不同濾嘴結構的電加熱煙草產品煙氣主要成分逐口釋放規律研究

韓敬美，張明建，尚善齋，張柯，雷萍，黃鋒，鄭緒東，李斌，湯建國*，王樂*

1 云南中煙工業有限責任公司技術中心，昆明市五華區紅錦路367號 650231；2 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001

近年來，電加熱煙草產品（Electrically heated tobacco products，eHTP）在市場上發展十分迅速，世界多家煙草企業均有研發電加熱煙草產品[1-4]。目前，國內對于電加熱煙草產品的基礎研究主要集中在不同加熱溫度[5]、不同抽吸模式[6]、煙氣氣溶膠釋放物釋放規律以及檢測方法等方面[7-9]。電加熱煙草產品iQOS，其煙支濾嘴主要由中空醋酸纖維管（Hollow Acetate Tube，以下簡稱中空段）、聚乳酸薄膜過濾段（Polymer -Film Filter，以下簡稱聚乳酸段）以及醋酸纖維段三段構成[10]。目前人們一般認為，濾嘴各段不同材料對煙氣具有一定的影響且影響機制不同。中空段作為電加熱煙草制品氣溶膠的發生器，煙芯段經一定溫度加熱后釋放的化學物質在中空段內氣化、冷凝、并混合均勻形成供消費者吸食的氣溶膠；聚乳酸段的主要作用在于降低氣溶膠的溫度；醋酸纖維段能平衡煙氣以防止煙氣過度集中，同時起到過濾作用以截留煙粉顆粒并調節吸阻等。然而，不同功能濾嘴段對于特定eHTP 的影響規律并不十分清楚，優化產品濾嘴中各段長度是eHTP 研發和設計中的一個重要問題[11]。張麗等[12]研究了不同加熱卷煙煙草材料、氣溶膠及濾嘴中1,2-丙二醇、丙三醇、煙堿及部分香味成分的總體轉移情況。龔淑果等[13]研究了iQOS 和GLO 品牌電加熱卷煙在兩種不同抽吸模式下，煙氣主要成分逐口釋放量變化。但對于不同濾嘴結構的電加熱煙草產品逐口煙氣釋放規律鮮有報道。因此，本研究主要是在相同的電加熱煙草產品熱源、eHTP 煙芯段、抽吸條件下，研究不同濾嘴材料和長度對eHTP 煙氣主要成分的逐口煙氣釋放規律，為eHTP 濾嘴結構的優化設計提供基礎指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）eHTP：8 種采用不同煙支設計參數規格的eHTP 煙支，編號依次0～7 號，煙支長度均為45 mm（15+10+10+10）mm，其中煙芯長度均為15 mm，煙支直徑均為7.2 mm。濾嘴結構如圖1 所示，由中空段、聚乳酸段以及醋纖段3 部分組成，濾嘴總長度保持為30 mm，8 種試驗煙支各個部分長度參數具體見表1。

圖1 電加熱煙草產品主要成分轉移示意圖Fig. 1 Schematic diagram of migration of key constituents of electrically heated cigarettes

表1 試驗煙支具體設計參數Tab. 1 Design parameters of test cigarettes

（2）試劑：1,2-丙二醇、甘油（純度＞99.0%，國藥集團化學試劑有限公司）；煙堿、1,3-丁二醇（純度＞99.0%，加拿大TRC 公司）；2-甲基喹啉（純度＞99.5%，南京化學試劑股份有限公司）；甲醇（色譜純，上海賽默飛世爾科技有限公司）。

（3）儀器：TRACE1310 氣相色譜儀（美國Thermo 公司，氫火焰檢測器）；X500E-A 型電子煙吸煙機（上海帕夫曼自動化儀器有限公司）；8510E-MTH 超聲波發生器（美國Branson 公司）；XP204 電 子 天 平（ 感 量：0.0001 g， 瑞 士Mettler Toledo 公司）；ELGA/MILLTI-Q 超純水發生器（美國Millpore 公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 煙堿，甘油，1,2-丙二醇的測定方法

電加熱煙草產品煙草材料及濾嘴中煙堿、丙三醇、1,2-丙二醇的測定分別依據煙草行業標準YC/T154—2001[7]、YC/T246—2008[8]與YC/T243—2008[9]中 的方法，所有樣品均平行測定2 次。

1.2.2 主流煙氣總粒相物的收集

準確稱取0～7 號樣品煙支各12 支并編號，電加熱煙草產品抽吸前，將44 mm 劍橋濾片裝入捕集器并稱重，用X500E-A 自動吸煙機逐口分析單元，在設定抽吸模式下（抽吸容量55 mL、抽吸持續時間2 s、抽吸間隔30 s，鐘型曲線）捕集12 支eHTP 的逐口煙氣粒相成分（12 口）。電加熱煙草產品抽吸結束后，取出捕集器及抽吸結束后的煙支，放置3 min，稱取捕集器與抽吸結束后煙支重量，隨后將截留主流煙氣的劍橋濾片及抽吸結束后的煙支放入50 mL 錐形瓶中，加入20 mL 內標萃取液超聲10 min，最后使用0.45 μm 有機相濾膜過濾裝入色譜瓶，即得待測液。

1.2.3 色譜條件

色譜柱為DB-ALC-1（30 m×0.32 mm×1.8 μm）；程序升溫：初溫100℃（保持1 min），先以15℃/min的速率升至130℃，后繼續以20℃/min 的速率升至220℃，保持10 min；進樣口溫度：250℃；FID 檢測器溫度：275℃；載氣為氦氣（純度≥0.99999），載氣流量：1.8 mL/min；恒流模式，空氣流量：350 mL/min；氫氣：35 mL/min；尾吹氣氦氣：5 mL/min；進樣體積：1 μL，分流進樣，分流比50:1。

1.3 數據處理

針對0～7 號煙支樣品，分別檢測煙氣關鍵成分煙堿、丙二醇以及甘油在煙芯中的初始量、煙芯中殘留量、濾嘴截留量以及煙氣捕集量。煙氣主要成分在不同區域中的檢測質量均滿足以下兩個質量守恒方程：

為方便研究三種煙氣主要成分分別在煙芯和濾嘴中的釋放規律，同時定義煙芯殘留率、回收率、濾嘴截留率、煙芯釋放率這四個物理量，計算公式見（3）～（6）。其中煙芯殘留率表征煙支抽吸結束后煙芯中三種主要成分的殘留情況，回收率表征抽吸系統對三種有效成分的耗散情況，濾嘴截留率表征不同結構濾嘴對于煙氣主要成分的截留情況，煙芯釋放率表征三種主要成分在煙芯中的有效釋放量。

2 結果與討論

2.1 總體煙氣中煙堿、丙二醇、甘油釋放規律

0～7 號電加熱煙草產品煙支樣品抽吸前后煙堿、丙二醇與甘油的釋放規律如圖2 所示。結果顯示：抽吸后約28%煙堿殘留在煙芯中，煙堿殘留率較低；抽吸前后煙支煙堿回收率平均為90%，質量回收率較高。抽吸后約14%的1,2-丙二醇殘留在煙芯中，丙二醇殘留率較低；抽吸前后所測1,2-丙二醇總質量無顯著變化，質量回收率高達97%。抽吸后約55%的甘油殘留在煙芯中，甘油殘留率較高；抽吸前后煙支中甘油質量變化明顯，質量回收率僅有72%。不同濾嘴結構的eHTP 煙芯中的煙堿、丙二醇與甘油的殘留率和檢測回收率并無明顯差異。

隨著中空段長度減小和聚乳酸段長度增加，濾嘴截留煙堿、丙二醇以及甘油逐漸增加，煙氣捕集量逐漸降低；隨著中空段長度減小和醋纖段長度增加，濾嘴截留煙堿、丙二醇與甘油顯著增加，煙氣捕集顯著降低。

2.2 逐口煙氣中煙堿、丙二醇、甘油釋放量規律

0～7 號電加熱煙草產品煙支樣品逐口煙氣中煙堿、丙二醇以及甘油釋放量如圖3 所示。隨著抽吸口數增加，各煙支樣品逐口煙堿、丙二醇以及甘油總體呈現逐漸升高后降低趨勢，最大值出現在第5～7 口；隨著中空段長度減小和PLA 段長度增加，逐口煙氣中煙堿、丙二醇及甘油釋放量逐漸減少；隨著中空段長度減小和醋纖段長度增加，逐口煙氣中煙堿、丙二醇及甘油釋放量顯著減少。

圖2 煙支各段煙堿、丙二醇、甘油捕集量Fig. 2 Capture amount of nicotine, 1,2-propanediol and glycerol in each section of cigarette

圖3 煙支樣品逐口煙堿、丙二醇以及甘油逐口釋放量Fig. 3 Puff-by-puff release amount of nicotine, 1,2-propanediol and glycerol from cigarette samples

2.3 逐口煙氣中煙堿、丙二醇與甘油相對釋放量規律

為了消除不同電加熱煙草產品濾嘴結構對煙氣主要成分的影響，考察0～7 號eHTP 煙支樣品煙堿、丙二醇以及甘油的逐口相對釋放量，即逐口釋放量占12 口總釋放量的比值，如圖4 所示。隨著抽吸口數增加，不同濾嘴結構的各煙支樣品逐口煙堿、丙二醇以及甘油的相對釋放量基本相同，總體呈現逐漸升高后降低趨勢，其中7 號樣品的丙二醇相對釋放規律有些異常，而且抽吸前3 口與后2 口的甘油相對釋放量不是很穩定。煙堿的最大值出現在第6 口，丙二醇的最大值出現在第5 口，甘油的最大值出現在第5 口和第6 口。煙堿、丙二醇與甘油的相對釋放量規律與煙支濾嘴結構無關，表明煙氣主要成分相對釋放量是煙芯的特性。抽吸前幾口煙芯溫度較低，煙氣相對釋放量較少；抽吸中間幾口煙芯溫度較高，煙氣相對釋放量較大；抽吸最后幾口，煙芯主要成分減少，煙氣釋放量也隨之減少。從圖4（d）可以看出，三種主要成分煙氣逐口平均相對釋放量規律相同，煙堿與丙二醇相相對釋放量關系為0.976，煙堿與甘油相對釋放量相關系數為0.995，丙二醇與甘油相對釋放量相關系數為0.965，上述相關系數表明煙堿、丙二醇與甘油從煙芯內部的釋放機理相同。

2.4 逐口煙氣中煙堿、丙二醇、甘油質量分數規律

0～7 號電加熱煙草產品逐口煙氣中煙堿、丙二醇以及甘油的質量分數如圖5 所示。從圖5 中可以看出，各煙支樣品煙堿的逐口質量分數主要分布在20%～30%之間，丙二醇的逐口質量分數主要分布在20%～40%之間，甘油的逐口質量分數主要分布在20%～50%之間。隨著抽吸口數增加，各個煙支樣品的煙堿、丙二醇以及甘油質量分數變化趨勢略有不同，但整體變化不大。同時，煙支樣品煙氣中的煙堿、丙二醇與甘油的逐口平均釋放質量分數保持穩定。

圖4 煙支樣品煙堿、丙二醇以及甘油逐口相對釋放量Fig. 4 Relative puff-by-puff release amount of nicotine, 1,2-propanediol and glycerol from cigarette samples

圖5 煙支樣品逐口煙堿、丙二醇以及甘油質量分數Fig.5 Mass fraction of puff-by-puff release of nicotine, 1,2-propanediol and glycerol in cigarette samples

具體而言，7 號樣品為30 mm 純醋纖濾嘴，圖5（a）和（c）分別表明其逐口煙堿質量分數最小而逐口甘油質量分數最大，說明醋纖一定程度上選擇性的截留了部分煙堿；6 號樣品為10 mm 中空20 mm 醋纖濾嘴，其逐口煙堿質量分數比7 號樣品略大，而甘油質量分數比7 號樣品略小，驗證了醋纖濾嘴選擇性的截留了煙堿的事實。同理，4 號樣品為30 mm 純聚乳酸濾嘴，其逐口煙氣中煙堿質量分數最大，而甘油質量分數最小，說明聚乳酸一定程度上選擇性的截留了部分甘油；3 號樣品為10 mm 中空20 mm 聚乳酸濾嘴，其逐口煙氣中煙堿質量分數比4 號略小，而煙氣中甘油質量分數比4 號略大，同樣驗證了聚乳酸濾嘴選擇性的截留了甘油的事實。

實驗數據表明，煙堿、丙二醇與甘油在煙氣中是以氣溶膠的整體形式存在，不同結構的濾嘴對煙氣主要成分基本沒有很強的選擇性，其中聚乳酸濾嘴對甘油略有選擇性，而醋纖濾嘴對煙堿略有選擇性，煙氣主要成分逐口釋放質量分數比較均勻穩定。

3 結論

（1）不同濾嘴結構的電加熱煙草產品煙芯煙堿、丙二醇與甘油的殘留率和檢測回收率并無明顯變化。煙堿、丙二醇的回收率較高，甘油的回收率僅有72%，甘油在釋放過程中明顯存在縮聚反應。電加熱煙草產品抽吸結束后，煙芯內煙堿、丙二醇的殘留率比較低，甘油的殘留率高達到55%。

（2）不同濾嘴結構的各電加熱煙草產品煙支樣品逐口煙堿、丙二醇以及甘油的相對釋放量基本相同，總體呈現逐漸升高后降低趨勢。

（3）電加熱煙草產品煙支樣品煙氣中的煙堿、丙二醇與甘油的逐口平均釋放質量分數保持穩定，不同結構的濾嘴對煙氣主要成分基本沒有特別強的選擇性。

（4）從研究結果來看，甘油的回收率較低，除甘油在釋放過程中明顯存在縮聚反應外，甘油發生熱解和反應也可能是主要原因，同時甘油還有可能在抽吸間隔從煙支進氣端擴散到環境空氣中，也有可能冷凝在煙具上。有必要進一步對甘油回收率低進行進一步的研究。

4 展望

本文主要分析了煙氣的主要成分的逐口釋放規律。在其他的研究工作中，還研究了濾嘴結構對煙氣主要成分的截留率的影響規律并已經取得較好的研究成果。未來將繼續對煙芯段內的物質反應動力學和釋放動力學開展更為深入和系統的研究。從而形成對電加熱卷煙煙氣釋放的整個過程進行整合研究、形成原理和規律的閉環，為電加熱卷煙設計和調控提供支撐。

然而電加熱卷煙煙氣釋放是一個復雜的動態過程，涉及到傳熱、傳質、釋放動力學與截留規律幾個方面。從第一性原理來看，煙氣的逐口絕對釋放量是由煙芯段的物質反應動力學、釋放動力學與煙氣的濾嘴截留規律共同決定。目前，還沒有可靠的方法通過簡單的傳遞現象理論將電加熱卷煙煙氣釋放整個復雜的過程描述清楚。從基礎理論的角度討論煙氣成分的逐口釋放規律，需要的數據更多，如煙芯段逐口溫度分布，環境空氣對熱量與主要成分的耗散等，需要建立復雜的傳熱傳質數學模型。