含煙堿多元系統氣-液相平衡的理論預測

摘要：利用擬導體屏蔽鏈節活度系數（COSMO-SAC）模型研究了甘油、丙二醇、水及煙堿構成的三元和四元系統的氣-液相平衡，研究結果表明，對于甘油-丙二醇-煙堿系統，甘油摩爾分數的增加和溫度的降低均有利于煙堿的氣化釋放。對于甘油-水-煙堿系統，甘油摩爾分數在一定范圍內的變化不會明顯改變氣相組成，但當甘油摩爾分數大于0.9 時，溫度越低越有利于煙堿的氣化釋放。對于水-丙二醇-煙堿系統，當水的摩爾分數小于0.3 或高于0.7 時，溫度越低越有利于煙堿的氣化釋放。對于水-丙二醇-甘油-煙堿系統，液相摩爾分數在較寬范圍內的變化都不會明顯改變氣相組成，即氣相組成有一個較寬的平臺區。

關鍵詞：煙堿；加熱卷煙；氣-液相平衡；COSMO-SAC；熱力學

中圖分類號：TQ015.9 文獻標志碼：A

作為傳統卷煙的創新產品，加熱卷煙是一種對環境及他人影響較小的煙堿攝入產品[1-2]。與傳統卷煙相比，加熱卷煙無燃燒過程，減少了煙草由于高溫燃燒而產生的有害物質[3-4]，也降低了側流煙氣和環境煙氣的釋放量[5]。加熱卷煙中的煙草基質通常采用再造煙葉，它主要包括煙堿（包括游離煙堿和煙堿鹽）、丙三醇（俗稱甘油）、1，2-丙二醇（簡稱丙二醇）、水以及其他香精等有效成分。所不同的是加熱卷煙主要通過溫控技術（400 ℃ 以下甚至更低）加熱再造煙葉，驅使有效成分逐步釋放，其釋放率在很大程度上決定了用戶的吸食體驗。目前，在加熱卷煙基質中，甘油、丙二醇、水分和煙堿的質量分數分別約為10%～20%、0～10%、7%～16% 和0.2%～1.5%[6]。加熱時，丙二醇、丙三醇和煙堿從煙草基質釋放到主流煙氣中的釋放率分別為56.7%～89.2%、6.9%～40.7% 和37.1%～82.5%[7]，且釋放率會隨煙草基質的不同以及加熱溫度的改變而發生變化。研究發現，增加甘油含量能促進煙草成分在低溫下的釋放[8]，但過高的含量（摩爾分數超過35%）會降低煙氣的累積釋放量[9]。

加熱卷煙中增加丙二醇含量，能顯著增加水分的釋放量，但對煙堿釋放量無明顯影響[10]。為達到最佳發煙效果，不同類型的加熱卷煙其煙草基質中的含水量也不同[5]。加熱卷煙本質上可看作是一種煙堿傳遞系統。在實際的抽吸間隔內，發煙段加熱腔內有效成分釋放時的傳質過程將向相平衡趨近，煙支在受熱中的傳質和相平衡問題從根本上影響著煙堿與甘油等多種物質的釋放特性和遞送效率。然而，加熱卷煙涉及的是一個多組分的復雜系統，文獻中含煙堿混合物相平衡數據報道極少[11-12]，且單純依靠實驗難以獲得有規律性的結論。為從理論上研究這些物質在熱驅動下的揮發行為，以甘油、丙二醇、煙堿（僅考慮游離煙堿）和水組成的混合系統為研究對象，設想混合物首先在一定溫度下液化，然后氣化并達到氣-液相平衡，通過似導體屏蔽鏈節活度系數（COSMO-SAC）模型[13-15] 預測含煙堿系統的氣-液相平衡，以此探究混合系統的相傳質行為，從相平衡的角度研究不同物質的釋放特性。