加熱溫度對加熱卷煙氣溶膠物理特性的影響

崔華鵬，陳 黎，樊美娟，陳滿堂，劉瑞紅，秦亞瓊，郭軍偉，尤俊衡，劉志華，司曉喜*，劉紹鋒*

1.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 2.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

加熱卷煙是通過加熱元件對煙草材料進行低溫加熱，以產生氣溶膠供消費者抽吸的一種新型煙草制品，其以有害成分釋放量低的優勢，近年來得到了快速的發展［1-4］。多種加熱方式中，內芯電加熱是主流加熱卷煙產品加熱方式，通常是將加熱片或加熱針置于煙芯內部，由內至外地對煙草基質進行加熱，以完成煙草成分的釋放和氣溶膠的形成［5-7］。氣溶膠的物理特性，如粒數濃度、體積濃度、粒徑分布等是加熱卷煙煙氣的重要表征參數，能夠反映加熱卷煙煙霧量及其釋放穩定性等質量指標［8-9］，因此，表征及研究加熱卷煙氣溶膠的物理特性及其影響因素具有重要意義。司曉喜等［9］采用靜電遷移法測定了兩種抽吸模式下加熱卷煙氣溶膠的粒徑分布，并與卷煙煙氣氣溶膠進行了對比分析，發現加熱卷煙氣溶膠粒徑明顯小于卷煙，氣溶膠粒數濃度的逐口變化趨勢也與卷煙存在差異。加熱卷煙氣溶膠的形成由煙芯材料、霧化劑、加熱溫度和煙支結構等多因素決定［10］，而加熱溫度是影響加熱卷煙氣溶膠形成的關鍵因素［7，10-11］。研究表明，當加熱溫度較低時（＜150℃），煙草基質中的低沸點成分蒸餾揮發；當溫度較高時，半揮發成分蒸餾揮發，進而伴隨碳水化合物的分解以及高沸點成分的釋放［10］，而煙草基質釋放成分的種類和釋放量直接影響氣溶膠的形成過程，進而影響最終形成的氣溶膠的物理特性。目前，關于加熱溫度對加熱卷煙氣溶膠釋放特性的影響已有相關報道［7，10-13］，鄭緒東等［12］研究了不同加熱溫度下加熱卷煙氣溶膠釋放特性，表明隨加熱溫度的升高，加熱卷煙氣溶膠的煙堿、霧化劑及粒相物均呈先增加后保持穩定的趨勢。此外，朱浩等［13］考察了加熱溫度對加熱卷煙煙熏香成分釋放的影響。然而，加熱溫度對加熱卷煙氣溶膠物理特性影響的研究鮮見報道。因此，設計了不同加熱溫度的加熱器具并與煙支配套使用，基于電遷移粒徑分析方法［14-16］，研究了不同加熱溫度條件下加熱卷煙氣溶膠的物理特性，分析了氣溶膠物理特性的逐口變化規律，旨在為加熱卷煙產品加熱溫度的優化設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

中心加熱型加熱卷煙產品（云南中煙工業有限責任公司）；煙草材料段為煙草原味的稠漿造紙法再造煙葉，煙支規格為長度45 mm（13 mm煙草材料段+6 mm支撐段+18 mm聚乳酸降溫段+8 mm濾嘴段）、圓周22.60 mm，煙草材料段采用切絲、有序聚攏制備成型，復合濾棒段采用三元濾棒復合成型，煙支經復合濾棒和煙草段搓接制備成型。

SCS-DMS 500系統（英國Cambustion公司）由SCS模擬循環吸煙機和DMS 500快速粒徑譜儀構成，SCS用于對煙支進行特定模式的抽吸，DMS 500用于在線測試抽吸所產生氣溶膠的物理特性。

自制加熱溫度分別為200、250、300、320、350、380℃的針式中心加熱煙具（云南中煙工業有限責任公司），通過加熱曲線控制提供恒定的加熱溫度，煙具溫度經測試波動小于±5℃。

1.2 方法

1.2.1 SCS-DMS 500測試條件的選擇

在前期研究的基礎上［8］，設置SCS-DMS 500系統的相關參數。SCS對煙支的抽吸設定為HCI抽吸模式，即抽吸容量為55 mL、抽吸持續時間為2 s、抽吸間隔為30 s，設定抽吸口數為13口。DMS 500系統的采樣流量設置為25.0 L/min，二級稀釋比設置為200∶1。

1.2.2 氣溶膠測試及數據處理方法

挑選煙支單支質量為（0.75±0.02）g的加熱卷煙煙支進行測試實驗。將加熱卷煙與加熱器具配合后，連接于SCS吸嘴并啟動加熱器具加熱，30 s后由SCS對加熱卷煙煙支進行逐口抽吸，產生的氣溶膠經在線稀釋后，被引入DMS 500系統，采集軟件在線測得并計算實時逐口氣溶膠的粒數濃度、體積濃度、粒數中值粒徑、粒徑分布幾何標準偏差等數據。平行測定加熱卷煙樣品5次，每次的抽吸口數為13口，對平行測定數據取平均值，得到加熱卷煙總釋放氣溶膠和逐口釋放氣溶膠的物理特性數據。

2 結果與討論

2.1 加熱卷煙氣溶膠的粒徑分布

本研究中，不同加熱溫度條件下，加熱卷煙氣溶膠的粒徑分布基本一致。加熱溫度為380℃時，連續抽吸13口加熱卷煙樣品的氣溶膠粒徑分布如圖1所示。可知，逐口氣溶膠的粒徑分布呈近似對數正態分布，粒徑主要分布在10～300 nm范圍內，最大粒數濃度的粒徑集中于40～90 nm的范圍內，對應于不同抽吸口數序號的氣溶膠的粒徑分布和粒數濃度均有差異，這表明加熱卷煙逐口氣溶膠的不穩定性，也反映了加熱卷煙每口氣溶膠中煙草成分的種類和量有所不同。

圖1 加熱溫度為380℃時加熱卷煙樣品氣溶膠的逐口粒徑分布Fig.1 Puff-by-puff particle size distribution of aerosol from heated tobacco product at 380℃

2.2 加熱卷煙總釋放氣溶膠的物理特性

不同加熱溫度條件下加熱卷煙總釋放氣溶膠的粒數濃度和體積濃度如圖2所示。可知，氣溶膠的粒數濃度和體積濃度均隨加熱溫度的升高而增大。在200℃時，加熱卷煙氣溶膠的粒數濃度僅為2.8×108個/cm3，體積濃度僅為3.4×103μm3/cm3，這說明該加熱溫度僅能使煙草基質中少量的低沸點成分釋放，并在抽吸降溫過程中凝聚成核，形成氣溶膠。隨加熱溫度的升高，總釋放氣溶膠的粒數濃度和體積濃度明顯升高，在380℃時，加熱卷煙氣溶膠的粒數濃度為6.4×109個/cm3，體積濃度達到2.4×105μm3/cm3。煙草基質受熱釋放的成分與氣溶膠的形成密切相關，較高的加熱溫度可增加煙草成分的釋放量，從而形成粒數濃度和體積濃度均較高的氣溶膠［17］。

圖2 不同加熱溫度加熱卷煙總釋放氣溶膠的粒數濃度和體積濃度Fig.2 Particle number concentration and particle volume concentration of total aerosol from heated tobacco product at different heating temperatures

氣溶膠粒徑分布方面，加熱卷煙總釋放氣溶膠的粒數中值粒徑和幾何標準偏差如圖3所示。氣溶膠的粒數中值粒徑隨加熱溫度的升高呈增大趨勢，在200～380℃范圍內，氣溶膠的粒數中值粒徑由25.5 nm增大至65.1 nm，這是因為氣溶膠是煙草基質釋放成分經分子成簇、成核、冷凝及凝結等作用而形成，其粒徑主要與煙草基質釋放成分的種類有關。有研究表明，當加熱溫度＜150℃時，煙草吸附水和低沸點揮發性化合物蒸餾揮發；在150～210℃時，還原糖熱降解和中等揮發性化合物蒸餾揮發；210～350℃，碳水化合物分解、高沸點化合物和結合態水蒸餾揮發；350～550℃，殘留物進一步裂解和炭化［10］。因此，當加熱溫度較低時，煙草基質釋放成分主要以水分等低沸點成分為主，而低沸點成分在氣溶膠形成過程中的成核和冷凝速率相對較低，從而使形成的氣溶膠粒徑較小；當加熱溫度較高時，煙草基質中的高沸點成分開始釋放，也會出現單糖、半纖維素、纖維素、果膠等的熱解行為，高沸點成分的氣溶膠成核和冷凝速率相對較高，有利于形成大粒徑的氣溶膠。粒徑分布的幾何標準偏差隨加熱溫度的升高呈先增大后降低的趨勢，但整體上差異不大，主要集中在1.80～1.86的范圍內。幾何標準偏差反映了氣溶膠粒徑分布的展寬［18］，可能與煙草基質釋放成分的組成比例有關。

圖3 不同加熱溫度加熱卷煙總釋放氣溶膠的粒數中值粒徑和幾何標準偏差Fig.3 Count median diameters and geometric standard deviations of total aerosol from heated tobacco product at different heating temperatures

2.3 加熱卷煙逐口釋放氣溶膠的物理特性

不同加熱溫度條件下加熱卷煙逐口釋放氣溶膠的粒數濃度和體積濃度如圖4所示。可知，整體上，逐口氣溶膠的粒數濃度隨加熱溫度的升高呈增大趨勢，各加熱溫度條件下氣溶膠粒數濃度的逐口變化趨勢較為接近，基本上表現出先升高，后降低，再升高，最后降低的趨勢，380℃時的最高粒數濃度為9.2×109個/cm3；體積濃度隨抽吸口數序號的增大基本上呈現出先升高后降低的趨勢，380℃時的最高體積濃度達到4.8×105μm3/cm3。分析認為，在加熱初始階段，煙草基質由于溫度整體較低，釋放的成分主要以低沸點成分為主；在加熱后期階段，大部分煙草基質處于相對較高溫度，少部分煙草基質處于較低溫度，釋放成分的沸點范圍跨度較大。在抽吸第1口時，由于煙草基質的受熱時間相對較短（約30 s），主要以釋放低沸點成分為主，釋放量也較小，形成的氣溶膠數量較少，體積濃度也較低。當持續加熱（抽吸第2口）時，整個煙芯的溫度升高，煙草基質釋放成分的量有所增加［13，19-20］，氣溶膠的數量和體積濃度增加。在之后的加熱過程中，低沸點成分的釋放量逐漸減小，但部分高溫區域的煙草基質開始釋放高沸點成分，使形成氣溶膠的粒徑有增大的趨勢，從而有利于增大氣溶膠的體積濃度，該過程中低沸點成分與高沸點成分釋放量的不同趨勢，共同決定了形成氣溶膠的粒數濃度和體積濃度。最后階段，煙草基質在平衡熱狀態下所能釋放的成分逐漸減少［19-20］，從而使氣溶膠的粒數濃度和體積濃度均出現下降的趨勢。

圖4 不同加熱溫度加熱卷煙逐口氣溶膠的粒數濃度和體積濃度Fig.4 Particle number concentration and particle volume concentration of puff-by-puff aerosol from heated tobacco product at different heating temperatures

隨加熱溫度升高，氣溶膠粒徑逐口變化規律呈現不同的趨勢（圖5）。在350℃條件下，粒數中值粒徑整體上隨抽吸口數序號的增大呈升高趨勢，這是因為隨加熱的持續進行，整個煙草基質的溫度持續升高，霧化劑開始釋放；伴隨碳水化合物的分解，高沸點成分逐漸釋放，有利于形成大粒徑的氣溶膠。在380℃條件下，粒數中值粒徑隨抽吸口數序號的增大呈先升高后降低的趨勢，這是因為氣溶膠的粒徑不僅與成分的沸點有關，還與成分的釋放量有關。當釋放量高時，氣溶膠易發生凝聚而使粒徑增大，380℃下煙草基質的高沸點成分在第5口抽吸時已達到較高的釋放量，形成的氣溶膠粒徑較大，最大粒數中值粒徑為79 nm；而在后續幾口抽吸時其釋放量逐漸降低，氣溶膠粒徑減小。在200和250℃下，煙草基質中僅有低沸點成分釋放，形成的氣溶膠粒徑整體較小（20～40 nm），其中，第3、第4口的低沸點成分的釋放量較高，氣溶膠的粒徑（35～45 nm）較大。不同加熱溫度條件下，氣溶膠粒徑分布的幾何標準偏差隨抽吸口數序號的增大整體上均呈現出先增加后降低的趨勢，其中，最大幾何標準偏差主要集中在第4至第7口，約為2.0；而前幾口和后幾口的幾何標準偏差則相對較小。分析后認為，加熱卷煙前幾口氣溶膠成分以低沸點為主，后幾口氣溶膠成分以高沸點為主，形成的氣溶膠粒徑較為接近，使粒徑分布的幾何標準偏差較小；而第4至第7口氣溶膠中低沸點成分和高沸點成分的釋放量比例可能較為接近，由于不同沸點成分形成氣溶膠的粒徑不同，會增加氣溶膠粒徑分布的展寬，增大粒徑分布的幾何標準偏差。

圖5 不同加熱溫度加熱卷煙逐口氣溶膠的粒數中值粒徑和幾何標準偏差Fig.5 Count median diameters and geometric standard deviations of puff-by-puff aerosol from heated tobacco product at different heating temperatures

3 結論

①加熱卷煙氣溶膠的粒數濃度、體積濃度和粒數中值粒徑均隨加熱溫度的升高而增大，幾何標準偏差隨加熱溫度的升高呈先增大后降低的變化趨勢。②逐口氣溶膠粒數濃度隨抽吸口數呈先升高、后降低、再升高、最后降低的變化趨勢，體積濃度和幾何標準偏差整體上隨抽吸口數呈先增大后降低的變化趨勢。③不同加熱溫度逐口氣溶膠粒數中值粒徑的逐口變化規律差異較大。