电加热卷烟气溶胶物理特性的表征

崔华鹏，陈黎，樊美娟，陈满堂，刘瑞红，王洪波，刘绍锋，司晓喜

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南 郑州 450001；2.云南中烟工业有限责任公司 技术中心，云南 昆明 650231

0 引言

近年来，电加热卷烟产品呈现快速发展的趋势，其以“加热而不燃烧烟草”为特征，既满足了消费者对于烟气消费的需求，又减少了烟草高温燃烧产生的有害成分，大幅降低了对吸烟者的健康危害[1-4]。相比传统卷烟，电加热卷烟气溶胶的有害成分释放量明显降低，大多数有害成分的释放降低率大于80%[5-6]，因此，电加热卷烟被认为是低危害烟草制品[7]。然而，卷烟产品的危害，一方面与烟气有害成分释放量有关，另一方面还与烟气气溶胶在人体呼吸道的沉降截留有关。卷烟抽吸过程中，烟气气溶胶进入人体口腔、咽、喉、气管，最终到达肺部并发生沉降作用，这可能是致病的重要因素[8-10]。目前，针对卷烟气溶胶粒数及粒径分布表征的研究较多，也有关于烟气气溶胶人体沉降的相关研究报道[11]。但针对电加热卷烟气溶胶粒数及粒径分布的研究较少，也未发现其在人体呼吸道沉降的相关研究。电加热卷烟气溶胶粒数及粒径分布与传统卷烟烟气不同，可能导致气溶胶在人体呼吸道内沉降截留率的差异。目前，市场上的电加热卷烟产品在加热方式、加热升温条件、烟支设计等方面均存在差异，其气溶胶的理化特性也有较大区别。

研究烟气气溶胶粒数及粒径分布的方法主要有显微镜观察法、重力沉降法、光散射法、静电迁移法、惯性冲击法等[12-13]。烟气气溶胶的粒数浓度通常为108～1010个/cm3，在如此高的粒数浓度下，颗粒相互之间容易发生碰撞、凝聚，从而使颗粒的粒数浓度和粒径分布发生改变[12]，因此,烟气气溶胶粒径分布及浓度变化研究需要采用在线稀释和测试方法。模拟循环吸烟机(SCS)和DMS 500 快速粒径谱仪可以实现对卷烟样品的在线稀释和气溶胶测试，已被用于卷烟、电子烟等样品气溶胶的测试中[14-16]。基于此，本研究拟建立基于SCS-DMS的气溶胶表征方法，对市场上主流的电加热卷烟总释放气溶胶和逐口释放气溶胶的粒数浓度、粒径分布(粒数中值粒径)、体积浓度等物理特征进行研究，以期为电加热卷烟气溶胶的在人体呼吸道沉降的研究提供数据支撑，进而为电加热卷烟的吸烟与健康研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

实验样品：国内外5个品牌共20个电加热卷烟样品，品牌1的样品口味分别是浓原味、浓薄荷味、坚果味、淡原味，样品编号分别为1-1、1-2、1-3、1-4；品牌2的样品口味分别是原味、薄荷味、朗姆酒味、抹茶味，样品编号分别为2-1、2-2、2-3、2-4；品牌3的样品口味分别是薄荷味(含爆珠)、烟草/浆果味(含爆珠)、薄荷/桃子味(含爆珠)、薄荷/热带水果口味，样品编号分别为3-1、3-2、3-3、3-4；品牌4的样品口味分别是淡薄荷味、原味、新鲜薄荷味、李子薄荷味，样品编号分别为4-1、4-2、4-3、4-4；品牌5的样品口味分别是原味、淡薄荷味、提拉米苏味、葡萄甜橙味，样品编号分别为5-1、5-2、5-3、5-4。各烟支样品均采用各自配套的加热器具进行加热，其中品牌4配套加热器具采用周向加热方式，品牌1、2、3、5配套加热器具采用内加热方式。

主要仪器：SCS模拟循环吸烟机、DMS 500快速粒径谱仪，英国Cambustion公司产。

1.2 实验方法

电加热卷烟样品均为开包后立刻测试。采用SCS-DMS 500系统[17]，按照HCI抽吸模式(抽吸容量为55 mL、抽吸持续时间为2 s、抽吸频率为2 次/min)对电加热卷烟进行抽吸，设置DMS 500的采样流量为25.0 L/min，二级稀释比为200∶1，由DMS 500对整个加热周期的每口气溶胶进行在线取样测试，获得每支电加热卷烟逐口气溶胶的粒数浓度及粒径分布等数据，每个样品进行5次平行样测定，取平均值，并用气溶胶粒数浓度与粒径分布数据计算气溶胶的体积浓度。

2 结果与讨论

2.1 电加热卷烟气溶胶的粒径分布

相同品牌电加热卷烟样品在芯材配方、辅材设计和加热条件等方面较为一致，所产生的气溶胶在物理特性上较为相似，因此在5个品牌中各选出一款(1-1、2-1、3-1、4-1、5-1)进行分析和对比，电加热卷烟样品气溶胶的粒径分布如图1所示。由于不同品牌加热器具的加热持续时间不同，使得加热卷烟的抽吸口数有所差异。由图1可知，电加热卷烟气溶胶的粒径主要分布在10～200 nm的范围内，粒数中值粒径主要集中在30～60 nm 范围内，最大粒数浓度集中于20～100 nm的范围内。

图1 电加热卷烟样品气溶胶的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of aerosol from electrically heated cigarettes

不同电加热卷烟的气溶胶呈现出不同的粒径分布轮廓，1-1、2-1、5-1样品气溶胶的粒径分布轮廓较为接近，均为单峰分布趋势，呈现出粒数浓度对粒径的近似正态分布，最高粒数浓度所对应的粒径在40～50 nm范围内；3-1样品气溶胶的粒径分布轮廓展宽较宽，部分抽吸口的气溶胶呈一定的双峰分布趋势；4-1样品气溶胶的粒径分布轮廓展宽较宽，除第一抽吸口外，所有抽吸口的气溶胶粒径分布均为双峰分布趋势。电加热卷烟的烟芯材料经过热解、蒸馏等作用形成气态分子，随着持续加热形成过饱和蒸汽，当抽吸气流通过芯材导致温度降低时，饱和蒸汽的气态分子开始凝聚成核，伴随气态分子在凝聚核上的快速凝结以及气溶胶粒子的凝并，形成动态变化的气溶胶[18]，气溶胶的形成过程与饱和蒸汽的成分组成相关，蒸汽成分的沸点关系到成核的速度和最终的粒径，对于均匀饱和的蒸汽体系，通常分子会经过均相成核过程形成单峰粒径分布的气溶胶。

气溶胶双峰粒径分布的4-1样品，其烟草基质段为无序烟丝结构；而同样出现双峰分布趋势的3-1样品，其烟草基质段为宽度较小的薄片，碎屑和无序程度明显高于其他样品。4-1和3-1样品的小粒径段气溶胶可能来自于烟丝或无序薄片的表面固体纳米颗粒，其在加热过程中迸出并在抽吸气流的载带下引出，与后续产生的气溶胶形成了双峰粒径分布的形态[19-20]。

综上，不同品牌电加热卷烟样品气溶胶的粒径分布轮廓表现出一定的差异，粒数浓度对粒径呈现出单峰或双峰的分布趋势，而粒径分布范围则相对接近，其粒径明显小于传统卷烟气溶胶粒径[16]。

2.2 电加热卷烟总释放气溶胶的物理特性

将电加热卷烟样品的气溶胶粒数浓度、粒数中值粒径、体积浓度等物理特性进行对比分析，结果如图2所示。由图2可知，在气溶胶粒数浓度和体积浓度方面，同一品牌样品较为接近，不同品牌样品表现出明显的差异；所考察样品的粒数浓度在8.41×108～1.10×1010个/cm3范围内，体积浓度在3.93×105～1.78×106μm3/cm3范围内，品牌3和4电加热卷烟气溶胶的粒数浓度和体积浓度远低于其他品牌。品牌3样品气溶胶粒数中值粒径普遍较大，其中3-3样品的气溶胶粒数中值粒径最大，达到75 nm，这可能与该品牌样品特有的吸嘴内置爆珠设计有关，当加热区形成的气溶胶经过吸嘴时，容易更充分地与爆珠释放成分相结合，使气溶胶的粒径增大。其余样品的粒数中值粒径主要在30～50 nm范围内，均远低于传统卷烟烟气粒数中值粒径(180 nm)[16]。这种差异主要来自于气溶胶形成过程的不同，传统卷烟燃烧锥的温度较高，可达900 ℃[21]，烟丝燃烧过程中会有高沸点成分释放，而高沸点成分在冷凝过程中有利于大粒径气溶胶的形成；电加热卷烟在加热条件下，烟草基质受热释放成分的沸点普遍较低，因而形成气溶胶的粒径较小。此外，不同品牌电加热卷烟样品气溶胶粒径的差异不大，主要是因为气溶胶形成的机理和过程基本相同，烟草基质在加热条件下整体释放的成分也较为相似，饱和蒸汽状态下气体分子在抽吸降温过程中，均经历了分子凝聚成簇、成核、冷凝增长等过程，相似的气溶胶组成，使其粒径较为接近。

图2 电加热卷烟样品总释放气溶胶的物理特性对比Fig.2 Comparison of the physical properties of total aerosol from electrically heated cigarettes

总体上，同一品牌不同口味的电加热卷烟样品气溶胶粒数浓度和体积浓度较为接近，不同品牌加热卷烟样品则表现出明显的差异，表明加热卷烟口味对气溶胶粒数浓度和体积浓度的影响不大，粒数浓度和体积浓度可能与滤棒结构和加热条件有关；除滤棒爆珠等特殊样品外，不同品牌电加热卷烟样品的粒数中值粒径较为接近，表明加热卷烟的气溶胶形成机理和过程基本相同。

2.3 电加热卷烟逐口释放气溶胶的物理特性

电加热卷烟样品逐口释放气溶胶的粒数浓度、粒数中值粒径和体积浓度如图3—5所示。在粒数浓度和体积浓度方面，整体上所有样品的逐口气溶胶均随抽吸口数发生变化，但表现出不稳定性。其中，品牌1、2样品的粒数浓度和体积浓度整体上呈现逐口上升趋势；品牌3样品的粒数浓度整体上呈现逐口上升趋势，体积浓度则呈现先上升后下降趋势；而品牌4和品牌5样品的粒数浓度和体积浓度整体上呈现先上升后下降的趋势，但两者的变化趋势存在明显差异。粒数中值粒径方面，品牌1、2样品呈现逐口增加趋势，而品牌3、4、5样品整体上呈现先增加后降低的趋势。在传统卷烟逐口抽吸过程中，由于每次抽吸所燃烧的烟丝相似，所以逐口烟气的组成成分基本一致，逐口烟气的粒数浓度和体积浓度主要与烟丝过滤有关[22]；而电加热卷烟的烟草基质通常在连续加热条件下释放气溶胶成分，各种成分由于热物理性质的差异往往具有不同的最佳释放区间，因此，电加热卷烟逐口释放成分的差异导致了逐口气溶胶物理特性的不同。品牌1、2样品气溶胶粒数浓度和体积浓度的逐口上升趋势可能与其加热器具的升温曲线和烟草基质中成分的受热释放行为有关。

图3 电加热卷烟样品逐口气溶胶的粒数浓度Fig.3 The puff-by-puff particle number concentration of aerosol from electrically heated cigarette

根据报道[23]，品牌1和品牌2电加热卷烟的加热器具在加热过程中存在两个主要的加热阶段：一是卷烟预加热阶段，该阶段加热片的温度迅速上升至250 ℃；二是卷烟抽吸阶段，该阶段加热片温度缓慢上升，由250 ℃逐渐升高至310 ℃。随着烟草加热的持续进行，加热腔内的温度逐渐升高，烟草基质中的挥发、半挥发成分及雾化剂开始释放，且随着温度的升高，各成分的释放量逐渐升高，导致粒数浓度呈现上升趋势。此外，加热温度的升高可能导致高沸点化合物的释放，这有利于粒径较大气溶胶的形成，使逐口释放气溶胶的粒数中值粒径呈现一定的升高趋势。品牌4样品粒数浓度和体积浓度在逐口中间段较高，这主要与其周向加热方式有关，周向加热是由外周向内部加热，对烟草基质的加热效率较高，容易使烟草成分集中在加热的中段释放，因而加热后段所形成的气溶胶相对较少。品牌5样品粒数浓度和体积浓度的逐口降低趋势可能与其雾化剂的添加有关，雾化剂在前几口逐渐释放，可能导致后续几口气溶胶的形成量逐渐减少。

整体上，电加热卷烟样品气溶胶的粒数浓度、粒数中值粒径和体积浓度均随抽吸口数发生变化，表现出气溶胶物理特性的逐口不稳定性，这主要与电加热卷烟的持续加热方式有关，烟芯材料受热而逐口释放成分的差异导致了逐口气溶胶物理特性的差异。

图4 电加热卷烟样品逐口气溶胶的粒数中值粒径

图5 电加热卷烟样品逐口气溶胶的体积浓度Fig.5 The puff-by-puff particle volume concentration of aerosol from electrically heated cigarettes

3 结论

本文选取5个品牌20种市售电加热卷烟作为样品，对其气溶胶的物理特性进行了表征，结果表明：电加热卷烟气溶胶的粒径分布轮廓为单峰分布或双峰分布，粒数中值粒径主要集中在30～60 nm范围内；不同品牌电加热卷烟总释放气溶胶的粒数浓度与体积浓度存在明显差异；逐口释放气溶胶的粒数浓度、粒数中值粒径和体积浓度随抽吸口数均呈现出一定的变化趋势，这表现出电加热卷烟气溶胶的逐口释放不稳定性。本文的研究结果将为电加热卷烟的气溶胶吸入危害评价提供科学的数据支撑，对于气溶胶暴露和危害评价具有重要意义。在本研究基础上，未来将进行加热卷烟样品气溶胶物理特性的单因素试验，系统研究电加热卷烟气溶胶的形成及各因素的影响规律。