空腔直径对圆形空腔滤棒卷烟烟气及感官品质的影响

万纪强，胡少东，崔春，纪朋，顾亮，王高杰，田海英，高明奇

河南中烟工业有限责任公司 技术中心，河南 郑州 450000

0 引言

烟用滤棒作为卷烟的重要组成部分，可有效过滤截留烟气中的有害物质。随着消费者需求愈加多样化，逐渐开发出了沟槽滤棒、颗粒滤棒、香线滤棒、凝胶滤棒、异性空腔滤棒等多种类型的特种滤棒。异形空腔滤棒是利用特殊工艺加工制成端部可见图案的新型滤棒，空腔形状可以设计成圆形、三角形、叶子、齿轮、五角星等多种形状，具有图案设计防伪和烟气调节的双重作用，因此在卷烟产品上得到了广泛应用。深圳烟草工业有限责任公司[1]发明了一种异形空腔滤嘴，通过在异形滤棒的中部和圆柱面分别设置通孔和通槽，为烟气提供多个低压通道，可降低烟气的流速，提高烟气与滤棒的惯性碰撞与扩散沉积。江苏大亚滤嘴材料有限公司[2]制备的异形空腔加香滤棒将加香滤棒与异形滤棒相结合，可改善卷烟抽吸风味，同时提高外观质量，增强卷烟防伪功能。湖北中烟工业有限责任公司[3]开发的全中空式过滤嘴卷烟，吸阻较小，能够有效地减少焦油和一氧化碳的释放量。文建辉等[4]考查了空腔滤棒结构对卷烟主流烟气中酚类化合物的截留影响，发现空腔醋纤滤棒对酚类化合物的过滤效率低于普通醋纤滤棒、外置沟槽滤棒和纸/醋复合滤棒。李艳平等[5]则考查了空腔滤棒结构对烟碱过滤效率和空间分布模式的影响，发现空腔滤棒对烟碱的过滤效率低于普通滤棒、外置沟槽滤棒和内置沟槽滤棒，并且空腔滤棒的空腔滤棒段烟碱含量较低，非空腔滤棒段中圈部分的烟碱含量高于中心部分的烟碱含量。吴钊等[6]系统考查了空腔滤棒截面面积比、空腔滤棒截面形状、空腔滤棒长度及长度占比等因素对空腔复合滤棒压降的影响规律，发现空腔复合滤棒压降的实测值均高于预测值，并且空腔复合滤棒的压降偏移率与空腔结构截面面积比、空腔滤棒段长度占比呈正相关，与空腔截面长度呈负相关，空腔截面形状对压降偏移率影响不大。

异形空腔滤棒作为一种新型的滤棒形式，目前的研究主要集中在滤棒结构设计、生产工艺等方面，异形空腔滤棒对卷烟主要理化指标与感官品质的影响有待进一步深入研究。鉴于此，本文拟针对市面上较常见的圆形空腔滤棒，设计几种空腔直径不同、空腔深度相同的圆形空腔滤棒，分析空腔直径对主流烟气释放、有害物质截留、感官品质的影响规律，以期为圆形空腔滤棒的设计与开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

主要材料：常规丝束滤棒与不同空腔直径的圆形空腔滤棒，由牡丹江卷烟滤棒厂提供。

主要仪器：SODIMAX全功能综合测试台，法国Sodim Instrumentation 公司产；RM200A型转盘吸烟机，德国Borgwaldt 公司产；HP6890 N/5975 气相色谱/质谱联用仪，美国Agilent公司产；SM450 直线型吸烟机，英国Cerulean公司产；KQ-700DE 数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产；AL-204-IC 电子天平(感量0.000 1 g)，瑞士Mettler Toledo公司产。

1.2 实验方法

1.2.1 样品卷烟的制备分别将常规丝束滤棒、不同空腔直径(空腔深度均为10 mm)的圆形空腔滤棒与河南中烟某规格卷烟配方烟丝卷制成烟支，除滤嘴结构不同外，其他原辅料均相同，得到常规滤棒卷烟与4种圆形空腔滤棒卷烟。圆形空腔滤棒卷烟样品的结构示意图如图1所示，卷烟样品物理检测数据如表1所示。

表1 卷烟样品物理检测数据

图1 圆形空腔滤棒卷烟样品结构示意图

1.2.2 卷烟主流烟气常规成分与7种有害成分释放量测定按照文献[7-9]的方法测定卷烟主流烟气中常规成分总粒相物、焦油、烟碱、CO的释放量。

按文献[10]的方法抽吸卷烟后，取出烟蒂中的普通丝束段与空腔丝束段，根据文献[8,11]的方法测定普通醋纤滤嘴段中的烟碱量(mF1)、空腔滤嘴段的烟碱量(mF2)，以及剑桥滤片捕集的烟碱量(mH)。烟碱过滤效率(NFE)计算方法如下：

NFE=[(mF1+mF2)/(mF1+mF2+mH)]×100%

根据文献[9,12-17]的方法测定卷烟主流烟气中CO、HCN、NNK、NH3、苯并[a]芘、苯酚、巴豆醛7种有害成分的释放量。

1.2.3 圆形空腔滤棒卷烟感官品质评价将样品卷烟置于温度(22±1)oC，相对湿度(60±2)%的恒温恒湿环境中平衡48 h。样品卷烟的感官品质评价由河南中烟评吸委员会9 名成员参照文献[18]的方法完成。

2 结果与讨论

2.1 空腔直径对卷烟主流烟气常规成分释放量的影响

卷烟样品主流烟气常规成分释放量如表2所示。由表2可以看出，圆形空腔滤棒卷烟的总粒相物、焦油、烟碱释放量均高于常规滤棒卷烟，并且随着空腔直径的增加，3种常规成分的释放量均随之提高。这是因为圆形空腔滤棒卷烟的吸阻随空腔直径增大而逐渐降低，并且均低于常规滤棒卷烟，因此对主流烟气的过滤能力逐渐降低。但CO的释放量与空腔直径无明显相关性。

表2 卷烟样品主流烟气常规成分释放量

2.2 空腔直径对滤棒烟碱截留的影响

卷烟样品滤棒烟碱截留量与烟碱过滤效率如表3所示。由表3可以看出，圆形空腔滤棒中普通滤棒段丝束的烟碱截留量基本没有变化，而空腔滤棒段丝束的烟碱截留量则随着空腔直径的增加逐渐减小，这是因为随着空腔直径的增加使得具有烟碱截留作用的空腔滤棒段丝束截面面积逐渐减小，因此对烟碱的截留能力逐渐降低，这也导致卷烟滤棒的烟碱过滤效率随空腔直径的增加而降低。

表3 卷烟样品滤棒烟碱截留量与烟碱过滤效率

为进一步评价圆形空腔滤棒对烟碱截留情况的影响，定义空腔滤棒段丝束的单位面积烟碱截留量R，其计算公式如下：

空腔直径对空腔滤棒段丝束的单位面积烟碱截留量的影响如图2所示。由图2可以看出，随着空腔直径的增大，空腔滤棒段丝束的单位面积烟碱截留量逐渐减小。这可能是因为主流烟气通过具有空腔的滤棒段时，空腔处的压强较低，烟气更容易通过阻力较小的空腔部分流出[5]，导致经空腔部分流出烟气的占比高于滤棒截面中空腔滤棒段丝束截面的占比。根据伯努利定律[19]，在烟气流量一定的情况下，空腔直径增大，烟气流速降低，经空腔部分流出的烟气占比与空腔截面在滤棒截面中占比的偏差值越大，因此空腔直径越大时，空腔滤棒段丝束的单位面积烟碱截留量越低。

图2 空腔直径对空腔滤棒段丝束的单位面积烟碱截留量的影响

2.3 空腔直径对卷烟7种有害成分释放量与危害性指数的影响

卷烟样品主流烟气7种有害成分释放量如表4所示。由表4可以看出，NH3、苯并[a]芘、苯酚、巴豆醛的释放量均随着空腔直径的增加呈现逐渐增加的趋势，而CO、HCN、NNK的释放量则随空腔直径的增加表现出先增加、后降低的趋势。

表4 卷烟样品主流烟气7种有害成分释放量

根据文献[20]计算卷烟样品危害性指数，空腔直径对卷烟样品危害性指数的影响如图3所示。由图3可以看出，4种圆形空腔滤棒卷烟的危害性指数均高于常规滤棒卷烟，并且随空腔直径增加危害性指数逐渐提高。这与前述空腔直径增加时，圆形空腔滤棒对主流烟气的过滤效果降低的结果一致。

图3 空腔直径对卷烟样品危害性指数的影响

为进一步评价圆形空腔滤棒对卷烟样品危害性指数的影响，定义卷烟危害性指数的偏移量M，其计算公式如下：

空腔直径对卷烟样品危害性指数偏移量的影响如图4所示。由图4可以看出，随着空腔直径的增加，减少单位面积空腔滤棒段丝束，卷烟危害性指数的偏移量增大，这与2.2的结论是一致的，即在烟气流量一定的情况下，空腔直径越大，烟气流速越低，经空腔部分流出的烟气比例与空腔截面面积所占比例的偏差值越大，因此空腔直径越大时，圆形空腔滤棒对主流烟气过滤能力的下降幅度越大。

图4 空腔直径对卷烟危害性指数偏移量的影响

对上述结果进行分析认为，当空腔直径较小时，主流烟气在流经圆形空腔滤棒段时，因空腔部分阻力较小，烟气更容易通过空腔流出，但是经空腔流出的烟气所占比例与空腔截面面积所占比例的差异较小。当空腔直径增大时，烟气流速降低，经空腔流出的烟气所占比例与空腔截面面积所占比例的差异增大，这导致空腔直径越大，空腔滤棒段丝束的单位面积烟碱截留量越低，单位面积空腔滤棒段丝束对卷烟危害性指数偏移量的影响幅度越大。

2.4 空腔直径对感官品质评吸结果的影响

圆形空腔滤棒卷烟感官品质评吸结果如表5所示。由表5可以看出，随着空腔直径的增加，圆形空腔滤棒卷烟的香气减弱，杂气、刺激性、干燥感增加，烟气成团性、细腻程度、甜润感变差，感官品质总得分逐渐减低。烟气浓度则表现出先增加后降低的趋势。卷烟感官品质评吸结果与前述空腔直径对主流烟气过滤效果的影响趋势结果一致。

表5 圆形空腔滤棒卷烟感官品质评吸结果

3 结论

本文以烟草企业中应用较多的圆形空腔滤棒为研究对象，设计了4种不同空腔直径、相同空腔深度的圆形空腔滤棒，分析了空腔直径对主流烟气释放、有害物质截留、感官品质的影响规律。结果表明：1)圆形空腔滤棒卷烟的总粒相物、焦油、烟碱释放量随空腔直径的增加而提高，并且均高于普通醋纤滤棒卷烟的释放量；2)圆形空腔滤棒丝束中普通滤棒段的烟碱截留量基本无变化，而空腔滤棒段的烟碱截留量与单位面积烟碱截留量随空腔直径的增加逐渐减小；3)随空腔直径增大，圆形空腔滤棒卷烟的危害性指数逐渐增加，卷烟危害性指数的偏移量逐渐增大；4)随着空腔直径增大，圆形空腔滤棒卷烟的烟气特征与口感特征变差，感官品质评价得分逐渐降低。本文的研究结果填补了圆形空腔滤棒领域的研究空白，可为该滤棒的开发与利用提供一定的参考。