濾嘴參數對細支煙主要理化指標及感官品質的影響

楚文娟，紀朋，韓路，孫培健，孫學輝，邱建華，田海英，聶聰

1.河南中煙工業(yè)有限責任公司 技術中心，河南 鄭州 450000；2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001

0 引言

近年來，國內細支煙銷量快速增長，已成為行業(yè)新的研究熱點。與常規(guī)卷煙相比，細支卷煙具有以下特點：一是煙支細長，吸阻較大；二是橫截面小，抽吸時氣流速度較快；三是濾嘴通風率普遍較高。這些物理特征導致細支煙主流煙氣化學成分釋放量及感官品質與常規(guī)煙有較大差異。因此，系統(tǒng)研究濾嘴參數對細支煙主要理化指標及感官品質的影響規(guī)律，對于細支煙產品開發(fā)具有重要意義。

卷煙材料設計參數的改變對常規(guī)煙煙氣常規(guī)成分、香味成分、有害成分釋放量，以及卷煙的燃燒性能、感官品質的影響等研究已有較多報道[1-10]；而對于細支煙，目前已有研究則多集中于適宜成型為細支濾棒的絲束，卷煙紙參數及圓周變化對細支煙主流煙氣常規(guī)成分、香味成分釋放量的影響等[11-14]。如高明奇等[15]研究發(fā)現,高單旦、低總旦的二醋酸纖維絲束適宜成型低壓降細支濾棒；C.M.Bundren等[16]指出高單旦、低總旦的二醋酸纖維絲束所成型的細支濾棒壓降變異系數遠高于常規(guī)濾棒；W.D.E.Irwin[17]研究發(fā)現，隨卷煙圓周的減小，單位質量煙絲與空氣接觸的面積增大，煙草燃燒更加充分，焦油、煙堿、CO的釋放量呈降低的趨勢；李超等[18]研究發(fā)現，在圓周23.0～27.0 mm范圍內，卷煙主流煙氣總粒相物(TPM)和焦油對應的的單位煙堿釋放量隨煙支長度的增加而減小，且隨煙支圓周的增大，負相關的趨勢愈加明顯。

楚文娟等[19]考查了不同絲束規(guī)格下，濾棒壓降、濾嘴通風率對細支煙煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規(guī)成分的影響，結果顯示煙支吸阻、煙堿過濾效率等指標在5種絲束規(guī)格間的差異分別達到顯著和極顯著水平。常規(guī)煙濾嘴中，普遍使用3.0Y/35000規(guī)格的絲束成型濾棒，這種常規(guī)濾棒對卷煙煙氣常規(guī)指標和感官品質的影響方面已有報道，但細支煙常用的絲束規(guī)格為6.0Y/17000，其成型的細支濾棒對細支煙相關指標和感官品質的影響卻鮮有報道。鑒于此，本研究擬選用國內細支煙常用的6.0Y/17000規(guī)格絲束，在其適宜的范圍內成型細支濾棒，考查濾嘴參數對細支煙煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規(guī)成分釋放量、主流煙氣pH值及感官品質的影響，并建立相應的預測模型，以期為細支煙濾嘴的數字化設計提供參考與借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

主要材料：6.0Y/17000規(guī)格絲束，南通醋酸纖維有限公司提供；濾棒(圓周16.9 mm，長度120 mm)，焦作市卷煙材料有限公司提供；接裝紙(定量40 g/m2，寬度74 mm)，河南省新鄭金芒果實業(yè)總公司提供；卷煙紙(定量28 g/m2，寬度19 mm，透氣度50 CU)，牡丹江恒豐紙業(yè)有限公司提供；細支煙專用煙絲(黃金葉品牌)，河南中煙工業(yè)有限責任公司提供。

主要儀器：XSE204型電子天平(感量0.000 1 g)，瑞士Mettler Toledo公司產；KDF2濾棒成型機，沈陽飛機制造公司產；Quantum Neo綜合測試臺，英國Cerulean公司產；RM200A型轉盤吸煙機，德國Borgwaldt公司產；Agilent 7890A氣相色譜儀，美國Agilent公司產；Metrohm848型自動電位滴定儀，瑞士萬通中國有限公司產。

1.2 實驗方法

1.2.1 細支煙樣品的設計與制備選用6.0Y/17000規(guī)格絲束，根據其適宜的成型范圍，結合濾棒實際使用情況，設計并制備16種細支煙樣品，具體物理參數見表1。由表1可知，細支煙樣品的濾嘴參數(濾棒壓降、濾嘴通風率)和單支質量均能滿足實驗設計的需要。

表1 細支煙樣品的物理參數Table 1 Physical parameters of cigarette samples

1.2.2 細支煙樣品的平衡與篩選參照文獻[21]規(guī)定的方法平衡細支煙，按照(平均吸阻±30)/Pa、(平均質量±0.02)/g、(濾嘴通風率設計值±3)/%的標準篩選細支煙，作為待測樣品。

1.2.3 細支煙樣品主要理化指標的檢測首先按文獻[22]規(guī)定的方法抽吸細支煙，通過綜合測試臺對煙支吸阻進行直接測定；參照文獻[23]測定與計算濾嘴對煙堿的過濾效率；參照文獻[24-25]測定細支煙主流煙氣中焦油、煙堿、CO的釋放量；參照文獻[26]測定主流煙氣的pH值。

1.2.4 濾嘴參數與細支煙樣品主要理化指標回歸方程的建立根據檢測結果，將各理化指標(煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規(guī)成分釋放量、主流煙氣pH值)與濾棒壓降(X1)和濾嘴通風率(X2)的關系進行擬合，建立回歸方程。另外設定不同的濾嘴參數，制備5支細支煙作為驗證樣品，測量驗證樣品主要理化指標，以驗證樣品的平均預測相對偏差(RDAP)來考查回歸方程的預測精準度。

式中：C″i為模型預測值，Ci為實測值，m為預測樣品數。

1.2.5 細支煙樣品感官品質評價為保證評吸樣品的一致性，采用篩選后的待測樣品進行感官品質評價，按照文獻[27]的規(guī)定對細支煙感官品質進行評價，評吸人員共11人，參與評吸的人員均具有省級以上評吸資質。

2 結果與討論

2.1 細支煙樣品主要理化指標測定結果

細支煙樣品主要理化指標測定結果見表2。從表2可以看出，在濾棒壓降一定時，隨著濾嘴通風率的增加，煙支吸阻、焦油、煙堿、CO釋放量呈下降趨勢，煙堿過濾效率、主流煙氣pH值呈增加趨勢；在濾嘴通風率一定時，隨著濾棒壓降的增加，煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣pH值呈增加趨勢，焦油、煙堿釋放量呈下降趨勢，CO釋放量變化不大。

表2 細支煙樣品主要理化指標測定結果Table 2 Determination results of main physical and chemical indexes of cigarette samples

2.2 濾嘴參數對煙支吸阻的影響

濾嘴參數對煙支吸阻的影響結果見表3，其中PV為濾嘴通風率每增加10%煙支吸阻的降低值;PD為濾棒壓降每增加100 Pa煙支吸阻的增加值。

由表3可以看出，在濾棒壓降一定的條件下，煙支吸阻與濾嘴通風率呈負相關關系(R2>0.98)；在濾嘴通風率增加幅度相同時，濾棒壓降越大，煙支吸阻降低值越大。彭斌等[28]對常規(guī)煙的研究表明，當濾嘴通風率變化10%時，常規(guī)煙吸阻的變化幅度為91.9～103.1 Pa。在濾嘴通風率變化一致時，本文中細支煙的煙支吸阻變化幅度約為彭斌等[28]研究的常規(guī)煙的1.7倍，這可能是因為隨著煙支圓周減小、長度增加，細支煙軸向阻力增加，因此相同的濾嘴通風率的變化對細支煙煙支吸阻影響程度更大。

表3 濾嘴參數對煙支吸阻的影響Table 3 Effect of filter ventilation on draw resistances

當濾嘴通風率相同時，煙支吸阻與濾棒壓降呈顯著正相關(R2>0.95)；在濾棒壓降增加幅度相同時，濾嘴通風率越高，煙支吸阻增加值越小。高銘等[29]對常規(guī)卷煙的研究表明，濾棒壓降與煙支吸阻之間存在正相關關系，固定濾嘴通風率，濾棒壓降改變100 Pa，煙支吸阻改變約54 Pa。在濾棒壓降變化一致時，本文細支卷煙煙支吸阻的變化量約為常規(guī)煙的1/2，這可能是因為常規(guī)煙多采用低單旦、高總旦的絲束，與常規(guī)煙相比，細支煙纖維絲束間的空隙較大，因此改變相同的濾棒壓降，細支煙的變化幅度相對較小。

2.3 濾嘴參數對煙堿過濾效率的影響

濾嘴參數對煙堿過濾效率的影響結果見表4，其中EV為濾嘴通風率每增加10%濾嘴對煙堿過濾效率的增加值；ED為濾棒壓降每增加100 Pa濾嘴對煙堿的過濾效率增加值。由表4可以看出，煙堿的過濾效率與濾嘴通風率顯著正相關(R2>0.97)，這與高明奇等[23,30]的研究結果一致。在本文研究的濾棒壓降范圍內，濾嘴通風率每增加10%，細支煙濾嘴對煙堿的過濾效率增加1%左右。魏玉玲等[31]的研究表明，濾嘴長度為30 mm的常規(guī)煙，煙堿過濾效率均高于40%，本文中同樣濾嘴長度的細支煙，在所研究的濾嘴通風率范圍內，煙堿過濾效率均低于30%，明顯低于常規(guī)煙。這可能是由于細支煙橫截面相對較小，抽吸時氣流速度較快，煙氣在濾嘴中駐留時間較短，使得濾嘴對煙氣的截留效率降低[23]。煙堿的過濾效率與濾棒壓降呈顯著正相關(R2>0.85)，這與于川芳等[10]對常規(guī)煙的研究結果一致。在本文研究的濾嘴通風率范圍內，濾棒壓降每增加100 Pa，細支煙濾嘴對煙堿的過濾效率增加1.20%～1.56%。

表4 濾嘴參數對煙堿過濾效率的影響Table 4 Effect of filter ventilation on nicotine filtration efficiency

2.4 濾嘴參數對主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響

2.4.1 濾嘴通風率對主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響濾嘴通風率對主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響如表5所示。由表5可知，在濾棒壓降一定的條件下，主流煙氣焦油、煙堿、CO的釋放量與濾嘴通風率均呈負相關關系(R2>0.95)。該趨勢與連芬燕等[32]對常規(guī)煙的研究結果一致。在本文所研究的濾棒壓降范圍內，濾嘴通風率每增加10%，煙氣焦油、煙堿和CO釋放量的降低量分別為0.68～0.71 mg/支、0.05 mg/支和0.65～0.73 mg/支。連芬燕等[32]針對常規(guī)煙的研究，得到1.07 mg/支、0.44 mg/支和1.25 mg/支的結果，約為本文細支煙的1.5～9倍。這可能是由于細支煙煙支圓周相對較小，單位質量煙絲與空氣的接觸面積較大，煙絲燃燒相對充分，導致濾片截留的常規(guī)煙氣成分的變化量較小。

表5 濾嘴通風率對主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響Table 5 Effect of filter ventilation on the deliveries of conventional components in mainstream smoke

2.4.2 濾棒壓降對主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響濾棒壓降對主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響見表6。由表6可知，濾嘴通風率相同時，主流煙氣焦油、煙堿的釋放量與濾棒壓降均顯著負相關(R2>0.91)，CO釋放量與濾棒壓降沒有相關性，該趨勢與于川芳等[10]對常規(guī)煙的研究結論相同。在本文研究的濾嘴通風率范圍內，濾棒壓降每增加400 Pa，細支煙煙氣焦油、煙堿的釋放量分別降低0.12～0.28 mg/支、0.024～0.040 mg/支。于川芳等[10]針對常規(guī)煙的研究，得到0.56 mg/支、0.04 mg/支的結果，約為本文細支煙的2～5倍。

表6 濾棒壓降對主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響Table 6 Effect of filter rod pressure drop on the deliveries of conventional components in mainstream smoke

2.4.3 濾嘴參數對主流煙氣中各成分釋放量比值的影響不同濾棒壓降下濾嘴通風率對CO與焦油的釋放量比值(CO/焦油)和煙堿與焦油的釋放量比值(煙堿×10/焦油)的影響見圖1。從圖1可以看出，不同濾棒壓降下，CO/焦油(即CO的單位焦油釋放量)隨著濾嘴通風率的增加而減小，煙堿×10/焦油(即煙堿的單位焦油釋放量)隨著濾嘴通風率的增加而增大，這與R.Baker[33]關于常規(guī)煙的研究結論一致。這是因為濾嘴通風率增大導致煙氣流速減小，增加了煙氣在煙支段的駐留時間，導致CO氣體的擴散增加，焦油在煙絲段的截留增加，使得CO、焦油降低相對較多，而對于半揮發(fā)性成分煙堿來說，僅影響了其冷凝和再蒸發(fā)過程，因而煙堿的減少量相對較小。

圖1 不同濾棒壓降下濾嘴通風率對CO/焦油和煙堿/焦油比值的影響Fig.1 Effect of filter ventilation on the ratios of CO/tar and nicotine/tar under different filter rod pressure drop

2.5 濾嘴參數對主流煙氣pH值的影響

濾嘴參數對主流煙氣pH值的影響如表7所示，其中HV為濾嘴通風率每增加10%主流煙氣pH值的增加值；HD為濾棒壓降每增加100 Pa主流煙氣pH值的增加值。由表7可以看出，當濾棒壓降相同時，主流煙氣pH值與濾嘴通風率顯著正相關(R2>0.93)；在濾嘴通風率增加幅度相同時，濾棒壓降越大，主流煙氣pH值增加值越大。這可能是因為增加濾嘴通風率，主流煙氣的徑向擴散增強，分子量小、沸點低的酸性成分更易于發(fā)生測流逸散，使得游離態(tài)煙堿含量增加，進而形成主流煙氣pH值增加值呈增大的趨勢[26]。當濾嘴通風率相同時，主流煙氣pH值與濾棒壓降顯著正相關(R2>0.93)。這可能是因為當濾棒壓降增加，主流煙氣中對煙氣pH值貢獻較大的非揮發(fā)性有機酸更易于被濾嘴截留，使得主流煙氣中非質子化煙堿含量增加，因此主流煙氣pH值呈上升趨勢[26]。

表7 濾嘴參數對主流煙氣pH值的影響Table 7 Effect of filter ventilation on mainstream smoke pH

2.6 細支煙樣品主要理化指標與濾嘴參數的預測模型

細支煙煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規(guī)成分釋放量、主流煙氣pH值等理化指標均同時受濾嘴通風率(X1)和濾棒壓降(X2)的影響，其與濾嘴參數的回歸方程如表8所示。由表8可知，各理化指標與濾嘴參數之間均有較強的相關性。

表8 細支煙各理化指標與濾嘴參數的回歸方程Table 8 Regression equation between cigarette physical and chemical indexes and filter parameters

以回歸方程為預測模型，預測5個驗證樣品的主要理化指標。細支煙主要理化指標的預測值和實測值結果如表9所示。由表9可知，驗證樣品各理化指標的平均預測相對偏差均在0.36%～3.89%范圍內，說明所建立的6個預測模型預測精度良好，具有一定的適用性。

表9 細支煙主要理化指標的預測值和實測值結果Table 9 Predicted and measured results of main physical and chemical indexex of slim cigarette

2.7 濾嘴參數對細支煙樣品感官品質的影響

濾嘴參數對細支煙樣品感官品質的影響如圖2所示。由圖2可知，感官評價得分隨濾嘴通風率的增加均呈現先升高后降低的趨勢，濾嘴通風率為40%時感官品質較佳。濾嘴通風率較小，煙支吸阻較大，影響細支煙抽吸的輕松感；濾嘴通風率過大，煙氣稀釋程度較大，對煙氣濃度、香氣量、滿足感均有不利影響。隨著濾棒壓降的增加，細支煙感官評價得分呈降低趨勢，對于不同壓降細支濾棒，均為最低壓降時感官評價得分最高。因此，細支煙設計可優(yōu)先選擇低壓降濾棒，再搭配適宜的濾嘴通風率，可使細支煙抽吸時具有較好的輕松感、滿足感和舒適感。

圖2 濾嘴參數對細支煙感官品質的影響Fig.2 Effect of filter parameters on sensory quality of slim cigarettes

3 結論

本研究系統(tǒng)考查了利用6.0Y/17000規(guī)格絲束制備細支煙時，濾嘴參數(濾嘴通風率、濾棒壓降)對細支煙煙支吸阻、煙堿過濾效率、主流煙氣常規(guī)成分釋放量、主流煙氣pH值等主要理化指標，以及感官品質的影響，得到如下結論：

1)煙支吸阻與濾嘴通風率負相關，且隨著濾棒壓降的增加，濾嘴通風率對煙支吸阻的影響逐漸變大；煙支吸阻與濾棒壓降正相關，且隨著濾嘴通風率的增加，濾棒壓降對煙支吸阻的影響逐漸變?。幌嗤瑸V嘴通風率變化，細支煙煙支吸阻的變化幅度大于常規(guī)煙，相同的濾棒壓降變化，細支煙煙支吸阻的變化幅度小于常規(guī)煙。

2)細支煙濾嘴對煙堿的過濾效率與濾棒壓降和濾嘴通風率均呈正相關，過濾效率低于常規(guī)煙；濾嘴通風率與焦油、煙堿、CO的釋放量均負相關；濾棒壓降與焦油、煙堿釋放量負相關、與CO釋放量無相關性；濾嘴參數變化對細支煙常規(guī)成分釋放量的影響幅度低于常規(guī)煙；CO的單位焦油釋放量隨濾嘴通風率的增大而減小，煙堿的單位焦油釋放量隨濾嘴通風率的增大而增大。

3)主流煙氣pH值與濾棒壓降和濾嘴通風率均呈正相關；細支煙感官評價得分隨濾棒壓降的增加而降低，隨濾嘴通風率的增加先升高后降低，濾嘴通風率為40%時感官品質最優(yōu)。

4)分別建立了煙支吸阻、 煙堿過濾效率、 焦油、煙堿、CO、主流煙氣pH的回歸方程，且回歸方程R2均大于0.96，預測精度良好。

本文僅針對6.0Y/17000規(guī)格絲束濾嘴參數對細支煙主要理化指標的影響進行了研究，后續(xù)工作中將開展濾嘴參數對短支煙、中支煙主要理化指標的影響研究，旨在為細支煙產品主要理化指標的精準調控及數字化設計提供技術支撐。