口焦油、单口烟碱的释放量与燃烧锥处空气吸入量呈正比。4 种样烟滤嘴旋转前后烟碱在TPM中的质量分数、烟碱/焦油比值没有明显差异。随卷烟滤嘴通风率升高，水分在TPM 中的质量分数呈下降趋势，原因可能是滤嘴通风减缓了烟气的流速，延长了烟气在烟柱和滤嘴中的停留时间，使气体（包括水蒸气）和一些小分子易挥发物质更易向外部空气扩散［30-32］，导致水分在TPM 中的质量分数减小。主流烟气水分适宜则烟气柔和细腻，刺激性小，卷烟感官舒适性较好；烟气中水分量低时，会导致烟气干燥，刺激性变大，感官舒适性降低［33-34］。

表5 4 种样烟常规烟气指标分析结果Tab.5 Analysis results of routine smoke indexes of 4 cigarette samples

将4 个样烟旋转前后共8 个燃烧锥处空气吸入量的数据作为自变量，与其主流烟气常规成分释放量进行拟合，结果见表6。可以看出，燃烧锥处空气吸入量与焦油、烟碱和CO 的释放量正相关（R2＞0.99），从拟合方程斜率可知燃烧锥处空气吸入量对其影响程度排序为CO＞焦油＞烟碱。随着滤嘴通风率的降低，烟气稀释率随之下降［35］，导致主流烟气焦油、烟碱和CO 增加，与此同时燃烧锥处空气吸入量增加，烟气流速变快，大大减少了气体分子的扩散效应［30-32］，因此在主流烟气焦油、烟碱和CO 3 项指标中，CO 所受影响最大。随燃烧锥处空气吸入量的增大，卷烟热解燃烧区域物理化学反应更加剧烈，滤嘴过滤效率下降，导致主流烟气化学成分发生变化［30-32］。这与前人的研究结果［36-38］一致，滤嘴通风率发生变化时，主流烟气烟碱受到的影响程度最低。

表6 燃烧锥处空气吸入量对主流烟气焦油、烟碱和CO 的影响Tab.6 Effects of air input through burning cone on tar, nicotine and CO in mainstream cigarette smoke

2.4 样烟感官质量综合评价结果分析

对样烟的评吸结果见表7。将旋转前的样品P0作为对照样，以P0的各项分值为基准，评吸旋转前的P1、P2、P3并与对照进行比较。相较于对照，旋转前的P1、P2、P3抽吸流畅性提高并伴随着烟气浓度不同程度的减弱，滤嘴打孔线长度为1 mm 时卷烟刺激性和余味有改善，打孔线长度再延长时卷烟香气量、甜感和吃味减弱，烟气干燥感增加。对4 种样烟旋转前与旋转后的感官差异进行评吸比较，没有打孔线的样品P0旋转后烟气浓度稍有降低，抽吸流畅性和刺激性有改善；有打孔线的P1、P2、P3旋转后烟气浓度提升、吃味变浓、干燥感减弱。4 种样烟评吸的总体评价为P1＞P0＞P2＞P3，针对特殊旋转滤嘴卷烟旋转后烟气浓度升高的设计要求和样烟的感官品质，特殊旋转滤嘴卷烟打孔线最佳长度为1 mm。

表7 4 种样烟的感官评吸结果Tab.7 Results of sensory evaluation of 4 cigarette samples （分）

3 结论

①确定了滤棒环切深度3 mm、接装纸预打孔孔径0.15 mm、接装纸无胶区宽度11 mm、滤嘴打孔线长度1 mm 的特殊旋转滤嘴卷烟材料设计参数。②随着滤嘴打孔线长度的增加，样烟的滤嘴通风率呈升高趋势，吸阻呈降低趋势，样烟滤嘴旋转前后焦油、烟碱和CO 释放量的变化范围亦呈降低趋势。随着燃烧锥处空气吸入量的增加，主流烟气焦油、烟碱、CO、水分、TPM、单口焦油、单口烟碱的释放量升高，水分/TPM 也升高，烟碱/TPM、烟碱/焦油没有明显变化，抽吸口数则减少。③相较于滤嘴没有打孔线的未旋转卷烟，打孔线长度为1 mm 时卷烟刺激性和余味有改善，打孔线长度延长至2 mm 和3 mm 时卷烟烟气发干，香气量和吃味变淡。滤嘴有打孔线的样烟旋转后烟气浓度提升、吃味变浓、干燥感减弱。特殊旋转滤嘴样烟的不同滤嘴打孔线长度使得滤嘴通风率和燃烧锥处空气吸入量发生变化，并最终导致样烟主流烟气常规成分和感官质量的改变。