抽吸模式對紙打孔細支卷煙煙氣釋放量的影響

何紅梅 張 媛 朱懷遠 莊亞東 熊曉敏 劉獻軍

(江蘇中煙工業有限責任公司技術研發中心，江蘇 南京 210019)

卷煙煙氣是在燃燒過程中卷煙組分經過熱解、降解、蒸餾等一系列復雜的物理和化學變化形成的[1]。卷煙紙直接參與卷煙的燃燒，其透氣度與卷煙燃燒過程中煙草成分的熱解和化學反應、煙氣有害成分的產生量密切相關[2]，是影響卷煙燃燒的一項重要參數。打孔是改變紙透氣度常用的一種方式[3]，針對接裝紙打孔對卷煙煙氣釋放量的影響，研究人員[4-8]已開展較為深入的研究。在卷煙紙方面，已有研究[9-10]顯示，提高卷煙紙的助燃劑K/Na比例以及添加不同金屬鹽的卷煙紙可促進卷煙紙纖維的裂解致孔，有效降低煙氣中HCN和CO釋放量。但直接在卷煙紙上打孔尚鮮有報道。

由于國際標準化組織煙草技術委員會規定的吸煙機參數標準條件(ISO抽吸模式)越來越受到一些國家和地區的反對和質疑，WHO推薦制定了“加拿大深度抽吸(HCI)模式”國際標準[11]。這2種模式下，常規卷煙主流煙氣及有害成分釋放量差異性研究已有相關報道[12-16]。然而針對細支卷煙、不同抽吸模式下紙打孔透氣度對煙氣釋放量的影響及差異性尚未見報道。另一方面，細支卷煙的發展呈現個性化的發展趨勢，研究紙打孔卷煙主流煙氣化學成分的逐口釋放規律可以為細支卷煙的設計提供技術支撐。

本研究針對不同打孔參數的細支卷煙樣品，分析ISO與HCI 2種抽吸模式下打孔卷煙主流煙氣中焦油和煙堿的逐口遞送趨勢，旨在為降低卷煙主流煙氣中相關化學成分的釋放量提供理論參考和技術依據。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

樣品：煙支長度為97 mm，圓周17 mm，首孔距離煙支末端均為2 mm，其余參數見表1(圖1為卷煙孔帶示意圖)，江蘇中煙工業有限責任公司；

異丙醇：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

乙醇：色譜純，天津科密歐化學試劑有限公司；

正十七碳烷：色譜純，梯希愛(上海)化成工業發展有限公司；

煙堿標液：>97%，鄭州煙草研究院；

20孔道吸煙機：RM20H型，德國Borgwaldt KC公司；

綜合測試臺：DT-5型，德國Borgwaldt KC公司；

氣相色譜儀：7890A型，美國Agilent公司；

電子天平：AL204型，瑞士Mettler Toledo公司。

表1 不同卷煙樣品打孔參數及物理指標Table 1 Perforation parameters and physical index of different cigarette samples

圖1 卷煙孔帶示意圖Figure 1 Schematic diagram of the cigarette hole belt

1.2 方法

按照GB/T 16450—2004《常規分析用吸煙機定義和標準條件》規定的條件逐口抽吸卷煙。抽吸完畢，按照GB/T 19609—2004《卷煙常規分析用吸煙機測定總粒相物和焦油》、GB/T 23203.1—2013 《卷煙 總粒相物中水分的測定 第1部分：氣相色譜法》及GB/T 23355—2009 《卷煙 總粒相物中煙堿的測定 氣相色譜法》處理每口抽吸的劍橋濾片，測定每口煙氣粒相物中焦油、水分及煙堿的含量。每個樣品平行測定2次。

2 結果與討論

2.1 ISO模式下焦油、煙堿釋放量

表2、3給出了ISO模式下不同卷煙樣品的逐口煙氣焦油、煙堿釋放量。結果表明，完整抽吸口序時(前5口)，各樣品焦油逐口釋放量范圍為0.294 7～1.387 3 mg/Cig，煙堿逐口釋放量范圍為0.032 5～0.151 7 mg/Cig，各樣品焦油、煙堿逐口釋放量隨抽吸口序的增加呈顯著增加趨勢。對照樣品的焦油和煙堿方差分別是0.067 2和0.000 9，均小于紙打孔樣品，表明相對于紙打孔樣品，對照樣品逐口煙氣釋放量的變化趨勢較為平緩。

與對照樣品相比，紙打孔卷煙樣品從燃燒端進入的空氣流量被分割為從燃燒錐端和孔帶處兩部分進入，增加了煙氣的稀釋度；另一方面，紙打孔增加了紙通風率，改變了卷煙燃燒錐燃燒狀態，氧氣補給速率提升，引起卷煙煙絲在富氧狀態下燃燒[17]，焦油釋放量也相應降低。因此，紙打孔樣品的焦油釋放量有不同程度降低。

表2的結果顯示，與對照樣相比，紙打孔卷煙樣品第1口的焦油釋放量均明顯降低，且隨著孔帶寬度的增加，P4～P6第1口焦油釋放量顯著降低，P1～P3第1口焦油釋放量變化規律不夠明顯。隨著抽吸口序的進行，煙支燃燒端向濾嘴端前移，燃燒錐接近或通過打孔位置，抽吸至第3口時，P1～P3 3個樣品的燃燒錐已全部通過打孔位置，P4～P6 3個樣品的燃燒錐接近最后一個打孔位置，打孔數目的減少，直接導致打孔對卷煙焦油釋放量的影響進一步減小。因此，并非所有紙打孔樣品的第2口焦油釋放量均低于對照樣品，抽吸至第3口時，紙打孔樣品的焦油釋放量與對照樣品已無明顯差異。

表3的數據顯示，卷煙紙打孔，對于卷煙焦油釋放量的影響較煙堿更加明顯。P6的焦油降幅高達9.38%，而煙堿降幅僅為0.46%，其第2口焦油降幅為30.93%，煙堿釋放量僅從0.099 7 mg/Cig 降至0.084 5 mg/Cig，降幅為15.25%。與對照樣品相比，紙打孔卷煙的煙堿總釋放量變化幅度并不明顯，P3樣品的煙堿總釋放量變化幅度最大，也僅增加了4.07%。這可能是煙氣中的煙堿由煙草中的煙堿直接遷移而來[18]，盤紙打孔降低了卷煙燃燒錐的溫度，致使焦油有所降低[19]，但是燃燒錐溫度仍遠高于煙堿的遷移溫度(160～220 ℃)[20]。

2.2 HCI模式下焦油、煙堿釋放量

表4、5給出了HCI模式下不同卷煙樣品的焦油、煙堿逐口釋放量。由于采用了更小的抽吸頻率、更大的抽吸容量以及濾嘴通風孔的完全封閉，樣品的抽吸口數明顯增加，焦油和煙堿釋放量明顯高于ISO模式下的釋放量。對照樣品HCI模式下焦油、煙堿釋放量分別是ISO模式的2.92，2.32倍，P6樣品更是高達3.30，2.40倍。

表2 ISO模式下不同卷煙樣品煙氣中焦油釋放量Table 2 The yield of tar in mainstream smoke of different cigarette samples under ISO regime

表3 ISO模式下不同卷煙樣品煙氣中煙堿釋放量Table 3 The yield of nicotine in mainstream smoke of different cigarette samples under ISO regime

表4 HCI模式下不同卷煙樣品煙氣中焦油釋放量Table 4 The yield of tar in mainstream smoke of different cigarette samples under HCI regime

表5 HCI模式下不同卷煙樣品煙氣中煙堿釋放量Table 5 The yield of nicotine in mainstream smoke of different cigarette samples under HCI regime

與ISO模式不同，HCI模式下各樣品完整抽吸口序時(前8口)，只有前5口的焦油和煙堿釋放量隨抽吸口序的增加而增加，第7口開始，基本呈現逐漸降低的趨勢。這可能是隨著抽吸口序的進一步增加，煙支變短，煙氣在未燃燒煙支內部的沉積、冷凝等因素令抽吸燃燒期間壓降升高、截留效應增加[21-22]。

在HCI模式下，卷煙紙打孔對樣品煙氣中焦油和煙堿釋放量與ISO模式有較大的區別。與對照樣品相比，只有P6樣品前7口的焦油釋放量有一定降低，P1樣品前5口略有下降，但是兩樣品的總焦油釋放量較對照樣均有所升高，其中P6的焦油升高了2.29%，P1升高了0.93%，其它4個樣品總焦油和煙堿釋放量均比對照樣品高，焦油和煙堿增幅分別為0.94%～6.56%和0.45%～6.7%，表明在HCI模式下，卷煙紙打孔對于卷煙整體焦油和煙堿釋放量有不利的影響。

2.3 2種抽吸模式下焦油與煙堿釋放量分析

ISO模式下，P1～P6樣品前3口焦油釋放量變化較為明顯，因此，進一步比較分析了2種抽吸模式下前3口焦油逐口釋放量的增長率。圖2為不同卷煙樣品兩種抽吸模式下前3口煙氣中焦油的逐口增長率。如圖2所示，ISO模式下第1口到第2口的增長率最高，其對照樣增長率為32.3%，P1～P6增長率為56.0%～90.9%，而HCI模式下對照樣增長率只有5.1%，P1～P6增長率為11.4%～30.8%，遠低于ISO模式下的增長率；第2口到第3口，對照樣增長率為36.1%，打孔卷煙增長率為33.7%～67.6%，紙打孔樣品的增長率有所減小，HCI模式下對照樣增長率為20.8%，打孔卷煙增長率為11.0%～38.8%，縮小了與 ISO模式增長率之間的差距；ISO模式下第3口到第4口的增長率繼續迅速降低，此時卷煙樣品HCI模式下的增長率已與ISO模式相當。前3口焦油增長率的變化趨勢反映了ISO模式下焦油逐口釋放量的變化趨勢較HCI模式大。

與對照樣品相比，HCI模式下，紙打孔樣品的焦油和煙堿總釋放量均有不同程度的升高。P4樣品的焦油增幅最大，達6.57%，煙堿增幅達6.69%。一方面是由于紙打孔時，靜燃速率未受卷煙紙打孔的影響[23]，卷煙抽吸口數明顯增加所致(表5中P6樣品的抽吸口數較對照樣增加了0.9口)；另一方面，盡管HCI模式下，采用較高的抽吸容量，卷煙燃燒溫度升高，而陰燃溫度差異性不大[19]，抽吸結束后熱氣流降溫速率較快，有利于揮發性成分的迅速冷凝，以及在下一口抽吸時向煙支下游的遞送，同時，抽吸燃燒期間升溫速率的升高，也進一步增加了煙氣焦油釋放量[24]。

2.4 2種抽吸模式下煙堿/焦油比分析

表6給出了2種抽吸模式下，煙氣中煙堿/焦油比值的分析結果。從表6中可以看出，HCI模式下，與對照樣品相比，總的煙堿/焦油比數值變化不大，變化范圍為0%～2.12%，但是無論是總煙堿/焦油比還是逐口煙堿/焦油比，打孔卷煙與對照樣品均未呈現明顯的變化規律。而在ISO模式下，紙打孔卷煙的總煙堿/焦油比均大于對照樣品，且呈現打孔數目相同的情況下，總煙堿/焦油比隨著孔帶寬度的增加而增加，孔帶寬度相同時，煙堿/焦油比隨著打孔數目的增加而升高的趨勢。ISO模式下的逐口煙堿/焦油比值顯示，針對完整抽吸口序(前5口)，相同打孔數目下，隨著孔帶寬度的增加，P1～P3樣品第2口的煙堿/焦油比逐漸升高，第3口先降低后升高，第4口和第5口又逐漸升高。P4～P6樣品第2口和第3口的煙堿/焦油比逐漸升高，第4口先降低后升高，第5口又逐漸升高。如前文所述，相對于對照樣品，打3個孔時，第3口為過渡抽吸口序，打4個孔時，第4口為過渡抽吸口序，紙打孔對卷煙燃燒狀態的影響所致。有研究表明，煙草中煙堿保持一定水平，吸煙者抽吸低焦油卷煙時無代償作用[25]，而且煙堿/焦油比與卷煙的香氣、雜氣、刺激性、余味等指標之間均呈極顯著線性正相關關系[26]，即煙堿/焦油比在一定范圍內增加時，卷煙的綜合質量較好，設計低焦油卷煙時，應設法提高煙堿/焦油比的數值。本研究的紙打孔卷煙在焦油釋放量降低的同時，煙堿/焦油比仍維持在較高的水平，可為低焦油細支卷煙的設計提供一定的技術支撐。

圖2 不同卷煙樣品2種抽吸模式下前3口煙氣中 焦油的逐口增長率

Figure 2 The growth rate of tar in the first three puff with different cigarette samples under the two smoke regimes

表6 2種模式下不同卷煙樣品主流煙氣煙堿/焦油比Table 6 The nicotine/tar ratio in the mainstream smoke of different cigarette samples under the two smoke regimes

3 結論

ISO模式下，卷煙紙打孔細支卷煙的焦油釋放量整體呈現下降趨勢，煙堿釋放量無明顯變化，打孔樣品的總煙堿/焦油比均大于對照樣品，且煙堿/焦油比與孔帶寬度、打孔數目呈正比，即在焦油釋放量降低的同時，煙堿/焦油比仍保持在較高水平，這可為有效解決低焦油卷煙煙氣滿足感提供技術支撐。HCI模式下，卷煙紙打孔細支卷煙的焦油和煙堿總釋放量均有不同程度的升高，且在完整抽吸口序下，第6口以后的逐口釋放量呈現逐漸減小的趨勢。一般說來，隨著通風率的增加，焦油釋放量降低；完整抽吸口序下，隨著抽吸口序的增加，逐口釋放量呈現增加趨勢，本研究結論與此相左。這可能是在HCI模式下，卷煙紙打孔改變了卷煙的燃燒狀態所致，下一步將針對2種抽吸模式下卷煙燃燒錐燃燒溫度、逐口在線壓降變化情況的差異性開展深入研究。