凝膠態煙油的制備及在電子煙中的應用

張霞，李壽波，管瑩，李廷華，洪鎏，吳俊，韓熠，朱東來，趙偉*，陸欣宇

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 上海應用技術大學香精香料技術與工程學院，上海市奉賢區海泉路100號 201418；3 上海香料研究所，上海市徐匯區南寧路480號 200232

電子煙作為一種新型煙草制品，近年來發展尤為迅速[1-2]。煙油作為電子煙體系中核心組分，一直是研究熱點之一[3-5]。市售電子煙多采用低粘度可流動的液態煙油，在霧化器底座、油倉與底座連接處、吸嘴等部位易發生漏液和污染，影響產品儲運和消費者抽吸體驗。因此，針對現有液體煙油不足，開發新型非液體煙油體系十分必要。雖然完全固態的煙油較液態煙油易于攜帶和儲存，但是固態煙油存在加熱不均勻、霧化效果差等難以克服的問題[6]。相比之下，凝膠因子具有獨特的高分子側鏈交纏結構，形成的凝膠網絡既能有效緩解或阻止液態煙油流動，又能隨溫度變化而改變狀態，從而有效解決液態煙油在不同階段的滲漏問題，便于消費者隨身攜帶和使用[7-9]。

目前，關于凝膠態煙油的研究與報道較少[6-8]，缺乏系統性。而凝膠因子種類眾多，功能各異，在開發凝膠態煙油過程中應依據安全性、溶解分散性、電子煙霧化溫度下的穩定性等原則篩選合適的凝膠因子[10]。明膠作為一種常見的食品添加劑，具有價格低廉、安全無毒且凝膠-液化轉變性能良好等優勢，已廣泛應用于食品、醫藥、生物、化工等領域[11]，并已有用于安全有效遞送肺部吸入式納米藥物的報道[12]，且明膠在甘油、丙二醇中的溶解分散性較好，在電子煙霧化溫度下的穩定性較強，因此本研究選擇明膠作為凝膠因子來制備凝膠態煙油，針對凝膠態煙油制備過程中影響產物狀態和凝固特性的工藝參數進行優化，并對凝膠態煙油在電子煙中的應用效果進行測試與評價。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘油、丙二醇、明膠、煙堿（食品級，上海阿達瑪斯試劑有限公司）；薄荷香精（食品級，上海香料研究所自制）。

Cary-50紫外可見分光光度儀（美國瓦里安有限公司）；TGL-18M臺式高速冷凍離心機（上海盧湘儀離心機儀器有限公司）；ME-104E分析天平（梅特勒-托利多國際股份有限公司）；524G恒溫磁力攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司）；HWS-12電熱恒溫水浴鍋（上海一恒科學儀器有限公司）；CETI8 V3.0電子煙吸煙機(英國斯茹林公司)；S-3400N掃描式電子顯微鏡（株式會社日立制作所）；STA6000熱重分析儀（美國珀金愛爾默公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗方案設計

在凝膠的制備過程中，明膠含量、反應時間、加熱溫度等對其狀態影響較大。凝膠時間、持液力和透光率等是體現凝膠體系狀態的重要參數[13]，其中透光率和持液力是凝膠性能的初步篩選參數，凝膠時間是關鍵參數。獲得期望的凝膠狀態通常需要兼顧各參數之間的平衡，最重要的是縮短凝膠時間，使液化的煙油在抽吸結束時盡快恢復凝膠狀態，避免滲漏發生，因此本次響應面優化實驗中采用凝膠時間作為評價指標。

單因素實驗設計：分別對明膠含量（1%、2%、4%、6%、8%）、反應時間（1 h、2 h、3 h、4 h、5 h）、加熱溫度（40℃、60℃、80℃、100℃、120℃）等3個因素進行單因素實驗。通過測定各產物的持液力、透光率和凝膠時間，確定產物凝膠狀態較理想時所對應的制備工藝參數取值區間。

響應面優化實驗設計：根據單因素實驗結果選出制備工藝參數的適宜區間，采用基于Box-Behnken中心組合設計的響應面分析方法[14]，以明膠含量（A）、反應時間（B）、加熱溫度（C）3個變量為影響因素，凝膠時間（Y）為響應值，進行三因素兩水平中心組合優化實驗（具體的因素、水平如表1所示），通過響應面圖與等高線圖精確地表述各因素之間的交互作用關系[15]，并通過回歸方程確定優化的工藝參數進行驗證實驗，以期獲得表觀狀態和凝膠時間均較為理想的凝膠態煙油體系。

表1 優化實驗因素與水平Tab. 1 Factors and levels of optimization experiment

1.2.2 凝膠態煙油的制備過程

攪拌下，將霧化劑（配方組成：甘油39.0%、丙二醇58.5%、薄荷香精1.5%、煙堿1%，均為質量百分數）逐漸加到明膠與水（兩者質量比為1:1）的混合物中，加完后，升高至一定溫度，保持恒溫反應繼續攪拌反應一定時間，降溫至20℃，即得凝膠態煙油產物。對照煙液中薄荷香精和煙堿的質量百分數均與凝膠態煙油中的相同。

1.2.3 各指標測試方法

1.2.3.1 持液力的測定

準確稱取凝膠態煙油800 mg，按文獻[16]方法進行測定，并按以下公式計算其持液力L：

式中，L為凝膠持液力（%）；m1為凝膠質量（mg）；m2為濾紙吸液量（mg）。

1.2.3.2 透光率的測定

量取產物樣品2 mL置于比色皿，按文獻[17]方法在620 nm波長下測定其透光率，以未添加明膠的霧化劑體系作為空白對照（設其透光率為100%）。

1.2.3.3 凝膠時間的測定

參考文獻[18]凝膠時間的測定方法，對凝膠態煙油的凝膠時間進行測定。為驗證該方法的適用性，根據此方法進行了煙油凝膠時間的測定，平行測定3次取均值，結果相對標準偏差在2.1%～6.6%之間，表明該方法符合實驗需求。具體方法如下：量取產物樣品2 mL置于試管，再將其放入90℃的電熱恒溫水浴槽中平衡穩定0.5 h，隨后取出樣品在20℃恒溫箱中逐漸冷卻，每隔0.3 h倒置試管，直到觀察到樣品不再流動時，記錄對應時間，即為該樣品的凝膠時間。

1.2.3.4 微觀形貌的表征方法

采用S-3400N掃描式電子顯微鏡觀察并拍攝凝膠態煙油的微觀形貌：放大倍數為1000倍，加速電壓15.0 kV，電流75 mA。取干燥凝膠態煙油樣品，用導電雙面膠固定，表面噴金后測試。

1.2.3.5 熱重實驗方法

通過STA6000熱重分析儀測定凝膠態煙油的熱穩定性。樣品坩堝材質：氧化鋁，測試溫度范圍：室溫～500℃，升溫速率：10℃/min，保護反應氣：氮氣，流量：50 mL/min。采用銦標定儀器，儀器自動校零后，取待測凝膠態煙油樣品置于樣品坩堝中，開始測試。分別記錄樣品的溫度、質量等數據并進行分析。

1.2.3.6 滲漏性測定

貯存期滲漏性測定：實驗過程中考察了豎直、水平、傾斜等不同角度下的液體煙油滲漏狀況，發現豎直狀態下其最易滲漏，水平狀態下則不易滲漏，傾斜態則介于兩者之間，因此在貯存期滲漏性測定時采取的方式是豎直放置。具體方法如下：凝膠態煙油需高溫液化后才便于加至煙彈中，為提高實驗效率，可在10℃的低溫條件下恒溫靜置12 h加快凝膠而不影響后續測試結果。然后將裝有凝膠態煙油或液體煙油的電子煙煙彈，置于室溫（25℃±1℃）下保持豎直放置在濾紙上，放置不同時間分別測量濾紙上的煙油油斑直徑（0 mm為無滲漏，1～5 mm為輕微、>5 mm為顯著）。

抽吸后滲漏性測定：將裝配后的煙彈采用電子煙吸煙機進行20次抽吸（抽吸參數為：抽吸容量55 mL，抽吸持續時間3 s，抽吸頻率每30 s抽吸1次，抽吸曲線為方波）后置于濾紙上，并保持豎直在室溫下靜置一段時間，分別測量儲存以及抽吸后的煙油油斑直徑（0 mm為無滲漏，1～5 mm為輕微、>5 mm為顯著）。

1.2.3.7 感官質量評價

將制備的凝膠態煙油和對照煙油以相同量分別添加至電子煙煙彈中，組織7名具有煙草行業卷煙感官評吸資質的專家對電子煙樣品進行感官質量評價。電子煙感官質量用煙霧量、香氣、諧調、刺激性、雜氣（味）和余味等6個指標（表2）進行評價。各項目均以0.5分為計分單元；各單項分別計算加權平均分，精確至0.01分；感官質量合計得分以各單項加權平均分之和表示，精確至0.1分。

表2 電子煙評吸指標及評判標準Tab. 2 Sensory evaluation indexes and assessment standards for e-cigarette

2 結果與分析

2.1 凝膠態煙油制備工藝條件優化研究

2.1.1 制備工藝單因素實驗研究結果分析

2.1.1.1 明膠含量對凝膠狀態的影響

當加熱溫度為100℃、反應時間為5 h時，明膠含量對凝膠體系的持液力、透光率和凝膠時間的影響見圖1。隨著明膠含量的增加，持液力隨之增強，而透光率隨之減弱，凝膠時間隨之縮短。這是因為，隨著明膠含量逐漸增加，分子間交聯作用逐漸增強，有助于將霧化劑更好地鎖在交聯網絡之間，使其液體析出量變少，表現為持液力逐漸升高與凝膠時間變短。但體系中的明膠過多會導致分散性變差而出現相分離現象，表現為透光率降低，體系呈毛玻璃樣渾濁。因此明膠含量在2%～6%之間時，凝膠體系的綜合性能較理想。

圖1 明膠含量對持液力、透光率和凝膠時間的影響Fig. 1 Influences of gelation content on the liquid holdup, light transmittance and gelation time

2.1.1.2 反應時間對凝膠狀態的影響

當明膠含量4%，加熱溫度為100℃時，反應時間對凝膠體系的持液力、透光率和凝膠時間的影響見圖2。隨著反應時間的延長，持液力和透光率均呈現先增加后穩定的趨勢，凝膠時間則隨之縮短。這是由于延長反應時間有助于實現體系中明膠的充分溶解擴散、逐漸形成交聯網絡將霧化劑固定的過程，表現為持液力和透光率在初始3 h內逐漸增加、凝膠時間變短。而大于3 h后持液力、透光率和凝膠時間基本穩定不變，表明上述過程已經達到平衡。因此反應時間在3 h～5 h之間時，凝膠的綜合性能較理想。

圖2 反應時間對持液力、透光率和凝膠時間的影響Fig. 2 Influences of reacting time on the liquid holdup, light transmittance and gelation time

2.1.1.3 加熱溫度對凝膠狀態的影響

當明膠含量4%，反應時間為4 h時，加熱溫度對凝膠體系的持液力、透光率和凝膠時間的影響見圖3。隨著加熱溫度升高，持液力先增加后減小，而透光率與凝膠時間均逐漸增加。這是因為隨著加熱溫度升高，有助于明膠在體系中的溶解、擴散與交聯過程，表現為加熱溫度在40℃～80℃之間時，產物的持液力和透光率逐漸增加。但過高的加熱溫度會使明膠分子鏈部分斷裂，導致其固定霧化劑的交聯網絡強度下降，表現為加熱溫度在80℃～120℃之間時，透光率稍有增加，但持液力逐漸下降且凝膠時間延長。因此加熱溫度在80℃～100℃之間時，凝膠的綜合性能較理想。

圖3 加熱溫度對持液力、透光率和凝膠時間的影響Fig. 3 Influences of heating temperature on the liquid holdup, light transmittance and gelation time

綜上，單因素實驗得到較適宜的工藝參數范圍為：明膠含量2%～6%、反應時間3 h～5 h、加熱溫度80℃～100℃。

2.1.2 響應面優化實驗

根據上述單因素實驗結果，選取制備工藝參數的適宜取值區間，通過Box-Behnken中心組合設計，以凝膠時間為評價指標，開展三因素兩水平中心組合優化實驗。

2.1.2.1 回歸模型分析

根據Box-Behnken設計原理設計17個實驗點，所得實驗結果如表3所示。

表3 Box-Behnken 設計矩陣及響應值Tab. 3 BBD matrix and response values

運用Design Expert數據分析軟件對表3實驗點的響應值數據進行逐步回歸分析，建立凝膠時間（Y）與明膠含量（A）、反應時間（B）、加熱溫度（C）3個因素實際值的數學回歸模型。為檢驗數學模型的合理性，對回歸得到的方程的有效性進行方差分析，并在初次擬合后刪除不顯著項后，進行二次回歸方差分析以提高檢驗精確度。得到響應值Y對自變量的二次多項回歸模型方程為：

模型的二次回歸方差分析結果見表4。

表4 二次回歸模型的方差分析結果Tab. 4 Analysis of variance for the quadratic regression model

二次回歸模型的相關系數如表5所示，模型的決定系數R2為0.9973，說明數據相關性較好；校正回歸系數R2

表5 二次回歸模型的相關系數表Tab. 5 Correlation coefficients table for quadratic regression model

adj為0.9961，表明99.61%的實驗數據可以用此回歸模型來解釋，模型與實際結果擬合度較高；預測回歸系數R2Pred為0.9943，說明該模型的預測效果較好。本實驗變異系數為3.28%，表明其可信度和精確度較好。

綜上所述，回歸方程對被研究的整個回歸區域擬合很好，實驗誤差較小，從而能準確地描述各因素與響應值之間的真實關系。模型可以選擇且能有效地分析各因素對凝膠時間的影響結果。因此，可以采用此回歸方程及其數學模型對實驗結果進行預測。

2.1.2.2 因素間的交互作用分析

根據表4中回歸模型的方差分析結果，對接近顯著的AB間的交互作用通過響應圖面與等高線圖進行分析，如圖4所示。當加熱溫度在中心水平時，明膠含量和反應時間共同作用下對凝膠時間的影響，凝膠時間隨明膠含量增加而呈現縮短趨勢；對應的等高線橢率較大，明膠含量和反應時間的交互作用顯著，且明膠含量對凝膠時間的影響大于反應時間的影響。

圖4 明膠含量和反應時間對凝膠時間交互影響的三維曲面圖和等高線圖Fig. 4 Surface and contour plots of mutual-influence of gelation contents and reaction time on the gelation time

2.1.2.3 最優工藝條件及模型驗證實驗

通過建立凝膠時間與各因素之間的響應面擬合模型，在選取的各因素范圍內，根據回歸模型得出制備凝膠態煙油最優工藝條件為：明膠含量5.93%、加熱溫度80.0℃、反應時間4.16 h，對應凝膠時間預測值為1.95 h。

在此基礎上對優化得出的最佳制備工藝條件進行3次重復驗證實驗，通過比較理論值和實驗均值來驗證模型的有效性，結果如表6所示。

表6 驗證實驗結果Tab. 6 Results of verification test

在上述優化工藝條件下重復實驗3次，所得凝膠態煙油產物為性狀穩定的淺黃透明凝膠（持液力均值為94.7%、透光率均值為83.2%），測得其平均凝膠時間為1.90 h，與預測值的1.95 h基本一致，表明實驗值與預測值具有較好的吻合度。因此，該方程與實際情況擬合很好，充分驗證了所建模型的適用性。

2.2 凝膠態煙油的應用研究

2.2.1 凝膠態煙油的微觀形貌表征

凝膠態煙油的掃描電鏡圖（SEM）如圖5所示，從圖5中可以看出凝膠態煙油中的明膠可以形成類纖維的交聯網絡狀的聚集結構，且纖維的規整度較均勻。

圖5 凝膠態煙油樣品的SEM 圖像Fig. 5 SEM image of gel phase e-liquid sample

2.2.2 凝膠態煙油的熱分析特性

熱重分析儀（TGA）是通過程序升溫加熱樣品，采用精密天平測定樣品隨溫度升高其質量的變化，從而推測樣品的物理與化學變化過程，熱重曲線（TG-DTA）記錄了物質組分隨溫度和加熱時間的變化關系，反映了物質的熱變化過程，因此可為樣品的形成、熱分解溫度以及熱穩定性等提供有效信息。

從圖6 TG-DTA曲線可以看出，凝膠態煙油樣品的熱重曲線存在一個不太明顯的失重階段和三個直觀可見的失重階段：第一失重階段為30℃～100℃，失重約5.7%，在溫度100℃附近有一個吸熱峰，推測主要是水在蒸發和汽化共同表現出的吸熱效應；第二失重階段為100℃～200℃，失重約52.7%，在溫度155.8℃附近有一個吸熱峰，推測主要是丙二醇蒸發和汽化共同表現出的吸熱效應；第三失重階段為200℃～325℃，失重約35.5%，在溫度220.05℃曲線中有一個非常典型的吸熱峰，推測主要是甘油的蒸發和汽化共同表現出的吸熱效應；第四失重階段為325℃～500℃，失重約2.6%，在溫度325℃附近有一微弱平緩的吸熱峰，推測可能是明膠高溫分解所表現出的吸熱效應。圖6中前三次失重之和約94%，表明凝膠態煙油在此范圍內低沸物的蒸發和汽化過程基本完全，且明膠在此范圍內具有較好的熱穩定性。

圖6 凝膠態煙油樣品的TG-DTA 曲線Fig. 6 TG-DTA curve of gel phase e-liquid sample

2.2.3 漏油效果評價

煙油在煙彈中的防滲漏性能至關重要，結合實際應用情況，本研究針對儲存和抽吸后的漏油測試分別選擇了不同的周期，根據1.2.3.6中描述的滲漏性測試方法分別測試電子煙煙彈中的凝膠態煙油及對照液體煙油在室溫儲存（1 h、6 h、12 h、1 d、3 d、7 d、30 d、180 d）以及抽吸循環后不同時間（1 h、6h、12 h、1 d、3 d、7 d）煙油滲漏情況，考察其抗滲漏性。具體測試結果見表7。

表7 凝膠態煙油及液體煙油在煙具中儲存及抽吸滲漏情況Tab. 7 Leakage of gel phase e-liquid and e-liquids during storage or smoking

從表7可知，根據目前的實驗數據凝膠態煙油在室溫狀態下儲存時間180 d，期間未觀察到煙油滲漏現象；而對照參比的液體煙油體系則在12 h后出現了輕微滲漏，3 d后變為顯著滲漏。另一方面，凝膠態煙油在抽吸后儲存1 d，期間未觀察到煙油滲漏，延長到3～7 d，僅發現輕微滲漏；而對照參比的液體煙油體系則在1 h后即出現了輕微滲漏，12 h后變為顯著滲漏。這是因為凝膠態煙油在煙彈中室溫下處于凝膠狀，加熱抽吸為黏性膠液狀，不像液體煙油始終處于易流動狀態，故能有效克服毛細作用和重力作用的雙重影響，均表現出現良好的抗滲漏效果。對比測試結果表明本研究所制備的凝膠態煙油防滲漏效果明顯優于對照液體煙油。

2.2.4 感官質量評價

對采用上述工藝制備得到的凝膠態煙油和對照的液體煙油采用1.2.3.5描述的感官評吸方法進行感官質量評價，評吸結果見表8。結果表明：凝膠態煙油的感官質量與對照薄荷口味煙液無明顯差異。

表8 凝膠態煙油與對照液體煙油的評吸結果Tab. 8 Sensory evaluation results of gel phase e-liquids and the control 分

3 結論

（1）通過單因素實驗研究了明膠含量、反應時間、加熱溫度等制備工藝參數對凝膠態煙油持液力、透光率及凝膠時間的影響，最終確定制備凝膠態煙油的合理工藝參數優化范圍為明膠含量2%～6%、反應時間3 h～5 h、加熱溫度80℃～100℃。各因素對凝膠時間的影響程度依次為明膠含量＞加熱溫度＞反應時間。

（2）通過響應面優化實驗得到最佳工藝條件為：明膠含量為5.93%、加熱溫度為80℃、反應時間為4.16 h，對應凝膠時間預測值為1.95 h。驗證實驗表明，在此工藝條件下的凝膠時間為1.9 h，說明該模型具有較好的適用性。

（3）對制備的凝膠態煙油進行了應用效果評價，在35℃～250℃范圍內明膠具有較好的熱穩定性，煙油中主要成分的霧化基本完全。與液體煙油相比，凝膠態煙油在煙彈中儲存和抽吸時均表現出良好的防滲漏效果，且感官質量無明顯差異。

通過上述研究發現所制備的基于明膠的凝膠態煙油在電子煙中具有良好的應用前景。