自制研究平臺不同加熱溫度下電加熱卷煙主要成分的釋放行為

周慧明，劉 鴻，劉廣超，費 菲，張鎖慧，沈 軼，鄭賽晶*

1.上海新型煙草制品研究院，上海市浦東新區秀浦路3733 號 201315

2.上海煙草集團有限責任公司技術中心，上海市浦東新區秀浦路3733 號 201315

加熱卷煙是新型煙草制品的重要分支，其主要特點是利用外部熱源加熱煙草材料而非直接點燃。加熱卷煙由高溫熱裂解產生的有害成分相對較少，且能為消費者提供一定的煙草特征感受，因而成為目前的研究熱點［1-5］。加熱卷煙根據其熱源的不同，主要分為炭加熱、電加熱、理化反應加熱3 種類型，其中，炭加熱類型的加熱溫度難以控制、CO 釋放量較大，理化反應加熱類型仍處于基礎研發階段。三者之中，電加熱類型的產品發展較為迅速［3，6-7］。目前，國內外對電加熱卷煙的基礎研究非常關注。Foster 等［8］研究表明，加熱溫度為100～200 ℃時，加熱卷煙氣溶膠中的煙堿等部分物質主要來源于蒸發轉移和初步熱分解。楊繼等［9］對典型加熱卷煙的煙草原料在50～350 ℃溫度范圍進行熱裂解并檢測裂解產物，甘油、丙二醇和煙堿為主要檢出物質。龔淑果等［10］在研究報道中指出，電加熱卷煙IQOS 和GLO 在標準抽吸（ISO）和加拿大深度抽吸（HCI）兩種模式下，煙氣中甘油、煙堿、水分和主要香味成分的逐口釋放行為與加熱抽吸方式有關。鄭緒東等［11］研究表明，電加熱卷煙的氣溶膠成分以及其中甘油、丙二醇、煙堿等的釋放特性與加熱溫度范圍有關，且上述幾種成分的釋放特性與加熱溫度的關系并不一致。當前的研究報道主要關注加熱卷煙煙草原料的受熱分析、霧化劑對煙草原料受熱時氣溶膠捕集量（Aerosol collection mass，ACM）釋放行為的影響等方面，以及產品在工作過程中釋放物的釋放情況等［12-14］，存在與產品實際工作情況差異較大或無法規避不同產品的煙具對實驗結果的影響等問題。而基于同一加熱平臺研究電加熱卷煙產品產生的氣溶膠中主要化學成分的釋放行為，可以規避不同加熱卷煙煙具對研究結果的影響，且有利于更準確地了解產品性能、合理定位產品的工作溫度。然而，迄今為止該方面的研究鮮有報道。

本研究中基于自主設計開發的加熱溫度可調節的加熱卷煙研究平臺，針對5 款電加熱卷煙煙支在不同加熱溫度下加熱時對其氣溶膠、煙堿、甘油、水分的釋放行為進行剖析，初步了解目前國外市場上電加熱卷煙的氣溶膠以及其中主要成分的釋放特性和影響因素，旨在為電加熱卷煙產品的優化提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

5 款電加熱卷煙煙支，分別標記為A、B、C、D和E，其中，A 為IQOS 原味煙支，B、C、D 和E 為國內煙草公司研發的4 款產品。44 mm 劍橋濾片（美國GE 公司）。

異丙醇（AR，天津市富宇精細化工有限公司）；1，2-丙二醇、丙三醇、1，4-丁二醇（AR，國藥集團化學試劑有限公司）；正十七烷（≥98.5%，北京百靈威科技有限公司）；煙堿（標準品，美國O2Si 公司）。

自主研發的加熱卷煙研究平臺（專利申請號為CN202010724906.3），該平臺采用中心加熱針加熱方式，加熱溫度調節范圍為200～375 ℃，溫度波動范圍±5 ℃；SM450 直線型吸煙機（英國Cerulean公司）；7890A 氣相色譜儀（美國Agilent 公司）；Milli-Q50 超純水儀（美國Millipore 公司）。

1.2 方法

1.2.1 電加熱卷煙的抽吸

將平臺的溫度設置為目標溫度，達到目標溫度后，進行加熱與抽吸。參照傳統卷煙的抽吸模式［15］，分別對5 款電加熱卷煙進行抽吸，每支煙支均抽吸5 口。煙支均未經溫濕度調節，每包樣品從冰柜中取出恢復至室溫后開封即測。

1.2.2 煙堿、甘油和水分的檢測

參照CORESTA推薦的57號［16］、60 號［17］、62號［18］方法檢測加熱卷煙煙草原料中的煙堿、甘油、水分。參照CORESTA 推薦的84 號［19］方法檢測ACM 中的煙堿、甘油和水分。

2 結果與討論

本研究中參考了新型煙草制品國際市場上主流加熱卷煙產品的加熱溫度。據報道，該類產品通常將加熱元件的工作溫度設置在250～350 ℃，例如，菲莫煙草公司推出的內芯加熱煙具IQOS 的加熱部件在工作過程中不超過350 ℃［7，20］。本研究中重點關注了5 款電加熱卷煙在加熱卷煙研究平臺上，加熱溫度分別為250、275、300、325、350、375 ℃下的ACM 以及其中煙堿、甘油、水分3 種關鍵成分的釋放行為。

2.1 煙草原料中煙堿、甘油和水分的質量分數

加熱卷煙煙草原料中的煙堿、甘油和水分是氣溶膠中相應成分的重要來源。為了解5 款電加熱卷煙煙草原料中煙堿、甘油和水分的量，分別取4 支煙支進行檢測，結果見表1。可以看出，5 款煙支的煙草原料中，3 種成分的量存在顯著差異。煙堿質量分數差別較大，從小到大依次為B、D、E、C、A；甘油的量存在一定差異，產品E 最高，其次為產品A，產品B、C、D 之間的差別不大；水分的量差別顯著，從小到大依次為E、D、B、C、A。

表1 5款電加熱卷煙產品煙草原料中煙堿、甘油和水分的質量分數Tab.1 Nicotine,glycerol and moisture contents in tobacco materials of five electrically heated cigarettes （mg·支-1）

2.2 加熱卷煙的ACM 與加熱溫度的關系

取抽吸前后捕集器的質量差作為濾片捕集的ACM，計算得到加熱卷煙在某加熱溫度下的ACM，結果見圖1。隨加熱溫度的升高，甘油、水分等成分揮發轉移增加；同時，一些其他成分受熱分解的程度增加，相應產物的釋放增加。由圖1 可知，ACM 均呈現了隨加熱溫度的升高穩定增大的趨勢，5 款產品的ACM 之間也存在差別，A、C、E 的ACM 較高，B 和D 的較低。在250～350 ℃范圍內，5 款產品的ACM 分別增加190.6%、208.4%、98.2%、156.5%和127.1%，且對于其中大部分產品，325～350 ℃是ACM 增幅最大的溫度區間。在350 ℃時，5 款產品的ACM 的范圍為15.55～26.51 mg/支。當溫度進一步升高，在350～375 ℃，ACM 隨溫度的變化逐漸進入“平臺期”，其增幅顯著變小。因此，對于單個產品，加熱溫度是影響ACM 的重要因素，并且350 ℃是本研究中多數產品的氣溶膠釋放行為發生轉折的溫度，值得在研究中多加關注。

圖1 不同加熱溫度下5款電加熱卷煙產品的氣溶膠捕集量Fig.1 ACMs from five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.3 加熱卷煙的煙堿釋放行為與加熱溫度的關系

2.3.1 煙堿的釋放量

5 款產品的單支煙堿釋放量與加熱溫度的關系如圖2 所示。在250～350 ℃，隨加熱溫度的升高，原料中質子態和游離態煙堿分解釋放、轉移進入氣溶膠的量逐漸增加，5 款產品的煙堿釋放量均呈現穩定上升的趨勢。不同產品的煙堿釋放量之間存在差異，產品A 最高，其次是產品E，產品B、C、D 之間差別較小。對于多數產品，325～350 ℃范圍內煙堿釋放量曲線最為陡峭，即325～350 ℃是多數產品煙堿釋放量增幅最大的溫度段。與ACM 變化趨勢相似，在350 ℃時，多數產品的煙堿釋放量曲線的變化趨勢發生轉折，煙堿釋放量的增幅變小。在350 ℃時，5 款產品的煙堿釋放量范圍為0.18～0.45 mg/支，產品A 的煙堿釋放量最高。在350～375 ℃，本研究中的多數產品的煙堿釋放量增幅變小，由此推測350 ℃是加熱卷煙產品的煙堿相關研究中值得給予較多關注的溫度。

圖2 不同加熱溫度下5 款電加熱卷煙產品的煙堿釋放量Fig.2 Releases of nicotine from five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.3.2 ACM 中煙堿的質量分數

將煙堿釋放量與濾片捕集到的ACM 作比值，得到ACM 中煙堿的質量分數，結果如圖3 所示。5 款產品的ACM 中煙堿的質量分數隨加熱溫度的升高呈現逐漸上升的趨勢。溫度超過350 ℃后，產品A、B、D 的ACM 中煙堿質量分數的增幅減小，進一步升高溫度對提高ACM 中煙堿質量分數的作用效果減小。350 ℃時，5 款產品的ACM 中煙堿的質量分數范圍為0.89%～1.85%。不同產品釋放的ACM 中煙堿的質量分數存在差別，產品A始終最高，300～350 ℃時，產品B、D、E 較為接近。

圖3 不同加熱溫度下5 款電加熱卷煙產品的ACM 中煙堿的質量分數Fig.3 Proportions of nicotine in ACMs of five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.3.3 煙堿轉移率

將不同溫度下5 款產品的煙堿釋放量與煙草原料中煙堿質量分數比較，獲得對應的煙堿轉移率，結果如圖4。5 款產品的煙堿轉移率均隨加熱溫度的升高快速增大。不同產品的煙堿轉移率隨溫度的變化有所不同：在300 ℃以下時，產品B 和C 的煙堿轉移率較低；溫度升高至300～350 ℃，產品B 的煙堿轉移率明顯增大，且超過300 ℃后，產品A、B、D、E 的煙堿轉移率差別不大，產品C 與其他4 款產品相比始終最低。加熱溫度超過350 ℃后，多數產品煙堿轉移率的增幅變小，因此350 ℃不僅是本研究中多數產品的煙堿釋放量和ACM 中煙堿的質量分數隨溫度變化的轉折點，也是多數產品的煙堿轉移率變化的轉折點。350 ℃時，5 款產品的煙堿轉移率范圍為6.31%～13.30%。

此外，從圖4 中可以看出，加熱溫度低于375 ℃時，煙堿的轉移率均低于16%，即絕大部分煙堿并未有效轉移至ACM 中。在350 ℃時，產品E 的煙堿轉移率略高于產品A，而從表1 可知產品A 的煙草原料中煙堿量較高，故而產品A 的煙堿釋放量依然顯著高于產品E。相同溫度下，除產品C 外，其他4 款產品的煙堿轉移率較接近。因此，除加熱溫度外，煙草原料中的煙堿量是影響煙堿釋放量的重要因素；煙堿轉移率在一定程度上也會影響煙堿釋放量。在煙堿轉移率水平相當的情況下，可以通過適度增加煙草原料中的煙堿量以提升煙堿釋放量。

圖4 不同加熱溫度下5 款電加熱卷煙產品的煙堿轉移率Fig.4 Transfer rates of nicotine in five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.4 加熱卷煙的甘油釋放行為與加熱溫度的關系

2.4.1 甘油釋放量

甘油作為加熱卷煙產品中常用的添加物和發煙劑，是受重點關注的成分之一［21-22］。5 款產品的甘油釋放量與加熱溫度的關系如圖5 所示，可知，隨加熱溫度升高，甘油的釋放量呈現穩定的上升趨勢。同時，325～350 ℃是多數產品的甘油釋放量增幅最大的溫度段。在350～375 ℃時，產品A、B、D 和E 的甘油釋放量盡管仍呈上升趨勢，但增幅明顯變小，因此350 ℃是本研究中多數產品甘油釋放量增幅的轉折點。在350 ℃，5 款產品的甘油釋放量范圍為0.37～1.37 mg/支。

圖5 不同加熱溫度下5 款電加熱卷煙產品的甘油釋放量Fig.5 Releases of glycerol in five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.4.2 ACM 中甘油的質量分數

將甘油釋放量與ACM 作比值，得到ACM 中甘油的質量分數，結果如圖6 所示。5 款產品ACM 中甘油質量分數的整體變化趨勢為隨加熱溫度升高而增大，但5 款產品之間差別較顯著。產品A 和E 的ACM 中甘油質量分數隨加熱溫度升高略有增加；且從275 ℃開始，A 和E 的ACM 中甘油的質量分數遠小于其他3 款產品。產品B 和D 的變化趨勢較為類似，但產品B 的甘油的質量分數高于產品D，具體表現為：在250 ℃時，甘油釋放量低于檢測限；加熱溫度升高至275 ℃后，甘油的質量分數提升，在275～325 ℃時變化不大，至350 ℃時再次提升；溫度升高至375 ℃時，產品D的甘油質量分數進一步升高，但升高幅度變小，而產品B 的甘油質量分數略有下降。產品C 的ACM中甘油的質量分數在275 ℃以上呈現隨著溫度升高而逐漸增大的趨勢。在350 ℃，5 款產品的ACM中甘油的質量分數范圍為1.53%～8.41%。因此，對于本研究中的5 款產品，ACM 中甘油質量分數隨溫度變化的差異較大，同一溫度下不同產品的ACM中甘油質量分數之間（A與E間除外）也差別較大。

圖6 不同加熱溫度下5 款電加熱卷煙產品的ACM 中甘油的質量分數Fig.6 Proportions of glycerol in ACMs of five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.4.3 甘油轉移率

將測得的ACM 中甘油釋放量與煙草原料中的甘油總量比較，獲得對應的甘油轉移率，如圖7。5 款產品的甘油轉移率均呈現隨加熱溫度升高而增大的趨勢，同時，不同產品之間存在一定差異。250 ℃時，產品C 的甘油轉移率高于其他4款。隨著溫度升高，5 款產品的甘油轉移率呈現兩種不同的增大趨勢：產品A 和E 的甘油轉移率隨溫度升高緩慢增大；產品B、C 和D 的甘油轉移率隨溫度升高顯著增大，且三者的數值比較接近，其中，產品B 和D 的最大增幅對應的溫度范圍為325～350 ℃，超過350 ℃后，增幅變小，而產品C 在350～375 ℃范圍內增大更顯著。在350 ℃，甘油向ACM 中的轉移率范圍為0.92%～4.35%。由表1 可知，產品A 和E 的煙草原料中的甘油質量分數比B、C、D 高。而由圖5 可見，在275 ℃后A 和E 的甘油釋放量遠低于產品B、C、D。據此推測，本研究中加熱卷煙產品的甘油釋放量與甘油轉移率之間的相關性，大于其與煙草原料中甘油質量分數之間的相關性。甘油的沸點為290.9 ℃，本研究中提供的加熱溫度可使其較充分地揮發，經卷煙濾嘴過濾吸附后轉移到ACM 中，而以上現象表明僅有較小比例的甘油成功轉移。因此，產品濾嘴對甘油的吸附是影響甘油釋放量的重要因素。

圖7 不同加熱溫度下5款電加熱卷煙產品中甘油的轉移率Fig.7 Transfer rates of glycerol in five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.5 加熱卷煙的水分釋放行為與加熱溫度的關系

2.5.1 水分釋放量

水分對抽吸卷煙的感官舒適度有一定影響［23-24］，因此，水分的釋放行為值得關注。5 款產品釋放的ACM 中，水分釋放量與加熱溫度的關系如圖8 所示。在250～350 ℃范圍內，隨加熱溫度升高，水分釋放量呈穩定上升趨勢，在350～375 ℃范圍內，產品B、D 和E 的水分釋放量增幅明顯變小。在350 ℃時，水分的釋放量范圍為9.72～14.14 mg/支，產品A、C 和E 的水分釋放量相近且較高，其次為產品D。產品B 的水分釋放量始終為5 款產品中最低的。由表1 可知，產品B 和C 的煙草原料中含水率較為接近，產品E 的煙草原料含水率最低。因此可以推測，同一加熱溫度下，水分釋放量除與煙草原料的含水率有關外，還與其他因素有關，例如，根據文獻［25-26］報道，加熱狀態下產生的氣溶膠中的水分，除了來源于煙草原料自身水分的受熱遷移外，還有部分源自煙草原料中前體物質受熱發生反應生成，因此煙草原料的差異會影響水分的生成和釋放。此外，產品的濾嘴對水分的吸附也會影響水分向ACM 中的轉移。

圖8 不同加熱溫度下5 款電加熱卷煙產品水分的釋放量Fig.8 Releases of moisture in five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.5.2 ACM 中水分的質量分數

水分釋放量在ACM 中的質量分數如圖9 所示。可以看出，水分是構成ACM 的重要組成部分。在加熱溫度為250 ℃時，5 款產品釋放的ACM 中水分的質量分數存在一定差異，產品C 的水分的質量分數最高，產品B、D、E 較為相近，而產品A 最低。加熱溫度為350 ℃時，水分在ACM中的質量分數范圍為52.38%～62.53%。在275～375 ℃范圍內，ACM 中水分的質量分數均較高，超過了50.00%。同時，在該溫度段內，部分產品的ACM 中水分的質量分數發生了波動。產品C 波動較為顯著，在250～275 ℃時水分的質量分數隨溫度升高而減小，在275～300 ℃時增大，在300～350 ℃時再逐步減小，在350～375 ℃又小幅增大。該現象的產生可能是由于加熱溫度升高時，其他成分的揮發轉移程度有所提升，同時，煙支中發生的理化反應逐漸復雜，反應種類增多、反應程度增加導致生成的產物增加，此時，ACM 和水分的釋放量增大速率并不完全同步，使ACM 中水分的質量分數出現波動。加熱溫度達到275 ℃以上時，大部分產品的ACM 中水分的質量分數相對穩定，波動幅度較小，因此275 ℃以上，溫度對ACM 中水分的質量分數的影響較小。

圖9 不同加熱溫度下5 款電加熱卷煙產品的ACM 中水分的質量分數Fig.9 Proportions of moisture in ACMs of five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.6 煙堿、甘油、水分釋放量間的相關性

將不同加熱溫度下5 款產品的煙堿、甘油、水分釋放量進行比較，計算兩兩之間的相關系數，即煙堿與甘油、甘油與水分、煙堿與水分的釋放量之間的相關系數，結果見表2。對于5 款產品，煙堿與甘油、甘油與水分、煙堿與水分釋放量的相關系數均在0.880 0 以上，表明其高度相關。另外，煙堿與甘油之間的相關系數均在0.975 0 以上，且整體高于甘油與水分、煙堿與水分。因此，煙堿與甘油的釋放量之間的相關性最強。

表2 5 款電加熱卷煙產品的煙堿與甘油、甘油與水分、煙堿與水分釋放量的相關系數Tab.2 Correlation coefficients of nicotine and glycerol,glycerol and moisture,nicotine and moisture releases in five electrically heated cigarettes

3 結論

①各款電加熱卷煙產品的ACM 差別較大，加熱溫度是影響ACM 的重要因素。②煙堿釋放量、煙堿在ACM 中的質量分數、煙堿轉移率均隨加熱溫度升高而增大，325～350 ℃時本研究中多數產品的煙堿釋放量的增幅最大，產品煙草原料中煙堿的質量分數是煙堿釋放量的重要因素；甘油的變化與煙堿基本一致。③溫度對水分釋放量的影響較大，水分釋放量隨加熱溫度升高而增大。水分在ACM 中的質量分數相對較高，超過275 ℃后，水分的質量分數相對穩定且呈現一定的波動。各款產品水分釋放量之間存在較大差異且影響因素較多，可能與產品的煙草原料和其他材料性質有關。④在本研究中，煙堿、甘油、水分的釋放量三者之間呈現了較強的相關性，其中，煙堿和甘油的釋放量的相關性最為顯著。