不同種類食用油對顆粒物排放特征的影響

吳 鑫， 修光利， 王麗娜， 薛婷潞（.華東理工大學國家環境保護化工過程環境風險評價與控制重點實驗室，上海 0037；.山東省煙臺市第一中學，山東煙臺 64000）

不同種類食用油對顆粒物排放特征的影響

吳 鑫1， 修光利1， 王麗娜1， 薛婷潞2
（1.華東理工大學國家環境保護化工過程環境風險評價與控制重點實驗室，上海 200237；2.山東省煙臺市第一中學，山東煙臺 264000）

烹飪油煙是室內外顆粒物的重要來源。探討了用花生油、大豆油、橄欖油、豬油烹飪時排放顆粒物的特征，結果表明：與用豬油和花生油烹飪相比，用橄欖油和大豆油烹飪時所排放顆粒物的粒徑大；用橄欖油進行烹飪時所排放顆粒物的排放因子明顯高于其他3類食用油烹飪的顆粒物排放因子。橄欖油烹飪過程釋放的黑碳（BC）質量濃度最高，黑碳質量濃度與顆粒物質量濃度呈顯著性相關；對烹飪時所排放顆粒物的粒徑演變進行分析發現，粒徑為100 nm左右顆粒物的數濃度最大，顆粒物粒徑呈對數正態函數分布，粒徑為100 nm左右的顆粒物衰減率最小。

烹飪；食用油；排放因子；衰減率

中式烹飪方式導致烹飪過程油煙排放比較嚴重，不僅會對人體健康產生很大影響，而且也是空氣中細顆粒物的重要來源［1-3］。Hussein等［4］和He等［5］發現烹飪活動能夠使室內的顆粒物濃度提高5倍以上，甚至可以達到90倍以上，烹飪時釋放的顆粒物粒徑在0.01～10μm之間［6-7］，特別是PM2.5（空氣動力學直徑小于或者等于2.5μm的顆粒物的總和）的濃度比較高。Glytsos等［8］在使用橄欖油烹飪洋蔥的實驗中發現，室內顆粒物的數濃度可提升到9×104～15×104cm－3，PM2.5顆粒物質量濃度可以達到70～600μg/m3。有的研究還發現粒徑為20 nm左右的納米級顆粒物的數濃度甚至可達到1.15×105cm－3。

實際上，烹飪油煙的成分十分復雜，細顆粒物中含有重金屬、多環芳烴、雜環胺和不飽和醛類等多種有害物質，可能引起肺功能障礙、哮喘以及心肌梗死等疾病［9-12］。特別需要注意的是烹飪過程還可能伴隨著大量的黑碳氣溶膠的產生，相關個體暴露的研究尚不多見。根據已有的資料，居民生活是黑碳排放的重要來源之一，在2000年和2008年分別占到全國黑碳排放總量的54.53%和39.64%。由于黑碳顆粒物粒徑小，極易富集二次反應產物，能通過呼吸作用進入人體，從而引發哮喘以及心血管疾病、癌癥等疾病，危害人體健康［13-14］。O’Neill等［15］研究發現，黑碳顆粒物的增加能夠導致血流介導的反應活性減少12.6%；對269個家庭的研究發現，黑碳顆粒物濃度的提高能夠引起人體心電圖的異常變化［16］。這些研究表明黑碳的健康效應不可忽視。

已有研究表明，在烹飪過程中，人體吸入顆粒物的特征與源產生的顆粒物的特征基本相同［17］，因此有必要了解烹飪過程中產生的顆粒物的特征，以表征其健康效應。由于不同種類食用油產生的顆粒物的強度有所不同［18］，本文著重選擇了使用頻率較高的幾種食用油進行實驗測定，以期為烹飪油煙控制提供一定的實驗依據。

1　實驗設計及儀器

1.1實驗設計

實驗操作平臺由三部分組成，分別為烹飪用具、實驗底座與腔體及實驗采樣儀器，如圖1所示。實驗腔體為圓柱體，高2 m，直徑為1 m，腔體壁面的中部設有一個出氣孔，實驗過程中通過儀器將腔體內氣體以一定流速抽出。腔體偏下靠近底端處設有一個采樣孔，通過聚四氟乙烯管連接腔體與實驗測試儀器。實驗中，氣流從圓柱形腔體底部進入腔體，然后由氣泵抽出，總的抽氣流量達到60 L/min，由此計算得到整個圓柱形腔體的換氣效率為2.4 h－1。

1.2實驗材料

本文選擇花生油、大豆油、橄欖油和動物油（豬油）4種油類，前3種油均為市場采購，動物油（豬油）則是通過豬肥肉自行熬制而成，每種油類的用量為50 m L。烹飪食材為豬肉，用量為200 g，佐料為鹽、醬油和味精。烹飪過程按照中式烹飪常見的流程，分為熱油、加入食材、翻炒、加入調料、出鍋等5個步驟。使用電磁爐作為烹飪熱源，選擇固定功率進行烹飪，一定程度上減少了天然氣等燃燒源產生的顆粒物對實驗的影響。通過對上海市部分家庭以及飯店的調查顯示，在中式烹飪過程中，往往將油溫升至冒煙或即將冒煙狀態，實測溫度為190～230℃，同時家用食用油的煙點都處于190～240℃。因此溫度控制在（200±5）℃。

圖1　實驗操作裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental set-up

1.3實驗儀器

FMPSTM快速動能微粒尺寸分光計，其顆粒物量程范圍5.6～560 nm；Dust TrakTM8533粉塵監測儀，美國TSI公司，分辨率為±0.1%，讀數精確度為0.001 mg/m3。氣溶膠質量濃度監測范圍為0.001～150 mg/m3，流量為3 m L/min；AE51黑碳檢測儀，美國Magee公司，測量范圍0～1 mg/m3，分辨率0.001μg/m3；顆粒物形貌分析，使用日本JEOL生產的JSM-6360LV高低真空掃描電子顯微鏡對顆粒物的形貌進行觀察，該儀器的高真空分辨率為3 nm，低真空分辨率為4 nm，放大倍數為5～100 000。

1.4顆粒物的衰減率以及釋放因子計算方法

懸浮在大氣中的顆粒物可以通過運動碰撞而使得粒徑變大，最終在重力作用下沉降；同時顆粒物的熱運動也可以導致擴散沉降。影響室內顆粒物濃度的主要因素有室內顆粒物的產生速率G（以數目計）、室內顆粒物數濃度Cin（cm－3）、室外顆粒物數濃度Cout（cm－3）、氣體交換速率a（h－1）、顆粒物的衰減率k（h－1）以及顆粒物的滲透系數P。假設腔體內氣體與顆粒物完全混合，則室內顆粒物的質量平衡關系可由式（1）給出［19-20］：

其中V為室內有效容積，cm3。

當無室內顆粒物源且實驗條件保持一致時，可將a和k可以視作常數。若室內顆粒物濃度遠遠大于室外，可忽略室外顆粒物的滲透作用。由于烹飪所產生的顆粒物濃度遠遠大于室外的顆粒物濃度，因此忽略室外顆粒物的貢獻，則式（1）可轉化為式（2）：

式（2）積分則得到式（3）：

Ct為t時刻室內的顆粒物數濃度，C0為初始時刻的顆粒物數濃度。為了計算方便，將式（3）轉化為對數形式，結果如式（4）：

式（4）表征的是顆粒物濃度和時間的關系，因此通過實測不同時刻顆粒物的濃度，可以計算得到斜率（a＋k），此處定義該斜率為顆粒物的衰減率。為了計算整個烹飪過程中的顆粒物釋放速率，He等［21］在式（1）的基礎上，進一步積分得到式（5）。式（5）中，Cin，0為室內顆粒物的初始濃度，in為顆粒物的最高濃度值，由式（5）計算的EF則定義為絕對釋放因子。

2　結果與討論

2.1烹飪顆粒物的形貌分析

圖2示出了4種不同種食用油在烹飪豬肉時所排放顆粒物的形貌特征（顆粒物聚集在石英濾膜上）。由圖2可見，大多數顆粒物都是由許多近似球形的小顆粒物凝聚而成［22］，呈現出典型的燃燒源特征。4種食用油烹飪所排放顆粒物的粒徑大小略有不同，其中橄欖油和大豆油烹飪所產生顆粒物的粒徑大于花生油和豬油烹飪所產生的顆粒物。這可能存在兩方面原因：一是大豆油和橄欖油產生的顆粒物可能具有更強的凝聚或者凝并作用；二是大豆油和橄欖油在烹飪過程中產生的顆粒物數量多，互相碰撞的幾率高。并且本實驗發現橄欖油在烹飪過程中產生的顆粒物的數濃度明顯高于花生油和豬油產生的顆粒物的數濃度，因此第2種因素起到作用的可能性更大。

圖24　種食用油烹飪所產生顆粒物的形貌比較Fig.2 Comparison of particles morphological released from cooking with four types of oil

2.2顆粒物的排放特征

2.2.1顆粒物的粒徑分布 圖3給出了烹飪所產生的典型顆粒物的數濃度粒徑分布譜圖。圖3（a）為Yeung等［23］在中式煎牛排過程中測得的顆粒物粒徑分布譜圖；圖3（b）為本文測定橄欖油炒青菜時在6.03～630 nm之間的粒徑分布譜圖。其中Dp是顆粒物的粒徑大小，是顆粒物的數密度函數，可以表征不同粒徑段的顆粒物數濃度的大小。由圖3可知，兩種烹飪方式產生的顆粒物呈現出相似的粒徑分布特征，即均為明顯的單峰型對數正態分布規律。圖3（b）中顆粒物的模態直徑為124.09 nm，中值直徑為116.1 nm。

2.2.2顆粒物粒徑演變與衰減 4種食用油在烹飪同一食材時所產生的顆粒物的粒徑介于5.6～560 nm，其粒徑分布演化過程如圖4所示。4種食用油在烹飪過程中，顆粒物的數濃度變化趨勢總體上均遵循正態分布規律，呈單峰型。在烹飪開始階段，顆粒物的數濃度增加速度很快，達到最高濃度后則出現驟減過程。初始階段顆粒物數濃度急劇上升的主要原因是熱油后食物油的揮發以及在烹飪過程中與食材釋放物質二次反應生成的二次有機顆粒物所致。如圖4所示，在粒徑約為100 nm時，顆粒物的數濃度出現峰值，隨后，峰值直徑逐漸向粗顆粒方向移動。

同步采用Dust TrakTM8533粉塵監測儀測定的PM1、PM2.5、PM4、PM10和總顆粒物質量濃度（如表1所示）的結果也表明了超細顆粒物PM1（≤1 μm）和細顆粒物PM2.5（≤2.5μm）占絕對優勢，PM1占總顆粒物濃度的90%以上，其中豬油產生的顆粒物中PM1比例最高，達到96.14%。

圖3　中式烹飪所產生的顆粒物粒徑分布譜圖Fig.3 Size distribution of particles released from Chinese cooking

圖4　基于粒徑的顆粒物數濃度變化趨勢Fig.4 Variation of size-fractionated particles based on number concentration

表1　不同粒徑顆粒物占總顆粒物的質量分布Table 1 Mass contribution of size-fractionated particles to total particles

圖5描述的是烹飪結束之后粒徑介于5.6～560 nm顆粒物在腔體內的衰減率。由圖5可見，粒徑介于40～200 nm的顆粒具有較低的衰減率；而粒徑小于40 nm或者大于200 nm的顆粒物的衰減率均有所增加。粗顆粒物衰減率的增加主要是由于粗顆粒物重力沉降主導；而細顆粒物衰減率的增加可能是由細顆粒物的擴散凝并所致［24］。

圖5　實驗條件下顆粒物的分級衰減率Fig.5 Deposition rates of size-fractionated particle in the experiment conditions

2.2.3顆粒物的數濃度變化 圖6示出了4種食用油在烹飪過程中所產生顆粒物的數濃度變化曲線圖。當使用不同種類食用油烹飪同一種食材時，橄欖油產生顆粒物的數濃度最高，而花生油在烹飪過程中產生顆粒物的數濃度最低。大豆油、橄欖油、花生油和豬油烹飪所產生顆粒物的最高數濃度分別為1.31×106、1.57×106、2.32×105、6.31× 105cm－3。橄欖油在烹飪過程中，顆粒物數濃度出現峰值較早，這是由于橄欖油的煙點較低（僅為190℃左右）且在高溫下易氧化揮發性有機物（VOC）或者半揮發性有機物（SVOC）。這些VOC或者SVOC是二次有機顆粒物生成的前體物質，所以橄欖油在烹飪過程中容易產生大量的顆粒物。

圖64　種食用油烹飪過程中的顆粒物的數濃度變化曲線Fig.6 Variation of particle number concentrations using four types of oil

2.2.4黑碳濃度變化 黑碳質量濃度的時間變化曲線呈現明顯的單峰型（如圖7所示），與總顆粒物的質量濃度（TSP）變化趨勢基本一致。由圖7可以看出，橄欖油在烹飪過程中產生總顆粒物和黑碳的質量濃度最高，最高質量濃度分別超過75 mg/m3和0.20 mg/m3，分別是花生油烹飪產生顆粒物峰值質量濃度的7～8倍左右。橄欖油、大豆油、花生油和豬油烹飪過程中產生的黑碳顆粒物與總顆粒物的濃度都呈顯著性相關。相關性系數R2分別達到0.921、0.755、0.895和0.942。烹飪過程中產生的黑碳質量濃度與烹飪過程釋放黑碳的研究結果一致，遠遠大于環境空氣中黑碳的質量濃度，包括交通工具內和交通干道兩側的監測結果［25-27］。

圖74　種食用油烹飪過程中的總顆粒物與黑碳質量濃度（BC）變化曲線Fig.7 Variation of total particle and black carbon（BC）mass concentrations using 4 types of oil

表2列出了使用大豆油、橄欖油、花生油和豬油進行烹飪時顆粒物的數濃度、質量濃度、表面積濃度和體積濃度為基準的排放因子以及所對應的濃度峰值。由表2可見，橄欖油的4種濃度基準排放因子均最大，分別達到3.13×1012min－1、1.50× 105μg/min、1.45×1017nm2/min和5.47×1018nm3/min，而花生油的顆粒物排放因子最小，比橄欖油的數濃度、質量濃度、表面積濃度和體積濃度基

準排放因子分別低12.83、11.28、22.80和28.80倍。這與Buonanno等［28］比較橄欖油、花生油和葵花籽油烹飪薯條時得到的結論相一致，與Torkmahalleh等［29］比較花生油、棕櫚油、大豆油、橄欖油、玉米油、紅花油和菜籽油等7種食用油進行烹飪時排放顆粒物的特征結果也基本一致。由表2還可以看出，橄欖油烹飪時所產生顆粒物的數濃度、質量濃度、表面積濃度和體積濃度最大，分別達到了1.57×106cm－3、75.24 mg/m3、7.26×1010nm2/cm3和2.74× 1012nm3/cm3。豬油產生的顆粒物數濃度較高，但是其質量濃度、表面積濃度和體積濃度卻相對較低，這是由于豬肉在烹飪過程中產生顆粒物的粒徑較小的緣故，如圖2（d）所示。

表24　種食用油在烹飪過程中的數濃度、質量濃度、表面積濃度和體積濃度的釋放因子以及峰值Table 2 Summary of emission factors of particle number，mass，surface area and volume from stir-frying pork using four types of oil（Emission factor（EF），peak value（PV），number（N），surface area（S），volume（V）and mass（M））

3　結 論

（1）使用橄欖油烹飪所產生的顆粒物的濃度大于使用花生油、豬油和大豆油烹飪產生的顆粒物的濃度。

（2）烹飪過程中，在5.6～560 nm的粒徑范圍內，顆粒物的粒徑分布呈現近似的對數正態分布規律，在100 nm左右，顆粒物的數濃度達到最高值。100 nm左右的顆粒物的衰減率較小。

（3）橄欖油的數濃度、質量濃度、表面積濃度和體積濃度4種濃度基準排放因子均最大，依次高于花生油、大豆油和豬油的基準排放因子。

（4）黑碳顆粒物的質量濃度與顆粒物的總的質量濃度保持較高的相關性。

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Impact of Oil Types on Emission Characteristics of Particles

WU Xin1， XIU Guang-li1， WANG Li-na1， XUE Ting-lu2
（1.State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Risk Assessment and Control on Chemical Process，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China；2.No.1 High School of Yantai，Yantai 264000，Shandong，China）

Cooking fume is an important source of indoor and outdoor particles.The characteristics of particles emitted from cooking with peanut oil，soybean oil，olive oil and lard were investigated.The results showed that the sizes of particles generated from cooking with the olive oil and soybean oil were larger than those from cooking with the lard and peanut oil.The emission factors released from cooking with olive oil were obviously larger than those from cooking with the other three types of oils.The black carbon（BC）released from cooking with olive oil was the highest and had significant correlation with the concentration of particles.Through analyzing the size distribution of particles released from cooking，particles with diameter of 100 nm had peak count concentration，and the size distribution obeyed lognormal distribution function with the lowest decaying rate at the diameter of 100 nm.

cooking；oil；emission factor；decaying rate

X8

A

1006-3080（2016）01-0065-07 DOI：10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.01.011

2015-03-09

上海浦江人才計劃（13PJD013）；上海市自然科學基金（13ZR411800）；中央高校基本科研業務費（WB1113005）

吳 鑫（1989-），男，浙江金華人，碩士生，主要從事空氣污染與控制研究。E-mail：yizhongwuxin@sina.com

修光利，E-mail：xiugl@ecust.edu.cn