爆珠滤棒设计参数对卷烟通风率及主流烟气成分的影响

时间：2024-06-19

崔春，孟祥士，纪朋，韩路，胡少东，楚文娟，王高杰，李禄成，罗灿选，高明奇

河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州市经济技术开发区第三大街8 号 450000

爆珠卷烟是通过在滤棒中植入一粒或多粒易捏破的香味胶囊，实现卷烟吸食过程中可控的香味释放［1］。爆珠卷烟独特的抽吸感受和新颖趣味性，受到了国内外消费者尤其是年轻消费群体的欢迎［2-4］。爆珠卷烟在市场上取得的成功也引起了相关研究者的重视，在爆珠生产加工［5-7］和检测技术［8-10］、卷烟烟气分析［11-16］和爆珠设计技术［17-19］等方面的研究取得了一定进展。Dolka 等［11］对不同品牌爆珠卷烟捏破前后烟气成分进行分析，结果表明爆珠滤嘴可以降低卷烟烟气有害成分释放量。朱风鹏等［12］分析了爆珠添加后及爆珠破碎对主流烟气中有害成分释放和截留情况的影响，结果表明，添加爆珠后，卷烟苯并芘释放量升高，其他有害成分释放量与常规卷烟无明显差异；爆珠捏破后，巴豆醛单支释放量显著降低。对爆珠卷烟主流烟气成分的研究也有很多［13-15］。张志刚等［16］研究了爆珠对滤棒、卷烟物理性能和卷烟主流烟气的影响，发现爆珠滤棒压降标准偏差分别比相同丝束填充量滤棒和相同压降滤棒增大，若爆珠捏破后主流烟气指标仍与常规卷烟一致，爆珠滤棒的压降应比常规滤棒高376 Pa以上。目前，科研人员对爆珠卷烟的研究尚不充分，主要基于同一爆珠直径和位置，采用现有规格爆珠卷烟开展研究和对比，未对爆珠滤棒设计参数的影响进行系统研究。本实验中通过设计爆珠滤棒参数，系统考察了爆珠直径和爆珠在滤棒中的位置对常规爆珠卷烟物理指标、主流烟气和滤嘴对烟碱过滤效率的影响，以期为爆珠卷烟产品的设计和优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

“黄金叶”品牌常规卷烟烟丝（河南中烟工业有限责任公司）；爆珠样品（上海华宝生物科技有限公司）；爆珠滤棒（圆周24.1 mm，牡丹江卷烟材料有限公司）。

KDF2 滤棒成型机（沈阳飞机制造公司）；PROTOS70 卷接机组（常德烟草机械有限责任公司）；AL-204-IC 电子天平（感量 0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；SODIMAX 全功能综合测试台、滤棒物理指标综合测试台（法国Sodim Instrumentation 公司）；KBF 型恒温恒湿箱（德国Binder 公司）；RM20H 转盘式吸烟机（德国Borgwaldt KC 公司）；7890A 气相色谱仪（美国Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品制备方案

以河南中烟工业有限责任公司黄金叶某常规爆珠卷烟为基准卷烟进行样品制备。基准卷烟参数：烟支长度84 mm，圆周24.3 mm，滤嘴长度25.0 mm，爆珠直径3.6 mm，爆珠距唇端12.5 mm。基准卷烟辅材参数：卷烟纸定量28 g/m2，透气度60 CU；高透成型纸透气度6 000 CU；预打孔接装纸透气度150 CU。

根据国内外爆珠卷烟用滤棒参数设计特点，结合实际情况，按照单因素设计了7种直径爆珠规格，不同直径爆珠壁厚保持一致。采用3.0 Y35 000二醋酸纤维素丝束，成型7种爆珠直径滤棒样品，以及同一直径爆珠（3.6 mm）成型4 种不同位置的滤棒样品，共10 种爆珠滤棒样品，成型滤棒压降为3 200 Pa，并在同一机台卷制卷烟样品。不同直径、不同位置爆珠卷烟样品具体设计参数见表1、表2。

表1 不同直径爆珠卷烟样品设计参数①Tab.1 Design parameters of cigarette samples with breakable capsules of different diameters

表2 不同位置爆珠卷烟样品设计参数Tab.2 Design parameters of cigarette samples with breakable capsules at different positions

滤棒及卷烟样品控制要求见表3、表4。按照压降为（设计值±100）Pa对已制备滤棒样品进行筛选，按单支质量为（设计值±0.02）g、滤嘴通风率为设计值±2%对已制备卷烟样品进行筛选后作为待测样品，以保证所测卷烟样品含烟丝量的一致性。

表3 常规爆珠滤棒样品物理指标Tab.3 Physical indexes of conventional filter rod samples with breakable capsules

表4 常规爆珠卷烟样品物理指标Tab.4 Physical indexes of conventional cigarette samples with breakable capsules

1.2.2 样品平衡

所有样品按照GB/T 16447—2004［20］的要求进行平衡。

1.2.3 卷烟样品物理指标检测

平衡好的样品，按照 GB/T 22838—2009［21］的方法检测卷烟物理指标，同一样品检测30支卷烟，并计算其平均值。

1.2.4 卷烟样品主流烟气和烟碱过滤效率检测

平衡好的样品，按照文献［22］中的方法进行卷烟抽吸，按照文献［22-24］中的方法测定主流烟气中的总粒相物、焦油、烟碱及CO。按照文献［25］中的方法测定滤嘴中的烟碱，计算卷烟滤嘴对烟碱的过滤效率。同一样品进行两轮抽吸，每轮抽吸20支卷烟样品，并计算两轮抽吸的平均值。

2 结果与讨论

2.1 爆珠滤棒设计参数对常规卷烟物理指标的影响

2.1.1 爆珠直径对卷烟物理指标的影响

卷烟滤嘴通风率、总通风率及开放吸阻随爆珠直径的变化见图1。由图1 可知，爆珠捏破前，随着爆珠直径的增加，烟支滤嘴通风率、总通风率和吸阻整体呈上升趋势，滤嘴通风率和吸阻升高幅度分别可达28.4%和28.1%。其原因是丝束中嵌入无通透性的爆珠后会对气流起到阻碍效果，且爆珠直径越大气流阻挡效果越明显，导致卷烟纵向气流减少，滤嘴通风率增加，并进一步造成卷烟总通风率增加；同时，维持烟蒂端恒定气流量所需压力的增加，造成烟支吸阻的增加。图中可见，爆珠捏破后，滤嘴通风率降低幅度可达37.5%，吸阻则可降低210 Pa。随着爆珠直径增加，烟支滤嘴通风率和总通风率整体呈降低趋势，原因是爆珠捏破后滤嘴内形成一个短路通道，引起纵向气流增大，且爆珠直径越大滤棒中形成的空腔越大，从而导致卷烟滤嘴通风率和总通风率逐步降低。同时，爆珠捏破后维持烟蒂端恒定气流所需压力减小，使得烟支吸阻较捏破前减小，但随着直径增加爆珠内含香料量也会增加，由于香料对气流的阻碍作用，爆珠捏破后烟支吸阻仍会随爆珠直径增加而增大。

图1 爆珠直径对卷烟物理指标的影响Fig.1 Effects of capsule diameter on physical indexes of cigarettes

2.1.2 爆珠位置对卷烟物理指标的影响

爆珠位置对卷烟物理指标的影响如图2 所示。由图2可知，爆珠捏破前后，烟支吸阻随爆珠距唇端位置变化均呈小幅波动，无明显变化规律；同一位置参数下，烟支吸阻会在爆珠捏破后显著降低。随着爆珠离唇端距离变大，烟支总通风率整体呈降低趋势。爆珠位置和打孔位置越接近，卷烟滤嘴通风率越小，这是由于爆珠位置与打孔位置更接近时，爆珠对滤嘴进气的阻碍效果更明显，导致滤嘴通风率减小。爆珠更接近烟丝段时，爆珠破碎后滤嘴通风率相较爆珠完整时更小；在爆珠接近唇端时，爆珠破碎后滤嘴通风率相较爆珠完整时更大。这是因为爆珠位于打孔带上侧（近唇端）时，对纵向和横向气流影响更大，而爆珠位于打孔带下侧（近烟丝端）时，爆珠对经由打孔部分进入的气流影响较小。

图2 爆珠位置对卷烟物理指标的影响Fig.2 Effects of capsule position on physical indexes of cigarettes

2.2 爆珠滤棒设计参数对卷烟主流烟气常规指标及烟碱过滤效率的影响

2.2.1 爆珠直径对卷烟主流烟气常规指标及烟碱过滤效率的影响

不同爆珠直径及爆珠捏破前后卷烟样品的主流烟气成分及烟碱过滤效率如图3所示。可以看出爆珠捏破前，随着爆珠直径的增大，卷烟主流烟气中焦油和烟碱释放量逐渐减小，烟碱过滤效率呈逐渐增加的趋势。其中，烟碱过滤效率升高幅度可达15.8%，焦油释放量可降低6.8%，烟碱释放量可降低3.3%。相关研究表明，滤棒丝束通过直接拦截、惯性冲击和扩散沉积3 种方式拦截主流烟气［26-27］。爆珠不同于滤嘴丝束纤维，不具有通透性，烟气流经爆珠位置受到的阻力增加，流速降低的同时其流通路径也发生了改变，使滤嘴整体对烟气的过滤作用增强。当爆珠直径增大，烟气流经爆珠表面受到的阻力随之增加，滤嘴对烟气的过滤作用也随之增强，过滤了更多的烟气粒相物，即滤嘴对烟碱的截留量和过滤效率逐渐增加，从而降低了烟气中焦油和烟碱的释放量。

图3 爆珠直径对卷烟主流烟气成分及烟碱过滤效率的影响Fig.3 Effects of capsule diameter on mainstream smoke components and nicotine filtration efficiency of cigarettes

爆珠破碎后，焦油、烟碱释放量增加，烟碱过滤效率降低，表明捏破爆珠后滤嘴对烟气的过滤能力明显减弱。卷烟烟碱过滤效率下降幅度可达16.3%，焦油和烟碱释放量最大分别可升高1.9 和0.08 mg/支。爆珠破碎之后，滤嘴中出现空腔，滤嘴通透性明显增加，对烟气的阻力显著减小。烟气在爆珠位置的流速加快且流通路径变宽，进而导致滤嘴对烟气的过滤作用减弱。

同时，爆珠破碎后，随着爆珠直径增大，滤棒中的空腔也随之增大，卷烟主流烟气焦油和烟碱的释放量逐渐增加，在爆珠直径4.4 mm 处出现拐点；而滤嘴对烟碱的过滤效率差异不明显。可能是由于当爆珠直径达到4.4 mm时，爆珠破碎后有较多溶剂流出，烟碱流经滤嘴时与溶剂形成氢键键合，故主流烟气中的烟碱释放量降低。结合查阅的资料和实际试验情况，烟碱与溶剂形成的氢键断裂温度在200 ℃以上［28］，而气相色谱的柱温为170 ℃，故按照YC/T 154—2001［25］的方法测定时滤嘴中的烟碱未能被检出，因此数据显示滤嘴对烟碱的过滤效率没有升高。

在实际产品研发中，爆珠直径作为一项影响因素可以纳入卷烟的设计考虑。同时，还应考虑爆珠的成型稳定性、滤棒指标要求、经济性等因素，确定适宜的爆珠直径。直径过小，爆珠难以成型，且内容物含量过少，不能达到增香和丰富口感层次的目的；直径过大，爆珠不易添加到滤棒中，且在滤棒和卷烟储存过程中，爆珠易破碎，导致内容物流出而污染烟支。

2.2.2 爆珠位置对卷烟主流烟气常规指标及烟碱过滤效率的影响

固定打孔位置（15.5 mm），爆珠距唇端位置在爆珠破碎前后对卷烟样品主流烟气释放量及烟碱过滤效率的影响见图4。由图4可以看出，随着爆珠距唇端距离的增加，卷烟主流烟气焦油和烟碱的释放量略有增加。研究表明，通风稀释是最有效的降焦方法之一，其原理是将空气引入主流烟气，烟气成分的相对量从而降低；同时，抽吸时吸入烟支中的气流速率降低，提高了滤嘴的过滤效率［29］。当爆珠位置距打孔位置较近时，由于卷烟总通风率和滤嘴通风率最小，通风稀释作用减弱，卷烟主流烟气焦油和烟碱的释放量最高，滤嘴对烟碱的过滤效率最低。

图4 爆珠位置对卷烟主流烟气成分及烟碱过滤效率的影响Fig.4 Effects of capsule position on mainstream smoke components and nicotine filtration efficiency of cigarettes

爆珠破碎后的焦油和烟碱释放量增加，烟碱过滤效率降低，表明捏破爆珠后滤嘴对烟气的过滤能力明显减弱。且爆珠破碎后，随着爆珠距唇端距离的增大，卷烟主流烟气焦油和烟碱的释放量逐渐增加，滤嘴对烟碱的截留量和过滤效率逐渐减小，并在爆珠距离打孔位置较近（即爆珠距唇端17.5 mm）时出现极值。