烟丝/卷烟纸组合对卷烟焦油量变异的影响

程传玲, 佘 鑫, 窦元春, 舒云波, 倪和朋, 管仕栓,胡明辉, 马 俊, 王晓斌, 李洪涛, 郑力文, 马晓伟

(1.郑州轻工业大学 烟草科学与工程学院, 河南 郑州 450000; 2.红塔烟草( 集团) 有限责任公司 工艺质量部, 云南 玉溪 653100; 3.红塔烟草(集团)有限责任公司 玉溪卷烟厂, 云南 玉溪 653100; 4.山东中烟工业有限责任公司 技术中心, 山东 青岛 266101; 5.红塔烟草(集团)有限责任公司 昭通卷烟厂, 云南 昭通 657000)

0 引言

卷烟燃烧是烟丝与卷烟纸共同参与完成的过程,烟丝及卷烟纸是影响卷烟烟气的主要因素.降焦减害[1,2]一直是人们热议的话题,其中焦油量一直备受人们关注.已有研究表明,卷烟烟丝参数[3-5],辅助材料[6-9],如卷烟纸参数[10-12]、添加剂[13-16]等对卷烟的焦油量均有影响.戴路等[17]研究发现通过优化设计卷烟辅材设计参数可以调控烟气中TPM、焦油和CO的释放量,并且有助于提升中支卷烟感官质量,郑淑娟等[18]在考虑烟用材料4个因素(卷烟纸透气度、卷烟纸助燃剂用量、滤嘴通风率及滤嘴长度)及各因素间的交互作用及平方项的基础下,运用逐步回归法建立了利用卷烟材料预测焦油的预测模型.王泽理等[19]发现下部烟叶与焦油成负相,但与感官质量成正相关,叶组配方中合理利用下部烟叶,既能起到降焦减害的作用,又可使感官质量保持稳定.可见目前针对烟气焦油含量的研究大多集中在烟丝或者卷烟纸的某一方面,没有考虑烟丝和卷烟纸组合对烟气中焦油量的影响.

为准确分析烟丝/卷烟纸组合对卷烟焦油量的影响,选取5种烟丝10种卷烟纸组合而成的49种卷烟,测定烟丝中烟丝组成(薄片添加比例、膨胀梗丝添加比例)、常规化学成分(氯、烟碱、总糖、还原糖、钾、总氮、氨态碱),金属元素含量(钙、钠、镁、铁、锰、锌、铜)以及10种卷烟纸参数,分析了烟丝及卷烟纸参数对卷烟焦油量的影响,旨在为改善卷烟焦油量提供参考.

1 实验部分

1.1 材料与试剂

1.1.1 主要材料

5种常规规格卷烟烟丝(1～5#),10种卷烟纸(1～10#)卷制成的49种卷烟样品,其中1～4#烟丝各10种卷烟纸、5#烟丝9种卷烟纸,每种烟丝卷制样品时除更换卷烟纸外其它条件不变.10种卷烟纸的参数信息如表1所示,5种烟丝的参数信息如表2、表3所示,包括烟丝组成、常规化学成分.

表1 10种卷烟纸的各项参数

表2 5种烟丝的组成

表3 5种烟丝的常规化学成分

1.1.2 主要试剂

硝酸(烟台市双双化工有限公司)、氢氟酸(天津市凯通化学试剂有限公司)、30%过氧化氢(洛阳昊华化学试剂有限公司)、氯化铯(阿拉丁试剂(上海)有限公司)、硝酸镧(阿拉丁试剂(上海)有限公司)、钙、钠、镁、铁、锰、锌、铜7种金属元素标准储备液(国家有色金属及电子材料分析测试中心)、医用酒精(新乡市三伟消毒制剂有限公司)、娃哈哈饮用纯净水(新乡市娃哈哈昌盛饮料有限公司)、异丙醇(色谱级,天津市大茂化学试剂厂)、无水乙醇(色谱级,天津市大茂化学试剂厂)、正十七烷(纯度≥98.5%,北京百灵威科技有限公司)、烟碱(纯度≥98%,郑州烟草研究院).

1.2 实验方法与仪器

1.2.1 金属元素含量的测定方法

(1)测定方法:参照文献[20]建立的方法.

(2)主要仪器:SX3-5-12ASP高效节能陶瓷纤维箱式电阻炉(北京科伟永兴仪器有限公司)、DL-1电子电炉(上海树立仪器仪表有限公司)、电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)、微波消解仪、EHD-24赶酸仪(北京东航科仪仪器有限公司)、KBF240恒温恒湿箱(河南捷隆科技有限公司)、AA240FS原子吸收光谱仪(美国安捷伦公司)、自制持灰箱.

其他仪器:烧杯、容量瓶、坩埚、坩埚钳、移液枪、聚四氟乙烯高压消解罐、PE手套、研钵等.

1.2.2 烟气指标的检测方法

(1)检测方法:参照文献[21]检测卷烟抽吸口数及焦油量释放量.

(2)主要仪器:恒温恒湿箱(KBF240型,德国Binder公司)、电子天平(SQP型,感量0.000 1,德国Sartorius公司)、接嘴实验机(SZJ型,国营平水机械厂)、转盘式吸烟机(RH20型,德国Borgwaldt公司)、气相色谱仪(安捷伦7890型,美国Agilent公司)、恒温回旋振荡器(THZ-C型,江苏太仓市华美生化仪器厂).

2 结果与讨论

2.1 烟丝及卷烟纸对焦油量变异的影响

49个卷烟样品的检测结果如表4所示,焦油量介于9.10～11.40 mg、平均值为10.43 mg、RSD为5.67%.相同烟丝与不同卷烟纸组合时的焦油量不同,平均值介于9.94 ～10.90 mg、RSD介于2.90%～5.37%;相同卷烟纸与烟丝组合时的焦油量也不同,平均值介于9.95～11.08 mg、RSD介于2.74%～7.31%.可见,焦油量既会随烟丝变化而变化,也会随卷烟纸不同而变化.可能是烟丝中添加剂、烟丝中金属元素含量或者卷烟纸参数不同等多重方面的影响,因此有必要对不同烟丝卷烟纸组合进行讨论,分析造成这种差异的最主要影响因素 .

表4 49种卷烟样品焦油量测定结果 (mg)

由于卷烟样品由5种烟丝、10种卷烟纸卷制而成,因此焦油量的变异主要是烟丝和卷烟纸共同作用的结果.为了比较烟丝和卷烟纸对焦油量的贡献,以焦油量为变量,卷烟纸、烟丝为影响因素,采用一般线性模型法进行方差分析,结果表明模型的决定系数(R2)为0.819,即两者共同解释了焦油量变异的81.9%.如表5所示,烟丝、卷烟纸对焦油量的影响均为极显著,由均方差或F值可以看出,烟丝导致的焦油量变异约为卷烟纸的2.30倍,说明烟丝是影响焦油量的主要因素,卷烟纸为次要因素.

表5 以焦油量为因变量的主体间效应检验

2.2 烟丝参数对焦油量变异的影响

5种牌号卷烟烟丝中7种金属元素测量结果如表6所示,由表6可知,各牌号卷烟烟丝钙元素含量介于298.71～355.41 mg/g之间,铜含量介于0.01～0.05 mg/g之间,铁含量介于0.39～4.07 mg/g之间,镁元素含量介于1.69 ～4.50 mg/g之间,锰含量介于0.05～0.13 mg/g之间,钠含量介于2.56～19.71 mg/g之间,锌含量介于0.02 ～0.04 mg/g之间.

表6 5种牌号卷烟烟丝中7种金属元素测量结果(mg/g)

由2.1部分可知,焦油量受烟丝的影响大于卷烟纸.选择薄片添加比例(T1)、膨胀梗丝添加比例(T2)作为表征烟丝组成的参数,烟丝中氯(s1)、烟碱(s2)、总糖(s3)、还原糖(s4)、钾(s5)、总氮(s6)、氨态碱(s7)含量作为表征烟丝常规化学成分含量的参数,钙(j1)、钠(j2)、镁(j3)、铁(j4)、锰(j5)、锌(j6)、铜(j7)作为表征烟丝中金属元素含量的参数,通过相关分析研究烟丝参数对焦油量的影响.

表7所示的简单相关分析结果表明,薄片(T1)、锌(j6)含量与焦油量呈极显著负相关关系,烟碱(s2)含量与焦油量呈显著正相关关系.

表7 焦油量与烟丝参数间的简单相关分析结果

以49种卷烟的焦油量为因变量,烟丝的16种参数为自变量进行多元线性回归分析逐步回归分析,回归分析结果如表8、表9所示.由表8焦油量与烟丝参数的回归模型中F检验中的P值(P=0.000,<0.01)可以看出,此模型达到了极显著,同时各元素也达到了极显著的水平,所以此模型回归效果较好;回归方程的决定系数为0.486,一般线性模型的决定系数为0.819,进一步证明不同卷烟样品焦油量的变异主要是由烟丝作用的结果,卷烟纸的影响较小.由表9的标准化系数可以看出,钠、镁、锰、钾含量是影响焦油量的主要因素,镁、锰、钾含量与焦油量呈负相关关系(镁、锰、钾标准化系数均为负值).钠含量与焦油量呈正相关关系(钠标准化系数为1.044),钾的影响最大(标准化系数最大,为-1.161),其次是钠、镁、锰.

表8 焦油量与烟丝参数的回归模型概述

表9 焦油量与烟丝参数回归系数的t检验结果

2.3 卷烟纸参数对焦油量变异的影响

章节2.2部分研究结果表明烟丝中钠、镁、锰、钾含量是影响焦油量的主要因素,四者可共同解释焦油量变异的48.6%,而由2.1部分一般线性模型的决定系数可知,烟丝和卷烟纸对焦油量变异的总解释度为81.9%,两者之差可以看作是由卷烟纸不同造成的,约为33.3%.可见,在烟丝、卷烟纸共变体系中卷烟纸不同引起的焦油量变异有限.由于卷烟纸造成的焦油量变异很小,直接分析时会因烟丝的干扰而无法得出客观的结论,为此,可以根据表9的模型构建一个由钠、镁、锰、钾四种元素组成的烟丝参数因子,即保留该模型的预测值作为烟丝参数因子(S焦油量),以便在控制烟丝影响的条件下分析卷烟纸参数对焦油量的影响.

以49种卷烟的焦油量为因变量,卷烟纸透气度、定量、灰分含量、钾钠比和阴燃速率(依次记为Z1～Z5)为自变量进行二次多项式逐步回归分析,为了控制烟丝的影响,将烟丝参数因子作为自变量参与回归分析.焦油量与卷烟纸参数及烟丝因子的回归分析结果如表10、表11所示.由表10模型中F检验中的P值(P=0.000,<0.01)可以看出,此模型达到了极显著;回归方程的决定系数为0.808,接近一般线性模型的0.819,进一步证明了章节2.1中不同卷烟样品焦油量的变异是由烟丝和卷烟纸共同作用的结果,但烟丝金属元素的影响稍大于卷烟纸.

表10 焦油量与卷烟纸参数及烟丝因子的回归模型概述

由表11所示的回归模型及标准化系数可知,卷烟纸透气度、定量、灰分含量、阴燃速率对焦油量有显著影响,且卷烟纸透气度与灰分含量(Z1*Z3)、卷烟纸透气度与阴燃速率(Z1*Z5)、定量与灰分含量(Z2*Z3)、灰分含量与阴燃速率(Z3*Z5)、灰分含量与灰分含量(Z3*Z3)之间存在交互作用.卷烟纸定量、灰分含量分别与焦油量呈负相关关系(标准化系数分别为-17.426、-4.700),焦油量随着卷烟纸定量、灰分含量的增加呈下降趋势.

3 结论

通过从烟丝的组成、常规化学成分、金属元素含量以及卷烟纸参数四个方面分析烟丝及卷烟纸组合对卷烟焦油量的影响,得出如下结论:

(1)卷烟规格及卷制质量一定时,随着烟丝与卷烟纸组合的变化,卷烟的焦油量发生了明显变化,表明烟丝与卷烟纸间的配合是影响焦油量的重要因素.

(2)在烟丝、卷烟纸共变体系中,烟丝是影响焦油量的主要因素、卷烟纸是次要因素.因此,通过烟丝优化改善焦油量将能获得更为明显的效果,相应地,烟丝质量波动也更容易造成焦油量的波动.

(3)烟丝中钠、镁、锰、钾含量会显著影响焦油量,镁、锰、钾含量与焦油量呈负相关关系,钠含量与焦油量呈正相关关系.

(4)卷烟纸透气度、定量、灰分含量、阴燃速率是影响焦油量的主要参数,卷烟纸定量、灰分含量分别与焦油量呈负相关关系,焦油量随着卷烟纸定量、灰分含量的增加呈下降趋势但其影响的趋势和程度会受到烟丝中参数的影响.