市場主流加熱煙草制品煙草基質段比較分析

馬 潤，陳紹全，吳建霖，陳宇超，周 俊，王小升，翟 磊，李瀟逸，李忠任，2

（1.中煙施偉策（云南）再造煙葉有限公司，云南 玉溪 653100；2.云南中煙工業有限責任公司，昆明 650106）

《世界衛生組織煙草控制框架公約》于2005 年2月27 日生效以來，各國不斷加強煙草行業的管控，通過加稅、禁煙、限制包裝等多項法律法規控煙禁煙［1］。隨著全球控煙環境的日趨嚴峻及消費者對健康的日益關注，研發一種全面、大幅地降低煙草有害成分釋放量的新型煙草制品逐漸成為世界各國煙草行業的發展重點［2］。

加熱煙草作為新型煙草制品，以低危害性的卷煙替代品進入人們的視野，加熱煙草的特點使其在低溫（250～350 ℃）狀態下為消費者提供一定的煙草特征感受［3］。加熱煙草由煙草基質及輔料復合的煙支部分、提供外部熱源的煙具∕加熱棒加熱部分組成。根據加熱類型可分為碳加熱和電加熱兩種類型，其中市場主流加熱煙草產品以電加熱為主，根據電加熱部位不同又可分為中心（以IQOS 為代表）及周向（以glo 為代表）加熱兩種類型，進而衍生出不同的煙彈結構及材料需求以配合煙具釋放具有煙草特征的氣溶膠［4］。

已有研究基于市場主流加熱煙草對煙彈部分進行剖析，本研究對煙草基質段所使用的再造煙葉進行常規理化指標、加熱煙草芯材關鍵指標發煙劑含量、水分、熱失重檢測分析，并對比差異性，以期為加熱煙草芯材研發提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 主要儀器及材料

選取國內外市場上主流加熱煙草煙彈和國內中心加熱煙草煙彈為研究對象，對煙彈中負載發煙劑及揮發性致香成分的煙草基質段進行調研分析。主要儀器如表1 所示，主要試驗材料如表2 所示。

表1 主要儀器

表2 主要試驗材料

1.2 試驗方法

1.2.1 煙支填充密度檢測 采用游標卡尺測量煙草基質段長度及直徑，采用電子天平稱取煙草基質段重量，根據測定數據計算加熱煙草煙彈圓周長、填充密度等指標。

1.2.2 物理指標檢測 待測樣品在溫度（20±2）℃、濕度60%±2% 下平衡48 h，分別按GB∕T 12914—2008《紙和紙板抗張強度的測定》［5］、GB∕T 458—2002《紙和紙板透氣度的測定（肖伯爾法）》［6］、GB∕T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測定》［7］和GB∕T 451.2—2002《紙和紙板定量的測定》［8］測定縱向抗張強度、拉伸率、透氣度、厚度和定量。

1.2.3 化學指標檢測 參照YCT 159—2002《煙草及煙草制品水溶性糖的測定連續流動法》［9］、YCT 161—2002《煙草及煙草制品總氮的測定連續流動法》［10］、YCT 160—2002《煙草及煙草制品總植物堿的測定連續流動法》［11］、YCT 296—2009《煙草及煙草制品硝酸鹽的測定連續流動法》［12］、YCT 217—2007《煙草及煙草制品鉀的測定連續流動法》［13］、YCT 162—2011《煙草及煙草制品氯的測定連續流動法》［14］測定樣品化學指標。

1.2.4 發煙劑含量檢測 參照云南中煙標準QYNZY.J07.632—2017《電加熱不燃燒卷煙及芯基材丙二醇、丙三醇的測定氣相色譜-質譜聯用法》［15］測定加熱非燃燒型卷煙煙芯材料中甘油和丙二醇含量。按式（1）計算每根煙彈煙草基質中丙二醇、煙堿和甘油含量。

式中，ω為煙草基質中丙二醇（或煙堿、甘油）含量，mg∕cig；m為煙草基質段質量，g∕cig；ω1為基材含水率，%；ω2為煙草基質中丙二醇（或煙堿、甘油）含量，%。

2 結果與分析

2.1 加熱煙草煙彈物理指標

從圖1 可以看出，國際主流中心加熱煙草基質段填充密度高于國內產品。從表3 可以看出，國際主流中心加熱型煙草中，Marlboro HeatSticks 煙草基質段填充密度最高，為0.62 g∕cm3，其次是中心加熱型煙草Fiit，其煙草基質段填充密度為0.54 g∕cm3。國內中心加熱型煙草產品中，ETER-TS 煙草基質段填充密度最高，為0.41 g∕cm3，其次是Kuanzhai 和MC，兩款加熱煙草基質段填充密度基本一致。

圖1 國內外主流加熱非燃燒型卷煙煙草基質段填充密度對比

表3 國內外主流加熱煙草煙彈物理指標

2.2 煙草基質物理指標

由表4 可以看出，國際主流中心加熱型煙草Fiit煙草基質含水率最高，為14.4%，其次是Marlboro HeatSticks，其煙草基質含水率為12.3%。國內中心加熱型煙草MC 和Kuanzhai 含水率基本一致，兩款中心加熱型煙草基質含水率分別為12.2% 和12.4%，其次是ETER-TS，其煙草基質含水率為10.8%。

表4 煙草基質物理指標

國際主流中心加熱型煙草Fiit 煙草基質熱水可溶物含量最高，為67%，其次是Marlboro HeatSticks，其煙草基質熱水可溶物含量為61%。國內中心加熱型煙草ETER-TS 熱水可溶物含量為43%，較Fiit 煙草基質降低了35.82%，較Marlboro HeatSticks 煙草基質降低了29.51%。

2.3 煙草基質化學指標

從表5 可以看出，常規化學指標方面，國際主流中心加熱型煙草基質總糖、還原糖、總植物堿含量高于國內中心加熱型煙草基質。

表5 煙草基質段常規化學指標（單位：%）

從表6 可以看出，國際主流中心加熱型煙草丙二醇含量為0.44～0.68 mg∕cig。國內中心加熱型煙草基質中，Kuanzhai丙二醇含量最高，為5.08 mg∕cig，其次是ETER-TS，其丙二醇含量為1.35 mg∕cig，MC丙二醇含量最低，為0.33 mg∕cig。

國際主流中心加熱型產品煙草基質中煙堿總量高于國內中心加熱型產品。國際主流中心加熱型產品中，Fiit 煙草基質段煙堿總量最高，為2.12 mg∕cig，其次是Marlboro HeatSticks，其煙堿含量為1.97 mg∕cig。國內中心加熱型產品中，Kuanzhai煙草基質段煙堿總量最高，為1.73 mg∕cig，其次是ETER-TS，其煙草基質段煙堿總量為0.88 mg∕cig，MC 煙草基質段煙堿總量最低，為0.74 mg∕cig。

國際主流中心加熱型煙草Marlboro HeatSticks和Fiit 煙草基質段甘油含量均在28.00 mg∕cig 以上，國內中心加熱型產品中，ETER-TS 煙草基質段甘油含量超過28.00 mg∕cig，Kuanzhai 和MC 煙草基質段甘油含量低于28.00 mg∕cig。國際主流中心加熱型產品中，Fiit煙草基質段甘油含量最高，為37.33 mg∕cig，其次是Marlboro HeatSticks，甘油含量為28.25 mg∕cig。國內中心加熱型產品中，ETER-TS 煙草基質段甘油含量最高，為31.04 mg∕cig，其次是Kuanzhai，其煙草基質段甘油含量為27.99 mg∕cig，MC 煙草基質段甘油含量最低，為19.99 mg∕cig。

2.4 熱重分析結果

Marlboro HeatSticks、Fiit、KENT、MC、Kuanzhai和ETER-TS 煙草基質熱重分析結果見圖2。

根據熱重分析結果，將Marlboro HeatSticks、Fiit、KENT、MC、Kuanzhai 和ETER-TS 煙草基質熱重分析過程中加熱溫度和質量變化結果進行擬合制圖，得到圖3。

圖3 煙草基質質量與加熱溫度的關系

從圖2、圖3 中可以看出，加熱溫度升高至30 ℃左右時，國內外加熱煙草基質質量開始出現下降，加熱溫度在30～150 ℃時，煙草基質質量下降5%～15%，推測在該溫度范圍內煙草基質中水分開始蒸發，易揮發香料開始揮發造成煙草基質質量變化。加熱溫度在150～200 ℃時，煙草基質質量下降約10%，推測在該溫度范圍內煙草基質中水分蒸發、易揮發香料揮發、丙二醇開始揮發造成煙草基質質量變化。加熱溫度在200～350 ℃時，煙草基質質量下降約40%，推測在該溫度范圍內丙二醇揮發、甘油揮發、纖維素開始解離、版纖維素開始分解造成煙草基質質量變化。加熱溫度在350～500 ℃時，煙草基質質量下降約30%，推測在該溫度范圍內纖維素開始分解，碳開始分解造成煙草基質質量變化。將煙草基質熱裂解過程中溫度區間與質量變化進行制圖，詳見圖4。

圖4 煙草基質質量與加熱溫度區間的關系

由圖4 可知，在26～120 ℃加熱溫度內，國際主流中心加熱型煙草基質Marlboro HeatSticks 和Fiit質量損失分別為5.00%和9.50%，國內中心加熱型煙草基質MC、Kuanzhai 和ETER-TS 質量損失分別為12.10%、11.35%和7.06%。

在120～230 ℃加熱溫度內，國際主流中心加熱型煙草基質Marlboro HeatSticks 和Fiit 質量損失分別為24.46%和27.32%，國內中心加熱型煙草基質MC、Kuanzhai 和ETER-TS 質量損失分別為22.53%、22.80%和19.70%。

在230～380 ℃加熱溫度內，國際主流中心加熱型煙草基質Marlboro HeatSticks 和Fiit 質量損失分別為32.69%和28.94%，國內中心加熱型煙草基質MC、Kuanzhai 和ETER-TS 質量損失分別為32.05%、30.58%和41.96%。

在380～500 ℃加熱溫度內，國際主流中心加熱型煙草基質Marlboro HeatSticks 和Fiit 質量損失分別為23.15%和23.72%，國內中心加熱型煙草基質MC、Kuanzhai 和ETER-TS 質量損失分別為24.52%、24.94%和22.43%。

國際主流中心加熱型煙草配套加熱系統加熱溫度為300 ℃，抽吸過程中有熱量損失，加熱系統溫度會有一定程度下降，從加熱溫度區間國內外加熱型煙草基質質量的變化來看，國際主流中心加熱型煙草基質在120～230 ℃內質量變化明顯高于國內加熱型煙草基質，在230～380 ℃加熱溫度溫度內國際主流中心加熱型煙草基質Marlboro HeatSticks、Fiit煙草基質質量損失和MC、Kuanzhai 煙草基質質量損失基本一致，但ETER-TS 煙草基質質量損失在230～380 ℃加熱溫度內最高，達41.96%，與周向加熱型產品KENT 煙草基質在該溫度范圍內的質量損失基本一致。

由圖5 可知，本次測試的樣品中，KENT、MC 和Kuanzhai 煙草基質在熱重分析過程中出現5 個失重峰，Marlboro HeatSticks、Fiit 和ETER-TS 煙草基質在熱重分析過程中出現4 個失重峰，其中第1 個失重峰峰值溫度約為68 ℃，第2 個失重峰峰值溫度約為200 ℃，第3 個失重峰峰值溫度為250～300 ℃，第4 個失重峰峰值溫度為300～450 ℃，第5 個失重峰峰值溫度約為420 ℃。

圖5 煙草基質熱重失重峰與峰值溫度

煙草基質在不同失重峰的失重速率，間接反映了水分、甘油、丙二醇和揮發性致香成分的揮發速率，因此將不同失重峰時煙草基質的失重速率進行繪圖對比，詳見圖6。

圖6 煙草基質熱重失重峰與失重速率的關系

結合圖5 和圖6 可以看出，第1 個失重峰峰值溫度約為68 ℃，國際主流中心加熱型煙草基質Marlboro HeatSticks 失重速率為1.04 %∕min，Fiit 失重速率為1.98%∕min。國內中心加熱型煙草基質MC失重速率為3.21%∕min，Kuanzhai失重速率為2.71%∕min，ETER-TS 失重速率為1.80%∕min。

第2 個失重峰峰值溫度約為200 ℃，國際主流中心加熱型煙草基質Marlboro HeatSticks 失重速率為3.54 %∕min，Fiit 失重速率為4.26 %∕min。國內中心加熱型煙草基質MC 失重速率為3.78 %∕min，Kuanzhai 失重速率為3.45 %∕min，ETER-TS 失重速率為3.15%∕min。

第3 個失重峰峰值溫度為250～300 ℃，國際主流中心加熱型煙草基質Marlboro HeatSticks 失重速率為4.63 %∕min，Fiit 失重速率為3.11 %∕min。國內中心加熱型煙草基質MC 失重速率為2.05 %∕min，Kuanzhai 失重速率為3.59 %∕min，ETER-TS 失重速率為4.75%∕min。

第4 個失重峰峰值溫度為300～450 ℃，國際主流中心加熱型煙草基質Marlboro HeatSticks 失重速率為5.11 %∕min，Fiit 失重速率為3.52 %∕min。國內中心加熱型煙草基質MC 失重速率為3.51 %∕min，Kuanzhai 失重速率為7.00 %∕min，ETER-TS 失重速率為6.42%∕min。

第5 個失重峰峰值溫度約為420 ℃，國內中心加熱型煙草基質MC 失重速率為4.02 %∕min，Kuanzhai失重速率為3.65%∕min。

國內中心加熱型煙草基質在第2 個失重峰的失重速率基本接近國際主流中心加熱型煙草Marlboro HeatSticks 煙草基質失重速率，國內中心加熱型煙草ETER-TS 煙草基質在第3 個失重峰時與國際主流中心加熱型煙草Marlboro HeatSticks 煙草基質失重速率基本一致，但MC 和Kuanzhai 煙草基質失重速率明顯低于Marlboro HeatSticks。國內中心加熱型煙草ETER-TS 煙草基質在第3 個失重峰時失重速率稍高于國際主流中心加熱型煙草Marlboro Heat-Sticks 煙草基質，國內中心加熱型煙草MC 煙草基質在第3 個失重峰時失重速率明顯低于國際主流中心加熱型煙草Marlboro HeatSticks 煙草基質。

綜上所述，國內中心加熱型煙草基質在200～300 ℃加熱溫度條件下的失重速率略低于國際主流中心加熱型煙草基質，在300～350 ℃加熱溫度條件下失重速率優于國際主流中心加熱型煙草基質。從不同加熱溫度條件下煙草基質的失重速率來看，為保持氣溶膠和揮發性致香成分的遷移，國內中心加熱型煙草基質加熱溫度需比國際主流中心加熱型煙草基質高50 ℃左右。

3 小結

3.1 煙草基質段填充密度

Marlboro HeatSticks 煙草基質段填充密度最高，為0.62 g∕cm3，其次是中心加熱型煙草Fiit，其煙草基質段填充密度為0.54 g∕cm3。國內中心加熱型煙草產品ETER-TS煙草基質段填充密度最高，為0.41 g∕cm3，其次是Kuanzhai 和MC，兩款中心加熱型煙草基質段填充密度基本一致，國際主流中心加熱型煙草基質段填充密度明顯高于國內產品。

3.2 常規物理指標

國際主流中心加熱型煙草Fiit 煙草基質熱水可溶物含量最高，為67%，其次是Marlboro HeatSticks，其煙草基質熱水可溶物含量為61%。國內中心加熱型煙草ETER-TS 熱水可溶物含量為43%，較國際主流中心加熱型煙草基質低約20 個百分點。

3.3 常規化學指標

常規化學指標方面，國際主流中心加熱型煙草基質總糖、還原糖、總植物堿含量高于國內中心加熱型煙草基質。

3.4 發煙劑含量

甘油和丙二醇加熱后形成氣溶膠，是加熱型煙草基質中主要的發煙劑，本次分析試樣中，國際主流加熱煙草基質丙二醇含量為0.44～0.68 mg∕cig，甘油含量為16.71～28.25 mg∕cig。國內加熱型煙草Kuanzhai 和ETER-TS 煙草基質中丙二醇和甘油含量高于國際主流加熱型產品丙二醇和甘油含量均值。

煙堿含量直接影響抽吸時生理滿足感，本次分析的試樣中，國際主流加熱型煙草基質煙堿含量為0.51～2.12 mg∕cig，均值為1.53 mg∕cig。國內中心加熱型煙草煙堿含量為0.74～1.73 mg∕cig，均值為1.12 mg∕cig。國內中心加熱型煙草基質煙堿含量均值低于國際主流加熱型煙草基質。

3.5 熱重分析

國際主流中心加熱型煙草配套加熱系統加熱溫度為300 ℃，抽吸過程中有熱量損失，加熱系統溫度會有一定程度下降，從加熱溫度區間國內外加熱型煙草基質質量的變化來看，國際主流中心加熱型煙草基質在120～230 ℃內質量變化明顯高于國內中心加熱型煙草基質，在230～380 ℃加熱溫度范圍內國際主流中心加熱型煙草基質Marlboro HeatSticks、Fiit 煙草基質質量損失和MC、Kuanzhai 煙草基質質量損失基本一致，但ETER-TS 煙草基質質量損失在230～380 ℃加熱范圍內最高，達41.96%，與周向加熱型產品KENT 煙草基質在該溫度范圍內的質量損失基本一致。

國內中心加熱型煙草基質在200～300 ℃加熱溫度條件下的失重速率略低于國際主流中心加熱型煙草基質，在300～350 ℃加熱溫度條件下失重速率優于國際主流中心加熱型煙草基質。

綜上所述，為了提升國內加熱型煙草基質品質水平，對標國際主流加熱型煙草基質品質，本研究提出以下對策建議。一是提高填充密度和新材料導熱性能，從而提高120～230 ℃加熱溫度范圍內氣溶膠、香氣物質和煙堿的釋放量；二是提高熱水可溶物含量，增加煙草成分的含量，改善吸味；三是提高煙堿含量，增加抽吸時的滿足感；四是基于國內加熱型煙草基材熱重特性，從不同加熱溫度條件下煙草基質的失重速率來看，為保持氣溶膠和揮發性致香成分的遷移，國內中心加熱型煙草基質加熱溫度需比國際主流中心加熱型煙草基質高50 ℃左右。