濾嘴通風率對加熱卷煙氣溶膠主要成分釋放量的影響

張博，杜文*，王志國，宋時浩，王吉利，孫志偉，王威

1.湖南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)研發(fā)中心，長沙市雨花區(qū)勞動中路386號 410007

2.青島頤中科技有限公司，青島市市北區(qū)沾化路3號 266011

濾嘴通風技術(shù)作為一種有效降低煙氣焦油、減少有害成分釋放量的手段已廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)卷煙［1-2］。濾嘴通風改變傳統(tǒng)卷煙燃燒錐空氣流態(tài)，從而影響煙絲的裂解和蒸餾過程，造成煙氣成分稀釋、擴散和截留的改變，影響煙氣成分的釋放，最終影響卷煙感官品質(zhì)。目前，針對傳統(tǒng)卷煙已開展了較多濾嘴通風相關(guān)研究，主要集中在對感官質(zhì)量以及煙氣常規(guī)成分，有害成分，酸性、中性和堿性香味成分釋放量的影響方面［3-6］。

加熱卷煙在熱物理及熱化學方面與傳統(tǒng)卷煙存在較大差異［7］。加熱卷煙是通過加熱元件對煙草物質(zhì)進行加熱，由于加熱溫度低于350℃，煙草物質(zhì)僅發(fā)生蒸餾及簡單的熱解反應(yīng)，不僅可以滿足消費者對于煙堿的需求，還可以有效降低因高溫燃燒、熱解和熱合成過程中潛在有害物質(zhì)的產(chǎn)生［8-12］。此外，加熱卷煙氣溶膠主要成分釋放比例與傳統(tǒng)卷煙也存在較大差異［13-19］，國內(nèi)煙草科研人員發(fā)現(xiàn)加熱卷煙氣溶膠中水分質(zhì)量所占比例高于傳統(tǒng)卷煙，而煙堿質(zhì)量所占比例低于傳統(tǒng)卷煙［20-21］。以上研究表明，加熱卷煙無論從成煙/成霧機制還是氣溶膠主要成分釋放比例方面均與傳統(tǒng)卷煙存在較大差異。近年來，國內(nèi)外加熱卷煙產(chǎn)品逐漸采用濾嘴通風技術(shù)達到降溫和增霧的效果［22］，如菲莫國際公司的電磁加熱TEREA產(chǎn)品采用打孔技術(shù)替代聚乳酸薄片作為冷卻元件；英美煙草公司的glo產(chǎn)品采用打孔技術(shù)降低氣溶膠溫度。國內(nèi)企業(yè)如湖南中煙工業(yè)有限責任公司（以下簡稱湖南中煙，下同）、浙江中煙等采用打孔技術(shù)降低氣溶膠溫度。濾嘴通風率對加熱卷煙氣溶膠的物理特性、化學特性及感官質(zhì)量的影響規(guī)律尚未清晰。因此，本研究中以圓周17 mm的細支周向加熱卷煙為研究對象，考察濾嘴通風率、打孔位置對加熱卷煙氣溶膠主要成分釋放量的影響規(guī)律，旨在為加熱卷煙產(chǎn)品濾嘴通風參數(shù)設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

同一批生產(chǎn)的某牌號加熱卷煙并配套相應(yīng)的加熱器具，采用周向加熱方式，加熱溫度為220℃（某中煙工業(yè)有限責任公司）；劍橋濾片（直徑44 mm，德國Borgwaldt公司）。

異丙醇（AR，天津市富宇精細化工有限公司）；丙三醇、1,4-丁二醇（AR，國藥集團化學試劑有限公司）；正十七烷（≥98.5%，北京百靈威科技有限公司）；煙堿（＞97.0%，國家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測中心提供）。

MSC-3型多元搓接實驗裝置、NTM-5加熱卷煙綜合測試臺、NSM100型加熱卷煙直線型吸煙機（青島頤中科技有限公司）；JK350-M-J3型實驗室激光打孔機（江蘇瑞馳科技有限公司）；CP224S電子天平（感量0.000 1 g，天津阿爾塔科技有限公司）；7890A氣相色譜儀（配備FID和TCD檢測器，美國Agilent公司）；Milli-Q50超純水儀（美國Millipore公司）；HY-6雙層調(diào)速振蕩儀（常州國華電器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 加熱卷煙樣品設(shè)計與制備

煙支分切：取同一批生產(chǎn)、圓周為17 mm的細支周向加熱卷煙樣品進行分切，將分切好的煙絲段置于相對濕度45%±2%，溫度（22±1）℃的條件下平衡，其中，煙絲段長度為41 mm；對二元復合濾棒進行分切，其中，濾嘴段分切長度為7 mm，中空段分切長度為35 mm。

煙支卷接：對分切后的煙絲段、中空段和濾嘴段進行卷接，獲得長度為83 mm的加熱煙支，共計1 000支。

煙支激光打孔：采用開槽方式打孔，開槽數(shù)量均為5個，打孔位置（距離唇端）分別為10.0、17.5、25.0 mm。根據(jù)激光打孔時間、功率的不同，獲得不同打孔位置濾嘴通風率設(shè)計值為0、22.5%、37.5%、52.5%、60.0%、70.0%、75.0%、80.0%、85.0%的煙支樣品；按照質(zhì)量為（平均值±0.02）g、濾嘴通風率為設(shè)計值±1%的標準對煙支樣品進行逐一分選，置于相對濕度45%±2%、（22±1）℃的條件下平衡48 h。

1.2.2 實驗設(shè)計

為準確估計各實驗因素主效應(yīng)的大小及估計因素之間各級交互效應(yīng)的大小，采用全面實驗的方法。針對打孔位置和濾嘴通風率分別考察3和9個水平。

1.2.3 加熱卷煙氣溶膠的捕集

采用加熱卷煙直線型吸煙機抽吸加熱卷煙，參照加拿大深度抽吸模式（ISO 20778：2018）［23］，具體參數(shù)：抽吸容量55.0 mL，抽吸時間2 s，抽吸間隔30 s；抽吸曲線為鐘形。采用劍橋濾片捕集6支卷煙氣溶膠，每支卷煙抽吸6口，進行3次平行實驗。

1.2.4 煙堿、水分及丙三醇的檢測

按照CORESTA 84號［23］推薦方法檢測氣溶膠中煙堿、水分及丙三醇的捕集量及濾嘴中截留量。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析-效應(yīng)估計，以了解濾嘴通風率及打孔位置對氣溶膠主要成分煙堿、丙三醇和水分捕集量的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法學評價

考察了方法的檢測限、回收率和精密度。對最低濃度的標準溶液進行10次平行測定，分別以3倍和10倍標準偏差計算檢出限和定量限。采用標準加入法進行回收率實驗，以劍橋濾片萃取液主要成分的測定值為基準，分別在萃取液中加入50%、100%和150%水平的標樣，根據(jù)測定量、加標量和原含量計算回收率，并通過5次重復實驗結(jié)果計算相對標準偏差（RSD）。結(jié)果（表1）表明，建立的檢測丙三醇、煙堿和水分的方法能夠滿足定量檢測的需求［24］。

2.2 濾嘴通風率對氣溶膠主要成分的影響

2.2.1 對氣溶膠主要成分捕集量的影響

氣溶膠主要成分捕集量的測定結(jié)果如圖1所示。可知，隨濾嘴通風率的增大，氣溶膠煙堿、水分捕集量呈降低-升高-降低的趨勢（濾嘴通風率70.0%~75.0%時達到峰值）；氣溶膠中丙三醇捕集量呈升高-降低的趨勢（濾嘴通風率70.0%時達到峰值）。

圖1 濾嘴通風率對氣溶膠主要成分捕集量的影響Fig.1 Influences of filter ventilation rate on aerosol collected masses of 3 main components

為進一步探究流經(jīng)煙絲段適宜的氣流體積，計算不同濾嘴通風率下流經(jīng)煙絲段的氣流體積，以濾片對主要氣溶膠成分的捕集量與流經(jīng)煙絲段氣流體積的比值計算單位氣流體積中主要成分的捕集量，并考察濾嘴通風率與該比值間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。可知，隨濾嘴通風率增大，單位氣流體積中煙堿、水分的捕集量整體呈穩(wěn)定-升高-穩(wěn)定或降低趨勢（濾嘴通風率為52.5%~75.0%左右快速升高）。對于單位氣流體積中丙三醇捕集量，隨濾嘴通風率增大，呈升高趨勢；當濾嘴通風率超過70.0%時，單位氣流體積中丙三醇捕集量增速減緩。因此，流經(jīng)煙絲段氣流體積約為11 mL時（濾嘴通風率為80.0%），整體上單位氣流體積主要成分捕集量較高。

圖2 煙絲段單位氣流體積主要成分捕集量隨濾嘴通風率的變化Fig.2 Variations of collected masses of main components per unit airflow volume in tobacco section with filter ventilation rate

2.2.2 對氣溶膠主要成分截留量的影響

不同通風率濾嘴樣品對氣溶膠主要成分的截留量如圖3所示。結(jié)果表明，隨濾嘴通風率的增大，濾嘴中煙堿和水分的截留量呈降低-升高-降低或降低-升高的變化趨勢，在濾嘴通風率70.0%附近截留量最低，與此同時捕集量達到峰值；隨濾嘴通風率的增大，濾嘴中丙三醇截留量呈降低-穩(wěn)定的變化趨勢，在濾嘴通風率70.0%附近截留量即達最低，與此同時捕集量達到峰值，其中，濾嘴中丙三醇截留量遠大于氣溶膠中的捕集量。說明煙絲段釋放的丙三醇大部分被濾嘴截留。

圖3 濾嘴通風率對氣溶膠主要成分截留量的影響Fig.3 Influences of filter ventilation rate on amounts of main aerosol components retained

為進一步探究流經(jīng)煙絲段適宜的氣流體積，計算不同濾嘴通風率下流經(jīng)煙絲段氣流的體積，以濾嘴中截留量與流經(jīng)煙絲段氣流體積的比值計算流經(jīng)煙絲段單位氣流體積中主要成分截留量，并考察濾嘴通風率與該比值間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。可知，隨濾嘴通風率增大單位氣流體積中主要成分截留量均呈升高的趨勢；其中，濾嘴通風率為0~70.0%時，單位氣流體積中主要成分截留量增速較為緩慢；濾嘴通風率為70.0%~85.0%時，單位氣流體積中主要成分截留量快速增長。這可能與氣溶膠溫度有關(guān)，隨濾嘴通風率增大，氣溶膠溫度降低，氣溶膠顆粒更易發(fā)生冷凝沉積及團聚效應(yīng)。基于加熱卷煙產(chǎn)品研發(fā)降溫需求，流經(jīng)煙絲段的氣流體積約為16.5 mL（濾嘴通風率為70.0%）時，較有利于濾嘴中主要成分截留量的降低。

圖4 煙絲段單位氣流體積中主要成分截留量隨濾嘴通風率的變化Fig.4 Variations of amounts of main components retained per unit airflow volume in tobacco section with filter ventilation rate

2.3 打孔位置對氣溶膠主要成分的影響

不同打孔位置加熱卷煙氣溶膠中主要成分的捕集量結(jié)果如圖1所示。可知，濾嘴通風率為22.5%、打孔位置為10.0 mm時氣溶膠中煙堿的捕集量較大；濾嘴通風率為37.5%~60.0%、打孔位置為17.5 mm時氣溶膠中煙堿的捕集量較大；濾嘴通風率為70.0%~85.0%、打孔位置為25.0 mm時氣溶膠中煙堿的捕集量較大。丙三醇在濾嘴通風率為22.5%~85.0%時，均為打孔位置25.0 mm時氣溶膠中的捕集量較大。水分在濾嘴通風率為22.5%、打孔位置為10.0 mm時氣溶膠中的捕集量較大；濾嘴通風率為37.5%、打孔位置為17.5 mm時氣溶膠中的捕集量較大；濾嘴通風率為52.5%~85.0%、打孔位置為25.0 mm時氣溶膠中的捕集量較大。因此，隨濾嘴通風率的增大，打孔位置遠離唇端有利于增加氣溶膠中主要成分的捕集量。

打孔位置對氣溶膠主要成分濾嘴截留量的影響結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，濾嘴通風率為22.5%時，打孔位置為10.0 mm時煙堿的截留量較高，打孔位置為17.5 mm時截留量較低；濾嘴通風率為37.5%時，打孔位置為17.0 mm時截留量較高，打孔位置為25.0 mm時截留量較低；濾嘴通風率為52.5%~85.0%時，打孔位置為10.0 mm時截留量較高，打孔位置為25.0 mm時截留量較低。水分在濾嘴通風率為22.5%時，打孔位置為17.5 mm時截留量較高，打孔位置為25.0 mm時截留量較低；濾嘴通風率為37.5%~85.0%時，打孔位置為10.0 mm時截留量較高，打孔位置為25.0 mm時截留量較低。丙三醇在打孔位置為10.0 mm時截留量最高，打孔位置為25.0 mm時截留量最低。因此，隨濾嘴通風率的增大，打孔位置遠離唇端有利于降低濾嘴中主要成分的截留量。

2.4 分析討論

2.4.1 濾嘴通風率對氣溶膠主要成分釋放量的影響分析

經(jīng)文獻調(diào)研，傳統(tǒng)卷煙主流煙氣中煙堿、水分等成分釋放量均隨濾嘴通風率增大呈現(xiàn)降低的趨勢［25］，但本研究結(jié)果顯示，加熱卷煙氣溶膠主要成分的釋放量并不隨通風率增加而簡單地下降。如圖1所示，煙堿和水分呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢，丙三醇呈現(xiàn)先緩慢增加后顯著升高再下降的趨勢，這與傳統(tǒng)卷煙相比顯著不同。通風對加熱卷煙與傳統(tǒng)卷煙的不同影響規(guī)律是由二者不同的氣溶膠/煙氣生成機理所導致的，可以結(jié)合氣溶膠在煙絲段的生成以及在濾嘴中的截留兩個相對獨立的過程進行分析。

2.4.2 濾嘴通風率對氣溶膠丙三醇釋放量的影響分析

從氣溶膠的生成分析。對于傳統(tǒng)卷煙，濾嘴通風率增大使煙絲段進氣量減少，進而使煙絲段燃燒量降低，煙氣釋放量降低。對于加熱卷煙，氣溶膠不是由燃燒產(chǎn)生而是由相對封閉條件下的外部熱源加熱產(chǎn)生，濾嘴通風率并不會減少外部熱源的加熱量和煙絲段釋放量，相反，通風使得加熱卷煙抽吸時流經(jīng)受熱煙草的冷空氣流量變小，煙草熱量流失更少，抽吸過程中煙草溫度能維持得更高，產(chǎn)生有利于煙氣成分釋放的影響。如圖5所示，以丙三醇的氣溶膠中捕集量（Aerosol collected mass，ACM）與濾嘴中丙三醇截留量之和為丙三醇生成量，其并不隨通風率的增加而迅速降低，而是降低得較緩，這種現(xiàn)象在較高通風率（70.0%~85.0%）時表現(xiàn)得更為明顯。

圖5 17.5 mm打孔位置處不同濾嘴通風率丙三醇的生成量和ACM以及截留率的變化Fig.5 Variations of yields,ACMs and filter retention rates of glycerol at different ventilation rates for perforation location of 17.5 mm

從濾嘴截留分析。在一定濾嘴通風條件下，在濾嘴靠近管壁的位置形成層流，對進入濾嘴的氣溶膠顆粒與管壁以及外層醋纖段的接觸起到一定程度的“隔離”作用，降低了氣溶膠顆粒與管壁及外層醋纖的碰撞幾率，使得煙氣過濾效率降低。通風氣流越大，層流層越厚，流速越快，“隔離”作用越顯著。但當濾嘴通風大到一定程度，從多個通風孔流入濾嘴的氣流互相干擾增強，不規(guī)則湍流的成分增多，反而不利于形成穩(wěn)定的層流，導致“氣流層隔離”作用減弱，顆粒物過濾效率上升。由于不同狀態(tài)氣流的影響，濾嘴截留率在通風率0~70.0%區(qū)間下降，而在通風率70.0%~85.0%區(qū)間上升，濾嘴通風率為70.0%時濾嘴截留率最低。

根據(jù)該機理可以預見，如果濾嘴通風孔越遠離抽吸端，那么氣流層隔離的作用距離就越長，氣流層隔離效應(yīng)對截留率的降低就越明顯。對比離抽吸端10.0、17.5、25.0 mm不同位置打孔的濾嘴對甘油截留率的影響（圖6）可見，打孔位置25.0 mm時截留率的下降最大，打孔位置10.0 mm時截留率的下降最小，呈現(xiàn)較好的量效關(guān)系。

圖6 不同打孔位置對濾嘴中丙三醇截留率的影響Fig.6 Influences of perforation locations on retention rates of glycerol in the filter

綜合加熱卷煙氣溶膠中丙三醇的生成量和截留量分析，主流煙氣丙三醇釋放量隨通風率的增大先上升后下降、在通風率為70.0%時達到最大的現(xiàn)象，主要是由濾嘴截留率在不同通風率下的差異所導致的，濾嘴截留率隨通風率的增大先下降后上升，在通風率為70.0%時最小。

2.4.3 濾嘴通風率對主流煙氣水分釋放量影響分析

如圖7所示，濾嘴通風率對水分生成量和濾嘴截留率的影響趨勢與丙三醇均有所不同。在濾嘴通風率為70.0%~80.0%間，水分生成量隨通風率的增大不再下降反而上升。推測其可能的機理：①加熱卷煙抽吸之前煙絲段已經(jīng)過高溫預熱，在加熱腔內(nèi)產(chǎn)生高濃度蒸汽，由于低沸點組分被優(yōu)先蒸發(fā)，蒸汽中低沸點組分的量顯著高，相應(yīng)的蒸發(fā)液蒸發(fā)區(qū)域的低沸點組分濃度也高。②當濾嘴通風率較低時，抽吸過程中流經(jīng)煙絲段的空氣流量較大，環(huán)境蒸汽被快速帶離，蒸發(fā)液之外氣相組分濃度快速降低至接近于0，接下來的液相蒸發(fā)更接近于“非選擇性蒸發(fā)”，即蒸發(fā)出的氣相組分分數(shù)與蒸發(fā)介質(zhì)中的液相組分分數(shù)相近［26］，體現(xiàn)在圖7上，在通風率0~60.0%區(qū)間，雖然水的沸點比丙三醇低約180℃，但丙三醇仍被大量蒸出，表現(xiàn)出強烈的“非選擇性蒸發(fā)”特征。③當濾嘴通風率較高時，抽吸過程中流經(jīng)煙草段的空氣流量較低，煙絲段蒸發(fā)空間可相對較長時間維持較高濃度的低沸點組分，相應(yīng)的蒸發(fā)液蒸發(fā)區(qū)域的低沸點組分濃度也較高，此時低沸點組分被“優(yōu)先”蒸發(fā)，相對大流量抽吸表現(xiàn)出更多的“選擇性蒸發(fā)”特征，使得水分蒸發(fā)相對于丙三醇蒸發(fā)的比例上升，對比濾嘴通風率60.0%~85.0%時水分生成量（圖7）和丙三醇生成量（圖5）可知，高通風率時水分的蒸發(fā)生成更占優(yōu)勢。

圖7 打孔位置17.5 mm時不同濾嘴通風率水分的生成量和ACM以及截留率變化Fig.7 Variations of yields,ACMs and filter retention rates of moisture at different ventilation rates for perforation location of 17.5 mm

濾嘴通風率對水分濾嘴截留率的影響趨勢與丙三醇差異較大，這是由水分進入濾嘴時的氣粒相分布與丙三醇顯著不同所導致的。由于水的沸點比甘油低得多，水分進入濾嘴時很大部分分布于氣相，通風的引入可降低氣溶膠溫度，促進水分更多地分布于粒相，從而提高粒相水分與過濾介質(zhì)的碰撞截留幾率，該效應(yīng)與濾嘴通風的“氣流層隔離”作用相反。綜合來看，如果降溫冷凝作用占優(yōu)勢，則截留率上升；如果氣流層阻隔作用占優(yōu)勢，則截留率下降。表現(xiàn)在水分截留率與通風率關(guān)系曲線上（圖7），可見0~52.5%通風率濾嘴對水分的截留率處于一個平臺，濾嘴通風率52.5%~70.0%區(qū)間降溫效應(yīng)已不顯著，但“氣流層隔離”作用仍起作用，濾嘴的水分截留率有所下降，隨后在濾嘴通風率70.0%~85.0%區(qū)間，由于湍流明顯、“氣流層隔離”作用失效，水分濾嘴截留率顯著上升。

綜合加熱卷煙氣溶膠中水分的生成量和截留量分析可知，主流煙氣水分釋放量在濾嘴通風率0~52.5%區(qū)間下降、在52.5%~75.0%區(qū)間上升、在75.0%~85.0%區(qū)間下降的現(xiàn)象，是由不同通風率下水分生成量和濾嘴截留量的特殊變化趨勢共同決定的。

2.4.4 濾嘴通風率對主流煙氣煙堿釋放量的影響分析

煙堿的沸點比丙三醇低，比水分高，且揮發(fā)性較強。如圖8所示，加熱卷煙氣溶膠煙堿的生成量和濾嘴截留量受濾嘴通風率的影響程度介于丙三醇和水分之間，更接近于水分，其變化規(guī)律的內(nèi)在影響機理與水分類似。

圖8 打孔位置17.5 mm時不同濾嘴通風率煙堿的生成量和ACM以及截留率變化Fig.8 Variations of yields,ACMs and filter retention rates of nicotine at different ventilation rates for perforation location of 17.5 mm

2.5 影響因素的比較

上述結(jié)果表明濾嘴通風率、打孔位置對氣溶膠主要成分捕集量均有一定的影響。為進一步分析這2種因素的影響程度，對圖1中數(shù)據(jù)進行方差分析-效應(yīng)估計，結(jié)果見表2。其中，平方和指對離均差的平方求和，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)總體的變異性。自由度表示樣本中取值不受限制的變量個數(shù)。用平方和除以自由度，得到數(shù)據(jù)平均的變異性，簡稱均方。F值是組間與組內(nèi)的離差平方和與自由度的比值，主要用于均數(shù)差別的顯著性檢驗、分離各有關(guān)因素并估計其對總變異的作用。Sig（.Significance）是顯著性指標，如果Sig.值小于0.05表示差異顯著。η2值可以直觀反映每個因素對總體變異的貢獻，偏η2值可以反映某個因素與誤差的關(guān)系，因此，選擇偏η2值衡量2種因素的影響程度。由表2可知，濾嘴通風率、打孔位置對氣溶膠主要成分捕集量均有顯著影響，且兩者間存在顯著交互效應(yīng)。針對煙堿、丙三醇和水分的捕集量，濾嘴通風率偏η2值均大于打孔位置，表明濾嘴通風率對氣溶膠主要成分捕集量的影響程度大于打孔位置。

表2 影響因素的方差分析及偏η2值Tab.2 Analysis of variance of influencing factors and partial η2 values

3 結(jié)論

①在濾嘴通風率為70.0%左右時，加熱卷煙氣溶膠主要成分捕集量達到峰值，濾嘴中主要成分截留量較低。②濾嘴通風率為80.0%時，整體上單位氣流體積中主要成分捕集量較高；濾嘴通風率為70.0%時，較有利于單位氣流體積中主要成分截留量的降低。③打孔位置遠離唇端有利于氣溶膠主要成分捕集量的增加，同時有利于濾嘴中截留量的降低。④濾嘴通風率、打孔位置對氣溶膠主要成分捕集量均有顯著影響，且兩者間存在顯著交互效應(yīng)；濾嘴通風率對氣溶膠中主要成分捕集量的影響程度大于打孔位置。