自制研究平台不同加热温度下电加热卷烟主要成分的释放行为

周慧明，刘 鸿，刘广超，费 菲，张锁慧，沈 轶，郑赛晶*

1.上海新型烟草制品研究院，上海市浦东新区秀浦路3733 号 201315

2.上海烟草集团有限责任公司技术中心，上海市浦东新区秀浦路3733 号 201315

加热卷烟是新型烟草制品的重要分支，其主要特点是利用外部热源加热烟草材料而非直接点燃。加热卷烟由高温热裂解产生的有害成分相对较少，且能为消费者提供一定的烟草特征感受，因而成为目前的研究热点［1-5］。加热卷烟根据其热源的不同，主要分为炭加热、电加热、理化反应加热3 种类型，其中，炭加热类型的加热温度难以控制、CO 释放量较大，理化反应加热类型仍处于基础研发阶段。三者之中，电加热类型的产品发展较为迅速［3，6-7］。目前，国内外对电加热卷烟的基础研究非常关注。Foster 等［8］研究表明，加热温度为100～200 ℃时，加热卷烟气溶胶中的烟碱等部分物质主要来源于蒸发转移和初步热分解。杨继等［9］对典型加热卷烟的烟草原料在50～350 ℃温度范围进行热裂解并检测裂解产物，甘油、丙二醇和烟碱为主要检出物质。龚淑果等［10］在研究报道中指出，电加热卷烟IQOS 和GLO 在标准抽吸（ISO）和加拿大深度抽吸（HCI）两种模式下，烟气中甘油、烟碱、水分和主要香味成分的逐口释放行为与加热抽吸方式有关。郑绪东等［11］研究表明，电加热卷烟的气溶胶成分以及其中甘油、丙二醇、烟碱等的释放特性与加热温度范围有关，且上述几种成分的释放特性与加热温度的关系并不一致。当前的研究报道主要关注加热卷烟烟草原料的受热分析、雾化剂对烟草原料受热时气溶胶捕集量（Aerosol collection mass，ACM）释放行为的影响等方面，以及产品在工作过程中释放物的释放情况等［12-14］，存在与产品实际工作情况差异较大或无法规避不同产品的烟具对实验结果的影响等问题。而基于同一加热平台研究电加热卷烟产品产生的气溶胶中主要化学成分的释放行为，可以规避不同加热卷烟烟具对研究结果的影响，且有利于更准确地了解产品性能、合理定位产品的工作温度。然而，迄今为止该方面的研究鲜有报道。

本研究中基于自主设计开发的加热温度可调节的加热卷烟研究平台，针对5 款电加热卷烟烟支在不同加热温度下加热时对其气溶胶、烟碱、甘油、水分的释放行为进行剖析，初步了解目前国外市场上电加热卷烟的气溶胶以及其中主要成分的释放特性和影响因素，旨在为电加热卷烟产品的优化提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

5 款电加热卷烟烟支，分别标记为A、B、C、D和E，其中，A 为IQOS 原味烟支，B、C、D 和E 为国内烟草公司研发的4 款产品。44 mm 剑桥滤片（美国GE 公司）。

异丙醇（AR，天津市富宇精细化工有限公司）；1，2-丙二醇、丙三醇、1，4-丁二醇（AR，国药集团化学试剂有限公司）；正十七烷（≥98.5%，北京百灵威科技有限公司）；烟碱（标准品，美国O2Si 公司）。

自主研发的加热卷烟研究平台（专利申请号为CN202010724906.3），该平台采用中心加热针加热方式，加热温度调节范围为200～375 ℃，温度波动范围±5 ℃；SM450 直线型吸烟机（英国Cerulean公司）；7890A 气相色谱仪（美国Agilent 公司）；Milli-Q50 超纯水仪（美国Millipore 公司）。

1.2 方法

1.2.1 电加热卷烟的抽吸

将平台的温度设置为目标温度，达到目标温度后，进行加热与抽吸。参照传统卷烟的抽吸模式［15］，分别对5 款电加热卷烟进行抽吸，每支烟支均抽吸5 口。烟支均未经温湿度调节，每包样品从冰柜中取出恢复至室温后开封即测。

1.2.2 烟碱、甘油和水分的检测

参照CORESTA推荐的57号［16］、60 号［17］、62号［18］方法检测加热卷烟烟草原料中的烟碱、甘油、水分。参照CORESTA 推荐的84 号［19］方法检测ACM 中的烟碱、甘油和水分。

2 结果与讨论

本研究中参考了新型烟草制品国际市场上主流加热卷烟产品的加热温度。据报道，该类产品通常将加热元件的工作温度设置在250～350 ℃，例如，菲莫烟草公司推出的内芯加热烟具IQOS 的加热部件在工作过程中不超过350 ℃［7，20］。本研究中重点关注了5 款电加热卷烟在加热卷烟研究平台上，加热温度分别为250、275、300、325、350、375 ℃下的ACM 以及其中烟碱、甘油、水分3 种关键成分的释放行为。

2.1 烟草原料中烟碱、甘油和水分的质量分数

加热卷烟烟草原料中的烟碱、甘油和水分是气溶胶中相应成分的重要来源。为了解5 款电加热卷烟烟草原料中烟碱、甘油和水分的量，分别取4 支烟支进行检测，结果见表1。可以看出，5 款烟支的烟草原料中，3 种成分的量存在显著差异。烟碱质量分数差别较大，从小到大依次为B、D、E、C、A；甘油的量存在一定差异，产品E 最高，其次为产品A，产品B、C、D 之间的差别不大；水分的量差别显著，从小到大依次为E、D、B、C、A。

表1 5款电加热卷烟产品烟草原料中烟碱、甘油和水分的质量分数Tab.1 Nicotine,glycerol and moisture contents in tobacco materials of five electrically heated cigarettes （mg·支-1）

2.2 加热卷烟的ACM 与加热温度的关系

取抽吸前后捕集器的质量差作为滤片捕集的ACM，计算得到加热卷烟在某加热温度下的ACM，结果见图1。随加热温度的升高，甘油、水分等成分挥发转移增加；同时，一些其他成分受热分解的程度增加，相应产物的释放增加。由图1 可知，ACM 均呈现了随加热温度的升高稳定增大的趋势，5 款产品的ACM 之间也存在差别，A、C、E 的ACM 较高，B 和D 的较低。在250～350 ℃范围内，5 款产品的ACM 分别增加190.6%、208.4%、98.2%、156.5%和127.1%，且对于其中大部分产品，325～350 ℃是ACM 增幅最大的温度区间。在350 ℃时，5 款产品的ACM 的范围为15.55～26.51 mg/支。当温度进一步升高，在350～375 ℃，ACM 随温度的变化逐渐进入“平台期”，其增幅显著变小。因此，对于单个产品，加热温度是影响ACM 的重要因素，并且350 ℃是本研究中多数产品的气溶胶释放行为发生转折的温度，值得在研究中多加关注。

图1 不同加热温度下5款电加热卷烟产品的气溶胶捕集量Fig.1 ACMs from five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.3 加热卷烟的烟碱释放行为与加热温度的关系

2.3.1 烟碱的释放量

5 款产品的单支烟碱释放量与加热温度的关系如图2 所示。在250～350 ℃，随加热温度的升高，原料中质子态和游离态烟碱分解释放、转移进入气溶胶的量逐渐增加，5 款产品的烟碱释放量均呈现稳定上升的趋势。不同产品的烟碱释放量之间存在差异，产品A 最高，其次是产品E，产品B、C、D 之间差别较小。对于多数产品，325～350 ℃范围内烟碱释放量曲线最为陡峭，即325～350 ℃是多数产品烟碱释放量增幅最大的温度段。与ACM 变化趋势相似，在350 ℃时，多数产品的烟碱释放量曲线的变化趋势发生转折，烟碱释放量的增幅变小。在350 ℃时，5 款产品的烟碱释放量范围为0.18～0.45 mg/支，产品A 的烟碱释放量最高。在350～375 ℃，本研究中的多数产品的烟碱释放量增幅变小，由此推测350 ℃是加热卷烟产品的烟碱相关研究中值得给予较多关注的温度。

图2 不同加热温度下5 款电加热卷烟产品的烟碱释放量Fig.2 Releases of nicotine from five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.3.2 ACM 中烟碱的质量分数

将烟碱释放量与滤片捕集到的ACM 作比值，得到ACM 中烟碱的质量分数，结果如图3 所示。5 款产品的ACM 中烟碱的质量分数随加热温度的升高呈现逐渐上升的趋势。温度超过350 ℃后，产品A、B、D 的ACM 中烟碱质量分数的增幅减小，进一步升高温度对提高ACM 中烟碱质量分数的作用效果减小。350 ℃时，5 款产品的ACM 中烟碱的质量分数范围为0.89%～1.85%。不同产品释放的ACM 中烟碱的质量分数存在差别，产品A始终最高，300～350 ℃时，产品B、D、E 较为接近。

图3 不同加热温度下5 款电加热卷烟产品的ACM 中烟碱的质量分数Fig.3 Proportions of nicotine in ACMs of five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.3.3 烟碱转移率

将不同温度下5 款产品的烟碱释放量与烟草原料中烟碱质量分数比较，获得对应的烟碱转移率，结果如图4。5 款产品的烟碱转移率均随加热温度的升高快速增大。不同产品的烟碱转移率随温度的变化有所不同：在300 ℃以下时，产品B 和C 的烟碱转移率较低；温度升高至300～350 ℃，产品B 的烟碱转移率明显增大，且超过300 ℃后，产品A、B、D、E 的烟碱转移率差别不大，产品C 与其他4 款产品相比始终最低。加热温度超过350 ℃后，多数产品烟碱转移率的增幅变小，因此350 ℃不仅是本研究中多数产品的烟碱释放量和ACM 中烟碱的质量分数随温度变化的转折点，也是多数产品的烟碱转移率变化的转折点。350 ℃时，5 款产品的烟碱转移率范围为6.31%～13.30%。

此外，从图4 中可以看出，加热温度低于375 ℃时，烟碱的转移率均低于16%，即绝大部分烟碱并未有效转移至ACM 中。在350 ℃时，产品E 的烟碱转移率略高于产品A，而从表1 可知产品A 的烟草原料中烟碱量较高，故而产品A 的烟碱释放量依然显著高于产品E。相同温度下，除产品C 外，其他4 款产品的烟碱转移率较接近。因此，除加热温度外，烟草原料中的烟碱量是影响烟碱释放量的重要因素；烟碱转移率在一定程度上也会影响烟碱释放量。在烟碱转移率水平相当的情况下，可以通过适度增加烟草原料中的烟碱量以提升烟碱释放量。

图4 不同加热温度下5 款电加热卷烟产品的烟碱转移率Fig.4 Transfer rates of nicotine in five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.4 加热卷烟的甘油释放行为与加热温度的关系

2.4.1 甘油释放量

甘油作为加热卷烟产品中常用的添加物和发烟剂，是受重点关注的成分之一［21-22］。5 款产品的甘油释放量与加热温度的关系如图5 所示，可知，随加热温度升高，甘油的释放量呈现稳定的上升趋势。同时，325～350 ℃是多数产品的甘油释放量增幅最大的温度段。在350～375 ℃时，产品A、B、D 和E 的甘油释放量尽管仍呈上升趋势，但增幅明显变小，因此350 ℃是本研究中多数产品甘油释放量增幅的转折点。在350 ℃，5 款产品的甘油释放量范围为0.37～1.37 mg/支。

图5 不同加热温度下5 款电加热卷烟产品的甘油释放量Fig.5 Releases of glycerol in five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.4.2 ACM 中甘油的质量分数

将甘油释放量与ACM 作比值，得到ACM 中甘油的质量分数，结果如图6 所示。5 款产品ACM 中甘油质量分数的整体变化趋势为随加热温度升高而增大，但5 款产品之间差别较显著。产品A 和E 的ACM 中甘油质量分数随加热温度升高略有增加；且从275 ℃开始，A 和E 的ACM 中甘油的质量分数远小于其他3 款产品。产品B 和D 的变化趋势较为类似，但产品B 的甘油的质量分数高于产品D，具体表现为：在250 ℃时，甘油释放量低于检测限；加热温度升高至275 ℃后，甘油的质量分数提升，在275～325 ℃时变化不大，至350 ℃时再次提升；温度升高至375 ℃时，产品D的甘油质量分数进一步升高，但升高幅度变小，而产品B 的甘油质量分数略有下降。产品C 的ACM中甘油的质量分数在275 ℃以上呈现随着温度升高而逐渐增大的趋势。在350 ℃，5 款产品的ACM中甘油的质量分数范围为1.53%～8.41%。因此，对于本研究中的5 款产品，ACM 中甘油质量分数随温度变化的差异较大，同一温度下不同产品的ACM中甘油质量分数之间（A与E间除外）也差别较大。

图6 不同加热温度下5 款电加热卷烟产品的ACM 中甘油的质量分数Fig.6 Proportions of glycerol in ACMs of five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.4.3 甘油转移率

将测得的ACM 中甘油释放量与烟草原料中的甘油总量比较，获得对应的甘油转移率，如图7。5 款产品的甘油转移率均呈现随加热温度升高而增大的趋势，同时，不同产品之间存在一定差异。250 ℃时，产品C 的甘油转移率高于其他4款。随着温度升高，5 款产品的甘油转移率呈现两种不同的增大趋势：产品A 和E 的甘油转移率随温度升高缓慢增大；产品B、C 和D 的甘油转移率随温度升高显著增大，且三者的数值比较接近，其中，产品B 和D 的最大增幅对应的温度范围为325～350 ℃，超过350 ℃后，增幅变小，而产品C 在350～375 ℃范围内增大更显著。在350 ℃，甘油向ACM 中的转移率范围为0.92%～4.35%。由表1 可知，产品A 和E 的烟草原料中的甘油质量分数比B、C、D 高。而由图5 可见，在275 ℃后A 和E 的甘油释放量远低于产品B、C、D。据此推测，本研究中加热卷烟产品的甘油释放量与甘油转移率之间的相关性，大于其与烟草原料中甘油质量分数之间的相关性。甘油的沸点为290.9 ℃，本研究中提供的加热温度可使其较充分地挥发，经卷烟滤嘴过滤吸附后转移到ACM 中，而以上现象表明仅有较小比例的甘油成功转移。因此，产品滤嘴对甘油的吸附是影响甘油释放量的重要因素。

图7 不同加热温度下5款电加热卷烟产品中甘油的转移率Fig.7 Transfer rates of glycerol in five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.5 加热卷烟的水分释放行为与加热温度的关系

2.5.1 水分释放量

水分对抽吸卷烟的感官舒适度有一定影响［23-24］，因此，水分的释放行为值得关注。5 款产品释放的ACM 中，水分释放量与加热温度的关系如图8 所示。在250～350 ℃范围内，随加热温度升高，水分释放量呈稳定上升趋势，在350～375 ℃范围内，产品B、D 和E 的水分释放量增幅明显变小。在350 ℃时，水分的释放量范围为9.72～14.14 mg/支，产品A、C 和E 的水分释放量相近且较高，其次为产品D。产品B 的水分释放量始终为5 款产品中最低的。由表1 可知，产品B 和C 的烟草原料中含水率较为接近，产品E 的烟草原料含水率最低。因此可以推测，同一加热温度下，水分释放量除与烟草原料的含水率有关外，还与其他因素有关，例如，根据文献［25-26］报道，加热状态下产生的气溶胶中的水分，除了来源于烟草原料自身水分的受热迁移外，还有部分源自烟草原料中前体物质受热发生反应生成，因此烟草原料的差异会影响水分的生成和释放。此外，产品的滤嘴对水分的吸附也会影响水分向ACM 中的转移。

图8 不同加热温度下5 款电加热卷烟产品水分的释放量Fig.8 Releases of moisture in five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.5.2 ACM 中水分的质量分数

水分释放量在ACM 中的质量分数如图9 所示。可以看出，水分是构成ACM 的重要组成部分。在加热温度为250 ℃时，5 款产品释放的ACM 中水分的质量分数存在一定差异，产品C 的水分的质量分数最高，产品B、D、E 较为相近，而产品A 最低。加热温度为350 ℃时，水分在ACM中的质量分数范围为52.38%～62.53%。在275～375 ℃范围内，ACM 中水分的质量分数均较高，超过了50.00%。同时，在该温度段内，部分产品的ACM 中水分的质量分数发生了波动。产品C 波动较为显著，在250～275 ℃时水分的质量分数随温度升高而减小，在275～300 ℃时增大，在300～350 ℃时再逐步减小，在350～375 ℃又小幅增大。该现象的产生可能是由于加热温度升高时，其他成分的挥发转移程度有所提升，同时，烟支中发生的理化反应逐渐复杂，反应种类增多、反应程度增加导致生成的产物增加，此时，ACM 和水分的释放量增大速率并不完全同步，使ACM 中水分的质量分数出现波动。加热温度达到275 ℃以上时，大部分产品的ACM 中水分的质量分数相对稳定，波动幅度较小，因此275 ℃以上，温度对ACM 中水分的质量分数的影响较小。

图9 不同加热温度下5 款电加热卷烟产品的ACM 中水分的质量分数Fig.9 Proportions of moisture in ACMs of five electrically heated cigarettes at different temperatures

2.6 烟碱、甘油、水分释放量间的相关性

将不同加热温度下5 款产品的烟碱、甘油、水分释放量进行比较，计算两两之间的相关系数，即烟碱与甘油、甘油与水分、烟碱与水分的释放量之间的相关系数，结果见表2。对于5 款产品，烟碱与甘油、甘油与水分、烟碱与水分释放量的相关系数均在0.880 0 以上，表明其高度相关。另外，烟碱与甘油之间的相关系数均在0.975 0 以上，且整体高于甘油与水分、烟碱与水分。因此，烟碱与甘油的释放量之间的相关性最强。

表2 5 款电加热卷烟产品的烟碱与甘油、甘油与水分、烟碱与水分释放量的相关系数Tab.2 Correlation coefficients of nicotine and glycerol,glycerol and moisture,nicotine and moisture releases in five electrically heated cigarettes

3 结论

①各款电加热卷烟产品的ACM 差别较大，加热温度是影响ACM 的重要因素。②烟碱释放量、烟碱在ACM 中的质量分数、烟碱转移率均随加热温度升高而增大，325～350 ℃时本研究中多数产品的烟碱释放量的增幅最大，产品烟草原料中烟碱的质量分数是烟碱释放量的重要因素；甘油的变化与烟碱基本一致。③温度对水分释放量的影响较大，水分释放量随加热温度升高而增大。水分在ACM 中的质量分数相对较高，超过275 ℃后，水分的质量分数相对稳定且呈现一定的波动。各款产品水分释放量之间存在较大差异且影响因素较多，可能与产品的烟草原料和其他材料性质有关。④在本研究中，烟碱、甘油、水分的释放量三者之间呈现了较强的相关性，其中，烟碱和甘油的释放量的相关性最为显著。