地理氣候因素對卷煙煙氣氣溶膠的影響

關 斌，葉 茵，劉德祥，李 強，徐淑浩，李慕顏，陳 杰，張 霞

（1.紅云紅河煙草（集團）有限責任公司 紅河卷煙廠，云南 彌勒652399；2.新疆維吾爾自治區煙草質量監督檢測站，新疆烏魯木齊830026）

卷煙燃吸時產生的煙氣是一個不斷變化的氣溶膠體系，由粒相物和氣相物2個部分組成[1]。一般來說，在室溫下能通過劍橋濾片的煙氣部分稱為氣相物質。氣相物質占煙氣總量的92%左右，其中空氣和氮氣約占73%，還包括了碳氫化合物、有機物的蒸汽、氮氧化合物等；另一方面，能夠被劍橋濾片截流的部分稱為粒相物質。粒相物質占煙氣總量的8%左右，主要有水分、包括煙堿的煙草植物堿和焦油等。

1 卷煙煙氣氣溶膠的形成

1.1 煙氣氣溶膠的概述

卷煙煙氣氣溶膠是一個十分復雜的三相體系，由固、液和氣三相構成，每一相都是混合物，也就是說，氣相是由多種氣體構成的；液相和固相也分別是由多種物質構成的混合物，共同組成粒相。無論是氣相，還是粒相均以分散的形式存在于氣體介質中，所以稱之為煙氣氣溶膠。

1.2 煙氣氣溶膠的形成機理

1.2.1 主流煙氣（MS）氣溶膠的形成機理

（1）冷凝作用。發生在煙絲上的冷凝作用。主流煙氣進入低溫冷凝區后，被稀釋空氣冷卻，或者被較冷的煙絲冷卻，煙氣中的高沸點、低揮發物質在煙絲上冷卻，從氣態轉化為液態形成氣溶膠的微粒。

（2）晶核作用。發生在固體顆粒上的冷凝作用叫做晶核作用。高溫燃燒過程會使一些物質以固體顆粒的形式直接進入煙氣氣流中，這些固體顆粒就形成了煙氣的冷凝核心（又叫晶核）[2]。

（3）聚合作用。在高溫的條件下，若干個小分子物質之間相互聚合形成更大分子量的大分子物質的反應。未飽和有機物和苯系物的苯環較容易發生聚合作用，苯系物聚合后形成稠環芳烴[3]。

1.2.2 側流煙氣（SS）氣溶膠的形成機理

測流煙氣氣溶膠的微粒來源于熱解蒸餾區中形成的濃聚蒸汽，這些蒸汽自燃燒錐從局部被蝕解的卷煙紙通過，并向煙支的外部擴散。蒸汽一經離開燃燒錐溫度就會驟降，與稀釋共同作用，冷凝形成測流煙氣氣溶膠中的微粒成分。

1.3 煙氣氣溶膠的組成

卷煙煙氣氣溶膠包括氣相和粒相2個部分，其中粒相又包括固態顆粒和液態顆粒。

如果單支卷煙（無過濾嘴卷煙）所產生的主流煙氣中質量為500 mg左右，則其中氣相部分占比為95.5%（質量百分比，下同），粒相部分占比4.5%（又有相關資料顯示：氣相部分占92%，粒相部分占8%，無論如何，相同結論為氣相部分占絕大多數，而粒相部分僅占一小部分）。氣相部分中來自大氣的氣態物質又占絕大比例，非大氣來源的氣態物質僅占13.5%左右，這其中絕大部分是CO2和H2O，只有一小部分是需要分析研究的，這一小部分約占全部主流煙氣的1.35%。主流煙氣中占比4.5%的粒相部分中含有一部分水分，除去水分后的干粒相物占主流煙氣的3.78%左右，也就是說，去除水分、CO2和來自大氣的物質成分，由煙草產生的氣相和粒相組分之和僅占全部煙氣組分的5.13%左右，這一部分所占比例雖然很小，但卻是煙草科技研究的重要對象[1]。

（1）粒相部分。稱為總粒相物（TPM），有的資料也叫中凝聚物或卷煙氣冷凝物。主要包括焦油、煙堿和水分。

焦油（TAR）：指減去煙堿和水分質量的總粒相物質量（不含煙堿的干粒相物），其表達公式為：TAR=TPM-水分-煙堿。

水分（H2O，以質量計算的含水量）：煙草加熱燃燒時，粒相中的水分包括本身揮發出的自由態和結合態水；氧化和裂解反應生成的水，以及來自于大氣中的水蒸氣等。

煙堿（Nicotine）：是普遍存在于茄屬植物中的植物堿，在煙草中占植物堿總量達到95%以上，是煙氣的重要組分。粒相中煙堿是煙草燃燒時通過熱解和蒸餾與其他揮發性氣態物質分散到氣溶膠中的。

（2）氣相部分。除了煙草燃燒時產生的氣態分子外，還包括煙草受熱直接揮發的物質，以及來自于空氣的一些氣體和水蒸氣。

煙氣氣溶膠中的總粒相物、水分、煙堿和CO等都可以通過檢測儀器按照標準方法測定出來。而焦油釋放量則是通過計算得到的指標含量。

2 卷煙煙氣氣溶膠的物理特性

2.1 微粒大小

主流煙氣中的微粒直徑為200～600 nm；測流煙氣中的微粒直徑為80～1 000 nm，而一般意義上的膠體粒徑為1～100 nm，所以煙氣氣溶膠的微粒比膠體微粒略大一些。

前人運用多種檢測方法對煙氣氣溶膠中的微粒粒徑進行了測定。

不同方法測定的煙氣氣溶膠中微粒粒徑大小見表1。

從表1可以看出，不同檢測方法的試驗結果不盡相同，這與試驗條件密切相關，如參與試驗的煙草類型、煙支的規格、抽吸方法條件和測定方法，以及氣溶膠的稀釋的程度和處理時間的長短等。

表1 不同方法測定的煙氣氣溶膠中微粒粒徑大小

2.2 粒數濃度

卷煙煙氣氣溶膠是個高濃度氣溶膠體系，平均粒數濃度達到1.33×1010個/cm3，相鄰2個微粒的間距僅為4 200 nm左右（大約相當于20個微粒的直徑），卷煙煙氣氣溶膠的粒數濃度比一般的其他氣溶膠都要高。

2.3 微粒電荷

煙氣氣溶膠的微粒是輕度帶電荷的，在這些帶電微粒中，大多數僅帶一個電荷，只有極少數帶有兩個或多個電荷。某些研究發現，約有一半的微粒帶正電，一半的微粒帶負電，故總體呈現電中性。據推測，微粒帶電可能會影響其生物活性。

3 地理氣候因素對卷煙煙氣氣溶膠，及其焦油釋放量的影響

對于同一支卷煙，在不同的地方，即使同一個人抽吸，其感官質量可能也會不同。當煙氣的感官質量（即產品功能）有差異時，應該是產生煙氣的系統要素（化學組分）和結構（煙氣氣溶膠的微粒大小及其分布）發生了改變所致。隨著抽吸地點的不同，也就是大氣溫度、濕度、煙氣、含氧量和氧分壓，包括pH值等因素的改變，卷煙的抽吸質量也發生一定的變化，這些因素統稱為地理氣候因素[1]。

3.1 溫度對卷煙煙氣氣溶膠及其焦油釋放量的影響

隨著地方、季節和晝夜的更替和轉換，大氣溫度的變化范圍相對較大，如在我國東北地區和新疆地區冬天溫度會經常出現-40℃以下，而南方有些地區夏天又經常出現40℃左右的氣溫，在這80℃左右的溫度變化過程中，煙氣氣溶膠微粒大小和分布將會發生改變。

卷煙煙氣氣溶膠是個高度分散和不均勻體系，其固有的布朗運動（Brownian Motion）會使煙氣氣溶膠形成后產生熱動凝并現象，隨著氣溶膠微粒的凝并，其粒徑越來越大。因此，在地理氣候因素中，隨著溫度的升高，煙氣氣溶膠發生凝并作用的速度加快，煙氣氣溶膠的平均粒徑變大，煙氣變粗，感官質量會受到相應的影響。

當煙氣氣溶膠通過煙條時，隨著氣溶膠微粒粒徑的增大，凝結在煙絲上數量將會增加。隨后，通過纖維濾嘴時，過濾效率也會增加，即煙氣氣溶膠的截留量增加。當空氣溫度升高，煙草燃燒應較完全些，即粒相物總量應該下降，這種粒徑變大的煙氣氣溶膠從過濾嘴吸出后焦油釋放量就減少，煙支主流煙氣的焦油量表現為下降。

3.2 大氣壓強、氧含量和氧分壓對卷煙煙氣氣溶膠及其焦油釋放量的影響

隨著晝夜、季節、海拔高度和地點的不同和變化，大氣壓強和氧含量，包括氧分壓等也發生較大的變化。例如，我國的華東地區就比西藏的大氣壓強和氧含量高得多。隨著大氣壓強的變化，煙氣氣溶膠微粒的大小和分布也將發生改變。

伴隨著大氣壓強的增加（與標準大氣壓相比），煙氣氣溶膠的布朗運動加快，其凝并作用也加快，煙氣氣溶膠的平均粒徑增大，煙氣變粗；反之，隨著大氣壓強的變小（與標準大氣壓強相比），煙氣氣溶膠的布朗運動變緩，其凝并作用也減慢，煙氣氣溶膠的平均粒徑減小，煙氣變細。

當這些或大或小的煙氣氣溶膠微粒通過纖維過濾嘴時，都會被過濾嘴截留過濾：這些大小不同的煙氣氣溶膠微粒優先被纖維濾嘴截留（見圖1），若大氣壓強發生改變，而氧分壓不變，由于燃燒與氧含量有關，其產生的煙氣量一般來說與空氣壓強無關（即受空氣壓強影響不大），這樣理論上產生的初始煙氣粒相物可以認為不變。當其通過纖維濾嘴后，其主流煙氣焦油釋放量就會減少（無論大氣壓強與標準大氣壓比是高還是低）。但是，這僅是假設在大氣壓強發生改變，而氧分壓不變時理論上的結論。實際情況是大氣壓強發生變化時，氧分壓也會隨之發生改變。

纖維過濾嘴的過濾效率（E）與煙氣氣溶膠微粒大小（D）的關系見圖1。

圖1 纖維過濾嘴的過濾效率（E）與煙氣氣溶膠微粒大小（D）的關系圖

當大氣壓強不變時，隨著氧含量的增加，煙草能夠得到更完全的燃燒，其初始煙氣顆粒物減少，而凝并作用的速率不變，這時煙氣氣溶膠微粒大小及分布不會發生變化，其在纖維濾嘴上的截留量不變，故主流煙氣的焦油釋放量就會減少；相反，當大氣壓強不變，隨著氧含量的降低，煙草燃燒不完全程度就增大，其初始煙氣粒相物隨之增加，主流煙氣的焦油釋放量就會增加。

一般來說，大氣壓強增加，氧含量也增加，反之亦然。隨著大氣壓強和氧含量的同時增大，一方面初始煙氣粒相物減少；另一方面煙氣氣溶膠微粒變大，在纖維濾棒上截留量增大，主流煙氣焦油釋放量減少。隨著大氣壓強和氧分量的降低，一方面初始煙氣粒相物增加；另一方面煙氣氣溶膠微粒變小，但纖維濾嘴上的截留量在增大，主流煙氣釋放量的大小就要取決于上述2個方面的增加程度大小的共同作用。一般而言，大氣壓強降低一個單位，氧分壓降低0.23個單位，也就是說，氧分壓引起的變化程度較大氣壓強引起的變化程度要小，初始煙氣粒相物增加沒有纖維濾嘴截留量增加得快，故隨著大氣壓強和氧分壓的降低，主流煙氣焦油釋放量一般情況下也有一定程度的降低。大氣壓強影響卷煙煙氣的另一個因素為燃燒速率，隨著大氣壓強和氧分壓的降低，煙草的燃燒速率也降低，每口燃吸時消耗的煙絲質量也會降低，每口釋放的焦油量也相應降低。

在探討大氣壓強的影響時，還要考慮卷煙輔材透氣度和卷煙本身通風率因素。隨著大氣壓強降低，卷煙輔材的透氣度升高，煙條通風率增加，導致煙氣氣溶膠通過煙條時稀釋效率增大，煙支和濾嘴對主流煙氣焦油的過濾效率均升高。而氣溶膠氣相部分中的一氧化碳傳遞過程中除了稀釋率增大外，向煙條外的擴散作用也提高，故從過濾嘴吸出的焦油釋放量和一氧化碳濃度均降低。

通過上面的介紹了解到，大氣壓強、氧含量和氧分壓等在多重因素的共同作用下，對卷煙煙氣氣溶膠有較大的影響，其中主流煙氣焦油釋放量與大氣壓強存在正相關關系。

3.3 空氣濕度和pH值對卷煙煙氣氣溶膠及其焦油釋放量的影響

隨著天氣和地點的改變和不同，空氣濕度和pH值有很大的差異。如我國干燥的西部地區和梅雨季節的江南地區，其空氣濕度相差巨大。隨著空氣濕度和pH值改變，煙氣氣溶膠微粒的大小和分布也將發生改變，相應地會影響到焦油的釋放量大小。

隨著空氣濕度（與常規空氣濕度相比）的增加，由于水蒸氣能引起煙氣氣溶膠的快速凝并作用，使得煙氣氣溶膠微粒變大較多，煙氣變粗。當這些增大較多的煙氣氣溶膠微粒通過纖維濾嘴時，過濾效率也將增加較多，截留量大大增加，主流煙氣焦油釋放量下降。但是，由于主流煙氣的相對濕度為60%～70%。因此，有研究顯示在相對濕度低于90%時，煙氣氣溶膠微粒的粒徑幾乎沒有增大；當相對濕度高于90%時，微粒的粒徑迅速增大；相對濕度為99.5%時，微粒的粒徑增加1倍，這些研究的重要之處在于人體呼吸道的相對濕度據估計高達99.5%。通常情況下，煙氣氣溶膠微粒的粒徑增大是一個復雜歷程，與微粒所在的氣相環境和化學組分均密切相關。Schneider W等人[2]的研究推算出由于揮發性化學組分，尤其是水的存在，煙氣氣溶膠中的微粒在數毫秒內，將發生顯著的濃度增加和降低，而這兩種歷程都會影響微粒粒徑的增大。

隨著空氣pH值（與常規空氣pH值為7時比較）較大幅度的下降，由于引起空氣pH值下降的物質是空氣中酸性物質，如硫酸霧、亞硫酸霧、硝酸霧及亞硝酸霧等，這些物質的增加同樣會引起煙氣氣溶膠粒子的快速凝并，使煙氣氣溶膠微粒變大，煙氣變粗、變淡。當這些變大的氣溶膠微粒通過纖維濾嘴時，由于過濾效率的增加使得截留量增加，表現為主流煙氣焦油釋放量也下降。

4 結論

（1）卷煙煙氣氣溶膠是由固、液和氣三相構成混合物體系，含有大小不一、分布不均的微粒，由粒相物和氣相物2個部分組成。

（2）隨著空氣溫度的升高，卷煙抽吸時主流煙氣的焦油釋放量下降。

（3）隨著大氣壓強的下降，主流煙氣焦油釋放量一般情況下也有一定程度的降低。

（4）隨著空氣濕度相對濕度的增加和空氣pH值的下降，主流煙氣焦油釋放量也下降。