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

劉廣超，劉 鴻，張 瑋，謝 焰，高嶧涵，吳 達，鄭賽晶*

1.上海新型煙草制品研究院，上海市浦東新區秀浦路3733號 201315

2.上海煙草集團有限責任公司技術中心，上海市浦東新區秀浦路3733號 201315

加熱卷煙作為新型煙草制品的重要形式，因其采用加熱煙草材料而不是燃燒的方式產生氣溶膠，被證明能夠大大降低煙氣中有害物質的產生［1-2］，受到國內外煙草公司技術研發人員的極大關注［3-4］。近年來，國外煙草企業及科研機構偏重于加熱卷煙減害效果的評價研究，在分析對比加熱卷煙和傳統卷煙有害成分釋放量的變化、細胞或動物毒理性以及人群暴露研究等方面做了一定工作［2，5-7］。國內加熱卷煙研究起步較晚，特別是對加熱卷煙成品煙氣質量控制的基礎研究相對缺乏。目前已見文獻報道的有張麗等［8］對加熱卷煙煙氣中主要成分的轉移效率研究，張洪非等［9］研究的抽吸模式對主流煙氣釋放物的影響以及李朝建等［10］開展的煙支含水率與煙氣中水分、甘油、煙堿的相關性研究等工作，均是整支煙煙氣受到各種因素影響而產生的變化，無法體現產品煙氣釋放趨勢、釋放均勻性等煙氣逐口釋放特征受到的影響，難以為產品煙氣的精細調控提供指導。在加熱卷煙煙氣逐口釋放研究方面，目前僅有龔淑果等［11］分析了兩種不同加熱方式的加熱卷煙在兩種抽吸模式下的煙氣主要成分逐口釋放情況，而對于加熱卷煙關注的基本指標（如含水率）以及環境條件（如環境濕度）對煙氣逐口釋放特征的影響研究鮮見報道。

考慮到加熱卷煙中煙草原料的吸濕-解濕特性以及甘油的吸濕特性，煙支含水率易受到環境濕度的影響，環境濕度會在加熱卷煙產品生產、檢測等環節對產品質量控制和質量評價等產生較大影響，本研究中選擇考察不同濕度調節后加熱卷煙煙氣的逐口釋放量，分析不同濕度調節后煙氣的逐口釋放特征，旨在了解煙支調節濕度對煙氣逐口釋放行為的影響規律，為加熱卷煙研發中精細調控產品品質提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

HTP-1 加熱卷煙（圓周23 mm，長度45 mm），配套器具A（中心加熱）（國外市售）；HTP-2 加熱卷煙（圓周17 mm，長度84 mm），配套器具B（外周兩段式加熱）（國外市售）；44 mm 劍橋濾片（英國Whatman 公司）。

甲醇、異丙醇（色譜純，印度RCI Labscan 公司）；定制煙堿標準溶液（4 000 mg/L 于異丙醇中，上海安譜實驗公司）；甘油標準品［≥99.9%，阿拉丁試劑（上海）有限公司］；一級水（實驗室自制）；1,4-丁二醇（≥99.0%，美國Sigma Aldrich 公司）；正十七烷（≥99.8%，美國Acros 公司）。

Climacell 404 恒溫恒濕箱（德國MMM 公司）；XPE205 電子天平（感量0.000 01 g，瑞士Mettler 公司）；7890A 氣相色譜儀（美國Agilent 公司）；X500E 電子煙吸煙機（上海新型煙草制品研究院有限公司）；Milli-Q 型超純水儀（美國Millipore公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙支調節

參照GB/T 16447—2004［12］的方法，將煙支開包取出，放置在22 ℃及設定相對濕度（RH）為30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%的恒溫恒濕箱內，根據實驗需要選擇調節時間為1、3、6、12、24、30、48、72 h。

1.2.2 加熱卷煙的逐口抽吸及煙氣捕集

參考加拿大深度抽吸模式（ISO 20778：2018［13］）進行抽吸，具體參數為：鐘形曲線，抽吸容量55.0 mL，抽吸時間2.0 s，抽吸間隔30 s，通氣孔均不進行封堵。

每張濾片捕集10 支煙的同一抽吸口數序號的煙氣。器具A 預熱25 s 后抽吸第一口煙氣，每支煙抽吸12 口；器具B 預熱45 s 后抽吸第一口煙氣，每支煙抽吸8 口。所有樣品平行測定兩次。

1.2.3 煙支原料含水率的測定

按照YC/T 345—2010［14］的方法檢測煙支原料含水率。

1.2.4 煙氣中水分、甘油、煙堿釋放量的測定

按照CORESTA 84 號［15］推薦方法檢測煙氣中水分、甘油和煙堿的釋放量。

2 結果與討論

本研究的目的是考察調節濕度對加熱卷煙成品煙支逐口煙氣釋放行為的影響。由于市面上主要以兩家國際煙草公司的中心加熱類型和外周加熱類型的加熱卷煙為代表，所以本研究中從這兩家公司的兩種類型市售加熱卷煙中分別選擇一款煙支作為研究對象，分析了調節濕度對兩款代表性的加熱卷煙產品各自逐口煙氣釋放行為的影響。實驗中，先對兩款煙支分別進行了質量篩選，并通過控制相同的調節時間，減少其他因素的干擾，盡量實現自變量僅為調節濕度，使兩款煙支分別滿足單一變量原則。為使文章結構緊湊，在后文中將兩款煙支的結果放在一起討論，并作了簡單的比較和分析。

2.1 煙支調節條件的選擇

2.1.1 煙支調節時間的優化

為優化煙支在RH 為30%～60%條件下的調節時間，考察了RH 為30%和60%條件下，煙支相對質量（不同調節時間煙支稱量質量與開包時煙支稱量質量的比值，以百分比計）隨調節時間的變化趨勢。由圖1 可見，在RH 為30%條件下，HTP-1、HTP-2 兩款煙支均表現為失重，并且變化趨勢一致，失重速度先快后慢，在調節30 h 后質量基本穩定；在RH 為60%條件下，兩款煙支表現為先小幅增重，后小幅失重，并且整個調節過程中，兩款煙支相對質量波動幅度基本在0.2%以內，參照GB/T 16447—2004［12］中的平衡檢驗條件，可認為煙支已到達平衡。為了減少調節濕度以外的因素對實驗帶來的影響，選擇樣品在RH 為30%～60%范圍內平衡48 h。

圖1 兩款加熱卷煙煙支相對質量隨調節時間的變化Fig.1 Variations of relative weights of two HTPs with conditioning time

2.1.2 煙支調節濕度的優化

為探究調節濕度對加熱卷煙煙氣逐口釋放行為的影響，首先考察了RH 為30%～60%范圍內不同調節濕度對煙支原料含水率（煙支開包時，HTP-1 和HTP-2 煙支原料含水率分別為11.8%和11.7%）的影響。由圖2 可見，煙支在不同濕度下調節，煙支原料將具有不同的含水率，且煙支原料含水率與調節濕度成正相關關系。根據調節濕度和煙支含水率的對應關系，選擇能夠產生一定含水率跨度的3 個調節濕度（RH 為30%、45%、60%）條件對煙支進行調節，平衡后煙支的含水率分別為6%、9%和13%左右，考察調節濕度變化對加熱卷煙煙氣逐口釋放行為的影響。

圖2 兩款加熱卷煙煙支含水率隨調節濕度的變化Fig.2 Variations of moisture contents in two HTPs with conditioning humidity

2.2 調節濕度對加熱卷煙煙氣逐口釋放特征的影響

2.2.1 調節濕度對煙氣氣溶膠捕集量的逐口釋放趨勢、釋放量及釋放均勻性的影響

兩款加熱卷煙在不同濕度下調節后，煙氣氣溶膠捕集量（Aerosol collected mass，ACM）的逐口分析結果如圖3 所示。將HTP-1、HTP-2 分別在RH 為30%、45%、60%條件下調節后，其各自煙氣ACM 的逐口釋放趨勢基本不變，均是先增加后降低，在第3 口時釋放量達到最高。在相同抽吸口數序號時，兩款煙支的煙氣ACM 均隨調節濕度升高而增加。由逐口煙氣ACM 值計算得到的相對標準偏差（RSD）之間的比較表明，HTP-1 在RH 為60%條件下調節后，ACM 逐口釋放均勻性最好；而HTP-2 在RH 為30%條件下調節后的均勻性略優于RH 為45%、60%條件下的均勻性，但是RSD 差異不大。

圖3 兩款煙支在不同濕度下調節48 h 后煙氣ACM 的逐口釋放曲線Fig.3 Puff-by-puff releases of ACM from two HTPs after being conditioned for 48 h at different relative humidity

2.2.2 調節濕度對煙氣煙堿逐口釋放趨勢、釋放量及釋放均勻性的影響

兩款加熱卷煙在不同濕度下調節后，煙氣煙堿的逐口釋放分析結果如圖4 所示。不同調節濕度對兩款加熱卷煙的煙氣煙堿逐口釋放趨勢的影響不同，其中HTP-1 在3 個不同濕度下調節后的煙氣煙堿逐口釋放趨勢明顯不同：RH 為30%時，煙氣煙堿釋放量表現為逐口減少，而RH 為45%、60%時，煙氣煙堿的逐口釋放趨勢表現為先增加后減少，并且RH 為45%時釋放最高點出現在第4口，RH 為60%時釋放最高點出現在第7、第8 口，說明對于HTP-1，調節濕度越低，大部分的煙堿會在前幾口被釋放出來；而調節濕度越高，可以使較大量的煙堿較晚地釋放出來。而HTP-2 的煙氣煙堿逐口釋放趨勢基本不受煙支調節濕度的影響：在3 個濕度條件下調節煙支，其煙氣煙堿的逐口釋放趨勢均表現為先增加后減少、再增加再減少的“M”形變化趨勢，這可能與器具B 的兩段式加熱模式有關。在相同抽吸口數序號時，HTP-1 前4口煙氣煙堿釋放量和調節濕度成負相關關系，第6口之后煙氣煙堿釋放量和調節濕度成正相關關系；而HTP-2 相同口數序號的煙氣煙堿釋放量基本上均隨調節濕度增大而減少。由逐口煙氣煙堿值計算得到的RSD 之間的比較表明，HTP-1 在RH為45%條件下調節后，煙氣煙堿逐口釋放均勻性明顯優于RH 為30%、60%條件下的均勻性；而HTP-2 在RH 為30%條件下調節后的煙氣煙堿逐口均勻性優于RH 為45%、60%條件下的均勻性，這主要與RH 為30%時煙堿逐口釋放量較大有關。對于兩款煙支煙氣煙堿逐口釋放趨勢受調節濕度影響的變化趨勢有很大不同，可能與兩款煙支的加熱模式及尺寸有關：HTP-1 使用中心加熱，煙支直徑較大，煙支內外層受熱差異容易受到煙支含水率的影響，從而調節濕度會引起HTP-1 煙堿逐口釋放趨勢較大的變化；而HTP-2 使用外周加熱，煙支直徑較小，煙支整體容易達到穩定的受熱狀態，因而調節濕度引起HTP-2 煙堿逐口釋放的變化表現為整體的浮動。

圖4 兩款煙支在不同濕度下調節48 h 后煙氣煙堿的逐口釋放曲線Fig.4 Puff-by-puff releases of nicotine from aerosols of two HTPs after being conditioned for 48 h at different relative humidity

2.2.3 調節濕度對煙氣甘油逐口釋放趨勢、釋放量及釋放均勻性的影響

兩款加熱卷煙在不同濕度下調節后，煙氣甘油的逐口釋放分析結果如圖5 所示。不同調節濕度對兩款加熱卷煙煙氣甘油的逐口釋放趨勢的影響不同，其中HTP-1 在3 個不同濕度下調節后煙氣甘油的逐口釋放趨勢差異明顯：RH 為30%時，煙氣甘油釋放量表現為逐口減少，而RH 為45%、60%時，煙氣甘油的逐口釋放趨勢基本上表現為先增加后減少，并且RH 為45%時釋放量最高點出現在第4 口，RH 為60%時釋放量最高點則出現在第7、第8 口，說明對于HTP-1，調節濕度越低，大部分的甘油會在前幾口被釋放出來；而調節濕度越高，可以使甘油較晚地釋放出來，這與HTP-1 的煙氣煙堿釋放特征一致。而HTP-2 的煙氣甘油逐口釋放趨勢基本不受煙支調節濕度的影響：3 個濕度條件下調節煙支，其煙氣甘油的逐口釋放趨勢均表現為先增加后減少，并且均在第3 口時釋放量達到最大。在相同抽吸口數序號時，HTP-1 前3口煙氣甘油釋放量和調節濕度成負相關關系，第5口之后煙氣甘油釋放量和調節濕度成正相關關系；而HTP-2 相同抽吸口數序號的煙氣甘油釋放量隨調節濕度增大而減少，但是第4 口之后變化并不明顯。由逐口煙氣甘油值計算得到的RSD 之間的比較表明，HTP-1 在RH 為45%條件下調節后，煙氣甘油逐口均勻性明顯優于在RH 為30%和60%條件下的均勻性；而HTP-2 在RH 為30%條件下調節后的均勻性優于RH 為45%和60%條件下的均勻性，這主要與RH 為30%時甘油逐口釋放量較大有關。兩款煙支煙氣甘油逐口釋放趨勢受調節濕度影響的變化趨勢有很大不同，其原因可能與2.2.2 節中煙堿的變化原因相同。

圖5 兩款煙支在不同濕度下調節48 h 后煙氣甘油的逐口釋放曲線Fig.5 Puff-by-puff releases of glycerin from aerosols of two HTPs after being conditioned for 48 h at different relative humidity

2.2.4 調節濕度對煙氣水分逐口釋放趨勢、釋放量及釋放均勻性的影響

兩款加熱卷煙在不同濕度下調節后，煙氣水分的逐口釋放分析結果如圖6 所示。HTP-1、HTP-2 在RH 為30%、45%、60%條件下調節后，其各自煙氣水分的逐口釋放趨勢基本不變，均是先增加后降低，但是隨調節濕度減小，煙氣水分逐口釋放的最高點有前移的趨勢。在相同抽吸口數序號時，煙氣水分釋放量隨調節濕度增大而增加，這與煙支含水率隨調節濕度的變化規律相一致。由逐口煙氣水分值計算得到的RSD 之間的比較表明，兩款煙支均在RH 為60%條件下調節后的煙氣水分逐口釋放均勻性最好，這主要與RH 為60%時水分逐口釋放量較大有關。

圖6 兩款煙支在不同濕度下調節48 h 后煙氣水分的逐口釋放曲線Fig.6 Puff-by-puff releases of moisture from aerosols of two HTPs after being conditioned for 48 h at different relative humidity

綜合以上各成分的逐口釋放情況，可見調節濕度對HTP-1 和HTP-2 前幾口煙氣同一口數序號下相同成分釋放量的影響規律一致，而對后幾口煙氣同一口數序號下相同成分的影響趨勢不盡相同。對于前幾口煙氣，特別是第一口煙氣，調節濕度對煙氣釋放的影響可解釋為調節濕度越高，煙支含水率越高，水分因其沸點比甘油、煙堿低，加熱時優先釋放，在物料充足而器具提供熱量有限的情況下，水分釋放量增加，從而甘油和煙堿可以獲取的熱量降低，二者的釋放量有所減少。而對于后幾口煙氣，由于受到煙支物料消耗程度的不同以及煙具本身供熱功率差異等因素的影響，調節濕度對兩款煙支后幾口煙氣同一口數序號相同成分影響的規律性不明顯。

2.3 調節濕度對加熱卷煙煙氣各成分逐口所占比例的影響

為進一步了解調節濕度對逐口煙氣組成的影響，分別分析了HTP-1、HTP-2 煙氣各成分所占比例（各成分釋放量與ACM 之比）隨抽吸口數序號的變化情況，如圖7～圖9 所示。

圖7 煙支在不同濕度下調節48 h 后煙氣煙堿逐口釋放所占比例的變化Fig.7 Variations of nicotine/ACM ratio with proceeding puffs after two HTPs’being conditioned for 48 h at different relative humidity

圖8 兩款煙支在不同濕度下調節48 h 后煙氣甘油逐口釋放所占比例的變化Fig.8 Variations of glycerin/ACM ratio with proceeding puffs after two HTPs’being conditioned for 48 h at different relative humidity

圖9 兩款煙支在不同濕度下調節48 h 后煙氣水分逐口釋放所占比例的變化Fig.9 Variations of moisture/ACM ratio with proceeding puffs after two HTPs’being conditioned for 48 h at different relative humidity

2.3.1 煙堿

兩款加熱卷煙在不同濕度下調節后，煙氣煙堿所占比例隨抽吸口數序號的變化曲線如圖7 所示。調節濕度對兩款煙支煙氣煙堿所占比例隨抽吸口數序號的變化趨勢影響有所不同，其中HTP-1 在RH 為30%、45%條件下調節時，其煙氣煙堿所占比例隨抽吸口數序號增大表現為先降低后逐漸升高的趨勢，并且最低點有隨調節濕度增大而前移的趨勢，而當HTP-1 在RH 為60%條件下調節時，其煙氣煙堿所占比例隨抽吸口數序號增大表現為逐漸升高的趨勢，這種趨勢其實是前幾口煙氣煙堿隨調節濕度增大而大幅下降造成的；而HTP-2 在3 個濕度條件下調節，其煙氣煙堿所占比例隨抽吸口數序號增大的變化趨勢基本一致，均表現出先升高后下降、再升高再下降的趨勢，這種變化趨勢可能與器具B 的兩段式加熱模式有關。在相同口數序號時，兩款加熱卷煙煙氣煙堿所占比例均表現出隨調節濕度減小而升高的趨勢，說明降低調節濕度有利于提高煙氣中煙堿所占比例。

2.3.2 甘油

兩款加熱卷煙在不同濕度下調節后，煙氣甘油所占比例隨抽吸口數序號的變化曲線如圖8 所示。兩款煙支在3 個不同濕度條件下調節，其各自煙氣甘油所占比例隨抽吸口數序號增大的變化趨勢基本不變，其中HTP-1 煙氣甘油所占比例隨抽吸口數序號增大表現為先降低后逐漸升高的趨勢，并且最低點有隨調節濕度增大而前移的趨勢，這與煙氣煙堿相似；而HTP-2 煙氣甘油所占比例隨抽吸口數序號增大基本表現為逐漸升高的趨勢。在相同口數序號時，兩款加熱卷煙煙氣甘油所占比例均表現為隨調節濕度減小而升高的趨勢，說明降低調節濕度有利于提高煙氣中甘油所占比例。

2.3.3 水分

兩款加熱卷煙在不同濕度下調節后，煙氣水分所占比例隨抽吸口數序號的變化曲線如圖9 所示。兩款煙支在3 個不同濕度條件下調節后，其各自煙氣水分所占比例隨抽吸口數序號的變化趨勢基本不變，其中HTP-1 煙氣水分所占比例隨抽吸口數序號大致呈降低的趨勢；而HTP-2 煙氣水分所占比例隨抽吸口數序號呈先略有增加、后逐漸降低的趨勢。在相同口數序號時，HTP-1 的煙氣水分所占比例表現為在RH 為45%條件下調節時所占比例最高（除最后3 口外），RH 為30%時所占比例最低；而HTP-2 的第一口煙氣水分所占比例表現為RH 為45%時最高，從第二口開始則表現為隨調節濕度增大而增大的趨勢。

綜合調節濕度對煙氣煙堿、煙氣甘油及煙氣水分所占比例的影響，可以發現，HTP-1 在RH 為60%條件下調節，其煙氣煙堿、甘油、水分所占比例均比在RH 為45%條件下調節低，說明RH 為60%條件下調節煙支后，煙氣中除煙堿、甘油、水分以外的其他成分（主要是香味成分）所占比例有所增加，同時RH 為60%時ACM 比45%時大，進一步說明RH 為60%條件下調節有利于除煙堿、甘油、水分以外的其他成分（主要是香味成分）的釋放，這與文獻［10］的報道一致。

3 結論

（1）HTP-1 和HTP-2 在相同抽吸口數序號下的ACM 和水分釋放量均隨調節濕度增大而增大，且ACM 和水分逐口釋放趨勢的變化隨調節濕度改變不明顯。

（2）不同于HTP-2 的各相同口數序號下煙氣甘油、煙氣煙堿釋放量均隨調節濕度增大而減少，HTP-1 前幾口的煙氣甘油、煙氣煙堿釋放量隨調節濕度增大而減少，后幾口隨調節濕度增大而增大，HTP-1 煙氣甘油、煙氣煙堿逐口釋放趨勢的變化隨調節濕度改變較明顯。

（3）調節濕度對兩款煙支不同煙氣成分逐口均勻性的改善表現出兩種方式，第一種是通過改變煙氣成分的逐口釋放趨勢改善逐口均勻性，如HTP-1 的煙氣煙堿和煙氣甘油；第二種是在基本不改變逐口釋放趨勢的情況下，通過改變煙氣成分的釋放量改善逐口均勻性，如HTP-2 的煙氣甘油、煙氣煙堿及兩款煙支的煙氣水分。

（4）HTP-1 和HTP-2 在相同抽吸口數序號下的煙堿和甘油所占比例均隨調節濕度增大而降低，但HTP-1 由于前幾口煙氣煙堿所占比例降低幅度相對較大，煙堿所占比例隨抽吸口數序號的變化趨勢發生明顯的改變。