電加熱卷煙傳熱傳質和關鍵物質釋放規律研究進展

高嶧涵，黃潔潔，高 潔，吳晉祿，謝 焰*，高乃平*

1.上海新型煙草制品研究院，上海市浦東新區秀浦路3733號 200082 2.同濟大學機械與能源工程學院，上海市楊浦區四平路1239號 200092

在現有的加熱不燃燒卷煙類型中，電加熱卷煙是市面上的主流產品，代表產品有菲莫國際的IQOS和英美煙草公司的GLO等。常見的電加熱卷煙主要包含兩部分：①由煙草原料（煙絲、煙片或顆粒）填充制成的煙支；②供煙支插入并提供熱源的加熱裝置［1-2］。根據加熱方式可分為內加熱和外加熱兩種形式，內加熱指加熱體插入煙支內部，加熱時熱量從煙支內部向外周傳遞；外加熱指熱源放置在煙支外，加熱時熱量從煙支外圍向中心傳遞。大多數電加熱卷煙的工作溫度在400℃以下，被加熱后煙草的溫度（350℃以下）低于傳統卷煙的燃燒溫度（600～900℃），因此，由煙草高溫燃燒產生的有害成分大大減少，側流煙氣和環境煙氣釋放量也大幅降低［3-4］。相比于傳統卷煙，電加熱卷煙的有害和潛在有害物的釋放量降低至少62%，其主流煙氣總粒相物和氣相組分的細胞毒性分別降低82%和65%［5-6］。電加熱卷煙通過電加熱器加熱煙草基質，當發煙段的溫度達到煙堿和香料等物質發生蒸餾的溫度時，物質從煙草中釋放出來，形成氣溶膠。其中，水分、甘油和煙堿3種組分共占氣溶膠比例的80%以上［7-8］，是影響電加熱卷煙吸食性能的關鍵物質。

目前，國外對電加熱卷煙的研究多集中在煙氣成分［7,9］、毒理學評價［6,10-11］等方面，國內研究集中在煙草材料的物理化學性質分析［12-13］、發煙段煙草基質的熱分析［14-17］以及煙氣釋放特性［18-20］等方面。為更好地了解電加熱卷煙內部的傳熱傳質機理以及煙草原料在加熱狀態下發生的物理化學反應，明晰電加熱卷煙中關鍵物質（水分、甘油和煙堿）的釋放規律，本研究中從電加熱卷煙工作過程分析、關鍵物質釋放規律分析和現有的數值模擬研究3個方面展開綜述，旨在為電加熱卷煙產品的開發和品質改善提供參考，并為后續電加熱卷煙相關的研究工作提供思路。

1 電加熱卷煙工作過程分析

1.1 電加熱卷煙內部傳熱傳質

在電加熱卷煙系統工作期間，加熱器溫度保持在400℃以下，以保證發煙段能產生煙霧但不燃燒［2］。加熱煙草原料的熱量由電加熱器提供，以內加熱型產品（圖1）為例，在加熱過程中，熱量從電加熱器表面傳至煙絲表面，再由煙絲表面傳導至內部。水分、揮發性成分從煙草內部以液態或氣態形式透過物料傳遞到表面，之后擴散到煙氣中。熱傳導發生在電加熱器表面與煙絲表面之間、煙絲內部以及不與電加熱器接觸的不同煙絲之間。在抽吸過程中，空氣通過內外設備間隙進入，抽吸帶入的空氣與煙絲發生強制對流換熱，同時帶走煙草顆粒間隙中揮發出來的關鍵物質。此后煙氣向中空段（包含支撐段和降溫段）和濾嘴段流動，中空段與濾嘴段的傳熱形式包含煙支軸向的熱傳導，以及高溫煙氣與側壁及濾嘴纖維的對流換熱。

圖1 電加熱卷煙的傳熱過程［21］Fig.1 Heat transfer process during the operation of an electrically heated tobacco product［21］

針對IQOS發煙段的熱電偶實測研究［21-22］表明：煙支徑向溫度分布不均勻，外圍煙絲溫度明顯低于靠近加熱器表面的煙絲溫度，同時抽吸過程帶入的空氣會對煙草起到短暫的降溫作用。由于IQOS采用卷制的煙草原料，煙草基質的整體形態類似于多層煙草材料，發煙段中的這種各向異性減少了徑向上與流動相關的熱擴散，熱通量主要由加熱器向外方向的熱傳導控制［21］。層狀形態和低有效熱導率使發煙段徑向的傳熱效果不佳。對于無序堆積的絲狀原料而言，發煙段中同樣存在明顯的各向異性，熱擴散和熱傳導的影響同時存在。

在煙草堆積體中，每一個絲狀顆粒可視為一個傳熱傳質單元。在顆粒內部，煙草物料以熱傳導方式傳熱，遵循傅里葉定律［23］，而傳質機理比較復雜，可能包含液態擴散、氣態擴散等過程［24］。在抽吸過程中，傳熱和傳質在對流條件下進行，其阻力主要集中在成為氣膜的邊界層中。傳熱的推動力為加熱體和煙草物料表面的溫差以及不同煙絲顆粒表面的溫差，傳質推動力為表面蒸汽壓與氣相中蒸汽分壓之差。

目前，多數電加熱卷煙還存在煙霧量不足、香氣成分濃度低和抽吸釋放特性不佳等問題［25］，電加熱卷煙關鍵物質釋放過程的本質是發生在體系內部復合物理、化學反應的傳熱、相變和傳質的問題。研究難點主要體現在兩個方面：①加熱過程中煙草內部發生一系列物理化學反應，煙草自身密度、孔隙率、表面特性和導熱系數等參數隨溫度和時間發生變化，涉及的多種復雜化學反應無法用明確的化學反應式完整表征，同時煙草原料中霧化劑、香精等添加劑對反應類型和釋放性能產生影響；②抽吸過程中內部形成的高溫煙氣與室溫空氣相遇，發生冷凝，煙氣的流動為包含不凝氣體和冷凝液滴的多相流動，高溫煙氣在流經中空段和濾嘴段時與材料進行熱交換，且在流動過程中部分煙氣粒子可能發生凝并，引起煙氣氣溶膠顆粒濃度和粒徑發生變化，粒徑較大的氣溶膠顆粒可能被碰撞截留，影響各關鍵成分的逐口釋放量。

1.2 加熱不燃燒狀態下生物質煙草的變化

電加熱卷煙的煙草原料主要為再造煙葉，再造煙葉以煙梗、煙絲或廢棄煙草粉末為基質，并添加了水分、發煙劑和香精，通過特定加工工藝將上述物料混合重組，形成具有一定抗張強度和較高發煙劑負載能力的再造煙葉［26］。

生物質煙草由多種組分組成，包含半纖維素、纖維素、木質素、果膠、糖、蛋白質、有機酸、水和煙堿等［27］。在加熱過程中，生物質煙草被加熱到100℃以上時，會發生許多熱反應，如生物質發生脫水、脫羧和脫羰基等熱解反應，導致氣態產物中水和碳氧化物的濃度增加，最終形成3種主要產物：未冷凝的氣態產物、液體冷凝產物和殘余固體。未冷凝的氣態產物主要包含水、CO、CO2、氫氣、氮氧化物以及少量有機成分。凝聚相產物組成復雜，隨熱解溫度而變化［28-29］。在電加熱卷煙的工作溫度下，煙草基質主要經歷干燥、揮發物蒸發和焙干（溫和熱解）3個過程。

室溫至150℃，發生吸熱蒸發過程，自由水和部分結合水首先在低溫下釋放出來，隨后熱量被傳導至生物質內部。在100～220℃的溫度區間內，主要是煙堿、霧化劑和其他低溫揮發物（如香精香料）的釋放［15］。低分子量碳水化合物（單糖和雙糖）在150℃左右開始脫水，導致結構重排，煙草失去恢復原有結構的能力，熱裂解產物包括脫水糖、脫水糖酸和具有呋喃結構的化合物，以及脫羧形成的CO2［30］。果膠和木聚糖分別在150、200℃開始軟化或融化，煙草角質層發生分離和降解，形成熔融相，煙草的機械強度降低［31］。在加熱時煙草原料內形成囊泡，當囊泡破裂時，揮發性產物轉移到氣相中［31-32］。

焙干過程（初級熱解）在溫度高于200℃時開始，獨立于燃燒反應，初級熱解可在沒有氧氣的情況下發生，導致揮發物的釋放和焦炭的形成。在200～300℃之間，大多數分子間和分子內氫鍵以及C—C鍵和C—O鍵斷裂，導致小分子量氣體（如CO、CO2和氨氣）、醛、酮、小分子量碳氫化合物和芳烴的形成［29,33-34］。果膠、半纖維素、纖維素和木質素等大分子化合物在高于220℃時分解，大分子化合物發生解聚并產生重排的多糖結構，果膠和木聚糖在高溫下形成多孔結構，煙草基質本身發生結構變化［31,35-36］。果膠在210～270℃范圍內發生熱分解［37］，半纖維素是一種帶有短支鏈的高分子化合物，聚合度低，穩定性差，在225～325℃范圍內發生熱分解。纖維素為高線性、無支鏈結構的聚合物，通常在325～375℃熱解［38］。在煙草葉片的莖和維管束中發現的木質部細胞（Xylem cells）含有木質素，木質素的熱解溫度范圍較寬，通常為250～500℃，并且反應緩慢［32,39-40］。纖維素、半纖維素等大分子難揮發化合物的熱降解會形成各種永久性氣體（Permanent gases）、焦油和固體殘留物［33］。

溫度高于250℃時殘留的固體呈黑色，該物質本質上為脂肪族和芳香族化合物［28,32］；更高溫度時會導致剩余固體的芳香性增加，釋放出輕質氣體、芳烴和多環芳烴、含氧和含氮的芳烴以及多環芳烴［34,41］。低于300℃時產生的液體冷凝物主要是由煙草中自然存在的水和其他揮發性、半揮發性物質的蒸發產生的。在更高溫度下，熱解反應形成的冷凝物來自煙草碳水化合物、脂肪酸、蠟、酚類化合物、脂類化合物、生物堿、蛋白質、肽、氨基酸和有機鹽的熱降解和解聚產物的冷卻和冷凝［21］。

300℃以上，除了發生揮發物的固相自由基反應外，還可能存在氣相自由基反應。在揮發性物質形成過程中，可能同時發生氣相熱解反應，較大分子量的揮發性產物被裂解成不凝氣體，例如小分子量的碳氫化合物、CO和CO2［42］。

在250℃以下形成的原焦炭，在400℃以上時進行化學轉化，產生更穩定、相對有序的碳結構［43］。在溫度高于400℃且存在氧化劑（如氧氣）的情況下，剩余的固相可燃物被點燃并開始燃燒，直到可燃物被消耗完畢［44-45］。原始煙草結構的性質、顆粒的傳熱速率以及顆粒能達到的最終溫度均會顯著影響揮發性產物的化學成分和物質的釋放量［46］。

2 關鍵物質釋放規律研究

2.1 關鍵物質釋放特性

發煙段的煙草中包含自由水和結合水。自由水包括煙草中吸附的和孔隙中的水，具有流動性，結合力較弱；結合水包括煙草中與蛋白質、纖維素、果膠質等成分通過氫鍵結合的水分，結合力較強［47］。煙草樣品的加熱實驗［19］表明，煙霧中的水分來源于再造煙葉自身水分的遷移和再造煙葉的熱解。通過熱重（TG）-傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析煙草熱解過程中水分的釋放特性發現，水分在加熱過程中幾乎是連續不斷地生成，自由水和結合水低于沸點溫度時就開始蒸發，160℃以下存在兩個水分釋放峰值；由于半纖維素、果膠和纖維素側鏈中羥基的裂解，335℃左右出現一個水分釋放峰值［48］。

混合或加工過的煙草基質中常添加甘油作為發煙劑，因此，在煙草樣品的低溫加熱過程中，甘油是放出氣體的主要成分。Gómez-Siurana等［49］的快速熱解實驗結果顯示，甘油不會大量熱解，大部分原型轉移到煙氣中，其熱解產物中只有少量丙烯醛和乙醇酸。基于固定床反應器的煙草熱分解研究中，甘油的釋放主要發生在150～250℃之間［48］，低于常壓下甘油的沸點溫度（291℃）。添加甘油使煙葉表面的溝槽紋理發生變化，同時添加甘油可能會改變煙草中化合物的熱解途徑，導致在大約240℃下釋放出水、CO2、羰基和羧基化合物以及含有—CH2和—CH3基團的化合物，并且在纖維素熱解的溫度范圍內CO2釋放量明顯增加［49］。其次，加入甘油導致在較低溫度（低于190℃）下和在對應于甘油失重的溫度范圍（約235℃）內水分釋放量增加［49］。如表1，當煙草中甘油添加量從5%提高至15%，釋放的煙霧中焦油量、水分分別增加0.55、0.39 mg/支。由于填充質量一定，加入甘油后使煙草原料質量所占比例減小，因而，煙堿的釋放量減少0.117 mg/支，整體表現為與其吸濕效果一致的稀釋效果［50］。

表1 含甘油的對照組和測試組煙支主流煙氣成分的釋放量①［50］Tab.1 Releases of mainstream aerosol components in tobacco samples containing glycerin［50］ （mg·支-1）

在煙草基質中，煙堿存在狀態與環境pH有關，大部分煙堿與有機酸結合成鹽，以質子態的形式（單質子態煙堿［NicH+］和雙質子態煙堿［NicH22+］）存在，非質子化的游離態煙堿［Nic］的量較少［51］。在煙堿揮發的溫度范圍內，煙堿-羧酸鹽可能會發生兩類復雜的化學反應：第一類涉及羧酸抗衡離子的解離、脫水和分解（圖2）；第二類涉及不同形態煙堿之間的質子轉移，如單質子態煙堿的歧化反應。在抽吸條件下，煙堿的釋放發生在水分蒸發之后，煙草基質中煙堿釋放的主要溫度范圍為110～220℃，較低的溫度范圍（115±5）℃對應于從弱酸解離或單質子態煙堿通過歧化反應生成的游離態煙堿的蒸發；較高溫度（160～210℃）下抗衡離子的熱穩定性下降，雙質子態煙堿［NicH22+］被釋放出來；300～400℃的加熱溫度足以將煙堿完全轉移到煙氣中［52］。非揮發性的質子態煙堿只存在于粒相物中；游離態煙堿揮發性強，主要以氣相形態存在。游離態煙堿比質子態煙堿具有更強的親脂性，更易于穿透口腔黏膜，從而快速被人體吸收，煙堿的存在形態會顯著影響呼吸道沉積和煙堿吸收動力學特性，游離態煙堿質量分數高的卷煙的吸食勁頭更足［53］。核磁共振氫譜實驗結果表明，IQOS煙氣中的煙堿主要為質子態煙堿，幾乎只存在于粒相物中，氣相物中游離態煙堿的釋放量較低，導致電加熱卷煙的吸食口感與傳統卷煙相比“滿足感”低［54］。

圖2 羧酸抗衡離子的解離、脫水和分解［52］Fig.2 Dissociation,dehydration and decomposition of carboxylic acid counter ions associated with nicotine［52］

2.2 關鍵物質釋放的影響因素分析

由于煙草本身包含多種化學物質，且煙草的微觀結構十分復雜，孔隙中可能包含水分、添加劑等多種物質，因此其傳熱傳質行為具有復雜性。影響關鍵物質釋放和轉移的因素包括加熱溫度［18,55］、發煙劑添加量［55-57］、含水率［58］、加熱方式［25,59］、抽吸模式［60-62］、煙草材料性質［63］以及濾嘴類型、結構［20,64］等。其中，溫度是最主要的影響因素，不同煙草基體在加熱不燃燒狀態下的煙氣總粒相物釋放量與溫度顯著線性相關［63］，在不同溫度下電加熱卷煙煙氣的釋放成分差異較大，在200～320℃范圍內隨加熱溫度升高，煙氣釋放成分的種類增加，不同加熱溫度下的煙氣釋放實驗結果［18,65］表明：260℃以下煙堿的釋放隨溫度升高而增加，260℃以上煙堿幾乎揮發完全；160～290℃時甘油的釋放與溫度正相關，290℃以上甘油發生聚合、分解反應使其質量分數下降；溫度上升至470℃后煙氣成分基本保持不變；溫度對氣溶膠粒徑分布特性的影響不大。

發煙劑常被添加到煙草原料中以改善煙絲的耐加工性和發煙特性，常見的發煙劑種類有甘油、1,2-丙二醇和山梨醇等［66］。電加熱卷煙煙草原料中，常添加10%～25%（質量分數）的甘油［67-68］。添加甘油可以縮短煙草發煙的起始時間，促進煙氣和香氣成分的釋放，同時可使煙氣氣溶膠粒徑分布變寬［55,69］。相關學者［49,56］探究了甘油添加量對烤煙、3R4F參比卷煙煙氣釋放特性的影響。如圖3，云南C3F烤煙樣品中增加0～10%（質量分數）的甘油，TPM、甘油和煙堿的釋放量均明顯增加，但甘油添加量從10%增加至15%，TPM釋放量無顯著變化，煙堿釋放量減少；添加甘油能顯著增加煙氣中水分的釋放，甘油添加量＞5%后3個樣品的水分釋放差異不顯著。

圖3 不同甘油添加量下烤煙樣品TPM、甘油、水分和煙堿的釋放量（數據源于文獻［56］）Fig.3 Releases of TPM,glycerol,moisture and nicotine in flue-cured tobacco samples at different glycerol additions(data from literature［56］)

電加熱卷煙氣溶膠中，水分所占比例達60%以上，原料含水率對煙支的釋放性能及抽吸口感有重要影響，含水率過低會使煙氣干澀，而過高又會使煙氣吃味不佳［3,70-71］。目前，國外市售電加熱卷煙的含水率在5%～20%之間［58,67］。相關研究結果［58］表明，較高的加熱溫度下，水分釋放能促進甘油的釋放；但煙支加熱溫度較低時，煙草原料含水率過高，煙支中可燃成分的質量較低，同時蒸發水分所需的能量和時間增加，煙堿和香氣成分等不能充分揮發，煙氣逐口釋放均勻性差、吃味不佳。對比兩種電加熱卷煙煙支在不同相對濕度條件平衡后的煙氣釋放性能（圖4），可知，經50%相對濕度平衡后的卷煙樣品（含水率7.58%～8.74%）煙氣水分、煙堿的組分遷移性能最佳，證明存在最佳的煙支含水率范圍，使煙支水分、煙堿更有效地釋放，且不同類型電加熱卷煙設定的含水率不同，以獲得更好的發煙效果［58］。

圖4 兩種電加熱卷煙煙支中以及捕集煙氣中水分、甘油、煙堿的含量（或釋放量）和組分遷移率（數據源于文獻［58］）Fig.4 Moisture,glycerol,nicotine contents in two types of electrically heated tobacco products and the releases and transfer rates in trapped aerosol(datafrom literature［58］)

3 數值模擬研究

由于新型煙草制品的出現時間較晚，對于電加熱卷煙的數值模擬研究（表2）仍只有少數［72-78］，采用的模擬軟件主要有ANSYS Fluent、Open FOAM和COMSOL Multi-Physics。現有數值模擬工作主要為對煙支內部傳熱特性、煙氣流動特性、煙支傳熱與關鍵物質釋放耦合的模擬以及對電加熱器溫度場模擬。針對傳熱方面的模擬，主要研究了發煙段溫度分布以及濾嘴對煙氣的降溫特性。在煙支傳熱與關鍵物質釋放耦合的模擬中，主要研究水分、甘油和煙堿3種關鍵物質的釋放，模型中關鍵物質的釋放由阿倫尼烏斯（Arrhenius）反應動力學參數控制，動力學參數可以通過多元解卷積技術從在受控的低加熱速率下進行的TG-FTIR實驗中提取［48,79］。對電加熱器的模擬主要探究了內部通電后熱量在不同涂層材料或結構之間的傳遞效果。

表2 電加熱卷煙相關模型Tab.2 Related numerical models of electrically heated tobacco products

電加熱卷煙的工作過程涉及多孔介質、多相流和相變傳質等多領域，同時包含上百種化學物質的相關化學反應，因此相關數值模擬研究一般考慮采用宏觀方法。Jiang等［72］基于多孔介質理論和能量、質量、動量守恒方程對電加熱卷煙的發煙段建立了基礎的傳熱模型，可用于預測靜止加熱和抽吸狀態下發煙段內部的溫度分布，但模型僅考慮了氣相，且未考慮氣固兩相之間質量傳遞對氣相總質量的影響。肖衛強等［73］建立了包含外周加熱和恒速抽吸氣流同時作用下的加熱卷煙傳熱與煙氣流動模型，模擬結果表明，層流邊界層充分發展后，煙絲的總傳熱系數穩定在3.4 W/（m·K），煙氣流動對發煙段溫度分布影響較小。Nordlund等［74］對整個電加熱卷煙裝置建立了較為完備的數學模型，同時考慮了氣相組分在各向異性的多孔介質中的流動、熱量和物質轉移，以及多組分氣溶膠瞬態的體積、質量變化等（模型方程見表3），但模型未考慮加熱過程中煙草基質熱物性和質量的變化。

表3 Nordlund等建立的電加熱卷煙裝置模型［74］Tab.3 Models of electrically heated tobacco product devices established by Markus Nordlund［74］

熱源技術是電加熱型卷煙關鍵技術之一，加熱體性能對電加熱煙草制品的關鍵物質釋放和消費者使用感受具有重要影響［75］。孫志偉等［76］詳細研究了電加熱卷煙片狀加熱體的涂層材料、物理結構及相關尺寸，根據導電拉普拉斯方程和熱傳導泊松方程建立了電熱仿真模型。模擬結果顯示：片狀加熱體軸向溫度差異明顯，從加熱體尖端至加熱體底部，溫度分布大體上呈先增大后減小的趨勢，正常使用工況下軸向溫差超過250℃；徑向溫差相對較小，且從尖端至底部這種差異越來越小，徑向從中間至邊緣的最大溫差約為50℃。加熱體溫度分布顯著受電子漿料位置分布的影響。時春鑫等［77］通過設計實驗和模擬仿真，研究了加熱元件在電壓激勵下的溫度響應，建立了熱-電耦合求解加熱元件非穩態溫度場分布的數值模型。魏信建等［78］利用COMSOL Multi-Physics有限元軟件對電磁式加熱卷煙發熱元件在空載條件下的溫度場分布規律進行了數值模擬，分析了430不銹鋼和35鋼作為加熱器材料對溫度分布的影響，發現35鋼作為材質的發熱元件時其表面溫度均勻性較好，430不銹鋼作為材質的發熱元件的熱轉化效率更高。

現有的電加熱卷煙相關模型，多是對其部分組件或某一區域的特性進行了模擬，模型尚不全面；并且大多對發煙段進行了均勻假設，將煙草基質宏觀考慮成均勻的多孔介質，而實際發煙段由卷制的絲狀或片狀煙草組成，可能存在較為明顯的各向異性。針對絲狀顆粒的傳熱傳質，可參考朱立平等［80-81］的相關研究。電加熱卷煙關鍵物質釋放的數值模擬研究中，釋放規律由實驗獲得，再將實驗結果耦合到模型中，由此建立的模型雖與各自的實驗結果吻合良好，但在適用性方面仍存在問題，其化學反應模型的優化可參考傳統卷煙的相關研究［82-83］。此外，相變過程中煙氣粒徑的變化以及發生在濾嘴段的顆粒截留作用的相關研究還不夠充分，可引入傳統卷煙煙氣截留規律的研究方法［84-85］。在今后的模型研究工作中，可嘗試將微觀尺度的絲狀顆粒傳熱與詳細的熱化學、熱動力學、顆粒沉積模型聯合起來，建立更加全面系統的電加熱卷煙傳熱傳質數學模型，以期獲得更接近真實情況的溫度場分布和組分遷移分布規律。

4 結論與展望

隨著市場的驅動，電加熱卷煙將是未來煙草行業的重要發展方向和研究熱點之一。對電加熱卷煙工作過程進行分析并對現有的實驗和模擬研究進行梳理，得到以下結論和展望：

（1）電加熱卷煙中主要包含熱傳導和對流換熱兩種傳熱形式，發煙段的各向異性會影響徑向上與流動相關的熱擴散與各向的熱傳導，其關鍵物質釋放過程本質是發生在體系內部復合物理、化學反應的傳熱、相變和傳質的問題，研究難點在于涉及多種化學反應、多相流動和截留作用等。

（2）煙草基質在加熱過程中發生的物理過程包括水分蒸發、煙氣流動和氣溶膠顆粒凝并等，發生的化學過程較為復雜，涉及單糖、小分子物質的熱裂解和大分子物質（如半纖維素、纖維素）的分解等，并且霧化劑和香精香料的添加可能會改變煙草中化合物的熱解途徑，導致生成其他熱解產物。

（3）電加熱卷煙水分的釋放主要源于160℃以下發生的自由水、結合水的蒸發以及高溫下大分子物質的裂解；甘油的釋放主要發生在150～250℃之間，添加甘油會影響其他成分的釋放；煙堿釋放的主要溫度范圍為110～220℃，煙堿的釋放源于煙堿-羧酸鹽中羧酸抗衡離子的解離、脫水、分解或不同煙堿種類之間的質子轉移，煙堿的存在形態會顯著影響呼吸道沉積和煙堿吸收動力學特性，游離煙堿質量分數高的卷煙的吸食勁頭更足。

（4）電加熱卷煙關鍵物質的釋放與加熱溫度、煙支含水率、霧化劑質量分數等多種因素有關，現有研究探究了不同工況下煙氣的釋放特性，但各因素之間的耦合關系尚未明晰。理清各影響因素之間的相互關系，可為不同類型的電加熱卷煙在加熱溫度選擇、原料配比選取等方面的產品改良提供依據，理論上可通過調節上述因素，調控關鍵物質向氣溶膠的轉移，以獲得最佳的發煙和吸食效果。

（5）由于新型煙草制品近年來剛剛興起，研究時間尚短，因此，關于電加熱卷煙的數學模型還相對片面。目前已有學者對電加熱卷煙內部的傳熱和關鍵物質釋放、煙氣在濾嘴段的降溫和流動特性以及電加熱器表面溫度分布等進行了數值模擬研究，但現有模型僅能模擬電加熱卷煙的部分組件或某一區域的特性，并且部分模型未將加熱過程中煙草、煙氣的變化以及其他變量對傳熱及關鍵物質釋放的影響考慮在內；此外，相變過程中氣溶膠粒徑的變化以及發生在濾嘴段的顆粒截留作用的相關研究還不夠充分。對于加熱不燃燒卷煙的數值模擬研究可以借鑒傳統卷煙和絲狀顆粒傳熱傳質的相關研究方法。