萬紀(jì)強(qiáng)，胡少東，崔春，紀(jì)朋，顧亮，王高杰，田海英，高明奇

河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，河南 鄭州 450000

0 引言

煙用濾棒作為卷煙的重要組成部分，可有效過濾截留煙氣中的有害物質(zhì)。隨著消費(fèi)者需求愈加多樣化，逐漸開發(fā)出了溝槽濾棒、顆粒濾棒、香線濾棒、凝膠濾棒、異性空腔濾棒等多種類型的特種濾棒。異形空腔濾棒是利用特殊工藝加工制成端部可見圖案的新型濾棒，空腔形狀可以設(shè)計(jì)成圓形、三角形、葉子、齒輪、五角星等多種形狀，具有圖案設(shè)計(jì)防偽和煙氣調(diào)節(jié)的雙重作用，因此在卷煙產(chǎn)品上得到了廣泛應(yīng)用。深圳煙草工業(yè)有限責(zé)任公司[1]發(fā)明了一種異形空腔濾嘴，通過在異形濾棒的中部和圓柱面分別設(shè)置通孔和通槽，為煙氣提供多個(gè)低壓通道，可降低煙氣的流速，提高煙氣與濾棒的慣性碰撞與擴(kuò)散沉積。江蘇大亞濾嘴材料有限公司[2]制備的異形空腔加香濾棒將加香濾棒與異形濾棒相結(jié)合，可改善卷煙抽吸風(fēng)味，同時(shí)提高外觀質(zhì)量，增強(qiáng)卷煙防偽功能。湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司[3]開發(fā)的全中空式過濾嘴卷煙，吸阻較小，能夠有效地減少焦油和一氧化碳的釋放量。文建輝等[4]考查了空腔濾棒結(jié)構(gòu)對(duì)卷煙主流煙氣中酚類化合物的截留影響，發(fā)現(xiàn)空腔醋纖濾棒對(duì)酚類化合物的過濾效率低于普通醋纖濾棒、外置溝槽濾棒和紙/醋復(fù)合濾棒。李艷平等[5]則考查了空腔濾棒結(jié)構(gòu)對(duì)煙堿過濾效率和空間分布模式的影響，發(fā)現(xiàn)空腔濾棒對(duì)煙堿的過濾效率低于普通濾棒、外置溝槽濾棒和內(nèi)置溝槽濾棒，并且空腔濾棒的空腔濾棒段煙堿含量較低，非空腔濾棒段中圈部分的煙堿含量高于中心部分的煙堿含量。吳釗等[6]系統(tǒng)考查了空腔濾棒截面面積比、空腔濾棒截面形狀、空腔濾棒長(zhǎng)度及長(zhǎng)度占比等因素對(duì)空腔復(fù)合濾棒壓降的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)空腔復(fù)合濾棒壓降的實(shí)測(cè)值均高于預(yù)測(cè)值，并且空腔復(fù)合濾棒的壓降偏移率與空腔結(jié)構(gòu)截面面積比、空腔濾棒段長(zhǎng)度占比呈正相關(guān)，與空腔截面長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)，空腔截面形狀對(duì)壓降偏移率影響不大。

異形空腔濾棒作為一種新型的濾棒形式，目前的研究主要集中在濾棒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝等方面，異形空腔濾棒對(duì)卷煙主要理化指標(biāo)與感官品質(zhì)的影響有待進(jìn)一步深入研究。鑒于此，本文擬針對(duì)市面上較常見的圓形空腔濾棒，設(shè)計(jì)幾種空腔直徑不同、空腔深度相同的圓形空腔濾棒，分析空腔直徑對(duì)主流煙氣釋放、有害物質(zhì)截留、感官品質(zhì)的影響規(guī)律，以期為圓形空腔濾棒的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

主要材料：常規(guī)絲束濾棒與不同空腔直徑的圓形空腔濾棒，由牡丹江卷煙濾棒廠提供。

主要儀器：SODIMAX全功能綜合測(cè)試臺(tái)，法國Sodim Instrumentation 公司產(chǎn)；RM200A型轉(zhuǎn)盤吸煙機(jī)，德國Borgwaldt 公司產(chǎn)；HP6890 N/5975 氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國Agilent公司產(chǎn)；SM450 直線型吸煙機(jī)，英國Cerulean公司產(chǎn)；KQ-700DE 數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)；AL-204-IC 電子天平(感量0.000 1 g)，瑞士Mettler Toledo公司產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品卷煙的制備分別將常規(guī)絲束濾棒、不同空腔直徑(空腔深度均為10 mm)的圓形空腔濾棒與河南中煙某規(guī)格卷煙配方煙絲卷制成煙支，除濾嘴結(jié)構(gòu)不同外，其他原輔料均相同，得到常規(guī)濾棒卷煙與4種圓形空腔濾棒卷煙。圓形空腔濾棒卷煙樣品的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，卷煙樣品物理檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 卷煙樣品物理檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖1 圓形空腔濾棒卷煙樣品結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 卷煙主流煙氣常規(guī)成分與7種有害成分釋放量測(cè)定按照文獻(xiàn)[7-9]的方法測(cè)定卷煙主流煙氣中常規(guī)成分總粒相物、焦油、煙堿、CO的釋放量。

按文獻(xiàn)[10]的方法抽吸卷煙后，取出煙蒂中的普通絲束段與空腔絲束段，根據(jù)文獻(xiàn)[8,11]的方法測(cè)定普通醋纖濾嘴段中的煙堿量(mF1)、空腔濾嘴段的煙堿量(mF2)，以及劍橋?yàn)V片捕集的煙堿量(mH)。煙堿過濾效率(NFE)計(jì)算方法如下：

NFE=[(mF1+mF2)/(mF1+mF2+mH)]×100%

根據(jù)文獻(xiàn)[9,12-17]的方法測(cè)定卷煙主流煙氣中CO、HCN、NNK、NH3、苯并[a]芘、苯酚、巴豆醛7種有害成分的釋放量。

1.2.3 圓形空腔濾棒卷煙感官品質(zhì)評(píng)價(jià)將樣品卷煙置于溫度(22±1)oC，相對(duì)濕度(60±2)%的恒溫恒濕環(huán)境中平衡48 h。樣品卷煙的感官品質(zhì)評(píng)價(jià)由河南中煙評(píng)吸委員會(huì)9 名成員參照文獻(xiàn)[18]的方法完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 空腔直徑對(duì)卷煙主流煙氣常規(guī)成分釋放量的影響

卷煙樣品主流煙氣常規(guī)成分釋放量如表2所示。由表2可以看出，圓形空腔濾棒卷煙的總粒相物、焦油、煙堿釋放量均高于常規(guī)濾棒卷煙，并且隨著空腔直徑的增加，3種常規(guī)成分的釋放量均隨之提高。這是因?yàn)閳A形空腔濾棒卷煙的吸阻隨空腔直徑增大而逐漸降低，并且均低于常規(guī)濾棒卷煙，因此對(duì)主流煙氣的過濾能力逐漸降低。但CO的釋放量與空腔直徑無明顯相關(guān)性。

表2 卷煙樣品主流煙氣常規(guī)成分釋放量

2.2 空腔直徑對(duì)濾棒煙堿截留的影響

卷煙樣品濾棒煙堿截留量與煙堿過濾效率如表3所示。由表3可以看出，圓形空腔濾棒中普通濾棒段絲束的煙堿截留量基本沒有變化，而空腔濾棒段絲束的煙堿截留量則隨著空腔直徑的增加逐漸減小，這是因?yàn)殡S著空腔直徑的增加使得具有煙堿截留作用的空腔濾棒段絲束截面面積逐漸減小，因此對(duì)煙堿的截留能力逐漸降低，這也導(dǎo)致卷煙濾棒的煙堿過濾效率隨空腔直徑的增加而降低。

表3 卷煙樣品濾棒煙堿截留量與煙堿過濾效率

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)圓形空腔濾棒對(duì)煙堿截留情況的影響，定義空腔濾棒段絲束的單位面積煙堿截留量R，其計(jì)算公式如下：

空腔直徑對(duì)空腔濾棒段絲束的單位面積煙堿截留量的影響如圖2所示。由圖2可以看出，隨著空腔直徑的增大，空腔濾棒段絲束的單位面積煙堿截留量逐漸減小。這可能是因?yàn)橹髁鳠煔馔ㄟ^具有空腔的濾棒段時(shí)，空腔處的壓強(qiáng)較低，煙氣更容易通過阻力較小的空腔部分流出[5]，導(dǎo)致經(jīng)空腔部分流出煙氣的占比高于濾棒截面中空腔濾棒段絲束截面的占比。根據(jù)伯努利定律[19]，在煙氣流量一定的情況下，空腔直徑增大，煙氣流速降低，經(jīng)空腔部分流出的煙氣占比與空腔截面在濾棒截面中占比的偏差值越大，因此空腔直徑越大時(shí)，空腔濾棒段絲束的單位面積煙堿截留量越低。

圖2 空腔直徑對(duì)空腔濾棒段絲束的單位面積煙堿截留量的影響

2.3 空腔直徑對(duì)卷煙7種有害成分釋放量與危害性指數(shù)的影響

卷煙樣品主流煙氣7種有害成分釋放量如表4所示。由表4可以看出，NH3、苯并[a]芘、苯酚、巴豆醛的釋放量均隨著空腔直徑的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，而CO、HCN、NNK的釋放量則隨空腔直徑的增加表現(xiàn)出先增加、后降低的趨勢(shì)。

表4 卷煙樣品主流煙氣7種有害成分釋放量

根據(jù)文獻(xiàn)[20]計(jì)算卷煙樣品危害性指數(shù)，空腔直徑對(duì)卷煙樣品危害性指數(shù)的影響如圖3所示。由圖3可以看出，4種圓形空腔濾棒卷煙的危害性指數(shù)均高于常規(guī)濾棒卷煙，并且隨空腔直徑增加危害性指數(shù)逐漸提高。這與前述空腔直徑增加時(shí)，圓形空腔濾棒對(duì)主流煙氣的過濾效果降低的結(jié)果一致。

圖3 空腔直徑對(duì)卷煙樣品危害性指數(shù)的影響

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)圓形空腔濾棒對(duì)卷煙樣品危害性指數(shù)的影響，定義卷煙危害性指數(shù)的偏移量M，其計(jì)算公式如下：

空腔直徑對(duì)卷煙樣品危害性指數(shù)偏移量的影響如圖4所示。由圖4可以看出，隨著空腔直徑的增加，減少單位面積空腔濾棒段絲束，卷煙危害性指數(shù)的偏移量增大，這與2.2的結(jié)論是一致的，即在煙氣流量一定的情況下，空腔直徑越大，煙氣流速越低，經(jīng)空腔部分流出的煙氣比例與空腔截面面積所占比例的偏差值越大，因此空腔直徑越大時(shí)，圓形空腔濾棒對(duì)主流煙氣過濾能力的下降幅度越大。

圖4 空腔直徑對(duì)卷煙危害性指數(shù)偏移量的影響

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析認(rèn)為，當(dāng)空腔直徑較小時(shí)，主流煙氣在流經(jīng)圓形空腔濾棒段時(shí)，因空腔部分阻力較小，煙氣更容易通過空腔流出，但是經(jīng)空腔流出的煙氣所占比例與空腔截面面積所占比例的差異較小。當(dāng)空腔直徑增大時(shí)，煙氣流速降低，經(jīng)空腔流出的煙氣所占比例與空腔截面面積所占比例的差異增大，這導(dǎo)致空腔直徑越大，空腔濾棒段絲束的單位面積煙堿截留量越低，單位面積空腔濾棒段絲束對(duì)卷煙危害性指數(shù)偏移量的影響幅度越大。

2.4 空腔直徑對(duì)感官品質(zhì)評(píng)吸結(jié)果的影響

圓形空腔濾棒卷煙感官品質(zhì)評(píng)吸結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，隨著空腔直徑的增加，圓形空腔濾棒卷煙的香氣減弱，雜氣、刺激性、干燥感增加，煙氣成團(tuán)性、細(xì)膩程度、甜潤感變差，感官品質(zhì)總得分逐漸減低。煙氣濃度則表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。卷煙感官品質(zhì)評(píng)吸結(jié)果與前述空腔直徑對(duì)主流煙氣過濾效果的影響趨勢(shì)結(jié)果一致。

表5 圓形空腔濾棒卷煙感官品質(zhì)評(píng)吸結(jié)果

3 結(jié)論

本文以煙草企業(yè)中應(yīng)用較多的圓形空腔濾棒為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了4種不同空腔直徑、相同空腔深度的圓形空腔濾棒，分析了空腔直徑對(duì)主流煙氣釋放、有害物質(zhì)截留、感官品質(zhì)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：1)圓形空腔濾棒卷煙的總粒相物、焦油、煙堿釋放量隨空腔直徑的增加而提高，并且均高于普通醋纖濾棒卷煙的釋放量；2)圓形空腔濾棒絲束中普通濾棒段的煙堿截留量基本無變化，而空腔濾棒段的煙堿截留量與單位面積煙堿截留量隨空腔直徑的增加逐漸減小；3)隨空腔直徑增大，圓形空腔濾棒卷煙的危害性指數(shù)逐漸增加，卷煙危害性指數(shù)的偏移量逐漸增大；4)隨著空腔直徑增大，圓形空腔濾棒卷煙的煙氣特征與口感特征變差，感官品質(zhì)評(píng)價(jià)得分逐漸降低。本文的研究結(jié)果填補(bǔ)了圓形空腔濾棒領(lǐng)域的研究空白，可為該濾棒的開發(fā)與利用提供一定的參考。