不同烟支长度对加热卷烟烟气主要成分逐口释放量的影响

吴金凤 张燕 高峄涵 齐延鹏 卢乐华 汪长国 肖克毅

摘要 為了研究不同烟支长度对加热卷烟烟气主要成分逐口释放量的影响，以烟支长度分别为60、66和72 mm的样品为研究对象，设置相同的加热曲线参数进行抽吸，测定了加热卷烟逐口动态吸阻和主流烟气气溶胶捕集量（ACM）以及烟碱、甘油、水分的逐口释放量，分析了单支逐口烟气释放量均值及相对标准偏差（RSD），并研究了其对主流烟气中烟碱、甘油和水分转移率以及单位质量烟草释放量的影响。结果表明：随着烟支长度的增加，烟支同口序逐口抽吸动态吸阻增大；逐口烟气主要成分释放稳定性递增，烟气中的ACM、烟碱和水分释放量递增，烟支长度66 mm卷烟的甘油释放量最低，烟支长度72 mm卷烟最高。随着烟支长度的增加，烟碱和水分在卷烟烟气中的转移率下降，烟支长度66 mm卷烟的甘油转移率最低。当烟草段长度为30～42 mm时，不同烟支长度加热卷烟逐口烟气中ACM、烟碱、甘油及水分释放趋势基本一致。

关键词 加热卷烟；烟支长度；烟草段；逐口释放

中图分类号 TS 41+1  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）07-0200-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.046

Effects of Different Rod Length on the Puff-by-puff Release Amount of Main Smoke Components from Heated Cigarettes

WU Jin-feng1， ZHANG Yan2， GAO Yi-han3 et al

（1.Technology Center， China Tobacco Chongqing Industrial Co.， Ltd.， Chongqing 400060;2.Yunnan Tobacco Quality Supervision and Inspection Station， Kunming，Yunnan  650106;3. Shanghai New Tobacco Product Research Institute， Shanghai 201315）

Abstract In order to investigate the effects of different rod length on the puff-by-puff release amount of main smoke components from heated cigarettes， the heated cigarette samples with the rod length of 60， 66 and 72 mm were used as research objectives， the same heating curve parameters were set for smoking. The puff-by-puff dynamic suction resistance， aerosol  collection mass（ACM） and the puff-by-puff release amount of nicotine， glycerin and water in the mainstream smoke of heated cigarettes were measured， and the average values and RSD of puff-by-puff release amount per smoke were analyzed. And the effects of different rod length on the transfer rate of nicotine， glycerin， water and tobacco release per unit mass in mainstream smoke were also studied. The results showed that the dynamic suction resistance of the heated cigarettes increased with the increase of rod length. With the increase of rod length， the puff-by-puff release’s stability of main smoke components increased， ACM， the release amount of nicotine and water in the smoke increased. The release amount of glycerin in the heated cigarettes with the rod length of 66 mm was the lowest， and that in the heated cigarettes with the rod length of 72 mm was the highest. The transfer rates of nicotine and water in the smoke of the heated cigarettes decreased with the increase of rod length， the transfer rate of glycerin in the heated cigarettes with the rod length of 66 mm was the lowest. In the tobacco part length range of 30-42 mm， the puff-by-puff release trends of ACM， nicotine， glycerin and water in the main smoke of the heated cigarettes with different rod length were basically similar.

Key words Heated cigarettes;Rod length;Tobacco part;Puff-by-puff release

基金项目 国家烟草专卖局科技重点研发项目（110202102047）；重庆中烟工业有限责任公司2020年科研项目（HX202001）。

作者简介 吴金凤（1982—），女，重庆人，工程师，博士，从事新型烟草制品研究。

通信作者，研究员，硕士，从事烟草、烟气化学和生物技术应用研究。

收稿日期 2022-05-19；修回日期 2022-06-21

加热卷烟是新型烟草制品的重要类型。与传统卷烟点燃抽吸不同，加热卷烟利用外部热源加热烟草材料释放烟气。受加热温度、烟芯材料、嘴棒结构等因素的影响，加热卷烟逐口烟气释放及其稳定性一直是加热卷烟研究的重点和难点。国内很多学者以加热卷烟为研究对象，采用剑桥滤片捕集的方法研究了抽吸模式［1］、环境湿度［2］、加热温度［3-4］、滤棒结构［5］对烟气释放的影响。王珂清等［6］、何红梅等［7］对不同品牌中心加热卷烟烟气逐口释放行为特征进行了分析。龚淑果等［8］以加热卷烟iQOS和GLO为研究对象，考察了加热卷烟烟气中主要成分逐口释放量的变化。王乐等［9-10］以iQOS电加热卷烟加热器具和配套烟支为试验对象，研究了电加热卷烟烟芯段温度分布和烟气关键成分逐口变化，建立了电加热卷烟烟芯材料关键成分传热传质数学模型。目前，烟支规格对烟气释放的影响主要在传统卷烟领域［11-15］，对加热卷烟逐口烟气释放的影响研究鲜有报道。加热卷烟烟草段长度的设计对于加热卷烟制造降本增效具有重要意义。笔者以细支周向加热卷烟为研究对象，考察不同烟支长度对加热卷烟烟气逐口释放的影响，分析逐口释放量变化趋势，旨在为加热卷烟的烟支长度设计及优化提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

1.1.1 试验材料。

圆周17 mm，烟支长度分别为60、66和72 mm的3种加热卷烟，由重庆中烟工业有限责任公司生产制样，嘴棒长度30 mm，嘴棒打孔位置距离唇端15 mm。剑桥滤片（44 mm，美国GE公司）。

1.1.2 主要试剂。异丙醇（色谱纯，RCI  Labscan）；1，2-丙二醇和丙三醇，纯度≥99.5%；1，4-丁二醇，纯度≥99%，购自Sigma-Aldrich公司；烟碱（上海安谱科技有限公司）。

1.1.3 主要仪器。

周向电加热烟具（自制）；ACCS100加热不燃烧卷烟裁切仪（合肥众沃仪器技术有限公司）；X500E新型烟草专用吸烟机（上海帕夫曼自动化仪器有限公司）；56X综合测试台（法国SODIM公司）；7890B气相色谱仪（配备FID和TCD检测器，美国Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品制备。

为保持烟支前后密度一致，采用全紧头平准器卷制加热卷烟样品，在平均质量±0.03 g的范围内挑选烟支样品，利用离线裁切仪将同款烟支分别裁切成60、66和72 mm 3个规格，分别编号为HTP-1、HTP-2和HTP-3。

1.2.2 烟具设计。

3个长度规格的加热卷烟均采用加热腔长度42 mm的周向两段式电加热烟具。为避免前几口烟气温度过高，减缓后几口烟气释放量的衰减，第1段和第2段加热区域分段比例应不大于1∶1。加热腔分段区域及两段式加热温度曲线见图1。全尺寸加热腔体适配72 mm烟支，在适配长度60和66 mm烟支时，分别使用长度12和6 mm的纸质空管置于加热腔下部，缩短加热腔长度，满足3种不同规格的烟支在相同加热曲线下抽吸。第1段预热温度245 ℃，预热时间42 s；第1段加热温度235 ℃，保温70 s，112 s时停止对第1段加热的同时第2段加热段达到预设温度235 ℃，并保温100 s。

1.2.3 逐口动态吸阻测定。

使用单通道吸阻仪测定逐口动态吸阻［16］，将加热卷烟放入烟具，烟支在烟具中未加热时测定的吸阻为初始吸阻，烟支在烟具中达到预热温度后打开单通道吸阻仪开始抽吸，抽吸口数为7口，抽吸容量55 mL，每次抽吸持续2 s，抽吸间隔30 s，记录烟支实时动态吸阻。每组样品随机选取5个样品进行测试，取平均值。

1.2.4 化学成分测定。

加热卷烟原料及烟气主要化学指标分析包括烟碱、甘油、水分和烟气气溶胶捕集量（aerosol collection mass，ACM）。采用CORESTA推荐的62号、60号、57号方法［17-19］测定加热卷烟原料中的烟碱、甘油、水分含量。按照ISO 20778的方法［20］确定烟气抽吸参数：抽吸容量55 mL，抽吸时间2 s，抽吸间隔30 s，采用钟形流量图。使用CORESTA推荐的84号方法［21］测定烟气中烟碱、甘油和水分含量，烟具触发时长2 s，预热等待时长42 s，抽吸口数7口。

1.2.5 数据处理。

使用SPSS软件对测定数据进行统计分析。3种烟支长度加热卷烟烟草原料中烟碱、甘油和水分在气溶胶中的转移率按以下公式计算：

T=m1/m0×100%（1）

式中，m0為单支烟草原料中烟碱、甘油或水分的含量，单位为mg/支；m1为气溶胶中烟碱、甘油或水分的含量，单位为mg/支。

2 结果与分析

2.1 不同烟支长度对加热卷烟逐口动态吸阻的影响

考察了3种加热卷烟在加热抽吸状态下的动态吸阻，结果见图2。从图2可以看出，3种加热卷烟逐口动态吸阻变化趋势基本一致。不同长度烟支在加热抽吸过程中的逐口动态吸阻均高于初始未加热时的吸阻，动态吸阻均值比初始吸阻高255～350 Pa。烟支长度最长的HTP-3样品动态吸阻较HTP-1、HTP-2样品第1口增幅较大，可见烟草段增长会增加同口序动态吸阻。在加热抽吸7口过程中，第1口吸阻最大，第4口较第3口略高，此后处于相对平稳的下降趋势。单因素方差分析表明，3种加热卷烟烟支逐口动态吸阻存在极显著差异（P＜0.01），HTP-1与其他2种加热卷烟动态吸阻的差异显著高于HTP-2与HTP-3之间的差异，HTP-1、HTP-2和HTP-3加热卷烟动态吸阻的相对标准偏差（RSD）分别为4.4%、2.9%和3.3%，说明不同烟支长度加热卷烟逐口动态吸阻稳定性较好。

2.2 不同烟支长度对加热卷烟烟气主要成分逐口释放量的影响

考察了烟支长度分别为60、66和72 mm的加热卷烟在相同加热模式和抽吸模式下ACM以及烟碱、甘油和水分的逐口释放量，结果见表1。由表1可知，随着烟支长度的增加，加热卷烟ACM、烟碱和水分的逐口释放量均逐渐增加，甘油逐口释放量均值差异不明显。从逐口释放量相对标准偏差（RSD）来看，ACM、烟碱、甘油和水分的逐口释放量RSD均大于30%，表明逐口释放量差异较大，均为非均匀释放。随着烟支长度的增加，烟气中主要成分逐口释放量RSD降低，逐口烟气释放量均匀性越高。

2.3 烟气主要成分逐口释放量变化

分析了3种不同烟支长度加热卷烟烟气中ACM以及烟碱、甘油和水分的逐口释放量，结果见图3～6。

由图3可知，3种加热卷烟释放的ACM均在第2口达到峰值，此后整体上呈下降趋势，其中HTP-1的ACM逐口下降最为明显。不同烟支长度对加热卷烟第4口后ACM的影響较大。从第3口开始，HTP-3样品的ACM大于HTP-1和HTP-2样品；从第4口开始，HTP-2样品的ACM比HTP-1样品大。

由图4可知，不同烟支长度加热卷烟的烟碱逐口释放量均在第2口烟碱释放量达到第1个峰值，随后烟碱释放量下降，第3口后再上升，第5口达到第2个峰值，此后再次下降。由于第3口后第2段加热腔开启并升温，第1段加热腔未冷却，持续促使第1段烟草物料释放烟碱，并累积到后序逐口烟气中，第5口达到第2个峰值，此后随着第1段加热腔温度冷却，第2段加热腔加热的烟草物料随着加热过程中烟碱释放到烟气中，逐口烟碱释放量再次下降。这也与两段式加热程序的设置相一致。

由图5可知，HTP-1样品的甘油释放量在第2口达到峰值，而HTP-2和HTP-3样品在第3口达到峰值。3个样品的逐口甘油释放量差异不大，虽然烟支长度不同、甘油含量不同，但并不会导致加热卷烟逐口甘油释放量存在显著差异。由此可见，不能单一通过烟草物料的增加来增加甘油释放量，从而达到提高烟雾量的目的。究其原因，可能是由于甘油沸点较高、挥发性较差，容易被较长气路截留，烟气中的甘油释放量不会随着烟支长度的增加而增大。

由图6可知，3种加热卷烟逐口水分释放量整体上呈下降趋势。相较于甘油和烟碱，水的沸点较低、最先释放，且随着后续不断加热更易释放。HTP-1样品第1口水分释放量最高，且前2口水分释放量均较HTP-2和HTP-3样品更多。这也可能与烟支长度不同、气路截留不同有关。HTP-2样品的前3口水分释放量较HTP-1和HTP-3样品更少，加热卷烟烟气发烫主要在前3口出现，因此合理设计加热卷烟的长度及烟支结构显得尤为重要。

2.4 不同烟支长度对加热卷烟烟气主要成分转移率的影响

利用3种不同烟支长度加热卷烟烟气主要成分释放量与单支加热卷烟烟草原料中对应成分含量，按公式（1）计算烟气各成分转移率，结果见图7。

由图7可知，随着烟支长度的增加，加热卷烟烟碱和水分在烟气中的转移率随之降低。HTP-1样品逐口动态吸阻小、烟气路径短，有利于烟草中主要成分的释放，因此烟气主要成分转移率高；随着烟支长度的增加，可供加热的烟草原料增加，虽然烟气释放总量增加，但烟气路径增长导致部分烟气成分截留，因此HTP-3样品烟气中烟碱和水分转移率最低。从甘油转移率来看，HTP-2与HTP-3加热卷烟烟气中甘油转移率没有显著差异（P＞0.05），烟气中的甘油转移率不一定随着烟支长度的增加以及烟草原料甘油含量的增加而增加。

2.5 不同烟支长度对加热卷烟烟草原料单位质量烟气主要成分释放量的影响

3种长度烟支参与加热的烟草段长度分别为30、36和42 mm。烟草段长度不同，参与加热的烟草原料质量也不同。以烟支中烟草原料单位质量释放的烟气主要成分为研究对象，结果见表2。

由表2可知，随着烟支长度的增加，加热卷烟单支烟草原料质量增加，ACM、烟碱和水分的释放量增大；甘油释放量HTP-3样品最大，HTP-2样品小于HTP-1样品。从烟草原料在不同长度规格的烟支中单位质量释放量来看，随着烟支长度的增加，单位质量烟草原料的烟气主要成分释放量均呈现递减趋势。由此可见，缩短烟草段长度可以提高单位质量烟草的有效利用率。

3 结论

①烟支长度分别为60、66和72 mm的加热卷烟逐口动态吸阻存在显著差异。随着烟草段长度的增加，烟支同口序动态吸阻增大。②在试验范围内，随着烟草段长度的增加，烟气中各主要成分逐口释放稳定性增加，ACM、烟碱和水分逐口释放量递增，HTP-3样品烟气中各主要成分逐口释放量均值最高且逐口释放稳定性最佳，HTP-2样品甘油逐口释放量均值最低。③不同烟草段长度的加热卷烟逐口烟气均呈非均匀释放。ACM均在第2口达到峰值后降低，烟碱逐口释放量在第2口和第5口出现2个峰值，甘油逐口释放量在第2口或第3口达到峰值后降低，HTP-1样品水分逐口释放量在第1口达到最大值后下降，前2口水分释放量均大于HTP-2和HTP-3样品。④烟气主要成分在烟草段中的截留效应导致HTP-3样品烟气中烟碱和水分的转移率最低，HTP-2样品的甘油转移率最低。⑤通过对单位质量烟草原料在不同长度规格的烟支中烟气释放量分析发现，随着烟支长度的增加，烟草原料单位质量ACM以及烟碱、甘油和水分的释放量下降，原料利用率降低。因此，烟支长度设计需要根据产品设计需求来平衡烟草段长度与成分释放稳定性、烟气成分转移率和原料有效利用率的关系。在该试验范围内，为了提高烟草利用率，可缩短烟草段长度；为增加逐口烟气释放的均匀性，可增加烟草段长度。

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