逐口分析定长切丝对细支卷烟烟气NNK释放量的影响

王珂清，朱成文，李 炜，袁益来，王 瑞，闫新可，蒋宇阳，王仰勋，沈晓晨

江苏中烟工业有限责任公司，南京市建邺区梦都路30号 210019

切丝是影响卷烟质量的关键工序之一，改变切丝模式可影响卷烟的物理指标和烟气化学成分释放。朱成文等［1］研究表明，40 mm定长切丝模式可改变细支卷烟烟丝结构，提高物理指标和主流烟气指标稳定性；李琼等［2］测试常规平刀切丝与矩形刀定长切丝对烟丝结构的影响，分析了不同切丝工艺对烘后叶丝、成品烟丝的碎丝率及填充值等指标；訾莹莹等［3］研究了不同切丝模式对烟丝结构和卷烟掉火头的影响；韩慧杰等［4］分析了不同切丝模式在不同加工环节下烟丝结构的变化以及不同切丝模式对卷烟质量的影响；朱文魁等［5］研究表明，采用40 mm定长切丝模式显著提升了卷烟物理质量稳定性。此外，切丝模式对卷烟危害性指数影响的研究也有报道，朱成文等［6］发现40 mm定长切丝模式可影响细支卷烟7种有害成分释放量，从而影响细支卷烟危害性指数。该研究表明切丝模式改变后，细支卷烟7种有害成分释放量的变化趋势也不同，B［a］P和CO释放量略有上升，巴豆醛、苯酚、氨和NNK释放量下降，特别是NNK的释放量显著降低。因此，有必要多视角分析NNK释放量变化的原因，但迄今为止相关研究鲜有报道。逐口抽吸已广泛用于分析烟气常规成分、7种有害成分及香味成分等的递送规律［7-10］。为此，本研究中采用40 mm定长切丝与常规切丝制备细支卷烟样品，考察切丝模式对焦油和NNK逐口释放量以及逐口燃烧温度的影响，从逐口抽吸的角度考察应用40 mm定长切丝技术后NNK释放量显著降低的原因，旨在为全面剖析切丝工艺影响主流烟气NNK释放量的原因提供依据，为深入研究工艺技术对卷烟燃烧状态的影响和降低有害成分的作用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

卷烟样品选自江苏中烟工业有限责任公司某规格细支卷烟。

异丙醇（AR，上海国药集团化学试剂有限公司）；乙醇（色谱纯，天津科密欧化学试剂有限公司）；正十七碳烷（色谱纯，日本TCI公司）；甲醇（色谱纯，美国Merck公司）；乙酸铵（色谱纯，美国Fluka公司）；NNK、NNK-d4（＞98%，加拿大TRC公司）。

RM20H转盘式吸烟机、LM5侧流吸烟机、DT综合测试台（德国Borgwaldt KC公司）；MikroSpec RT7500红外热像仪（美国Mikron公司）；Aglient 6460液相色谱-质谱联用仪（美国Agilent公司）；AL204电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；Milli-Q Integral 10型超纯水系统（美国Millipore公司）；HY-5A回旋振荡器（江苏省金坛市讯生仪器厂）；Binder KBF恒温恒湿箱（德国Binder公司）；0.22μm水相滤膜（英国Peculiar科技有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷烟样品的制备

实验样和对照样的制备：选用相同的叶组，切丝模式分别选用平板式刀片的常规切丝模式和齿间距40 mm的锯齿式刀片的定长切丝模式，其他制丝和卷接过程的工艺参数、设备参数和烟支物理指标要求均相同。以40 mm定长切丝模式卷制的细支卷烟样品作为实验样，记为A1样品；常规切丝模式卷制的细支卷烟样品作为对照样，记为A0样品。A1和A0样品烟支的物理参数见表1。

表1 卷烟烟支相关参数Tab.1 Parameters of cigarette samples

1.2.2 卷烟主流烟气中焦油和NNK释放量的分析

按照GB/T 16450—2004［11］的方法设定吸烟机参数，按照GB/T 19609—2004［12］的方法分析烟气焦油释放量，按照文献［13］的方法测定烟气NNK释放量。

1.2.3 主流烟气焦油逐口释放量的分析

按照GB/T 16450—2004［11］的方法设定吸烟机参数，按照“质量允差±20 mg，吸阻允差±50 Pa”的要求，筛选2种卷烟样品。选取筛选后的20支细支卷烟，逐口抽吸，固定抽吸口数为5口。抽吸完毕，分别按照GB/T 19609—2004［12］、YC/T 157—2001［14］以及YC/T 156—2001［15］的方法测定每口烟气中焦油、烟碱以及水分的释放量。

1.2.4 主流烟气NNK逐口释放量的分析

按照1.2.3节中的方法抽吸完毕后，将滤片置于50 mL锥形瓶中，准确加入15 mL含2.0 ng/L内标NNK-d4的0.1 mol/L乙酸铵萃取液，超声萃取30 min，静置5 min。取适量萃取液过0.22μm水相滤膜，按照文献［13］的方法分析。

1.2.5 卷烟逐口抽吸最高温度的测定

在侧流吸烟机上抽吸细支烟样品，同时应用红外成像测温仪记录卷烟抽吸过程中各时刻燃烧锥不同位置的温度，从中选出最大值作为该口抽吸的最高温度，从第2口开始记录至第5口。每种卷烟样品重复测定20次。

1.2.6 烟丝结构和烟支中烟丝密度分布的测定

按照文献［1］的方法，测定两种切丝模式下烟丝结构和烟支中的烟丝密度分布。

2 结果与讨论

2.1 切丝模式对烟丝结构和烟丝密度分布的影响

加香出口和卷接跑条后的烟丝结构测定结果见表2。可知，应用40 mm定长切丝后，加香出口和卷接跑条后，长丝率均下降，中丝率、短丝率均上升。鉴于跑条后烟丝结构更接近于烟支内烟丝结构，同时，采用40 mm定长切丝模式后，跑条烟丝的长丝、中丝和短丝比例基本相当，较常规切丝模式的跑条烟丝均匀性有明显增加，这说明40 mm定长切丝后，细支卷烟烟支内烟丝结构均匀性更优。

表2 不同切丝模式下不同加工阶段的烟丝结构Tab.2 Parameters of cut tobacco at different processing stages under different cutting modes （%）

切丝模式改变了烟丝结构，也有可能改变烟丝密度分布。图1为两种切丝模式下烟丝密度分布图。从图1可知，在烟支两个压实点之间即烟支中部（距烟支燃烧端20～50 mm），常规切丝模式下的A0样品烟丝密度分布曲线波动较大，而40 mm定长切丝模式下的A1样品烟丝密度分布曲线较为平坦。由此可知，40 mm定长切丝可以提高烟支内烟丝密度分布的均匀性。

图1 不同切丝模式下烟支内烟丝密度的分布Fig.1 Distribution of cut tobacco density along the length of cigarettes under different cutting modes

2.2 不同切丝模式下主流烟气NNK和焦油的释放量

两种细支卷烟主流烟气焦油和NNK释放量的分析结果见表3。可知，与对照样A0相比，实验样A1的烟气焦油释放量降低了4.97%，NNK释放量降低了17.07%；相对于焦油，NNK选择性降低12.10%。上述结果表明，采用40 mm定长切丝模式可显著降低卷烟主流烟气NNK释放量，这与文献［6］的研究结果一致；而40 mm定长切丝模式对焦油释放量的影响不显著。

表3 主流烟气焦油和NNK的释放量Tab.3 Releases of tar and NNK in mainstream cigarette smoke

2.3 不同切丝模式下卷烟主流烟气中NNK和焦油的逐口释放量比较

根据2.2节的分析可知，切丝模式改变以后，细支卷烟主流烟气NNK的释放量发生了明显的变化。为从微观角度进一步分析切丝模式改变后主流烟气中焦油和NNK的释放过程及其变化的原因，应用逐口抽吸分解卷烟抽吸过程，分析焦油和NNK在各口烟气中的释放变化情况。由表3可知，2种卷烟的平均抽吸口数均介于5.0和6.0口之间。因此，固定抽吸口数为5口，分析NNK和焦油的逐口释放量，结果见表4。

表4 细支卷烟主流烟气焦油和NNK的逐口释放量Tab.4 Puff-by-puff releases of tar and NNK in mainstream smoke of slim cigarette

从表4可知，2种细支卷烟样品烟气焦油和NNK的逐口释放量均随口数的增加而增大，实验样A1主流烟气中焦油和NNK的逐口释放量均明显低于对照样A0。与A0相比，A1前5口焦油总释放量降低了12.74%，NNK释放量降低了18.30%。前5口焦油和NNK总释放量均比整支烟的降幅更明显，这可能是由于相较A0，A1的平均抽吸口数较多，从而导致整支烟降幅的计算值偏小。

为进一步比较2种卷烟逐口抽吸的差异，以1～5口的卷烟抽吸口数序号为自变量，以焦油和NNK的逐口释放量为因变量进行一元线性回归分析，线性拟合结果见图2。

由图2可知，2种卷烟焦油回归方程的R2均较高，这说明一元线性方程适合于焦油的逐口释放量与抽吸口数序号的拟合。另外，2种卷烟焦油回归方程的斜率存在差异，实验样A1回归方程的斜率小于对照样A0，说明A1焦油逐口释放量的增长幅度小于A0。

每种卷烟烟气NNK回归方程的R2均大于0.9，同样，这说明一元线性方程也适合于烟气NNK的逐口释放量与抽吸口数序号的拟合。2种卷烟烟气NNK回归方程的斜率也存在差异。A1烟气NNK回归方程的斜率小于A0，表明A1烟气NNK的逐口释放量增量较A0小。由此可见，A1第一口烟气NNK的释放量略小于A0，但A1烟气的NNK释放量的增幅也小于A0，使A1的NNK释放量明显小于A0。

2.4 不同切丝模式下细支卷烟逐口最高温度的变化

卷烟燃烧过程中温度分布较宽，为便于快速比较逐口燃烧过程的差异，以逐口最高温度为参数进行分析，从第2口开始记录，直至第5口，每个细支卷烟样品抽吸20支，样品A1和A0逐口最高温度结果见表5。可知，实验样A1相同口数的最高温度的极差变化范围是164.1～218.2℃，平均极差为194.7℃；对照样A0相同口数的最高温度的极差变化范围是191.5～228.2℃，平均极差为211.9℃。平均极差结果表明，应用40 mm定长切丝技术后逐口最高温度的极差变窄。

图2 细支卷烟主流烟气焦油和NNK逐口释放量与抽吸口数序号的线性拟合图Fig.2 Linear fitting curves of puff-by-puff releases of tar and NNK in mainstream smoke of slim cigarette and puffing numbers

表5 实验样A1和对照样A0逐口抽吸过程中各口的最高温度Tab.5 Puff-by-puff maximum coal temperatures of test samples A1 and control samples A0 during smoking（℃）

对20支细支卷烟每口的最高温度进行正态分布Shapiro-Wilk检验。由表6可知，除第2口外，A1的正态分布相关系数均高于A0。说明抽吸A1时的最高温度分布状况更符合正态分布，集中度高于A0。这可能是由于A1烟支内烟丝密度分布的均匀性高于A0［1］。另外，A1和A0每口最高温度正态分布系数均大于0.05，符合正态分布要求，因此选择每口的正态分布中位数进行比较分析。由表5可见，A1和A0逐口最高温度的中位数随抽吸口数增加而增大，最高值均出现在第5口。

为进一步分析烟支逐口燃烧最高温度的变化特性，统计整支烟的最高温度在各口中出现的概率，结果见表7。可知，对于A1，整支烟最高温度出现在第5口的概率最高，达80%；对于A0，整支烟燃烧的最高温度出现在第4口的概率最高，为40%，其次是第5口的35%。由上述分析可见，A1整支烟的最高温度相对集中地出现在第5口，而A0最高温度的分布则较分散。这可能是因为应用40 mm定长切丝后烟丝结构发生改变，烟支的烟丝密度分布和物理指标的稳定性得到了显著提高［1］，烟支之间烟丝密度分布的无序性和波动性相对减少了。

表5（续） （℃）

表6 实验样A1和对照样A0各口最高温度的W检验相关系数Tab.6 W test correlation coefficients of maximum coal temperatures of test sample A1 and the control sample A0

表7 烟支燃烧最高温度在各口抽吸中出现的概率统计Tab.7 Appearance probability of maximum combustion temperature of cigarette in each puffing （%）

根据上述分析可见，应用40 mm定长切丝技术后，烟支逐口最高温度的中位数变化趋势相同，但是逐口燃烧状态却发生了显著变化，特别是第5口。相比于A0，A1的第5口的中位数比较高，而且最高温度出现的概率增加了128%，这说明A1第5口的燃烧强度要明显高于A0。一般而言，燃烧状态发生变化，可以影响卷烟有害成分释放量［6，16-18］。卷烟主流烟气中的NNK一部分是从烟草直接转移到烟气中的，另一部分是在加热抽吸过程中形成和释放的［19］。切丝模式改变后，从表1可知，烟支中烟丝的质量和烟支吸阻并未发生显著变化，所以从原料中直接迁移的NNK释放量差异可能不显著；但是，从卷烟逐口燃烧最高温度的数值和分布（表5和表7），可以看出卷烟燃烧状态发生改变，这可能导致卷烟燃烧过程中NNK释放量存在显著差异。

3 结论

（1）采用40 mm定长切丝模式可显著降低细支卷烟主流烟气NNK和焦油的释放量，焦油和NNK的释放量分别降低4.97%和17.07%，NNK选择性降低12.10%。

（2）40 mm定长切丝模式可使细支卷烟各口中焦油和NNK释放量的变化幅度减小，一方面有效提高了焦油和NNK逐口释放量的稳定性，另一方面也有助于降低细支卷烟整支烟的NNK释放量。

（3）40 mm定长切丝改变了细支卷烟烟丝结构和烟丝密度分布，改变了卷烟的抽吸过程，尤其影响了第5口的燃烧状态，细支卷烟逐口最高温度相对集中地出现在第5口，提高了第5口的燃烧强度。

（4）细支卷烟逐口燃烧状态发生变化，影响了NNK逐口释放特性和整体的释放量。