加热温度对加热卷烟气溶胶物理特性的影响

崔华鹏，陈 黎，樊美娟，陈满堂，刘瑞红，秦亚琼，郭军伟，尤俊衡，刘志华，司晓喜*，刘绍锋*

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001 2.云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市五华区红锦路367号 650231

加热卷烟是通过加热元件对烟草材料进行低温加热，以产生气溶胶供消费者抽吸的一种新型烟草制品，其以有害成分释放量低的优势，近年来得到了快速的发展［1-4］。多种加热方式中，内芯电加热是主流加热卷烟产品加热方式，通常是将加热片或加热针置于烟芯内部，由内至外地对烟草基质进行加热，以完成烟草成分的释放和气溶胶的形成［5-7］。气溶胶的物理特性，如粒数浓度、体积浓度、粒径分布等是加热卷烟烟气的重要表征参数，能够反映加热卷烟烟雾量及其释放稳定性等质量指标［8-9］，因此，表征及研究加热卷烟气溶胶的物理特性及其影响因素具有重要意义。司晓喜等［9］采用静电迁移法测定了两种抽吸模式下加热卷烟气溶胶的粒径分布，并与卷烟烟气气溶胶进行了对比分析，发现加热卷烟气溶胶粒径明显小于卷烟，气溶胶粒数浓度的逐口变化趋势也与卷烟存在差异。加热卷烟气溶胶的形成由烟芯材料、雾化剂、加热温度和烟支结构等多因素决定［10］，而加热温度是影响加热卷烟气溶胶形成的关键因素［7，10-11］。研究表明，当加热温度较低时（＜150℃），烟草基质中的低沸点成分蒸馏挥发；当温度较高时，半挥发成分蒸馏挥发，进而伴随碳水化合物的分解以及高沸点成分的释放［10］，而烟草基质释放成分的种类和释放量直接影响气溶胶的形成过程，进而影响最终形成的气溶胶的物理特性。目前，关于加热温度对加热卷烟气溶胶释放特性的影响已有相关报道［7，10-13］，郑绪东等［12］研究了不同加热温度下加热卷烟气溶胶释放特性，表明随加热温度的升高，加热卷烟气溶胶的烟碱、雾化剂及粒相物均呈先增加后保持稳定的趋势。此外，朱浩等［13］考察了加热温度对加热卷烟烟熏香成分释放的影响。然而，加热温度对加热卷烟气溶胶物理特性影响的研究鲜见报道。因此，设计了不同加热温度的加热器具并与烟支配套使用，基于电迁移粒径分析方法［14-16］，研究了不同加热温度条件下加热卷烟气溶胶的物理特性，分析了气溶胶物理特性的逐口变化规律，旨在为加热卷烟产品加热温度的优化设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

中心加热型加热卷烟产品（云南中烟工业有限责任公司）；烟草材料段为烟草原味的稠浆造纸法再造烟叶，烟支规格为长度45 mm（13 mm烟草材料段+6 mm支撑段+18 mm聚乳酸降温段+8 mm滤嘴段）、圆周22.60 mm，烟草材料段采用切丝、有序聚拢制备成型，复合滤棒段采用三元滤棒复合成型，烟支经复合滤棒和烟草段搓接制备成型。

SCS-DMS 500系统（英国Cambustion公司）由SCS模拟循环吸烟机和DMS 500快速粒径谱仪构成，SCS用于对烟支进行特定模式的抽吸，DMS 500用于在线测试抽吸所产生气溶胶的物理特性。

自制加热温度分别为200、250、300、320、350、380℃的针式中心加热烟具（云南中烟工业有限责任公司），通过加热曲线控制提供恒定的加热温度，烟具温度经测试波动小于±5℃。

1.2 方法

1.2.1 SCS-DMS 500测试条件的选择

在前期研究的基础上［8］，设置SCS-DMS 500系统的相关参数。SCS对烟支的抽吸设定为HCI抽吸模式，即抽吸容量为55 mL、抽吸持续时间为2 s、抽吸间隔为30 s，设定抽吸口数为13口。DMS 500系统的采样流量设置为25.0 L/min，二级稀释比设置为200∶1。

1.2.2 气溶胶测试及数据处理方法

挑选烟支单支质量为（0.75±0.02）g的加热卷烟烟支进行测试实验。将加热卷烟与加热器具配合后，连接于SCS吸嘴并启动加热器具加热，30 s后由SCS对加热卷烟烟支进行逐口抽吸，产生的气溶胶经在线稀释后，被引入DMS 500系统，采集软件在线测得并计算实时逐口气溶胶的粒数浓度、体积浓度、粒数中值粒径、粒径分布几何标准偏差等数据。平行测定加热卷烟样品5次，每次的抽吸口数为13口，对平行测定数据取平均值，得到加热卷烟总释放气溶胶和逐口释放气溶胶的物理特性数据。

2 结果与讨论

2.1 加热卷烟气溶胶的粒径分布

本研究中，不同加热温度条件下，加热卷烟气溶胶的粒径分布基本一致。加热温度为380℃时，连续抽吸13口加热卷烟样品的气溶胶粒径分布如图1所示。可知，逐口气溶胶的粒径分布呈近似对数正态分布，粒径主要分布在10～300 nm范围内，最大粒数浓度的粒径集中于40～90 nm的范围内，对应于不同抽吸口数序号的气溶胶的粒径分布和粒数浓度均有差异，这表明加热卷烟逐口气溶胶的不稳定性，也反映了加热卷烟每口气溶胶中烟草成分的种类和量有所不同。

图1 加热温度为380℃时加热卷烟样品气溶胶的逐口粒径分布Fig.1 Puff-by-puff particle size distribution of aerosol from heated tobacco product at 380℃

2.2 加热卷烟总释放气溶胶的物理特性

不同加热温度条件下加热卷烟总释放气溶胶的粒数浓度和体积浓度如图2所示。可知，气溶胶的粒数浓度和体积浓度均随加热温度的升高而增大。在200℃时，加热卷烟气溶胶的粒数浓度仅为2.8×108个/cm3，体积浓度仅为3.4×103μm3/cm3，这说明该加热温度仅能使烟草基质中少量的低沸点成分释放，并在抽吸降温过程中凝聚成核，形成气溶胶。随加热温度的升高，总释放气溶胶的粒数浓度和体积浓度明显升高，在380℃时，加热卷烟气溶胶的粒数浓度为6.4×109个/cm3，体积浓度达到2.4×105μm3/cm3。烟草基质受热释放的成分与气溶胶的形成密切相关，较高的加热温度可增加烟草成分的释放量，从而形成粒数浓度和体积浓度均较高的气溶胶［17］。

图2 不同加热温度加热卷烟总释放气溶胶的粒数浓度和体积浓度Fig.2 Particle number concentration and particle volume concentration of total aerosol from heated tobacco product at different heating temperatures

气溶胶粒径分布方面，加热卷烟总释放气溶胶的粒数中值粒径和几何标准偏差如图3所示。气溶胶的粒数中值粒径随加热温度的升高呈增大趋势，在200～380℃范围内，气溶胶的粒数中值粒径由25.5 nm增大至65.1 nm，这是因为气溶胶是烟草基质释放成分经分子成簇、成核、冷凝及凝结等作用而形成，其粒径主要与烟草基质释放成分的种类有关。有研究表明，当加热温度＜150℃时，烟草吸附水和低沸点挥发性化合物蒸馏挥发；在150～210℃时，还原糖热降解和中等挥发性化合物蒸馏挥发；210～350℃，碳水化合物分解、高沸点化合物和结合态水蒸馏挥发；350～550℃，残留物进一步裂解和炭化［10］。因此，当加热温度较低时，烟草基质释放成分主要以水分等低沸点成分为主，而低沸点成分在气溶胶形成过程中的成核和冷凝速率相对较低，从而使形成的气溶胶粒径较小；当加热温度较高时，烟草基质中的高沸点成分开始释放，也会出现单糖、半纤维素、纤维素、果胶等的热解行为，高沸点成分的气溶胶成核和冷凝速率相对较高，有利于形成大粒径的气溶胶。粒径分布的几何标准偏差随加热温度的升高呈先增大后降低的趋势，但整体上差异不大，主要集中在1.80～1.86的范围内。几何标准偏差反映了气溶胶粒径分布的展宽［18］，可能与烟草基质释放成分的组成比例有关。

图3 不同加热温度加热卷烟总释放气溶胶的粒数中值粒径和几何标准偏差Fig.3 Count median diameters and geometric standard deviations of total aerosol from heated tobacco product at different heating temperatures

2.3 加热卷烟逐口释放气溶胶的物理特性

不同加热温度条件下加热卷烟逐口释放气溶胶的粒数浓度和体积浓度如图4所示。可知，整体上，逐口气溶胶的粒数浓度随加热温度的升高呈增大趋势，各加热温度条件下气溶胶粒数浓度的逐口变化趋势较为接近，基本上表现出先升高，后降低，再升高，最后降低的趋势，380℃时的最高粒数浓度为9.2×109个/cm3；体积浓度随抽吸口数序号的增大基本上呈现出先升高后降低的趋势，380℃时的最高体积浓度达到4.8×105μm3/cm3。分析认为，在加热初始阶段，烟草基质由于温度整体较低，释放的成分主要以低沸点成分为主；在加热后期阶段，大部分烟草基质处于相对较高温度，少部分烟草基质处于较低温度，释放成分的沸点范围跨度较大。在抽吸第1口时，由于烟草基质的受热时间相对较短（约30 s），主要以释放低沸点成分为主，释放量也较小，形成的气溶胶数量较少，体积浓度也较低。当持续加热（抽吸第2口）时，整个烟芯的温度升高，烟草基质释放成分的量有所增加［13，19-20］，气溶胶的数量和体积浓度增加。在之后的加热过程中，低沸点成分的释放量逐渐减小，但部分高温区域的烟草基质开始释放高沸点成分，使形成气溶胶的粒径有增大的趋势，从而有利于增大气溶胶的体积浓度，该过程中低沸点成分与高沸点成分释放量的不同趋势，共同决定了形成气溶胶的粒数浓度和体积浓度。最后阶段，烟草基质在平衡热状态下所能释放的成分逐渐减少［19-20］，从而使气溶胶的粒数浓度和体积浓度均出现下降的趋势。

图4 不同加热温度加热卷烟逐口气溶胶的粒数浓度和体积浓度Fig.4 Particle number concentration and particle volume concentration of puff-by-puff aerosol from heated tobacco product at different heating temperatures

随加热温度升高，气溶胶粒径逐口变化规律呈现不同的趋势（图5）。在350℃条件下，粒数中值粒径整体上随抽吸口数序号的增大呈升高趋势，这是因为随加热的持续进行，整个烟草基质的温度持续升高，雾化剂开始释放；伴随碳水化合物的分解，高沸点成分逐渐释放，有利于形成大粒径的气溶胶。在380℃条件下，粒数中值粒径随抽吸口数序号的增大呈先升高后降低的趋势，这是因为气溶胶的粒径不仅与成分的沸点有关，还与成分的释放量有关。当释放量高时，气溶胶易发生凝聚而使粒径增大，380℃下烟草基质的高沸点成分在第5口抽吸时已达到较高的释放量，形成的气溶胶粒径较大，最大粒数中值粒径为79 nm；而在后续几口抽吸时其释放量逐渐降低，气溶胶粒径减小。在200和250℃下，烟草基质中仅有低沸点成分释放，形成的气溶胶粒径整体较小（20～40 nm），其中，第3、第4口的低沸点成分的释放量较高，气溶胶的粒径（35～45 nm）较大。不同加热温度条件下，气溶胶粒径分布的几何标准偏差随抽吸口数序号的增大整体上均呈现出先增加后降低的趋势，其中，最大几何标准偏差主要集中在第4至第7口，约为2.0；而前几口和后几口的几何标准偏差则相对较小。分析后认为，加热卷烟前几口气溶胶成分以低沸点为主，后几口气溶胶成分以高沸点为主，形成的气溶胶粒径较为接近，使粒径分布的几何标准偏差较小；而第4至第7口气溶胶中低沸点成分和高沸点成分的释放量比例可能较为接近，由于不同沸点成分形成气溶胶的粒径不同，会增加气溶胶粒径分布的展宽，增大粒径分布的几何标准偏差。

图5 不同加热温度加热卷烟逐口气溶胶的粒数中值粒径和几何标准偏差Fig.5 Count median diameters and geometric standard deviations of puff-by-puff aerosol from heated tobacco product at different heating temperatures

3 结论

①加热卷烟气溶胶的粒数浓度、体积浓度和粒数中值粒径均随加热温度的升高而增大，几何标准偏差随加热温度的升高呈先增大后降低的变化趋势。②逐口气溶胶粒数浓度随抽吸口数呈先升高、后降低、再升高、最后降低的变化趋势，体积浓度和几何标准偏差整体上随抽吸口数呈先增大后降低的变化趋势。③不同加热温度逐口气溶胶粒数中值粒径的逐口变化规律差异较大。