加熱溫度對(duì)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(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2號(hào) 450001 2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，昆明市五華區(qū)紅錦路367號(hào) 650231

加熱卷煙是通過(guò)加熱元件對(duì)煙草材料進(jìn)行低溫加熱，以產(chǎn)生氣溶膠供消費(fèi)者抽吸的一種新型煙草制品，其以有害成分釋放量低的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了快速的發(fā)展［1-4］。多種加熱方式中，內(nèi)芯電加熱是主流加熱卷煙產(chǎn)品加熱方式，通常是將加熱片或加熱針置于煙芯內(nèi)部，由內(nèi)至外地對(duì)煙草基質(zhì)進(jìn)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(shù)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(shù)，能夠反映加熱卷煙煙霧量及其釋放穩(wěn)定性等質(zhì)量指標(biāo)［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(cè)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(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)加熱卷煙氣溶膠粒徑明顯小于卷煙，氣溶膠粒數(shù)濃度的逐口變化趨勢(shì)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵因素［7，10-11］。研究表明，當(dāng)加熱溫度較低時(shí)（＜150℃），煙草基質(zhì)中的低沸點(diǎn)成分蒸餾揮發(fā)；當(dāng)溫度較高時(shí)，半揮發(fā)成分蒸餾揮發(fā)，進(jìn)而伴隨碳水化合物的分解以及高沸點(diǎn)成分的釋放［10］，而煙草基質(zhì)釋放成分的種類和釋放量直接影響氣溶膠的形成過(guò)程，進(jìn)而影響最終形成的氣溶膠的物理特性。目前，關(guān)于加熱溫度對(duì)加熱卷煙氣溶膠釋放特性的影響已有相關(guān)報(bào)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(wěn)定的趨勢(shì)。此外，朱浩等［13］考察了加熱溫度對(duì)加熱卷煙煙熏香成分釋放的影響。然而，加熱溫度對(duì)加熱卷煙氣溶膠物理特性影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，設(shè)計(jì)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(guī)律，旨在為加熱卷煙產(chǎn)品加熱溫度的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(chǎn)品（云南中煙工業(yè)有限責(zé)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(guī)格為長(zhǎng)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(fù)合濾棒段采用三元濾棒復(fù)合成型，煙支經(jīng)復(fù)合濾棒和煙草段搓接制備成型。

SCS-DMS 500系統(tǒng)（英國(guó)Cambustion公司）由SCS模擬循環(huán)吸煙機(jī)和DMS 500快速粒徑譜儀構(gòu)成，SCS用于對(duì)煙支進(jìn)行特定模式的抽吸，DMS 500用于在線測(cè)試抽吸所產(chǎn)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(yè)有限責(zé)任公司），通過(guò)加熱曲線控制提供恒定的加熱溫度，煙具溫度經(jīng)測(cè)試波動(dòng)小于±5℃。

1.2 方法

1.2.1 SCS-DMS 500測(cè)試條件的選擇

在前期研究的基礎(chǔ)上［8］，設(shè)置SCS-DMS 500系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。SCS對(duì)煙支的抽吸設(shè)定為HCI抽吸模式，即抽吸容量為55 mL、抽吸持續(xù)時(shí)間為2 s、抽吸間隔為30 s，設(shè)定抽吸口數(shù)為13口。DMS 500系統(tǒng)的采樣流量設(shè)置為25.0 L/min，二級(jí)稀釋比設(shè)置為200∶1。

1.2.2 氣溶膠測(cè)試及數(shù)據(jù)處理方法

挑選煙支單支質(zhì)量為（0.75±0.02）g的加熱卷煙煙支進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。將加熱卷煙與加熱器具配合后，連接于SCS吸嘴并啟動(dòng)加熱器具加熱，30 s后由SCS對(duì)加熱卷煙煙支進(jìn)行逐口抽吸，產(chǎn)生的氣溶膠經(jīng)在線稀釋后，被引入DMS 500系統(tǒng)，采集軟件在線測(cè)得并計(jì)算實(shí)時(shí)逐口氣溶膠的粒數(shù)濃度、體積濃度、粒數(shù)中值粒徑、粒徑分布幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差等數(shù)據(jù)。平行測(cè)定加熱卷煙樣品5次，每次的抽吸口數(shù)為13口，對(duì)平行測(cè)定數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

2 結(jié)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(shí)，連續(xù)抽吸13口加熱卷煙樣品的氣溶膠粒徑分布如圖1所示?？芍?，逐口氣溶膠的粒徑分布呈近似對(duì)數(shù)正態(tài)分布，粒徑主要分布在10～300 nm范圍內(nèi)，最大粒數(shù)濃度的粒徑集中于40～90 nm的范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)于不同抽吸口數(shù)序號(hào)的氣溶膠的粒徑分布和粒數(shù)濃度均有差異，這表明加熱卷煙逐口氣溶膠的不穩(wěn)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(shí)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(shù)濃度和體積濃度如圖2所示?？芍?，氣溶膠的粒數(shù)濃度和體積濃度均隨加熱溫度的升高而增大。在200℃時(shí)，加熱卷煙氣溶膠的粒數(shù)濃度僅為2.8×108個(gè)/cm3，體積濃度僅為3.4×103μm3/cm3，這說(shuō)明該加熱溫度僅能使煙草基質(zhì)中少量的低沸點(diǎn)成分釋放，并在抽吸降溫過(guò)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(shù)濃度和體積濃度明顯升高，在380℃時(shí)，加熱卷煙氣溶膠的粒數(shù)濃度為6.4×109個(gè)/cm3，體積濃度達(dá)到2.4×105μm3/cm3。煙草基質(zhì)受熱釋放的成分與氣溶膠的形成密切相關(guān)，較高的加熱溫度可增加煙草成分的釋放量，從而形成粒數(shù)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(shù)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(shù)中值粒徑和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖3所示。氣溶膠的粒數(shù)中值粒徑隨加熱溫度的升高呈增大趨勢(shì)，在200～380℃范圍內(nèi)，氣溶膠的粒數(shù)中值粒徑由25.5 nm增大至65.1 nm，這是因?yàn)闅馊苣z是煙草基質(zhì)釋放成分經(jīng)分子成簇、成核、冷凝及凝結(jié)等作用而形成，其粒徑主要與煙草基質(zhì)釋放成分的種類有關(guān)。有研究表明，當(dāng)加熱溫度＜150℃時(shí)，煙草吸附水和低沸點(diǎn)揮發(fā)性化合物蒸餾揮發(fā)；在150～210℃時(shí)，還原糖熱降解和中等揮發(fā)性化合物蒸餾揮發(fā)；210～350℃，碳水化合物分解、高沸點(diǎn)化合物和結(jié)合態(tài)水蒸餾揮發(fā)；350～550℃，殘留物進(jìn)一步裂解和炭化［10］。因此，當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，煙草基質(zhì)釋放成分主要以水分等低沸點(diǎn)成分為主，而低沸點(diǎn)成分在氣溶膠形成過(guò)程中的成核和冷凝速率相對(duì)較低，從而使形成的氣溶膠粒徑較?。划?dāng)加熱溫度較高時(shí)，煙草基質(zhì)中的高沸點(diǎn)成分開(kāi)始釋放，也會(huì)出現(xiàn)單糖、半纖維素、纖維素、果膠等的熱解行為，高沸點(diǎn)成分的氣溶膠成核和冷凝速率相對(duì)較高，有利于形成大粒徑的氣溶膠。粒徑分布的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差隨加熱溫度的升高呈先增大后降低的趨勢(shì)，但整體上差異不大，主要集中在1.80～1.86的范圍內(nèi)。幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差反映了氣溶膠粒徑分布的展寬［18］，可能與煙草基質(zhì)釋放成分的組成比例有關(guān)。

圖3 不同加熱溫度加熱卷煙總釋放氣溶膠的粒數(shù)中值粒徑和幾何標(biāo)準(zhǔn)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(shù)濃度和體積濃度如圖4所示?？芍w上，逐口氣溶膠的粒數(shù)濃度隨加熱溫度的升高呈增大趨勢(shì)，各加熱溫度條件下氣溶膠粒數(shù)濃度的逐口變化趨勢(shì)較為接近，基本上表現(xiàn)出先升高，后降低，再升高，最后降低的趨勢(shì)，380℃時(shí)的最高粒數(shù)濃度為9.2×109個(gè)/cm3；體積濃度隨抽吸口數(shù)序號(hào)的增大基本上呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，380℃時(shí)的最高體積濃度達(dá)到4.8×105μm3/cm3。分析認(rèn)為，在加熱初始階段，煙草基質(zhì)由于溫度整體較低，釋放的成分主要以低沸點(diǎn)成分為主；在加熱后期階段，大部分煙草基質(zhì)處于相對(duì)較高溫度，少部分煙草基質(zhì)處于較低溫度，釋放成分的沸點(diǎn)范圍跨度較大。在抽吸第1口時(shí)，由于煙草基質(zhì)的受熱時(shí)間相對(duì)較短（約30 s），主要以釋放低沸點(diǎn)成分為主，釋放量也較小，形成的氣溶膠數(shù)量較少，體積濃度也較低。當(dāng)持續(xù)加熱（抽吸第2口）時(shí)，整個(gè)煙芯的溫度升高，煙草基質(zhì)釋放成分的量有所增加［13，19-20］，氣溶膠的數(shù)量和體積濃度增加。在之后的加熱過(guò)程中，低沸點(diǎn)成分的釋放量逐漸減小，但部分高溫區(qū)域的煙草基質(zhì)開(kāi)始釋放高沸點(diǎn)成分，使形成氣溶膠的粒徑有增大的趨勢(shì)，從而有利于增大氣溶膠的體積濃度，該過(guò)程中低沸點(diǎn)成分與高沸點(diǎn)成分釋放量的不同趨勢(shì)，共同決定了形成氣溶膠的粒數(shù)濃度和體積濃度。最后階段，煙草基質(zhì)在平衡熱狀態(tài)下所能釋放的成分逐漸減少［19-20］，從而使氣溶膠的粒數(shù)濃度和體積濃度均出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖4 不同加熱溫度加熱卷煙逐口氣溶膠的粒數(shù)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(guī)律呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)（圖5）。在350℃條件下，粒數(shù)中值粒徑整體上隨抽吸口數(shù)序號(hào)的增大呈升高趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S加熱的持續(xù)進(jìn)行，整個(gè)煙草基質(zhì)的溫度持續(xù)升高，霧化劑開(kāi)始釋放；伴隨碳水化合物的分解，高沸點(diǎn)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(shù)中值粒徑隨抽吸口數(shù)序號(hào)的增大呈先升高后降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)闅馊苣z的粒徑不僅與成分的沸點(diǎn)有關(guān)，還與成分的釋放量有關(guān)。當(dāng)釋放量高時(shí)，氣溶膠易發(fā)生凝聚而使粒徑增大，380℃下煙草基質(zhì)的高沸點(diǎn)成分在第5口抽吸時(shí)已達(dá)到較高的釋放量，形成的氣溶膠粒徑較大，最大粒數(shù)中值粒徑為79 nm；而在后續(xù)幾口抽吸時(shí)其釋放量逐漸降低，氣溶膠粒徑減小。在200和250℃下，煙草基質(zhì)中僅有低沸點(diǎn)成分釋放，形成的氣溶膠粒徑整體較?。?0～40 nm），其中，第3、第4口的低沸點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)偏差隨抽吸口數(shù)序號(hào)的增大整體上均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，其中，最大幾何標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)偏差則相對(duì)較小。分析后認(rèn)為，加熱卷煙前幾口氣溶膠成分以低沸點(diǎn)為主，后幾口氣溶膠成分以高沸點(diǎn)為主，形成的氣溶膠粒徑較為接近，使粒徑分布的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差較?。欢?至第7口氣溶膠中低沸點(diǎn)成分和高沸點(diǎn)成分的釋放量比例可能較為接近，由于不同沸點(diǎn)成分形成氣溶膠的粒徑不同，會(huì)增加氣溶膠粒徑分布的展寬，增大粒徑分布的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖5 不同加熱溫度加熱卷煙逐口氣溶膠的粒數(shù)中值粒徑和幾何標(biāo)準(zhǔn)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(jié)論

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