卷烟纸特性对卷烟烟气7种有害成分的影响

来源:用户上传      作者: 谢国勇　李斌　颜水明等

　　摘要为研究卷烟纸在卷烟燃烧及卷烟减害降焦方面的重要作用，考察了卷烟纸助燃剂、透气度和定量对主流烟气中CO等7种有害成分的影响规律.结果表明：（1）卷烟纸助燃剂含量对卷烟主流烟气中CO、苯酚、HCN、NH3、NNK、苯并[α]芘的释放量具有显著的降低效果，且具有良好的线性相关性，但与巴豆醛释放量无线性相关性；（2）卷烟纸透气度对烟气中CO、苯酚、苯并[α]芘、NH3、NNK的释放量具有显著的降低效果，而HCN和巴豆醛的释放量受卷烟纸透气度的影响不大.（3）随着卷烟纸定量的增加，烟气中CO、HCN、NNK、苯并[α]芘和巴豆醛的释放量呈先增后降的趋势.（4）卷烟纸特性参数通过调控卷烟燃烧状态而影响卷烟烟气有害成分释放量.
　　关键词卷烟纸特性；助燃剂；透气度；定量；卷烟烟气；有害成分；燃烧
　　中图分类号TS4112 文献标识码A 文章编号10002537（2013）05005108
　　吸烟与健康是烟草行业当前面临的主要挑战之一.近年来，在世界卫生组织（WHO）、许多国家政府和各种反吸烟团体的积极推动下，全球性的反吸烟运动日益高涨，烟草行业受到的社会压力越来越大[1].我国烟草行业《卷烟危害性指标体系》项目的开展与应用推广，明确了通过CO、HCN、NNK、NH3、苯并[α]芘（B[α]P）、苯酚、巴豆醛等7项指标来表征卷烟主流烟气的生物危害性，为系统开展卷烟减害研究提供了努力方向[2].
　　影响健康的有害物质主要存在于卷烟烟气中，而卷烟烟气中的化学成分是经过一系列的化学和物理过程形成的.其化学物理过程包括烟草中挥发成分的蒸发和蒸馏过程、非挥发成分的热解过程、热解所形成焦的不完全燃烧过程及初始产物的二次反应，还包括阴燃和抽吸条件下的传递过程（质量，热量和动量）等变化，因此卷烟燃烧状态是发生何种化学物理过程的基础，通过调控卷烟燃烧状态可以实现从源头控制卷烟烟气中有害物质的释放量[36].
　　作为卷烟辅助材料，卷烟纸直接参与卷烟燃烧过程，其特性参数，如助燃剂含量、定量、透气度等，通过调控空气和烟气的传递扩散以及燃吸温度分布，对卷烟燃烧状态具有重要的调控作用[79].本文通过系统研究卷烟纸助燃剂含量、定量和透气度等特性参数对卷烟烟气7种有害成分释放量的影响规律，为卷烟燃烧状态与卷烟烟气有害成分释放量的研究提供支持.
　　1材料与方法
　　1.1卷烟样品制作
　　卷烟纸特性参数设计如下：以柠檬酸钾为助燃剂，助燃剂质量分数设计为0、1.50%、2.46%、297%、345%；透气度分别为40、50、60、70、80 CU；定量分别为26、29、32、35 g·m-2.卷烟纸具体参数如表1所示.选用湖南中烟单等级C3F叶丝并经恒温恒湿处理，样品卷烟在长沙卷烟厂同一台卷烟机上卷制，在线调控烟支质量和硬度.
　　1.2仪器与设备
　　HP7890气相色谱仪、Agilent 1100高效液相色谱仪（美国Agilent公司）；RM450型20孔道吸烟机（德国Borgwaldt公司）；KC2压降仪（德国BorgwaldtKC公司）；KBF240恒温恒湿箱（德国Binder公司）；Trace2000气相色谱仪，TEA610型热能分析仪（美国Thermo Finigan公司）；液质联用仪D12220307，Turbo Vapl浓缩仪（美国Zymark公司）；DX600型离子色谱仪（美国戴安公司）；AA3连续流动分析仪（Bran+Luebbe公司）；CP224S电子天平（感量0.0001 g，德国Sartofius公司）.
　　1.3卷烟烟气7种有害成分检测方法
　　样品卷烟主流烟气7种有害成分检测依据烟草行业通用的相关标准.卷烟样品调节采用GB/T 164472004《烟草及烟草制品调节和测试的大气环境》，卷烟抽吸采用GB/T 164502004《常规分析用吸烟机定义和标准条件》，采用YC/T 2532008《卷烟主流烟气中氰化氢的测定连续流动法》、YC/T 2552008《卷烟主流烟气中主要酚类化合物的测定高效液相色谱法》、YC/T 2542008《卷烟主流烟气中主要羰基化合物的测定高效液相色谱法》、GB/T 211302007《卷烟烟气总粒相物中苯并[α]芘的测定》、GB/T 232282008《卷烟主流烟气总粒相物中烟草特有N亚硝胺的测定气相色谱热能分析联用法》和YC/T 3772010《卷烟主流烟气中氨的测定》分别检测烟气中的HCN，苯酚，巴豆醛，B[α]P，NNK和NH3，抽烟时吸烟机自动检测CO.
　　2结果与分析
　　2.1卷烟纸助燃剂含量对7种有害成分的影响
　　卷烟纸助燃剂是影响卷烟燃烧温度分布的重要因素，从而影响卷烟烟气有害成分释放量，本文以柠檬酸钾为卷烟纸助燃剂，考察卷烟纸助燃剂对卷烟烟气中有害成分的释放量的影响，柠檬酸钾添加量为0～345%.图1～图7示出卷烟纸助燃剂含量对卷烟主流烟气中CO、苯酚、HCN、NH3、NNK、B[α]P、巴豆醛等7种有害成分的释放量影响规律.从图中结果可以看出，随着卷烟纸助燃剂的增加，烟气中CO、苯酚、HCN、NH3、NNK、B[α]P的释放量逐渐降低，方差分析结果中的P值分别为0.009 3、0.013 2、0.014 7、0.012 3、0002 7、0.042 8，均小于0.05，说明卷烟纸助燃剂含量对卷烟主流烟气中CO、苯酚、HCN、NH3、NNK、B[α]P的释放量具有显著的影响，且两者之间呈现很好的线性相关性，相关系数分别为0.897 4、0.971 0、0.961 5、0.976 4、0.954 2、0.972 4.而由图7所示结果可见，卷烟纸助燃剂含量与烟气中巴豆醛释放量无线性相关性.通过对图1～图7结果方差分析结果P值进行对比，助燃剂对主流烟气中有害物质的影响显著程度依次为：CO>NH3>苯酚>HCN>NNK>B[α]P>巴豆醛. 　　2.2卷烟纸透气度对7种有害成分的影响
　　卷烟纸透气度是卷烟纸纤维结构自然形成的众多均匀微孔所至，对卷烟燃烧过程具有显著的影响.图8～图14示出卷烟纸透气度对卷烟主流烟气中CO、苯酚、HCN、NH3、NNK、B[α]P、巴豆醛等7种有害有成分的释放量影响规律.由图可见，随着卷烟纸透气度的增加，烟气中CO、苯酚、B[α]P、NH3、NNK的释放量逐渐降低，说明卷烟纸透气度变化对卷烟主流烟气中上述有害物质的释放量具有显著的影响，而HCN和巴豆醛的释放量受卷烟纸透气度的影响不大.从图8～图13的结果还可以看到，当卷烟纸透气度低于70 CU时，随着透气度的增加，烟气中CO、苯酚、B[α]P、NH3、NNK的释放量显著降低，而当透气度到达70 CU后，继续增加透气度值，烟气有害物质降低量趋于钝化.
　　2.3卷烟纸定量对7种有害成分的影响
　　图15～图21显示卷烟纸定量对卷烟主流烟气中CO、苯酚、HCN、NH3、NNK、B[α]P、巴豆醛等7种有害有成分的释放量影响规律.从图中结果可见，随着卷烟纸定量的增加，烟气中CO、HCN、NNK、B[α]P和巴豆醛的释放量呈先增后降的趋势，而苯酚的释放量随定量的增加而逐渐降低.由于此组样品所用卷烟纸的助燃剂含量保持不变，只改变卷烟纸定量，亦即逐渐增加了卷烟纸中助燃剂的绝对含量，因此，定量通过改变卷烟纸的结构和助燃剂的绝对含量而改变烟气中有害物质的释放量，卷烟纸定量对有烟气有害成分释放量的与助燃剂的影响具有一定的相似性.
　　2.4实验结果分析与讨论
　　燃烧状态（包括温度分布和氧气含量）是卷烟燃吸过程中发生化学变化的重要条件.卷烟燃吸时，烟草发生氧化降解、干馏或聚合等反应的烟气产物，在很大程度上取决于燃烧状态.烟气组成的研究表明，大部分焦油成分是在约高于450 ℃时由烟草热解形成.Torikai认为，卷烟燃烧过程中释放出上千种化学物质，其中包括大量的有害物质.如果卷烟在燃烧过程中，温度达不到烟气有害物质的产生范围，或者卷烟燃烧的温度相对较低，所提供的能量不足以使烟草分解、裂解产生较小的物质，或者增加氧气含量，使烟草燃烧更充分产生碳水化合物，则在燃烧过程中烟气中有害物质将大幅度降低，从而减少烟气对人体和环境的危害[56].
　　从以上结果分析可知，卷烟纸特性（助燃剂、透气度、定量）对卷烟烟气中7种有害物质均有较明显的影响规律.卷烟纸作为卷烟辅材，其质量只占烟支质量的5%左右，对烟气成分的直接贡献值很小.但卷烟纸直接参与卷烟燃烧过程，卷烟纸特性参数，如助燃剂含量、透气度及定量，对卷烟燃烧状态具有一定的调节作用，而卷烟纸对卷烟燃烧状态的调控作用是其影响卷烟烟气有害成分释放量的关键所在.
　　图22显示卷烟燃吸过程中，卷烟纸助燃剂含量对燃烧峰温的影响关系，燃烧峰温随着卷烟纸助燃剂的增加而逐渐降低.前人的研究结果也表明，在卷烟燃吸过程中，添加于卷烟纸或烟丝的有机碱金属盐，如柠檬酸钾、柠檬酸钠等，可通过熔融吸热降低燃烧温度，从而降低烟气有害成分释放量[1112].图23示出卷烟燃吸过程中，卷烟纸定量对燃烧峰温的影响关系.由图可见，卷烟燃烧峰温随卷烟纸定量的增加而降低，这是因为不同定量卷烟纸的助燃剂含量是一定的，随着卷烟纸定量的增加，卷烟纸中助燃剂的绝对值也增加，增加的助燃剂导致卷烟燃烧峰温的降低.
　　图24示出卷烟燃吸过程中，卷烟纸透气度对卷烟燃烧峰温的影响关系，由图可见，随着卷烟纸透气度从40 CU增至70 CU，卷烟燃烧峰温从770 ℃降到743 ℃，卷烟纸透气度继续增至80 CU，燃烧峰温又增至754 ℃.
　　从以上分析可知，卷烟纸助燃剂含量、定量及透气度等特性参数对卷烟燃烧锥最高温度的影响关系，与其对卷烟烟气有害成分的影响关系是一致的，进一步证明了卷烟纸特性参数是通过调控卷烟燃烧状态而影响卷烟烟气有害成分释放量.我们的后续工作将从深入研究卷烟燃吸温度分布与烟气有害成分形成机制间的相关关系.在此基础上，形成基于减害机制分析的卷烟燃吸温度分布综合调控技术，为卷烟综合减害降焦提供技术支撑.
　　3结论
　　（1）卷烟纸助燃剂含量对卷烟主流烟气中CO、苯酚、HCN、NH3、NNK、B[α]P的释放量具有显著的降低效果，且具有良好的线性相关性，而卷烟纸助燃剂含量与烟气中巴豆醛释放量无线性相关性.助燃剂对主流烟气中有害物质的影响程度依次为：CO>NH3>苯酚>HCN>NNK>B[α]P>巴豆醛.
　　（2）卷烟纸透气度变化对卷烟主流烟气中上述有害物质的释放量具有显著的影响，随着卷烟纸透气度的增加，烟气中CO、苯酚、B[α]P、NH3、NNK的释放量逐渐降低，而HCN和巴豆醛的释放量受卷烟纸透气度的影响不大.
　　（3）随着卷烟纸定量的增加，烟气中CO、HCN、NNK、B[α]P和巴豆醛的释放量呈先增后降的趋势，苯酚释放量随卷烟纸定量的增加而增加.
　　（4）卷烟纸助燃剂含量、定量及透气度等特性参数对卷烟燃烧锥最高温度的影响关系，与其对卷烟烟气有害成分的影响关系是一致的，卷烟纸特性参数通过调控卷烟燃烧状态而影响卷烟烟气有害成分释放量.
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　　（编辑杨春明）
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