降溫段通風對加熱卷煙氣溶膠釋放行為的影響

尤曉娟，王明輝，劉獻軍，周成喜，鄭曉云，饒先立，王 鳴，許良濤，李朝建，石懷彬，徐如彥，何紅梅*

1.江蘇中煙工業有限責任公司，南京市興隆大街29 號 2100192.南通煙濾嘴有限責任公司，江蘇省南通市勝利路6 號 226014

打孔通風技術是近年來國際上傳統卷煙應用較為普遍的降焦手段之一［1］。關于通風稀釋對傳統卷煙主流煙氣的影響已有較多研究報道，楊松等［2］、曹伏軍等［3］研究了通風對煙氣常規成分釋放量的影響。研究認為，隨濾嘴通風率的增加，傳統卷煙主流煙氣中酸性［4］、中性［5-6］和堿性［6-7］香味成分的釋放量減少。蔡君蘭等［8］還發現，香味成分的氣相/粒相分配比例與濾嘴通風率成正比。陳歡等［9］、金勇等［10］、龐永強等［11］探索了卷煙煙氣通風率與有害成分釋放量的關系。孔浩輝等［12］認為，提高濾嘴通風率，可降低主流煙氣溫度，且降溫效果顯著。楚文娟等［13］發現濾嘴通風率與感官評價得分負相關但沒有達到顯著性水平，與感官評價指標中的香氣極顯著負相關，與刺激性極顯著正相關。這些研究表明：打孔通風技術稀釋了卷煙煙氣，改變了化學成分的傳輸和釋放量比例，最終影響了煙氣溫度和卷煙煙氣感官品質。

加熱卷煙是新型煙草制品研究中的熱門產品，雖然各類新產品不斷涌現，終究是通過熱源對煙芯材料進行加熱，使其在非燃燒的較低溫度狀態下釋放出供消費者吸食的氣溶膠。由于打孔通風技術在傳統卷煙中廣泛應用，新型煙草領域也在嘗試應用該技術改變煙氣溫度和氣溶膠釋放特征，但相關研究很少，羅萌柔等［14］為研究濾嘴通風率對不同類型卷煙煙氣氣溶膠釋放的影響，制備了不同濾嘴通風率的兩用型煙支（可燃吸、配套加熱煙具加熱后可抽吸），研究了點燃和加熱條件下煙氣氣溶膠中的主要化學成分和粒徑分布；崔華鵬等［15］制備了濾嘴空腔段不同通風孔數量的加熱卷煙樣品，考察了通風孔數量對氣溶膠物理特性和溫度的影響規律。由于加熱卷煙和傳統卷煙氣溶膠形成原理明顯不同，有必要進一步開展通風稀釋技術對煙堿和甘油在加熱卷煙各部位釋放行為的影響研究。為此，制備了不同通風率的加熱卷煙煙支樣品，全面考察了通風率對煙堿和甘油2種常規化學成分在煙芯段、降溫段、濾嘴段和氣溶膠中分布規律的影響，旨在為加熱卷煙煙支設計開發提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

IROD 煙具（針式中心電阻加熱煙具，江蘇中煙工業有限責任公司提供）；不同通風率加熱卷煙樣品（江蘇中煙工業有限責任公司自制）；劍橋濾片（直徑44 mm，德國Borgwaldt K C公司）。

甲醇（色譜純，美國Tedia 公司）；喹啉（內標，AR，上海國藥集團化學試劑有限公司）。

LM4E 型模塊化吸煙機、DT 綜合測試臺（德國Borgwaldt K C公司）；SML 600-E&H電子煙/加熱卷煙吸煙機（配置氣溶膠出口溫度測量模塊，合肥眾沃儀器技術有限公司）；7890A型氣相色譜儀（配置FID檢測器，美國Agilent公司）；AL204型電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；HY-5A 型回旋振蕩器（江蘇省金壇市訊生儀器廠）。

1.2 方法

1.2.1 不同通風率加熱卷煙樣品的制備

所用加熱卷煙煙支由煙芯段、降溫段（空芯濾棒）及濾嘴段組合形成，煙支結構示意圖見圖1。煙支中煙芯段為稠漿法再造煙葉制成的相對有序煙芯棒，煙芯中發煙劑甘油添加的質量百分比約為18%。采用激光打孔方式在煙支降溫段上打孔，通過調整打孔數量實現不同打孔通風率。除通風率不同外，4個樣品的其他原料和輔材的質量參數完全一致，樣品設計參數見表1。按照GB/T 22838.15—2009［16］中的方法，使用綜合測試臺對通風率設計值進行測量驗證，實測均值見表1，基本符合設計值。

圖1 加熱卷煙煙支樣品結構示意圖Fig.1 Schematic diagram on the structure of a heated tobacco stick

表1 加熱卷煙煙支樣品設計參數及通風率實測值①Tab.1 Design parameters of tobacco stick samples and measured ventilation rates

1.2.2 加熱卷煙氣溶膠逐口溫度的測定

在溫度（22±1）℃、相對濕度50%±3%的條件下平衡電加熱卷煙樣品48 h。隨機選取平衡后的卷煙樣品，使用IROD煙具，按照加拿大深度抽吸模式（抽吸容量55.0 mL、抽吸時間2 s、抽吸頻率30 s）、鐘形抽吸曲線抽吸卷煙。基于微細熱電偶測溫技術，將溫度測量模塊一端連接捕集器，另一端連接煙支夾持器，采用系統內置軟件記錄逐口氣溶膠的實時溫度數據。實驗所測溫度為距離濾嘴段5.0 mm 處的氣溶膠溫度。每支卷煙抽吸10口，每10支卷煙為一組，對每個樣品共進行7組平行測試。根據氣溶膠實時溫度數據，獲得逐口氣溶膠的最高溫度。

1.2.3 加熱卷煙加熱后煙支和氣溶膠中煙堿和甘油的分析

加熱卷煙樣品的平衡和抽吸條件同1.2.2節。每支卷煙抽吸10 口，將每4 支卷煙的氣溶膠捕集在同一張濾片上，合并3張濾片為一組進行萃取。對每個樣品共進行7組平行測試。抽吸完畢后，拆解加熱卷煙煙支，將加熱后的煙芯段、降溫段、濾嘴段和捕集氣溶膠的濾片分別放入不同的三角燒瓶中，加入含喹啉內標的甲醇溶液。其中，對降溫段、濾嘴段和濾片分別振蕩萃取30 min，對煙芯段超聲萃取30 min后再繼續振蕩萃取30 min，取每一份萃取液過濾膜后進行GC檢測。儀器條件參考何紅梅等［17］的方法。

1.2.4 加熱卷煙煙堿、甘油殘留率、截留率和轉移率的數據處理

通過GC 方法檢測加熱卷煙煙支加熱后各部位煙堿和甘油的質量分數，并分別按公式（1）～（5）計算加熱后煙堿和甘油在煙芯段的殘留率、在降溫段和濾嘴段的截留率以及在氣溶膠中的轉移率。

式中：m1、m2、m3、m4分別代表加熱卷煙煙芯段、降溫段、濾嘴段、氣溶膠中煙堿或甘油的質量分數或釋放量，mg/支；mt表示加熱卷煙煙芯段、降溫段、濾嘴段和氣溶膠中煙堿或甘油的總量，mg/支；R1、R2、R3、T4分別代表加熱卷煙煙堿或甘油的煙芯段殘留率、降溫段截留率、濾嘴段截留率、氣溶膠中轉移率，%。

2 結果與討論

2.1 通風率對加熱卷煙氣溶膠溫度的影響

檢測氣溶膠逐口溫度時，在2 s 的抽吸時間內，每口煙氣的溫度存在一個最大值。因此，抽吸10口，對應有10個逐口最高溫度。圖2中實線所示的氣溶膠最高溫度，是10個逐口最高溫度中的最大值。圖2 中虛線所示平均溫度，為10 個逐口最高溫度的平均值。由圖2可知，氣溶膠最高溫度及平均溫度均隨通風率的增大呈下降趨勢。這是由于通風率增加，從濾嘴端進入的冷空氣量增加，降低了氣溶膠溫度。將氣溶膠最高溫度及平均溫度與相應的通風率作相關分析，結果表明，在0～35%的通風率范圍內，氣溶膠最高溫度及平均溫度與通風率之間呈顯著負相關線性關系（回歸方程見表2）。

圖2 不同通風率加熱卷煙樣品的氣溶膠溫度（n=7）Fig.2 Aerosol temperatures from heated tobacco product samples with different ventilation rates（n=7）

表2 氣溶膠溫度與通風率的回歸模型Tab.2 Regression models of aerosol temperature and ventilation rate

圖3 反映了不同通風率加熱卷煙樣品氣溶膠逐口最高溫度，結果可知，針式中心加熱煙具抽吸加熱卷煙時，氣溶膠逐口最高溫度隨抽吸口數序號的遞增呈現先上升后下降的趨勢，且4組卷煙最高溫度均出現在第2口。抽吸第1口的溫度較低，可能是因為抽吸開始時，煙具內預熱階段聚集的熱量還不夠充足，煙芯材料吸收的熱量不夠充分，導致煙芯材料釋放的氣溶膠量少，溫度稍低。抽吸第2口時，煙具內預熱完成，熱量聚集充足，煙芯材料充分受熱，釋放大量氣溶膠，溫度達到最高點。抽吸2口后，氣溶膠溫度逐漸下降，這可能是因為隨著抽吸口數序號的增大，內圍煙芯成分受熱氣化釋放完全，外圍煙芯溫度又達不到最靠近加熱片的煙芯溫度，總體上受熱產生的氣溶膠越來越少。不同通風率加熱卷煙氣溶膠溫度差異主要體現在抽吸前4 口，前4 口中，氣溶膠溫度隨通風率增加，表現出明顯的降低趨勢；抽吸后段不同通風率加熱卷煙氣溶膠溫度差異較小。

圖3 不同通風率加熱卷煙樣品氣溶膠逐口溫度（n=7）Fig.3 Puff-by-puff aerosol temperatures of heated tobacco product samples with different ventilation rates（n=7）

2.2 通風率對加熱卷煙煙堿轉移釋放行為的影響

2.2.1 通風率對煙堿在各部位中分布的影響

當代詩歌好像也是“制作”吧？將一篇散文，分成一行一句式，或者添加一小句作為過渡。我從視覺上看，這就是一種“制作”。請你給我們分享一下，文學創作是否存在“制作”現象，給書法界提供一些素材。

不同通風率加熱卷煙樣品加熱后煙堿在煙芯段、降溫段、濾嘴段和氣溶膠中的質量分數或釋放量見圖4。可知，未打孔加熱卷煙，加熱卷煙各部位煙堿質量分數或釋放量由大到小依次為煙芯段殘留量、氣溶膠釋放量、降溫段截留量≈濾嘴段截留量，降溫段和濾嘴段截留量相當。打孔后，加熱卷煙各部位煙堿質量分數或釋放量由大到小依次為煙芯段殘留量、氣溶膠釋放量、降溫段截留量、濾嘴段截留量。隨打孔通風率的增大，煙堿的煙芯段殘留量略有上升，降溫段截留量基本變化不大，濾嘴段截留量下降，氣溶膠釋放量先上升后略有下降。

圖4 不同通風率加熱卷煙樣品各部位煙堿質量分數（n=7）Fig.4 Nicotine mass fractions in different sections of heated tobacco product samples with different ventilation rates（n=7）

2.2.2 通風率與煙堿煙芯段殘留率、濾嘴段截留率及氣溶膠轉移率之間的相關性分析

為明確通風率對煙支加熱后不同部位煙堿分布的影響，以通風率為自變量，分別以煙堿煙芯段殘留率、降溫段截留率、濾嘴段截留率、氣溶膠轉移率為因變量，建立上述指標與通風率之間的關系。結果表明，在0～35%的通風率范圍內，煙堿降溫段截留率與通風率之間的相關性不明顯。由圖5可知，煙堿的煙芯段殘留率、濾嘴段截留率以及氣溶膠轉移率與通風率均呈非線性關系（R2＞0.99），回歸方程見表3。其中，隨著通風率的增大，煙堿濾嘴段截留率呈非線性下降趨勢；煙堿煙芯段殘留率呈非線性增加趨勢；煙堿氣溶膠轉移率呈非線性增加趨勢，在通風率25%～30%之間存在一個擬合最大值，其后呈下降趨勢。

圖5 加熱卷煙不同部位煙堿各項指標與通風率之間的關系Fig.5 Relationships between nicotine indexes in different sections and ventilation rate of heated tobacco product

2.3 通風率對加熱卷煙甘油轉移釋放行為的影響

2.3.1 通風率對甘油在各部位中分布的影響

不同通風率加熱卷煙樣品加熱后甘油在煙芯段、降溫段、濾嘴段和氣溶膠中的質量分數或釋放量見圖6。可知，甘油在煙芯段的殘留量遠遠高于其他3部分。未打孔時，其他3部分甘油質量分數或釋放量由大到小依次為濾嘴段截留量、降溫段截留量、氣溶膠釋放量。打孔后，濾嘴段截留量迅速下降，低于降溫段截留量和氣溶膠釋放量。隨打孔后通風率的增大，甘油的煙芯段殘留量略有上升，降溫段截留量略有下降，濾嘴段截留量下降，氣溶膠釋放量呈上升趨勢。

圖6 不同通風率加熱卷煙樣品各部位甘油質量分數（n=7）Fig.6 Glycerol mass fractions in different sections of heated tobacco product samples with different ventilation rates（n=7）

2.3.2 通風率與甘油煙芯段殘留率、濾嘴段截留率及氣溶膠轉移率之間的相關性分析

為明確通風率對不同部位甘油分布的影響，以通風率為自變量，分別以甘油煙芯段殘留率、降溫段截留率、濾嘴段截留率和氣溶膠轉移率為因變量，建立上述指標與通風率之間的關系。結果表明，與煙堿類似，在0～35%的通風率范圍內，甘油降溫段截留率與通風率之間的相關性不明顯。由圖7可知，甘油的煙芯段殘留率、濾嘴段截留率以及氣溶膠轉移率與通風率均呈非線性關系（R2＞0.99），回歸方程見表4。其中，隨通風率的增大，甘油煙芯段殘留率和氣溶膠轉移率呈非線性增加趨勢，甘油濾嘴段截留率呈非線性下降趨勢。加熱卷煙甘油各項指標與通風率能建立明顯的非線性模型，可用于指導加熱卷煙的產品設計。

圖7 加熱卷煙樣品不同部位甘油指標與通風率間的關系Fig.7 Relationships between glycerol indexes in different sections and ventilation rate of heated tobacco product samples

表4 加熱卷煙不同部位甘油指標與通風率間的回歸模型Tab.4 Regression models between glycerol indexes in different sections and ventilation rate of heated tobacco product samples

2.4 通風率影響煙堿及甘油氣溶膠轉移率的原因

圖8 不同通風率加熱卷煙樣品各部位煙堿和甘油的質量分數分布Fig.8 Distribution of nicotine and glycerol mass fractions in different sections of heated tobacco product samples with different ventilation rates

隨通風率從0增加至35%，煙芯段煙堿和甘油的殘留率非線性增加，這是因為打孔通風率增加，流經煙芯段的空氣量減少，使得加熱氣化的煙堿、甘油被抽吸形成氣溶膠的量減少，因而殘留量增加。當通風率為35%時，煙堿和甘油的煙芯段殘留率比未打孔樣品分別增加了2.21%和3.99%。相較于煙堿，甘油殘留在煙芯段中的量更高，且氣化形成氣溶膠需要的熱量更多，所以通風率的增加對甘油的煙芯段殘留率影響更加明顯。

隨通風率從0增加至35%，煙堿和甘油的濾嘴段截留率均非線性下降，這是由于通風率增大，氣溶膠最高溫度和平均溫度有所降低，促進了氣溶膠霧化成核，形成的氣溶膠粒徑變大，濾嘴段截留效應變小，截留率降低。這一結論與文獻［14］中的相關實驗結論一致，根據該文獻報道數據，打孔通風后，加熱卷煙氣溶膠粒徑較未打孔樣品有所增大，由相關數據判斷，多數氣溶膠顆粒的粒徑小于400 nm，少數粒徑大于400 nm。由于濾嘴對氣溶膠的截留作用主要有擴散沉積、慣性碰撞和直接攔截3種方式［19］：當氣溶膠粒徑小于400 nm時，擴散沉積是主要的截留方式，對總體截留效應貢獻較大，截留機理是粒徑越小的氣溶膠微粒更易受空氣介質分子的碰撞，引起其脫離原本正常的移動軌跡做不穩定移動，即形成布朗運動，進而導致氣溶膠橫穿過氣流線與纖維接觸而被截留［20-21］；當氣溶膠粒徑大于400 nm時，此時慣性碰撞和直接攔截對總體截留效應貢獻較大，其截留機理是顆粒越大，越容易被截留。加熱卷煙氣溶膠的粒徑多數小于400 nm，因此，濾嘴中擴散沉積導致的截留作用相對占主導。由此推測，在0～35%的通風率范圍內，通風率越大，氣溶膠溫度越低，形成的氣溶膠粒徑越大，濾嘴段的截留效應越小，截留率越低。

隨通風率從0增加至35%，煙堿的氣溶膠轉移率呈先上升后下降的趨勢，甘油的氣溶膠轉移率呈現上升趨勢，這與傳統卷煙主流煙氣化學成分釋放量隨通風率增加呈下降趨勢的現象不同［22-23］。具體來說：①煙堿的煙芯段殘留率隨通風率增加略呈上升趨勢（圖8a），然而，通風率增加也使得煙堿的濾嘴段截留率下降。因此，當通風率為0、15%和25%時，濾嘴段截留率的下降幅度明顯大于煙芯段殘留率的上升幅度。相比于未打孔樣品，例如，當樣品通風率為25%時，煙堿的煙芯段殘留率升高0.81%，而濾嘴段截留率降低7.11%，故2 個維度的共同作用，使煙堿的氣溶膠轉移率從26.41%升高至33.08%。相較于樣品通風率為25%的樣品，當通風率上升至35%時，煙堿的濾嘴段截留率的下降幅度小于煙芯段殘留率的上升幅度，故煙堿氣溶膠轉移率有所下降。②隨通風率的增大，盡管煙芯段的甘油殘留率略呈上升趨勢，但濾嘴段和降溫段的截留率均呈下降趨勢，因此，甘油的氣溶膠轉移率大幅增加（圖8b）。相較于未打孔的樣品，當樣品通風率為35%時，甘油的煙芯段殘留率增加3.99%，而濾嘴段和降溫段的截留率共降低8.47%，這2 個維度的綜合作用，使甘油氣溶膠轉移率從5.05%增大至9.52%。

傳統卷煙通過通風稀釋作用進行降焦減害，但在加熱卷煙降溫段上進行打孔通風反而能促進氣溶膠的轉移。根據打孔后煙堿和甘油的煙芯段殘留率略有上升，可見氣溶膠轉移率的上升并不是由于煙芯段物質受熱轉移導致的。根據打孔后煙堿和甘油的濾嘴段截留率下降、煙堿降溫段截留率變化不大以及甘油降溫段截留率略有下降的現象，可知煙堿氣溶膠轉移率的上升主要是由于濾嘴段截留作用的減小，甘油氣溶膠轉移率的上升主要是由于濾嘴段和降溫段截留作用的減小。

3 結論

①在0～35%的通風率范圍內，降溫段通風技術可以降低加熱卷煙氣溶膠的最高溫度和平均溫度，且隨通風率升高前4口氣溶膠溫度的下降趨勢較明顯。②隨通風率升高，濾嘴段的煙堿截留率呈非線性下降趨勢，煙芯段殘留率呈非線性增加趨勢。通風率不高于25%時，氣溶膠轉移率隨通風率增大呈非線性增加趨勢，在通風率25%～30%之間存在一個擬合最大值，其后呈下降趨勢。③隨通風率升高，甘油的煙芯段殘留率和氣溶膠轉移率均呈非線性增加趨勢，濾嘴段的甘油截留率呈非線性下降趨勢，降溫段截留率略有下降。④降溫段通風技術能通過降低煙堿和甘油的截留率提高氣溶膠中煙堿和甘油的轉移率。