烟草减害技术（二）

2.4　纳米材料

　　纳米材料是一种新型材料，而且用在卷烟上时，其降焦减害的幅度也较大，目前已取得了阶段性成果。

　　张悠金等人[15]以干法和湿法分别将纳米材料Al2O3、SiO2、TiO2加入到卷烟烟丝和滤嘴中，研究了纳米材料的4种加入方式对卷烟烟气中焦油、烟碱生成量的影响。结果表明，纳米材料干法加入滤嘴，降低烟气中焦油、烟碱效果zui为明显，2.0～10.0mg/支的添加量可降焦油4.2%～45.3%、烟碱1.7%～28.4%；干法加入烟丝，效果较为显著，添加5.0～25.0mg/支的纳米材料，降焦油4.2%～32.2%、降烟碱2.4%～20.3%，其中纳米Al2O3作用效果显著。纳米材料湿法添加到烟丝中，效果不明显；湿法加入到卷烟滤嘴丝束中，几乎没有效果。

　　谢笑天等人[16]制备了对烟气焦油具有过滤和吸附性能的纳米粉末，涂布到醋酸纤维丝束上，可降低烟气焦油量。利用新型纳米过滤、吸附材料附着在滤嘴丝束上，从而增加过滤嘴棒丝束纤维的表面积，提高滤嘴的过滤效率，使过滤嘴卷烟的烟气焦油量降低。筛选出了2种纳米粒子，其粒径约为25～45nm，用量为16～18mg/支，降焦效果可达到4.4mg/支。

　　史超发明了一种保香、助燃、选择性降焦的卷烟生产方法（CN1286052A和CN1214886A），其原理是在烟丝中加入了纳米材料（为一种或几种纳米材料的混合物或复合粉剂，如：纳米SiO2-x、Al2O3、TiO2、Se等），可以有效地改善卷烟的燃烧性能，提高焦油以及焦油中有害物质的过滤效率，同时，也可保持卷烟具有较好的香吃味。

　　中国科学院兰州化学物理研究所和郑州烟草研究院利用多相催化一氧化碳可以在常温下被催化氧化为二氧化碳的原理，研制出了适合于烟草工业应用的纳米贵金属催化材料和二元纳米催化材料复合滤棒，进行了降低卷烟烟气中一氧化碳的实验研究，取得了突破性成果。研究结果表明，与对照卷烟相比，试验卷烟烟气中一氧化碳释放量zui多可降低45.4%左右，并且卷烟感官质量基本保持不变。

　　2.5　分子筛

　　李绍民等人[17]利用新型分子筛的选择性吸附原理，在普通条件下对新型分子筛进行改性，使之能够较好地选择性去除卷烟中有害人体健康的物质。实验表明，对选定的新型分子筛进行改性后，能选择性地吸附卷烟烟气中的一氧化碳、焦油、多环芳烃等有害物质，且吸附有害物质的量与加入的新型分子筛的量成正比。以NaY-1型沸石分子筛为例，加入量为0.04g/支，测得烟气中焦油的量下降了36%。对吸附后的NaY-1型沸石分子筛进行量化分析，其化学结构无变化（无化学反应），经高温处理后又恢复原来的NaY-1型沸石分子筛，其吸附的物质的量为NaY-1型沸石分子筛自身重量的30%，即每支卷烟中吸附了0.012g的物质。

　　2.6　其他技术

　　2.6.1　微波辐射

　　魏玉玲等人[18]用微波辐射调制的烟叶与用其它方法调制的烟叶相比，至少有一种TSNA的含量有所降低。较理想的结果是，经微波处理烟叶的TSNAs(NNN，NNK，NAB及NAT)含量低于0.2μg/g，甚至低于0.1μg/g；NNN含量低于0.15μg/g，甚至低于0.05μg/g；NNK含量低于0.002μg/g，甚至低于0.0005μg/g。

　　于建军等人[19]对不同微波时间烘丝的烟支进行了烟气成分分析，结果表明，经微波烘烤的烟支与对照相比，总粒相物和焦油释放量有所降低，烟气烟碱的释放量没有太大变化，CO释放量明显减少，处理间各项成分的变化以烘烤5s的效果。

　　南京大学发明了用微波对成品卷烟进行处理，从而降低烟气中亚硝胺的新方法（CN1269992A），据称，亚硝胺总量可降低52%～76%（主流烟气）和21.5%～53%。还发明了在卷烟烟丝中加入2%～5%载有金属氧化物（镁、锌、铁、锰等的氧化物）的沸石，主流和侧流烟气中的亚硝胺总量可降低50%以上（CN1209970A）。

　　2.6.2　新型滤嘴

　　南通烟滤嘴试验工厂研制出减害增塑剂，选择无毒无害的材料作为增塑剂原料，经认真筛选研究，得出了zui佳配方组合和施加量。利用该产品研制的滤棒，有效降低烟气中的B(a)P22.4%，同时有降焦效果，对B(a)P具有显著的选择性过滤作用，并保持卷烟原有的吸味和风格。

　　许昌帝豪集团沪新公司研制出驻极体降焦滤嘴（ECF）。ECF具有过滤烟气中的有害物质和降焦功能。使用ECF静电降焦技术可比使用醋纤或丙纤滤嘴再降低焦油3～10mg／支。

　　2.6.3　其他新技术

　　王军等人[20]研究了特种丝束的降焦效果。在纺丝油剂中加入微量化学物质，可增强纤维表面对烟气中焦油的选择性吸附能力，使其在丝束生产时均匀地处理每根单丝的表层，这比滤棒加工时使增塑剂加在纤维表面的效果要好得多。通过卷曲工艺的适当调整，可使醋纤丝束产生三维立体卷曲，从而可进一步加大对焦油的滤除效果。

　　颐中烟草集团开展了纳米嘴棒技术、稀有元素嘴棒项目的研究：①纳米嘴棒技术。与中科院合作开发的新型滤棒，可有效降低亚硝胺和焦油量；②稀有元素嘴棒。与中国石化安全研究院合作开发，可通过在嘴棒中加入防毒性的稀有元素，有效吸附卷烟中的CO。

　　另外，国内有关人员还进行了用紫外线、激光、γ射线、X射线、带电重粒子、量子共振、超声波等对烟草进行处理的技术，以期能够达到降焦减害的目的，具体的实际效果还有待进一步验证。

　　3　国际卷烟降焦减害技术科研动向及其成果

　　自20世纪50年代以来，降焦减害技术一直都是国际烟草界研究的重点和热点。尤其是近年来，国际烟草界除广泛、深入研究和采用常规的降焦技术外，还对多种滤嘴添加剂（主要是吸附剂类物质）、具有特殊降焦减害作用的特种滤嘴、生物降焦减害技术（血红蛋白等）和采用新的可有效降低有害成分生成量（如TSNAs等）的烟叶调制技术等多种降焦减害技术进行了研究，许多研究已取得突破并应用到了卷烟生产上。

　　3.1　生物材料与生物降焦减害技术

　　生物材料和生物技术在卷烟降焦减害方面具有一定的优势（主要表现在可综合减害及降害机理等方面），因此，国际上一直都把其作为研究的重点之一。近几年取得的进展主要有以下几个方面：

　　3.1.1　生物滤嘴

　　在生物滤嘴方面，希腊研制出了加有血红蛋白（德国产品）的活性炭的三复合生物滤嘴，其主要特点是对复合滤嘴生产技术进行了改进，可使涂有血红蛋白的活性炭几乎可以完全充满三复合滤嘴中段的全部空腔，从而大大提高了卷烟焦油和其它有害物质的去除率。目前，该生物滤嘴已开始商业化生产，并在希腊等国家的卷烟产品上得到了应用。

　　另据美国US5909736介绍，该生物滤嘴可以有效地去除卷烟烟气中的NO，NOX、致癌性的亚硝基化合物、自由基、醛类物质、H2O2、CO、痕量元素等，并可将上述烟气中的有害成分截留平均达90%左右（见图1和表2）。

　　3.1.2　其它生物材料

　　世界知识产权组织WO9933365介绍了在卷烟滤嘴中利用多酚化合物或其衍生物作为自由基清除剂的，该清除剂可以通过化学方法、生物技术或从植物的抽提物中获得。

　　3.2　烟草加工新技术

　　国际上在对可以有效地降焦减害的烟草加工技术的研究方面也有所突破，主要有：

　　3.2.1　在线膨胀技术

　　英国Dikinson

　　Engineering(迪更森工程公司)研制出了一种新型的卷烟全配方膨胀与干燥系统，称为HXD系统，该系统为在线式，可对制丝生产线上的全配方叶丝进行处理，提高叶丝的填充值。系统由热风循环式回潮筒、气流输送干燥塔、冷却装置和流量控制装置等组成。用传统的膨胀系统和旋转式干燥机可以使烟丝的填充值提高12%(用德国HB公司的密度计进行测定)，而使用该公司的HXD工艺则可使烟丝的填充值提高20%以上，在使用全套膨胀加工工艺时甚至可使填充值提高25%。与其它系统相比，根据卷烟配方成分的不同，HXD工艺至少可使卷烟重量下降5%，有时甚至可达12%。

　　3.2.2　离线膨胀技术

　　膨胀烟丝技术与设备一直是国际烟草界的研究热点，同时膨胀烟丝产品在发达国家也得到了广泛的应用，已成为混合型卷烟和低焦油烤烟型卷烟的固定配方成分，并成为降低卷烟烟气焦油量和卷烟烟叶消耗的重要手段之一。通过研制开发和改进完善，目前国际上已推广了不同类型的CO2烟丝膨胀设备，同时，为了取代CFC(氟里昂)烟丝膨胀技术和设备，还加强了对膨胀介质的研究，研制出了利用异戊烷［即2-甲基丁烷=(CH3)2CHC2H5］(一种碳氢化合物溶剂)作为介质的新型烟丝膨胀工艺与设备（英国英格兰帝国加工工艺有限公司研制）[21]，据有关资料介绍，在试验中，该膨胀技术已取得了良好的膨胀性能，其膨胀率已超过了CO2烟丝膨胀技术和CFC膨胀技术。另外，对膨胀过程中的加热方法的研究也取得了较大进展，如微波加热技术等。

　　3.2.3　在线式烟草中有害物质去除技术

　　美国US6058940介绍了一种在烟草制品加工过程中可连续分析和去除有害物质的方法和系统，其工艺过程是，把含有毒枝菌素、尤其是α毒素和苯并芘及其前体物的烟草先在一种溶剂介质中进行处理，对烟草中的有害物质进行分析鉴定，并通过免疫抗体紫外线技术对溶剂中洗提出的有害物质进行连续不断地监测，同时也可通过高质量的加工工艺确保在烟草进入下一个加工工序前从其中去除掉有害物质。抽提溶剂的净化处理和循环使用解决了该处理工艺的排放问题。

　　3.3　低有害成分烟叶调制技术

　　美国Star Scientific Inc.(星科)

　　公司[22,23]开发出了一种可以有效地防止烘烤后的烟叶中形成TSNAs的烟叶调制技术，在经过法律诉讼后，于2002年7月30日终于被美国与商标局（USP&TO）批准而获得了独有（US6425401）。该技术的主要原理是：在烤烟的调制过程中，通过一种特殊的处理（可能是无氧处理），致使产生亚硝胺的大部分细菌死亡，剩下的一部分细菌则通过大型微波炉杀死，从而即可防止或减少烟草制品TSNAs的形成。该技术不会对烟草的口味、色泽以及烟碱含量产生影响。

　　另据有关报道，目前美国的弗罗里达、南卡罗莱纳、北卡罗莱纳等6个以上的州的共计350多家农场已采用星科公司的这项CureTM烟叶烘烤技术，共建设了1000个以上的特殊烤房，这些烤房所烘烤的烟叶中的TSNAs含量大幅度降低，甚直无法测出TSNAs含量。

　　另外，星科公司已开始把该项技术推广到了对白肋烟烟草的调制方面。初步的试验已取得较好的结果，TSNAs含量明显下降。

　　美国R.J.雷诺士公司开发出了用热交换器代替直接使用烤炉烘烤烟叶的技术，可大大降低普通烟叶中某些物质，如烤烟中特有的亚硝胺（TSNAs）的含量。6年的研究结果显示，在烤房中改用热交换器，可使烤烟中亚硝胺的平均含量下降至少80%。

　　3.4　基因技术

　　美国、加拿大等国采用传统的育种手段或基因改良技术已培育出了多种焦油产生量低的烟草品种，有些品种已在生产上得到应用。

　　法国[24]自1986年开始就进行了应用基因工程技术改进烟叶质量的研究，其研究目标是：减少有害成分；提高对细菌和病毒的抗性，以减少农药使用量。目前，某些烟叶品种的硝酸盐含量已减少了30%-50%，镉的含量也减少了50%。

　　美国维克特烟草公司（Vector Tobacco）开发出了低亚硝胺和低烟碱的烟草新品种，并已在密西西比、路易斯安那、宾夕法尼亚和伊利诺伊4个州开始大田生产。据称，这种烟草，是通过破坏喹啉酸核糖转移酶（OPTase）基因表达的方法培育而成的，几乎不含烟碱和亚硝胺。用其生产的卷烟每支含有约0.25mg烟碱，烟气中的烟碱含量少于0.03mg/支。

　　3.5　其它降焦减害技术

　　美国一家公司[25]开发出了一种可同时减少焦油和其它有害物质的滤嘴添加剂，为一种非生物的化合物，采用该化合物对滤嘴中的丝束进行处理后，试验卷烟比对照卷烟可多去除40%以上的焦油，并能成倍地去除卷烟中的亚硝胺（与对照比可减少80%左右的亚硝胺）。Ames试验也表明，试验卷烟烟气提取物的细菌诱变数量可减少90%左右。

　　国外的研究结果表明，在卷烟滤嘴中加入对烟气具有高吸附性或高亲和性的材料，如Mg、Ca、Sr、Ba和过渡金属Co、Ni、Cu、Zn的氧化物以及其硝酸盐、碳酸盐等，均可不同程度地降低卷烟烟气的物质量。

　　美国勃朗•威廉逊公司研制出了降焦减害效果明显的三复合滤嘴，该复合滤嘴由3种不同的滤嘴组成：靠近烟丝段为离子交换树脂滤嘴；中段为活性炭滤嘴；第三段为醋纤滤嘴。据称树脂段可吸附HCN和醛类，与同类长支淡味卷烟比较，HCN可下降62%，甲醛降低33%，其它醛类降低33%到49%。活性炭部分可吸附几乎所有的气相成分，例如苯减少38%，丙烯醛降低42%，此外镉可降低69%(见图2)。

　　美国US

　　6153119介绍了一种降低卷烟焦油和烟碱的方法及制品，主要是通过在卷烟中加入Sterotex和高锰酸钾的乳化络合物，该络合物表现出一种增效反应，可以根据其加入剂量线性地调节降低主流烟气中的焦油和烟碱量，zui大降低幅度可达85%以上。对烟气冷凝物进行的分析显示，烟碱氧化为烟酸，维生素B6。

　　Accordis公司还开发出了一种新型的过滤材料--Lyocell，是一种再生纤维素，当制成纸状并成形为滤嘴时，其过滤效率要远远高于普通醋纤滤嘴，原因是Lyocell纤维组织非常多，大大提高了去除烟雾的效率。

　　3.6　其它技术

　　美国Thione公司对减少吸烟对人体的危害进行了创新性研究，即：以一种与传统方式截然不同的方法，试图通过模仿人体的免疫功能来减少卷烟的危害。该公司开发出了一种能够增强人体免疫系统的防毒合成物（一种抗氧化剂），可以降低由阳光、酒和烟雾混合物等化学物质对人体造成的危害。该合成物可以服用或加到卷烟滤嘴中，增加有害物质的截留量。初步的研究结果显示，在过滤嘴中使用该合成物极大地减少了细胞的死亡率，并且减少了由于卷烟烟雾造成的DNA损伤，且对卷烟香吃味没有影响。据称，目前正与某烟草公司合作，拟采用胶囊技术解决向滤嘴中添加和长期有效性问题。

　　日本[26]通过研究分析抽吸前烟丝的化学成分（烟碱、糖、有机酸和与香味有关的化合物）、卷烟烟气中的化学成分（半挥发性化合物和气相化合物）并结合采用统计学方法（聚类分析、相关性分析和主成分分析）对这些成分进行了综合分析，探讨了烟丝成分与烟气成分的关系，发现了一些评价超低焦油卷烟品质的指标，并进行了相关应用。

　　3.7　国际上对卷烟用添加剂的研究简况及降焦减害的看法

　　3.7.1部分国外专家对降焦减害的认识与看法

　　英国Richard R.Baker博士认为：采用一些途径能够选择性地降低某些具有生物活性的烟气成分，但却经常会产生其它不希望的结果，如会产生另外一些有害物质或增加其含量。因而，效果较好的做法仍是开发出能够减少所有的烟气成分而不是可以选择性地减少某些特定成分的“低危险”卷烟。

　　英国Mike J.Taylor博士[28]认为：卷烟滤嘴的基本过滤机理是烟气粒子的直接截留、惯性碰撞和扩散沉积，而选择性过滤的主要方法有吸附剂吸附法、化学反应法和溶解法。目前zui常用的是吸附法，常用的吸附剂主要有活性炭、碳分子筛、碳化聚合物、聚合物吸附剂、硅胶、活性氧化铝、粘土和沸石等。对吸附法而言，只能选择性地过滤掉部分气相物和沸点低的挥发性物质，而对非挥发性物质和沸点较高的挥发性物质（如苯并[a]芘）则不能选择性滤除。几种吸附剂选择性降低卷烟烟气中的有害成分效果比较见图4，水选择性降低卷烟烟气中的有害成分比较见图5。

　　4　对我国加入WTO后降焦减害工作的建议

　　4我国加入WTO、世界卷烟市场的发展和WHO烟草控制框架公约的即将签署，已对我国卷烟产品的发展提出了新的挑战，为此，特对我国卷烟产品的降焦减害工作提出以下建议：

　　4.1　关于研究重点与方向问题

　　4研究证明，对卷烟消费者有害的大多数有害成分均存在于卷烟焦油中，且这些有害成分与烟气中的气相有害成分相比更难于进行选择性地去除，而且国外一般都以降低卷烟焦油量为重点。因而，建议我国烟草行业在确定研究方向和各单位确定研究项目时也应以降焦综合技术研究为重点，或者至少也应该以降焦研究和降害研究并重。在开展降焦研究时，要加强对通风滤嘴和特殊功能滤嘴及其应用技术的研究，同时也要更加注重对配套技术（加香加料技术、叶组配方技术、卷烟材料技术等）的研究，以提高低焦油卷烟的质量和消费者的接受性。

　　卷烟中（包括各种卷材料中）的各类添加剂对卷烟烟气化学成分以及其生物活性的影响国外早在几十前就已进行了大量的研究，并且仍是目前的研究热点。因而，建议我国也应加强这方面的研究，尤其要加强对各类降焦减害添加剂对烟气成分的影响的研究，使我国开发的降焦技术更加科学、可靠。

　　4.2　科研资源的优化配置与合理有效的科研分工、合作问题

　　目前，我国烟草行业各单位以及行业外的相关单位在烟草研究方面的分工还欠合理，各科研单位之间、科研单位和企业技术中心之间以及各技术中心之间低水平的重复研究现象（尤其是降焦减害技术的研究方面，如纳米材料、各种吸附材料、生物材料等）还较为严重，从而造成了行业有限的科研资源的浪费。因此，建议要进一步优化行业科技资源的配置，做好科研工作的分工，并以有优势的牵头单位为主联合其它单位开展某一领域的重点研究，力求在短期内取得突破，提高研究水平。建议国家局科技教育司统一牵头组织其科研成果在全行业的推广。

　　4.3　关于加强对卷烟降焦减害技术的综合集成研究开发与推广问题

　　近几年来，我国以及国际烟草界在卷烟降焦减害技术方面已取得了不少实际应用价值较高的成果，并得到了应用，产生了一定的效果，但这一般都是单项技术或少数技术在小范围内的应用，难以解决关键问题并产生更大的效益。建议国家局尽快组织对这些成果进行有效集成和深化研究，形成一整套综合降焦减害技术，在全行业推广，推动降焦减害工作的深入开展。

　　4.4　关于低危害卷烟产品的原料与辅料研究问题

　　对低焦油、低危害卷烟产品所用烟叶原料和辅料的研究一直都是我国烟草行业的弱项，但烟叶和卷烟材料对低焦油、低危害卷烟产品来说具有至关重要的作用，且卷烟产品的发展也对烟叶原料和卷烟材料提出了更新更高的要求。因此，烟草行业应加强对低危害烟草原料的研究，包括低焦油、低危害烟草品种的选育、各类烟叶调制技术的研究等；要进一步加强对新型卷烟材料和具有特殊功能的特种卷烟材料的研究，如：高透气度卷烟纸、成型纸，可减少侧流烟气的卷烟纸，可降低CO的专用卷烟纸以及通风滤嘴等的研究；还要加大对加香加料技术的研究力度。

　　4.5　关于加强对加有中草药成分的特殊卷烟的研究问题

　　加有中草药成分的特殊卷烟是我国的卷烟品种，在国内外卷烟市场上均有一定的影响力，但就目前来看，无论是在生产技术或是在产品质量方面还不能完全满足消费者的需求。建议进一步加强对该类卷烟产品的研究，尽快研制出不但对缓解某些人类疾病或保健作用明显，而且卷烟内在质量也易为消费者接受的卷烟产品，以期在国内和国外两个市场上取得突破。

烟草减害技术 （二）

烟草减害技术（二）