電加熱卷煙煙芯段溫度分布和煙氣關(guān)鍵成分逐口變化：第1部分 實(shí)驗(yàn)

王 樂，王亞林，李志強(qiáng)，彭鈺涵，張 柯，鄧 楠，郭中雅，張明建，李 斌，韓敬美*，黃 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 3. 浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，杭州市轉(zhuǎn)塘街道科海路118 號(hào) 310024

電加熱卷煙煙氣的釋放過(guò)程主要受加熱片溫度曲線與煙芯材料性質(zhì)兩方面的影響。煙芯內(nèi)部關(guān)鍵成分逐口釋放規(guī)律及其穩(wěn)定性一直是電加熱卷煙研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者以加熱卷煙為研究對(duì)象［1］，采用劍橋?yàn)V片捕集的方法，研究了加熱溫度［2］、抽吸模式［3］以及煙草材料對(duì)煙氣氣溶膠的生成和釋放的影響［4］。龔淑果等［4］采用甲醇萃取劍橋?yàn)V片上捕集的關(guān)鍵成分，并通過(guò)GC-MS 聯(lián)用定量分析的方法，研究了加熱卷煙煙氣煙堿、甘油和水分等的逐口釋放規(guī)律。張麗等［5］采用類似的方法，研究了不同濾嘴結(jié)構(gòu)的電加熱卷煙煙堿、甘油和水分等關(guān)鍵成分的轉(zhuǎn)移行為。以往的研究主要側(cè)重于煙氣關(guān)鍵成分的釋放行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果未考慮濾嘴結(jié)構(gòu)對(duì)煙氣過(guò)濾截留的作用。王樂等［6］研究了電加熱卷煙煙氣關(guān)鍵成分在濾嘴中的截留規(guī)律。但對(duì)電加熱卷煙煙芯中關(guān)鍵成分釋放機(jī)理的研究仍鮮有報(bào)道。為此，本研究中以電加熱卷煙的煙芯段為研究對(duì)象，通過(guò)分析不同抽吸曲線和不同抽吸容量對(duì)卷煙煙芯段溫度分布以及卷煙逐口抽吸后關(guān)鍵成分殘留量的影響，旨在探索電加熱卷煙煙芯傳熱及煙氣關(guān)鍵成分的逐口釋放規(guī)律，為電加熱卷煙加熱片和煙支的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，以及評(píng)價(jià)電加熱卷煙煙氣逐口釋放穩(wěn)定性提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

iQOS 電加熱卷煙加熱器具和配套煙支（菲莫國(guó)際煙草公司）。加熱卷煙樣品使用前，單層均勻地放置于密封袋內(nèi)，按照GB/T 16447—2004［7］的規(guī)定，在相對(duì)濕度為（60±3）%，溫度為（22±2）℃的環(huán)境中平衡48 h 后，選取（平均質(zhì)量±5）mg、（平均封閉吸阻±30）Pa 的卷煙樣品作為測(cè)試樣品。

甲醇、1,2-丙二醇、丙三醇、異丙醇（內(nèi)標(biāo)）（色譜純，上海賽默飛世爾科技有限公司）；正十七烷（內(nèi)標(biāo)，≥99.5%，上海Aladdin 公司）；煙堿（≥99.5%，美國(guó)Sigma 公司）。

GC6890 氣相色譜儀［配有火焰離子化檢測(cè)器（FID）和熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD），美國(guó)Agilent 科技公司］；X500E-A 型電子煙吸煙機(jī)（上海帕夫曼自動(dòng)化儀器有限公司）；HY-8 調(diào)速振蕩儀（常州國(guó)華電器有限公司）；CP2245 電子天平（感量0.000 1 g，德國(guó)Sartorius 公司）；針管式過(guò)濾膜（ 25、0.45 μm，天津津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 電加熱卷煙檢測(cè)系統(tǒng)

為保證電加熱卷煙溫度數(shù)據(jù)和煙氣關(guān)鍵成分釋放量變化測(cè)試實(shí)驗(yàn)的一致性，兩者采用統(tǒng)一的檢測(cè)系統(tǒng)和方法。

（1）檢測(cè)系統(tǒng)：電加熱卷煙溫度分布檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖和示意圖如圖1 所示，利用煙支夾持裝置使電加熱卷煙與吸煙機(jī)相連，其中高速采集器與數(shù)據(jù)采集軟件相連，通過(guò)溫度信息觸發(fā)控制吸煙機(jī)連續(xù)抽吸。

圖1 加熱卷煙氣相溫度檢測(cè)裝置Fig.1 Setup to measure gas-phase temperature of a heated cigarette

（2）加熱器具改造及溫度場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)：與傳統(tǒng)卷煙相比，電加熱卷煙的結(jié)構(gòu)存在特殊性，即熱源為加熱器具，煙芯包裹在煙具內(nèi)。為此，為實(shí)現(xiàn)煙芯溫度場(chǎng)的檢測(cè)，需對(duì)加熱器的外殼進(jìn)行開槽處理，如圖2a 和圖2b 所示；圖2c 為熱電偶的軸向位置示意圖。考慮到加熱片的形狀并非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了準(zhǔn)確還原電加熱卷煙溫度的分布特征，對(duì)煙具開槽的位置分為垂直和平行于加熱片的加熱面兩個(gè)方向。利用微細(xì)熱電偶檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)氣相溫度，采用7 根熱電偶組成的模塊分段檢測(cè)電加熱卷煙的煙支溫度（圖2d）。在熱電偶模塊插入特定深度后，利用密封膠帶密封開槽位置，以保證電加熱卷煙的加熱操作和流場(chǎng)模式不被破壞。

（3）采用溫度信息觸發(fā)吸煙機(jī)抽吸，為此需確定基準(zhǔn)熱電偶，方法如下：將熱電偶采用垂直方式插入到煙芯段的中心深處，打開加熱開關(guān)加熱卷煙煙芯段但不抽吸煙支，檢測(cè)煙芯段軸向7 根熱電偶的溫度，重復(fù)測(cè)量10 次。結(jié)果顯示10 次重復(fù)數(shù)據(jù)中第4 根熱電偶的再現(xiàn)性最好，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±15 ℃。煙支樣品成分變化測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，利用熱電偶插入系統(tǒng)將K 型微細(xì)熱電偶定位至距煙支端面6 mm、徑向距表面2.7 mm（垂直于加熱片方向）處。溫度采集器啟動(dòng)后，打開電加熱卷煙，當(dāng)熱電偶溫度顯示為106 ℃時(shí)，啟動(dòng)吸煙機(jī)抽吸卷煙。當(dāng)完成設(shè)定抽吸口數(shù)后，關(guān)閉電加熱卷煙電源，取下煙支并測(cè)量其質(zhì)量。重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，剔除抽吸啟動(dòng)時(shí)間差異較大（＞5 s）的實(shí)驗(yàn)樣品，獲得5 次有效檢測(cè)，取平均值。

（4）實(shí)驗(yàn)中采用4 種抽吸模式，見表1。

表1 逐口抽吸實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters for puff-by-puff experiment

1.2.2 抽吸后煙支樣品前處理方法

煙絲中保潤(rùn)劑和煙堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)：取5 支經(jīng)過(guò)相同抽吸口數(shù)后的電加熱卷煙樣品放入50 mL離心管中，添加20 mL 0.100 2 mg/mL 正十七烷的甲醇溶液作為萃取劑。以210 r/min 的速率振蕩1 h后靜置15 min。上清液經(jīng)針管式過(guò)濾膜過(guò)濾后，取適量轉(zhuǎn)移至色譜瓶中，采用氣相色譜法檢測(cè)1,2-丙二醇和煙堿的濃度并計(jì)算質(zhì)量分?jǐn)?shù)；另取0.625 mL過(guò)濾后的溶液，用萃取劑A（0.100 2 mg/mL正十七烷的甲醇溶液）定容至25 mL 容量瓶中，靜置2 min 后轉(zhuǎn)移至2 mL 的色譜瓶中，同樣用氣相色譜法檢測(cè)丙三醇的濃度并計(jì)算質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

煙絲含水率檢測(cè)：取3支經(jīng)過(guò)相同抽吸口數(shù)后的電加熱卷煙樣品放入50 mL 離心管中，添加20 mL萃取劑B（1.00 mg/mL 異丙醇的甲醇溶液）。在210 r/min 的速率下振蕩3 h，靜置過(guò)夜。將靜置后的萃取液，經(jīng)針管式過(guò)濾膜過(guò)濾至色譜瓶中。

1.2.3 煙支樣品關(guān)鍵成分的定量檢測(cè)

采用A、B 雙柱雙檢測(cè)器進(jìn)行GC 分析：

A 系統(tǒng)檢測(cè)水分。色譜柱：HP-PLOT/Q 毛細(xì)管柱（30 m×0.53 mm×40 μm）；載氣：氮?dú)猓魉? mL/mim，恒流；進(jìn)樣體積：1 μL；進(jìn)樣方式：不分流，不分流時(shí)間約為1 min；檢測(cè)器溫度：250 ℃；升溫程序170 ℃（5 min）；分析時(shí)間：23 min。

B 系統(tǒng)檢測(cè)1,2-丙二醇、丙三醇和煙堿。色譜柱：CP1301 毛細(xì)管柱（30 m×0.32 mm×1 μm）；載氣：氦氣，流速1.8 mL/mim；進(jìn)樣體積：1 μL；進(jìn)樣方式：分流進(jìn)樣，分流比10∶1；進(jìn)樣口溫度：220 ℃；檢測(cè)器溫度：260 ℃；升溫程序：100 ℃（3 min）

依據(jù)文獻(xiàn)方法分別采用內(nèi)標(biāo)法測(cè)量含水率［8］、煙堿［9-10］、甘油［11］和丙二醇［11］的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

對(duì)于經(jīng)過(guò)不同抽吸口數(shù)的加熱卷煙樣品，重復(fù)上述檢測(cè)過(guò)程，測(cè)得逐口抽吸后煙芯內(nèi)部含水率、甘油、煙堿、丙二醇以及其他成分的剩余量，即可獲得煙芯內(nèi)部煙氣關(guān)鍵成分逐口變化情況。通過(guò)對(duì)相鄰口數(shù)的煙氣關(guān)鍵成分剩余量做差減法，獲得煙芯煙氣關(guān)鍵成分逐口釋放的變化情況。

1.3 煙支溫度場(chǎng)重構(gòu)

由于矩形加熱片的存在，并不能認(rèn)為iQOS 卷煙煙芯內(nèi)的溫度場(chǎng)是軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，因此無(wú)法采用二維旋轉(zhuǎn)面上的溫度場(chǎng)表示三維溫度場(chǎng)的信息；同時(shí)，在三維視角下，圓柱體并非規(guī)則的網(wǎng)格區(qū)域。因此，采用非規(guī)則區(qū)域插值方法，插值計(jì)算整個(gè)計(jì)算區(qū)域各個(gè)位置點(diǎn)的溫度。

重構(gòu)計(jì)算過(guò)程主要分為三步：第一步根據(jù)繪制的三維立體網(wǎng)格，使用Matlab 的ndgrid 函數(shù)或者Python 的meshgrid 函數(shù)實(shí)現(xiàn)；第二步采用插值算法獲得溫度數(shù)據(jù)，使用Matlab 的griddatan 函數(shù)或者Python 的griddata 實(shí)現(xiàn)；第三步統(tǒng)計(jì)三維溫度場(chǎng)信息并獲得結(jié)果。Python 是一種免費(fèi)開源的通用編程語(yǔ)言，用途廣泛，可移植性強(qiáng)，故本研究中采用Python 完成卷煙溫度場(chǎng)的三維重構(gòu)與分析。

體積平均溫度的計(jì)算方法如公式（1）所示：

式中：T表示加熱卷煙煙芯段的溫度，℃；Tm表示煙芯段的體積平均溫度，℃；Tstd表示煙芯段體積平均溫差，℃；r、θ、z分別為圓柱坐標(biāo)參數(shù)。

圖3 抽吸曲線對(duì)電加熱卷煙溫度分布的影響Fig.3 Effects of puffing profile on temperature distribution of an electrically heated cigarette

2 結(jié)果與討論

2.1 電加熱型卷煙溫度變化

2.1.1 抽吸曲線對(duì)電加熱卷煙溫度變化的影響

圖3 表示iQOS 卷煙分別在方形波與鐘形波（抽吸模式I 和II）兩種抽吸模式下，軸向6 mm 處4個(gè)不同深度檢測(cè)點(diǎn)的溫度變化，其中圖3a 表示垂直于加熱片方向不同位置的溫度變化，圖3b 表示平行于加熱片方向的2 個(gè)不同位置的溫度變化。從圖3a 可以看出，垂直2 位置和垂直3 位置兩種抽吸模式的煙芯溫度有一定差異，最大溫差為15 ℃左右；從圖3b 可以看出，平行2 位置兩種抽吸模式下煙芯溫度也有差異，最大溫差約10 ℃。整體而言，在方形波抽吸與鐘形波抽吸兩種抽吸模式下，煙芯溫度的整體變化規(guī)律完全相同，溫度幾乎無(wú)差異。因此，以下采用方形波抽吸模式研究iQOS卷煙溫度分布變化規(guī)律。

圖4 抽吸容量對(duì)電加熱卷煙溫度分布的影響Fig.4 Effects of puffing volume on temperature distribution of an electrically heated cigarette

2.1.2 抽吸容量對(duì)電加熱卷煙溫度變化的影響

圖4 表示iQOS 卷煙分別在抽吸模式II、III 和IV 下，軸向6 mm 處各不同深度檢測(cè)點(diǎn)的溫度變化，其中圖4a 表示垂直加熱片方向的4 個(gè)不同位置的溫度變化規(guī)律，圖4b 表示平行加熱片方向的2 個(gè)不同位置的溫度變化規(guī)律。從圖4a 可知，隨抽吸容量的增加，垂直1 位置煙芯溫度不斷降低；不同抽吸容量下垂直2 位置的煙芯溫度并無(wú)明顯變化；垂直3 位置煙芯溫度也是隨抽吸容量的增加而降低；垂直4 位置的煙芯溫度在抽吸容量為35 mL 時(shí)溫度最低，在抽吸容量為45 mL 時(shí)溫度最高，而55 mL 時(shí)溫度居中。不同抽吸容量下，煙芯最大溫差在10 ℃左右。從圖4b 中可以看出，平行2 位置不同抽吸容量下煙芯溫度差異略大，最大溫差約20 ℃。整體而言，在不同抽吸容量下，煙芯溫度的整體變化規(guī)律完全相同，溫度略有差異但不明顯。因此，以下采用35 mL 方形波研究iQOS卷煙溫度分布變化。

圖5 持續(xù)抽吸過(guò)程中電加熱卷煙溫度分布變化Fig.5 Variation of temperature distribution of an electrically heated cigarette during puffing

2.1.3 電加熱卷煙溫度變化規(guī)律

圖5 表示電加熱卷煙不同位置檢測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線（抽吸模式II）。其中圖5a 表示iQOS 卷煙垂直加熱片方向、軸向6 mm 處的5 個(gè)深度的熱電偶溫度變化曲線。可以看出，熱電偶溫度隨逐口抽吸的進(jìn)行呈鋸齒形變化。從抽吸開始熱電偶的溫度快速升高，然后緩慢升高。在相同時(shí)刻，卷煙煙芯溫度從表面至內(nèi)部逐漸升高。圖5b 表示電加熱卷煙平行加熱片方向、軸向6 mm 處的3 個(gè)深度的熱電偶溫度變化曲線。可以看出，熱電偶溫度隨逐口抽吸的進(jìn)行同樣呈鋸齒形變化，而從整體抽吸過(guò)程看，從抽吸開始至前50 s，各加熱片平行位置的溫度快速升高，隨后至抽吸實(shí)驗(yàn)結(jié)束（t=50～350 s）溫度緩慢升高。總體上看，在相同時(shí)刻，卷煙煙芯溫度從表面至內(nèi)部逐漸升高，垂直位置與平行位置的溫度變化趨勢(shì)基本相同。

2.1.4 電加熱型卷煙溫度場(chǎng)重構(gòu)

圖6 表示電加熱卷煙抽吸模式II 下溫度場(chǎng)三維重構(gòu)結(jié)果，圖6a～圖6k 分別表示第1 口至第11口每口抽吸1.5 s 時(shí)的溫度場(chǎng)。可以看出，隨抽吸口數(shù)增加，卷煙的溫度不斷升高，前4 口溫度較低，第5 至第8 口的溫度居中，第9 至第11 口的溫度較高。由于電加熱卷煙的矩形加熱片結(jié)構(gòu)，造成三維溫度場(chǎng)垂直方向與平行方向并不是呈對(duì)稱分布，垂直方向的溫度高于平行方向。電加熱卷煙煙芯前端和末端均接觸到環(huán)境空氣，因此溫度比中心區(qū)域低。

圖6 電加熱卷煙溫度場(chǎng)三維重構(gòu)Fig.6 3D reconstruction of temperature field of an electrically heated cigarette

圖7 電加熱卷煙煙芯溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.7 Statistical results of temperature field of tobacco section of an electrically heated cigarette

圖7 為在抽吸模式II 下電加熱卷煙溫度場(chǎng)分析結(jié)果。圖7a 為電加熱卷煙體積平均溫度隨時(shí)間的變化情況。可以看出，電加熱卷煙煙芯的體積平均溫度隨時(shí)間變化整體呈現(xiàn)出鋸齒形變化趨勢(shì)，先快速升高，最后慢慢趨于穩(wěn)定。在每口抽吸的瞬間，由于冷空氣進(jìn)入煙芯，平均溫度突然降低約10 ℃。當(dāng)抽吸結(jié)束，體積平均溫度又逐漸升高。圖7b 為電加熱卷煙體積平均溫差隨時(shí)間變化的情況，可以看出，電加熱卷煙煙芯的體積平均溫差隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與體積平均溫度類似。從抽吸開始至抽吸結(jié)束，體積平均溫差從30 ℃緩慢升高至40 ℃。與體積平均溫度相反，每口抽吸的瞬間，由于冷空氣進(jìn)入煙芯，體積平均溫差會(huì)增大；當(dāng)抽吸接近結(jié)束時(shí)，體積平均溫差又逐漸降低。

圖8 不同抽吸模式對(duì)關(guān)鍵成分逐口剩余量的影響Fig.8 Effects of puffing profile on puff-by-puff residual contents of key components

2.2 電加熱型卷煙煙氣關(guān)鍵成分變化

2.2.1 抽吸曲線對(duì)煙氣關(guān)鍵成分逐口剩余量的影響

圖8 表示方形波和鐘形波兩種抽吸模式對(duì)煙氣關(guān)鍵成分逐口變化的影響。可以看出，在方形波和鐘形波兩種抽吸模式下，水分、甘油、煙堿、丙二醇以及其他成分的剩余量隨逐口抽吸過(guò)程的變化規(guī)律幾乎完全相同，煙芯關(guān)鍵成分的逐口剩余量差異非常小，可以忽略不計(jì)。其中甘油和煙堿在第8 口抽吸后，鐘形波與方形波的剩余量差異最大，但前者比后者仍僅低5%。本研究中采用方形波研究iQOS 卷煙關(guān)鍵成分的逐口變化規(guī)律。

圖9 方形波抽吸模式下不同抽吸容量對(duì)關(guān)鍵成分逐口剩余量的影響Fig.9 Effects of puffing volume in square wave on puff-by-puff residual contents of key components

2.2.2 抽吸容量對(duì)煙氣關(guān)鍵成分逐口剩余量的影響

圖9 表示方形波抽吸模式下，不同抽吸容量（35、45 和55 mL）對(duì)煙芯段關(guān)鍵成分逐口剩余量的影響。可以看出，在不同抽吸容量下，水分、甘油、煙堿、丙二醇以及煙支質(zhì)量的逐口剩余量變化趨勢(shì)完全相同。在抽吸前3 口，隨著抽吸容量的增加，水分、甘油、煙堿、丙二醇的逐口剩余量逐漸減小，說(shuō)明增加抽吸容量加速了關(guān)鍵成分的釋放。從第4 口開始，隨抽吸口數(shù)的增加，各個(gè)關(guān)鍵成分的逐口剩余量在抽吸容量之間的差異逐漸減小，且無(wú)明顯規(guī)律。不同抽吸容量下對(duì)其他成分的逐口剩余量沒有影響。在抽吸第7 口后，45 mL方形波抽吸的剩余量與35 mL 的方形波抽吸相比，甘油量減少20%，煙堿量減少29%。整體而言，在選定范圍內(nèi)的不同抽吸容量（35～55 mL）下各個(gè)關(guān)鍵成分的逐口剩余量之間的差異不大，平均相對(duì)偏差均在10%以內(nèi)。

3 結(jié)論

①分析測(cè)試了不同抽吸模式下加熱卷煙煙芯逐口抽吸溫度分布與關(guān)鍵成分逐口剩余量，并基于檢測(cè)的電加熱卷煙iQOS 煙芯材料內(nèi)部溫度，建立了非規(guī)則區(qū)域溫度場(chǎng)的三維重構(gòu)方法，獲得了iQOS 卷煙不同抽吸口數(shù)的溫度場(chǎng)信息和體積平均溫度與體積平均溫差隨時(shí)間的變化規(guī)律。②方形波抽吸和鐘形波抽吸對(duì)煙芯溫度分布影響規(guī)律相同，對(duì)煙氣關(guān)鍵成分逐口釋放的影響規(guī)律相同；在方形波和鐘形波抽吸條件下，煙芯不同位置最大溫差均在10 ℃以內(nèi)，煙氣關(guān)鍵成分逐口剩余量差異很小，最大相對(duì)偏差在5%以內(nèi)。③不同抽吸容量（35～55 mL）下，煙芯不同位置最大溫差在20 ℃以內(nèi)，煙氣關(guān)鍵成分逐口剩余量差異不大，平均相對(duì)偏差在10%以內(nèi)。④矩形加熱片結(jié)構(gòu)的電加熱卷煙，其煙支三維溫度場(chǎng)垂直方向與平行方向呈非對(duì)稱分布，垂直方向的溫度高于平行方向的溫度，煙芯前端與末端溫度均比中心區(qū)域低，同時(shí)煙芯體積平均溫度隨抽吸過(guò)程呈鋸齒形上升的變化趨勢(shì)。