不同煙支長度對加熱卷煙煙氣主要成分逐口釋放量的影響

吳金鳳 張燕 高嶧涵 齊延鵬 盧樂華 汪長國 肖克毅

摘要 為了研究不同煙支長度對加熱卷煙煙氣主要成分逐口釋放量的影響，以煙支長度分別為60、66和72 mm的樣品為研究對象，設置相同的加熱曲線參數進行抽吸，測定了加熱卷煙逐口動態吸阻和主流煙氣氣溶膠捕集量（ACM）以及煙堿、甘油、水分的逐口釋放量，分析了單支逐口煙氣釋放量均值及相對標準偏差（RSD），并研究了其對主流煙氣中煙堿、甘油和水分轉移率以及單位質量煙草釋放量的影響。結果表明：隨著煙支長度的增加，煙支同口序逐口抽吸動態吸阻增大；逐口煙氣主要成分釋放穩定性遞增，煙氣中的ACM、煙堿和水分釋放量遞增，煙支長度66 mm卷煙的甘油釋放量最低，煙支長度72 mm卷煙最高。隨著煙支長度的增加，煙堿和水分在卷煙煙氣中的轉移率下降，煙支長度66 mm卷煙的甘油轉移率最低。當煙草段長度為30～42 mm時，不同煙支長度加熱卷煙逐口煙氣中ACM、煙堿、甘油及水分釋放趨勢基本一致。

關鍵詞 加熱卷煙；煙支長度；煙草段；逐口釋放

中圖分類號 TS 41+1? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）07-0200-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.046

Effects of Different Rod Length on the Puff-by-puff Release Amount of Main Smoke Components from Heated Cigarettes

WU Jin-feng1， ZHANG Yan2， GAO Yi-han3 et al

（1.Technology Center， China Tobacco Chongqing Industrial Co.， Ltd.， Chongqing 400060;2.Yunnan Tobacco Quality Supervision and Inspection Station， Kunming，Yunnan? 650106;3. Shanghai New Tobacco Product Research Institute， Shanghai 201315）

Abstract In order to investigate the effects of different rod length on the puff-by-puff release amount of main smoke components from heated cigarettes， the heated cigarette samples with the rod length of 60， 66 and 72 mm were used as research objectives， the same heating curve parameters were set for smoking. The puff-by-puff dynamic suction resistance， aerosol? collection mass（ACM） and the puff-by-puff release amount of nicotine， glycerin and water in the mainstream smoke of heated cigarettes were measured， and the average values and RSD of puff-by-puff release amount per smoke were analyzed. And the effects of different rod length on the transfer rate of nicotine， glycerin， water and tobacco release per unit mass in mainstream smoke were also studied. The results showed that the dynamic suction resistance of the heated cigarettes increased with the increase of rod length. With the increase of rod length， the puff-by-puff release’s stability of main smoke components increased， ACM， the release amount of nicotine and water in the smoke increased. The release amount of glycerin in the heated cigarettes with the rod length of 66 mm was the lowest， and that in the heated cigarettes with the rod length of 72 mm was the highest. The transfer rates of nicotine and water in the smoke of the heated cigarettes decreased with the increase of rod length， the transfer rate of glycerin in the heated cigarettes with the rod length of 66 mm was the lowest. In the tobacco part length range of 30-42 mm， the puff-by-puff release trends of ACM， nicotine， glycerin and water in the main smoke of the heated cigarettes with different rod length were basically similar.

Key words Heated cigarettes;Rod length;Tobacco part;Puff-by-puff release

基金項目 國家煙草專賣局科技重點研發項目（110202102047）；重慶中煙工業有限責任公司2020年科研項目（HX202001）。

作者簡介 吳金鳳（1982—），女，重慶人，工程師，博士，從事新型煙草制品研究。

通信作者，研究員，碩士，從事煙草、煙氣化學和生物技術應用研究。

收稿日期 2022-05-19；修回日期 2022-06-21

加熱卷煙是新型煙草制品的重要類型。與傳統卷煙點燃抽吸不同，加熱卷煙利用外部熱源加熱煙草材料釋放煙氣。受加熱溫度、煙芯材料、嘴棒結構等因素的影響，加熱卷煙逐口煙氣釋放及其穩定性一直是加熱卷煙研究的重點和難點。國內很多學者以加熱卷煙為研究對象，采用劍橋濾片捕集的方法研究了抽吸模式［1］、環境濕度［2］、加熱溫度［3-4］、濾棒結構［5］對煙氣釋放的影響。王珂清等［6］、何紅梅等［7］對不同品牌中心加熱卷煙煙氣逐口釋放行為特征進行了分析。龔淑果等［8］以加熱卷煙iQOS和GLO為研究對象，考察了加熱卷煙煙氣中主要成分逐口釋放量的變化。王樂等［9-10］以iQOS電加熱卷煙加熱器具和配套煙支為試驗對象，研究了電加熱卷煙煙芯段溫度分布和煙氣關鍵成分逐口變化，建立了電加熱卷煙煙芯材料關鍵成分傳熱傳質數學模型。目前，煙支規格對煙氣釋放的影響主要在傳統卷煙領域［11-15］，對加熱卷煙逐口煙氣釋放的影響研究鮮有報道。加熱卷煙煙草段長度的設計對于加熱卷煙制造降本增效具有重要意義。筆者以細支周向加熱卷煙為研究對象，考察不同煙支長度對加熱卷煙煙氣逐口釋放的影響，分析逐口釋放量變化趨勢，旨在為加熱卷煙的煙支長度設計及優化提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

1.1.1 試驗材料。

圓周17 mm，煙支長度分別為60、66和72 mm的3種加熱卷煙，由重慶中煙工業有限責任公司生產制樣，嘴棒長度30 mm，嘴棒打孔位置距離唇端15 mm。劍橋濾片（44 mm，美國GE公司）。

1.1.2 主要試劑。異丙醇（色譜純，RCI? Labscan）；1，2-丙二醇和丙三醇，純度≥99.5%；1，4-丁二醇，純度≥99%，購自Sigma-Aldrich公司；煙堿（上海安譜科技有限公司）。

1.1.3 主要儀器。

周向電加熱煙具（自制）；ACCS100加熱不燃燒卷煙裁切儀（合肥眾沃儀器技術有限公司）；X500E新型煙草專用吸煙機（上海帕夫曼自動化儀器有限公司）；56X綜合測試臺（法國SODIM公司）；7890B氣相色譜儀（配備FID和TCD檢測器，美國Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備。

為保持煙支前后密度一致，采用全緊頭平準器卷制加熱卷煙樣品，在平均質量±0.03 g的范圍內挑選煙支樣品，利用離線裁切儀將同款煙支分別裁切成60、66和72 mm 3個規格，分別編號為HTP-1、HTP-2和HTP-3。

1.2.2 煙具設計。

3個長度規格的加熱卷煙均采用加熱腔長度42 mm的周向兩段式電加熱煙具。為避免前幾口煙氣溫度過高，減緩后幾口煙氣釋放量的衰減，第1段和第2段加熱區域分段比例應不大于1∶1。加熱腔分段區域及兩段式加熱溫度曲線見圖1。全尺寸加熱腔體適配72 mm煙支，在適配長度60和66 mm煙支時，分別使用長度12和6 mm的紙質空管置于加熱腔下部，縮短加熱腔長度，滿足3種不同規格的煙支在相同加熱曲線下抽吸。第1段預熱溫度245 ℃，預熱時間42 s；第1段加熱溫度235 ℃，保溫70 s，112 s時停止對第1段加熱的同時第2段加熱段達到預設溫度235 ℃，并保溫100 s。

1.2.3 逐口動態吸阻測定。

使用單通道吸阻儀測定逐口動態吸阻［16］，將加熱卷煙放入煙具，煙支在煙具中未加熱時測定的吸阻為初始吸阻，煙支在煙具中達到預熱溫度后打開單通道吸阻儀開始抽吸，抽吸口數為7口，抽吸容量55 mL，每次抽吸持續2 s，抽吸間隔30 s，記錄煙支實時動態吸阻。每組樣品隨機選取5個樣品進行測試，取平均值。

1.2.4 化學成分測定。

加熱卷煙原料及煙氣主要化學指標分析包括煙堿、甘油、水分和煙氣氣溶膠捕集量（aerosol collection mass，ACM）。采用CORESTA推薦的62號、60號、57號方法［17-19］測定加熱卷煙原料中的煙堿、甘油、水分含量。按照ISO 20778的方法［20］確定煙氣抽吸參數：抽吸容量55 mL，抽吸時間2 s，抽吸間隔30 s，采用鐘形流量圖。使用CORESTA推薦的84號方法［21］測定煙氣中煙堿、甘油和水分含量，煙具觸發時長2 s，預熱等待時長42 s，抽吸口數7口。

1.2.5 數據處理。

使用SPSS軟件對測定數據進行統計分析。3種煙支長度加熱卷煙煙草原料中煙堿、甘油和水分在氣溶膠中的轉移率按以下公式計算：

T=m1/m0×100%（1）

式中，m0為單支煙草原料中煙堿、甘油或水分的含量，單位為mg/支；m1為氣溶膠中煙堿、甘油或水分的含量，單位為mg/支。

2 結果與分析

2.1 不同煙支長度對加熱卷煙逐口動態吸阻的影響

考察了3種加熱卷煙在加熱抽吸狀態下的動態吸阻，結果見圖2。從圖2可以看出，3種加熱卷煙逐口動態吸阻變化趨勢基本一致。不同長度煙支在加熱抽吸過程中的逐口動態吸阻均高于初始未加熱時的吸阻，動態吸阻均值比初始吸阻高255～350 Pa。煙支長度最長的HTP-3樣品動態吸阻較HTP-1、HTP-2樣品第1口增幅較大，可見煙草段增長會增加同口序動態吸阻。在加熱抽吸7口過程中，第1口吸阻最大，第4口較第3口略高，此后處于相對平穩的下降趨勢。單因素方差分析表明，3種加熱卷煙煙支逐口動態吸阻存在極顯著差異（P＜0.01），HTP-1與其他2種加熱卷煙動態吸阻的差異顯著高于HTP-2與HTP-3之間的差異，HTP-1、HTP-2和HTP-3加熱卷煙動態吸阻的相對標準偏差（RSD）分別為4.4%、2.9%和3.3%，說明不同煙支長度加熱卷煙逐口動態吸阻穩定性較好。

2.2 不同煙支長度對加熱卷煙煙氣主要成分逐口釋放量的影響

考察了煙支長度分別為60、66和72 mm的加熱卷煙在相同加熱模式和抽吸模式下ACM以及煙堿、甘油和水分的逐口釋放量，結果見表1。由表1可知，隨著煙支長度的增加，加熱卷煙ACM、煙堿和水分的逐口釋放量均逐漸增加，甘油逐口釋放量均值差異不明顯。從逐口釋放量相對標準偏差（RSD）來看，ACM、煙堿、甘油和水分的逐口釋放量RSD均大于30%，表明逐口釋放量差異較大，均為非均勻釋放。隨著煙支長度的增加，煙氣中主要成分逐口釋放量RSD降低，逐口煙氣釋放量均勻性越高。

2.3 煙氣主要成分逐口釋放量變化

分析了3種不同煙支長度加熱卷煙煙氣中ACM以及煙堿、甘油和水分的逐口釋放量，結果見圖3～6。

由圖3可知，3種加熱卷煙釋放的ACM均在第2口達到峰值，此后整體上呈下降趨勢，其中HTP-1的ACM逐口下降最為明顯。不同煙支長度對加熱卷煙第4口后ACM的影響較大。從第3口開始，HTP-3樣品的ACM大于HTP-1和HTP-2樣品；從第4口開始，HTP-2樣品的ACM比HTP-1樣品大。

由圖4可知，不同煙支長度加熱卷煙的煙堿逐口釋放量均在第2口煙堿釋放量達到第1個峰值，隨后煙堿釋放量下降，第3口后再上升，第5口達到第2個峰值，此后再次下降。由于第3口后第2段加熱腔開啟并升溫，第1段加熱腔未冷卻，持續促使第1段煙草物料釋放煙堿，并累積到后序逐口煙氣中，第5口達到第2個峰值，此后隨著第1段加熱腔溫度冷卻，第2段加熱腔加熱的煙草物料隨著加熱過程中煙堿釋放到煙氣中，逐口煙堿釋放量再次下降。這也與兩段式加熱程序的設置相一致。

由圖5可知，HTP-1樣品的甘油釋放量在第2口達到峰值，而HTP-2和HTP-3樣品在第3口達到峰值。3個樣品的逐口甘油釋放量差異不大，雖然煙支長度不同、甘油含量不同，但并不會導致加熱卷煙逐口甘油釋放量存在顯著差異。由此可見，不能單一通過煙草物料的增加來增加甘油釋放量，從而達到提高煙霧量的目的。究其原因，可能是由于甘油沸點較高、揮發性較差，容易被較長氣路截留，煙氣中的甘油釋放量不會隨著煙支長度的增加而增大。

由圖6可知，3種加熱卷煙逐口水分釋放量整體上呈下降趨勢。相較于甘油和煙堿，水的沸點較低、最先釋放，且隨著后續不斷加熱更易釋放。HTP-1樣品第1口水分釋放量最高，且前2口水分釋放量均較HTP-2和HTP-3樣品更多。這也可能與煙支長度不同、氣路截留不同有關。HTP-2樣品的前3口水分釋放量較HTP-1和HTP-3樣品更少，加熱卷煙煙氣發燙主要在前3口出現，因此合理設計加熱卷煙的長度及煙支結構顯得尤為重要。

2.4 不同煙支長度對加熱卷煙煙氣主要成分轉移率的影響

利用3種不同煙支長度加熱卷煙煙氣主要成分釋放量與單支加熱卷煙煙草原料中對應成分含量，按公式（1）計算煙氣各成分轉移率，結果見圖7。

由圖7可知，隨著煙支長度的增加，加熱卷煙煙堿和水分在煙氣中的轉移率隨之降低。HTP-1樣品逐口動態吸阻小、煙氣路徑短，有利于煙草中主要成分的釋放，因此煙氣主要成分轉移率高；隨著煙支長度的增加，可供加熱的煙草原料增加，雖然煙氣釋放總量增加，但煙氣路徑增長導致部分煙氣成分截留，因此HTP-3樣品煙氣中煙堿和水分轉移率最低。從甘油轉移率來看，HTP-2與HTP-3加熱卷煙煙氣中甘油轉移率沒有顯著差異（P＞0.05），煙氣中的甘油轉移率不一定隨著煙支長度的增加以及煙草原料甘油含量的增加而增加。

2.5 不同煙支長度對加熱卷煙煙草原料單位質量煙氣主要成分釋放量的影響

3種長度煙支參與加熱的煙草段長度分別為30、36和42 mm。煙草段長度不同，參與加熱的煙草原料質量也不同。以煙支中煙草原料單位質量釋放的煙氣主要成分為研究對象，結果見表2。

由表2可知，隨著煙支長度的增加，加熱卷煙單支煙草原料質量增加，ACM、煙堿和水分的釋放量增大；甘油釋放量HTP-3樣品最大，HTP-2樣品小于HTP-1樣品。從煙草原料在不同長度規格的煙支中單位質量釋放量來看，隨著煙支長度的增加，單位質量煙草原料的煙氣主要成分釋放量均呈現遞減趨勢。由此可見，縮短煙草段長度可以提高單位質量煙草的有效利用率。

3 結論

①煙支長度分別為60、66和72 mm的加熱卷煙逐口動態吸阻存在顯著差異。隨著煙草段長度的增加，煙支同口序動態吸阻增大。②在試驗范圍內，隨著煙草段長度的增加，煙氣中各主要成分逐口釋放穩定性增加，ACM、煙堿和水分逐口釋放量遞增，HTP-3樣品煙氣中各主要成分逐口釋放量均值最高且逐口釋放穩定性最佳，HTP-2樣品甘油逐口釋放量均值最低。③不同煙草段長度的加熱卷煙逐口煙氣均呈非均勻釋放。ACM均在第2口達到峰值后降低，煙堿逐口釋放量在第2口和第5口出現2個峰值，甘油逐口釋放量在第2口或第3口達到峰值后降低，HTP-1樣品水分逐口釋放量在第1口達到最大值后下降，前2口水分釋放量均大于HTP-2和HTP-3樣品。④煙氣主要成分在煙草段中的截留效應導致HTP-3樣品煙氣中煙堿和水分的轉移率最低，HTP-2樣品的甘油轉移率最低。⑤通過對單位質量煙草原料在不同長度規格的煙支中煙氣釋放量分析發現，隨著煙支長度的增加，煙草原料單位質量ACM以及煙堿、甘油和水分的釋放量下降，原料利用率降低。因此，煙支長度設計需要根據產品設計需求來平衡煙草段長度與成分釋放穩定性、煙氣成分轉移率和原料有效利用率的關系。在該試驗范圍內，為了提高煙草利用率，可縮短煙草段長度；為增加逐口煙氣釋放的均勻性，可增加煙草段長度。

參考文獻

［1］ 司曉喜，湯建國，朱瑞芝，等.兩種抽吸模式下電加熱不燃燒卷煙煙氣氣溶膠的粒徑分布［J］.煙草科技，2018，51（8）：47-52.

［2］ 劉廣超，劉鴻，張瑋，等.調節濕度對國外兩款市售加熱卷煙煙氣主要成分逐口釋放行為的影響［J］.煙草科技，2021，54（9）：40-47.

［3］ 鄭緒東，李志強，王程婭，等.不同加熱溫度下電加熱不燃燒卷煙煙氣釋放特性研究［J］.安徽農業科學，2018，46（36）：168-171.

［4］ 周慧明，劉鴻，劉廣超，等.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［J］.煙草科技，2021，54（6）：50-57.

［5］ 韓敬美，張明建，尚善齋，等.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［J］.中國煙草學報，2021，27（1）：1-7.

［6］ 王珂清，秦艷華，吳洋，等.加熱卷煙煙氣中氨釋放特性研究［J］.中國煙草科學，2021，42（6）：74-78.

［7］ 何紅梅，尤曉娟，劉獻軍，等.8種中心電加熱卷煙煙氣釋放特性分析［J］.食品與機械，2021，37（11）：44-49.

［8］ 龔淑果，劉巍，黃平，等.加熱不燃燒卷煙煙氣主要成分的逐口釋放行為［J］.煙草科技，2019，52（2）：62-71.

［9］ 王樂，王亞林，李志強，等.電加熱卷煙煙芯段溫度分布和煙氣關鍵成分逐口變化：第1部分 實驗［J］.煙草科技，2021，54（3）：31-39.

［10］ 王樂，王亞林，李志強，等.電加熱卷煙煙芯段溫度分布和煙氣關鍵成分逐口變化：第2部分 模擬［J］.煙草科技，2021，54（6）：58-64.

［11］ 李超，崔柱文，蔡潔云，等.不同長度、圓周、切絲寬度卷煙主流煙氣常規指標釋放量及其變化［J］.煙草科技，2021，54（3）：40-49.

［12］ 蘆昶彤，王丁眾，李鵬，等.短支卷煙煙氣香味成分逐口釋放分析［J］.煙草科技，2021，54（12）：64-72，94.

［13］ 劉琪，馬夢婕，龔珍林，等.烤煙型細支與常規卷煙煙氣中9種主要成分的逐口釋放量比較［J］.食品與機械，2020， 36（7）：39-44.

［14］ 潘廣樂，張二強，鞏佳豪，等.煙支規格對卷煙物理、煙氣、燃吸特性及感官質量的影響［J］.煙草科技，2022，55（1）：91-98.

［15］ 鄧其馨，林艷，黃延俊，等.不同圓周、不同濾嘴通風率卷煙主流煙氣酸性成分的逐口釋放［J］.煙草科技，2021，54（12）：35-45.

［16］ 劉歡，王樂，胡少東，等.卷煙燃燒動態吸阻研究［J］.食品與機械，2017，33（5）：83-86.

［17］ CORESTA.Determination of nicotine in tobacco and tobacco products by gas chromatographic analysis：CORESTA? No.62［S］.CORESTA，2021.

［18］ CORESTA.Determination of 1，2-propylene glycol and glycerol in tobacco and tobacco products by gas chromatography：CORESTA No.60［S］.CORESTA，2019.

［19］ CORESTA.Determination of water in tobacco and tobacco products by gas chromatographic analysis：CORESTA No.57［S］.CORESTA，2018.

［20］ ISO.Cigarettes-Routine analytical cigarette smoking machine-Definitions and standard conditions with an intense smoking regime：ISO 20778：2018［S］.ISO，2018.

［21］ CORESTA.Determination of glycerin，propylene glycol，water，and nicotine in the aerosol of e-cigarettes by gas chromatographic analysis：CORESTA No.84［S］.CORESTA，2021.