降温段通风对加热卷烟气溶胶释放行为的影响

尤晓娟，王明辉，刘献军，周成喜，郑晓云，饶先立，王 鸣，许良涛，李朝建，石怀彬，徐如彦，何红梅*

1.江苏中烟工业有限责任公司，南京市兴隆大街29 号 2100192.南通烟滤嘴有限责任公司，江苏省南通市胜利路6 号 226014

打孔通风技术是近年来国际上传统卷烟应用较为普遍的降焦手段之一［1］。关于通风稀释对传统卷烟主流烟气的影响已有较多研究报道，杨松等［2］、曹伏军等［3］研究了通风对烟气常规成分释放量的影响。研究认为，随滤嘴通风率的增加，传统卷烟主流烟气中酸性［4］、中性［5-6］和碱性［6-7］香味成分的释放量减少。蔡君兰等［8］还发现，香味成分的气相/粒相分配比例与滤嘴通风率成正比。陈欢等［9］、金勇等［10］、庞永强等［11］探索了卷烟烟气通风率与有害成分释放量的关系。孔浩辉等［12］认为，提高滤嘴通风率，可降低主流烟气温度，且降温效果显著。楚文娟等［13］发现滤嘴通风率与感官评价得分负相关但没有达到显著性水平，与感官评价指标中的香气极显著负相关，与刺激性极显著正相关。这些研究表明：打孔通风技术稀释了卷烟烟气，改变了化学成分的传输和释放量比例，最终影响了烟气温度和卷烟烟气感官品质。

加热卷烟是新型烟草制品研究中的热门产品，虽然各类新产品不断涌现，终究是通过热源对烟芯材料进行加热，使其在非燃烧的较低温度状态下释放出供消费者吸食的气溶胶。由于打孔通风技术在传统卷烟中广泛应用，新型烟草领域也在尝试应用该技术改变烟气温度和气溶胶释放特征，但相关研究很少，罗萌柔等［14］为研究滤嘴通风率对不同类型卷烟烟气气溶胶释放的影响，制备了不同滤嘴通风率的两用型烟支（可燃吸、配套加热烟具加热后可抽吸），研究了点燃和加热条件下烟气气溶胶中的主要化学成分和粒径分布；崔华鹏等［15］制备了滤嘴空腔段不同通风孔数量的加热卷烟样品，考察了通风孔数量对气溶胶物理特性和温度的影响规律。由于加热卷烟和传统卷烟气溶胶形成原理明显不同，有必要进一步开展通风稀释技术对烟碱和甘油在加热卷烟各部位释放行为的影响研究。为此，制备了不同通风率的加热卷烟烟支样品，全面考察了通风率对烟碱和甘油2种常规化学成分在烟芯段、降温段、滤嘴段和气溶胶中分布规律的影响，旨在为加热卷烟烟支设计开发提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

IROD 烟具（针式中心电阻加热烟具，江苏中烟工业有限责任公司提供）；不同通风率加热卷烟样品（江苏中烟工业有限责任公司自制）；剑桥滤片（直径44 mm，德国Borgwaldt K C公司）。

甲醇（色谱纯，美国Tedia 公司）；喹啉（内标，AR，上海国药集团化学试剂有限公司）。

LM4E 型模块化吸烟机、DT 综合测试台（德国Borgwaldt K C公司）；SML 600-E&H电子烟/加热卷烟吸烟机（配置气溶胶出口温度测量模块，合肥众沃仪器技术有限公司）；7890A型气相色谱仪（配置FID检测器，美国Agilent公司）；AL204型电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；HY-5A 型回旋振荡器（江苏省金坛市讯生仪器厂）。

1.2 方法

1.2.1 不同通风率加热卷烟样品的制备

所用加热卷烟烟支由烟芯段、降温段（空芯滤棒）及滤嘴段组合形成，烟支结构示意图见图1。烟支中烟芯段为稠浆法再造烟叶制成的相对有序烟芯棒，烟芯中发烟剂甘油添加的质量百分比约为18%。采用激光打孔方式在烟支降温段上打孔，通过调整打孔数量实现不同打孔通风率。除通风率不同外，4个样品的其他原料和辅材的质量参数完全一致，样品设计参数见表1。按照GB/T 22838.15—2009［16］中的方法，使用综合测试台对通风率设计值进行测量验证，实测均值见表1，基本符合设计值。

图1 加热卷烟烟支样品结构示意图Fig.1 Schematic diagram on the structure of a heated tobacco stick

表1 加热卷烟烟支样品设计参数及通风率实测值①Tab.1 Design parameters of tobacco stick samples and measured ventilation rates

1.2.2 加热卷烟气溶胶逐口温度的测定

在温度（22±1）℃、相对湿度50%±3%的条件下平衡电加热卷烟样品48 h。随机选取平衡后的卷烟样品，使用IROD烟具，按照加拿大深度抽吸模式（抽吸容量55.0 mL、抽吸时间2 s、抽吸频率30 s）、钟形抽吸曲线抽吸卷烟。基于微细热电偶测温技术，将温度测量模块一端连接捕集器，另一端连接烟支夹持器，采用系统内置软件记录逐口气溶胶的实时温度数据。实验所测温度为距离滤嘴段5.0 mm 处的气溶胶温度。每支卷烟抽吸10口，每10支卷烟为一组，对每个样品共进行7组平行测试。根据气溶胶实时温度数据，获得逐口气溶胶的最高温度。

1.2.3 加热卷烟加热后烟支和气溶胶中烟碱和甘油的分析

加热卷烟样品的平衡和抽吸条件同1.2.2节。每支卷烟抽吸10 口，将每4 支卷烟的气溶胶捕集在同一张滤片上，合并3张滤片为一组进行萃取。对每个样品共进行7组平行测试。抽吸完毕后，拆解加热卷烟烟支，将加热后的烟芯段、降温段、滤嘴段和捕集气溶胶的滤片分别放入不同的三角烧瓶中，加入含喹啉内标的甲醇溶液。其中，对降温段、滤嘴段和滤片分别振荡萃取30 min，对烟芯段超声萃取30 min后再继续振荡萃取30 min，取每一份萃取液过滤膜后进行GC检测。仪器条件参考何红梅等［17］的方法。

1.2.4 加热卷烟烟碱、甘油残留率、截留率和转移率的数据处理

通过GC 方法检测加热卷烟烟支加热后各部位烟碱和甘油的质量分数，并分别按公式（1）～（5）计算加热后烟碱和甘油在烟芯段的残留率、在降温段和滤嘴段的截留率以及在气溶胶中的转移率。

式中：m1、m2、m3、m4分别代表加热卷烟烟芯段、降温段、滤嘴段、气溶胶中烟碱或甘油的质量分数或释放量，mg/支；mt表示加热卷烟烟芯段、降温段、滤嘴段和气溶胶中烟碱或甘油的总量，mg/支；R1、R2、R3、T4分别代表加热卷烟烟碱或甘油的烟芯段残留率、降温段截留率、滤嘴段截留率、气溶胶中转移率，%。

2 结果与讨论

2.1 通风率对加热卷烟气溶胶温度的影响

检测气溶胶逐口温度时，在2 s 的抽吸时间内，每口烟气的温度存在一个最大值。因此，抽吸10口，对应有10个逐口最高温度。图2中实线所示的气溶胶最高温度，是10个逐口最高温度中的最大值。图2 中虚线所示平均温度，为10 个逐口最高温度的平均值。由图2可知，气溶胶最高温度及平均温度均随通风率的增大呈下降趋势。这是由于通风率增加，从滤嘴端进入的冷空气量增加，降低了气溶胶温度。将气溶胶最高温度及平均温度与相应的通风率作相关分析，结果表明，在0～35%的通风率范围内，气溶胶最高温度及平均温度与通风率之间呈显著负相关线性关系（回归方程见表2）。

图2 不同通风率加热卷烟样品的气溶胶温度（n=7）Fig.2 Aerosol temperatures from heated tobacco product samples with different ventilation rates（n=7）

表2 气溶胶温度与通风率的回归模型Tab.2 Regression models of aerosol temperature and ventilation rate

图3 反映了不同通风率加热卷烟样品气溶胶逐口最高温度，结果可知，针式中心加热烟具抽吸加热卷烟时，气溶胶逐口最高温度随抽吸口数序号的递增呈现先上升后下降的趋势，且4组卷烟最高温度均出现在第2口。抽吸第1口的温度较低，可能是因为抽吸开始时，烟具内预热阶段聚集的热量还不够充足，烟芯材料吸收的热量不够充分，导致烟芯材料释放的气溶胶量少，温度稍低。抽吸第2口时，烟具内预热完成，热量聚集充足，烟芯材料充分受热，释放大量气溶胶，温度达到最高点。抽吸2口后，气溶胶温度逐渐下降，这可能是因为随着抽吸口数序号的增大，内围烟芯成分受热气化释放完全，外围烟芯温度又达不到最靠近加热片的烟芯温度，总体上受热产生的气溶胶越来越少。不同通风率加热卷烟气溶胶温度差异主要体现在抽吸前4 口，前4 口中，气溶胶温度随通风率增加，表现出明显的降低趋势；抽吸后段不同通风率加热卷烟气溶胶温度差异较小。

图3 不同通风率加热卷烟样品气溶胶逐口温度（n=7）Fig.3 Puff-by-puff aerosol temperatures of heated tobacco product samples with different ventilation rates（n=7）

2.2 通风率对加热卷烟烟碱转移释放行为的影响

2.2.1 通风率对烟碱在各部位中分布的影响

当代诗歌好像也是“制作”吧？将一篇散文，分成一行一句式，或者添加一小句作为过渡。我从视觉上看，这就是一种“制作”。请你给我们分享一下，文学创作是否存在“制作”现象，给书法界提供一些素材。

不同通风率加热卷烟样品加热后烟碱在烟芯段、降温段、滤嘴段和气溶胶中的质量分数或释放量见图4。可知，未打孔加热卷烟，加热卷烟各部位烟碱质量分数或释放量由大到小依次为烟芯段残留量、气溶胶释放量、降温段截留量≈滤嘴段截留量，降温段和滤嘴段截留量相当。打孔后，加热卷烟各部位烟碱质量分数或释放量由大到小依次为烟芯段残留量、气溶胶释放量、降温段截留量、滤嘴段截留量。随打孔通风率的增大，烟碱的烟芯段残留量略有上升，降温段截留量基本变化不大，滤嘴段截留量下降，气溶胶释放量先上升后略有下降。

图4 不同通风率加热卷烟样品各部位烟碱质量分数（n=7）Fig.4 Nicotine mass fractions in different sections of heated tobacco product samples with different ventilation rates（n=7）

2.2.2 通风率与烟碱烟芯段残留率、滤嘴段截留率及气溶胶转移率之间的相关性分析

为明确通风率对烟支加热后不同部位烟碱分布的影响，以通风率为自变量，分别以烟碱烟芯段残留率、降温段截留率、滤嘴段截留率、气溶胶转移率为因变量，建立上述指标与通风率之间的关系。结果表明，在0～35%的通风率范围内，烟碱降温段截留率与通风率之间的相关性不明显。由图5可知，烟碱的烟芯段残留率、滤嘴段截留率以及气溶胶转移率与通风率均呈非线性关系（R2＞0.99），回归方程见表3。其中，随着通风率的增大，烟碱滤嘴段截留率呈非线性下降趋势；烟碱烟芯段残留率呈非线性增加趋势；烟碱气溶胶转移率呈非线性增加趋势，在通风率25%～30%之间存在一个拟合最大值，其后呈下降趋势。

图5 加热卷烟不同部位烟碱各项指标与通风率之间的关系Fig.5 Relationships between nicotine indexes in different sections and ventilation rate of heated tobacco product

2.3 通风率对加热卷烟甘油转移释放行为的影响

2.3.1 通风率对甘油在各部位中分布的影响

不同通风率加热卷烟样品加热后甘油在烟芯段、降温段、滤嘴段和气溶胶中的质量分数或释放量见图6。可知，甘油在烟芯段的残留量远远高于其他3部分。未打孔时，其他3部分甘油质量分数或释放量由大到小依次为滤嘴段截留量、降温段截留量、气溶胶释放量。打孔后，滤嘴段截留量迅速下降，低于降温段截留量和气溶胶释放量。随打孔后通风率的增大，甘油的烟芯段残留量略有上升，降温段截留量略有下降，滤嘴段截留量下降，气溶胶释放量呈上升趋势。

图6 不同通风率加热卷烟样品各部位甘油质量分数（n=7）Fig.6 Glycerol mass fractions in different sections of heated tobacco product samples with different ventilation rates（n=7）

2.3.2 通风率与甘油烟芯段残留率、滤嘴段截留率及气溶胶转移率之间的相关性分析

为明确通风率对不同部位甘油分布的影响，以通风率为自变量，分别以甘油烟芯段残留率、降温段截留率、滤嘴段截留率和气溶胶转移率为因变量，建立上述指标与通风率之间的关系。结果表明，与烟碱类似，在0～35%的通风率范围内，甘油降温段截留率与通风率之间的相关性不明显。由图7可知，甘油的烟芯段残留率、滤嘴段截留率以及气溶胶转移率与通风率均呈非线性关系（R2＞0.99），回归方程见表4。其中，随通风率的增大，甘油烟芯段残留率和气溶胶转移率呈非线性增加趋势，甘油滤嘴段截留率呈非线性下降趋势。加热卷烟甘油各项指标与通风率能建立明显的非线性模型，可用于指导加热卷烟的产品设计。

图7 加热卷烟样品不同部位甘油指标与通风率间的关系Fig.7 Relationships between glycerol indexes in different sections and ventilation rate of heated tobacco product samples

表4 加热卷烟不同部位甘油指标与通风率间的回归模型Tab.4 Regression models between glycerol indexes in different sections and ventilation rate of heated tobacco product samples

2.4 通风率影响烟碱及甘油气溶胶转移率的原因

图8 不同通风率加热卷烟样品各部位烟碱和甘油的质量分数分布Fig.8 Distribution of nicotine and glycerol mass fractions in different sections of heated tobacco product samples with different ventilation rates

随通风率从0增加至35%，烟芯段烟碱和甘油的残留率非线性增加，这是因为打孔通风率增加，流经烟芯段的空气量减少，使得加热气化的烟碱、甘油被抽吸形成气溶胶的量减少，因而残留量增加。当通风率为35%时，烟碱和甘油的烟芯段残留率比未打孔样品分别增加了2.21%和3.99%。相较于烟碱，甘油残留在烟芯段中的量更高，且气化形成气溶胶需要的热量更多，所以通风率的增加对甘油的烟芯段残留率影响更加明显。

随通风率从0增加至35%，烟碱和甘油的滤嘴段截留率均非线性下降，这是由于通风率增大，气溶胶最高温度和平均温度有所降低，促进了气溶胶雾化成核，形成的气溶胶粒径变大，滤嘴段截留效应变小，截留率降低。这一结论与文献［14］中的相关实验结论一致，根据该文献报道数据，打孔通风后，加热卷烟气溶胶粒径较未打孔样品有所增大，由相关数据判断，多数气溶胶颗粒的粒径小于400 nm，少数粒径大于400 nm。由于滤嘴对气溶胶的截留作用主要有扩散沉积、惯性碰撞和直接拦截3种方式［19］：当气溶胶粒径小于400 nm时，扩散沉积是主要的截留方式，对总体截留效应贡献较大，截留机理是粒径越小的气溶胶微粒更易受空气介质分子的碰撞，引起其脱离原本正常的移动轨迹做不稳定移动，即形成布朗运动，进而导致气溶胶横穿过气流线与纤维接触而被截留［20-21］；当气溶胶粒径大于400 nm时，此时惯性碰撞和直接拦截对总体截留效应贡献较大，其截留机理是颗粒越大，越容易被截留。加热卷烟气溶胶的粒径多数小于400 nm，因此，滤嘴中扩散沉积导致的截留作用相对占主导。由此推测，在0～35%的通风率范围内，通风率越大，气溶胶温度越低，形成的气溶胶粒径越大，滤嘴段的截留效应越小，截留率越低。

随通风率从0增加至35%，烟碱的气溶胶转移率呈先上升后下降的趋势，甘油的气溶胶转移率呈现上升趋势，这与传统卷烟主流烟气化学成分释放量随通风率增加呈下降趋势的现象不同［22-23］。具体来说：①烟碱的烟芯段残留率随通风率增加略呈上升趋势（图8a），然而，通风率增加也使得烟碱的滤嘴段截留率下降。因此，当通风率为0、15%和25%时，滤嘴段截留率的下降幅度明显大于烟芯段残留率的上升幅度。相比于未打孔样品，例如，当样品通风率为25%时，烟碱的烟芯段残留率升高0.81%，而滤嘴段截留率降低7.11%，故2 个维度的共同作用，使烟碱的气溶胶转移率从26.41%升高至33.08%。相较于样品通风率为25%的样品，当通风率上升至35%时，烟碱的滤嘴段截留率的下降幅度小于烟芯段残留率的上升幅度，故烟碱气溶胶转移率有所下降。②随通风率的增大，尽管烟芯段的甘油残留率略呈上升趋势，但滤嘴段和降温段的截留率均呈下降趋势，因此，甘油的气溶胶转移率大幅增加（图8b）。相较于未打孔的样品，当样品通风率为35%时，甘油的烟芯段残留率增加3.99%，而滤嘴段和降温段的截留率共降低8.47%，这2 个维度的综合作用，使甘油气溶胶转移率从5.05%增大至9.52%。

传统卷烟通过通风稀释作用进行降焦减害，但在加热卷烟降温段上进行打孔通风反而能促进气溶胶的转移。根据打孔后烟碱和甘油的烟芯段残留率略有上升，可见气溶胶转移率的上升并不是由于烟芯段物质受热转移导致的。根据打孔后烟碱和甘油的滤嘴段截留率下降、烟碱降温段截留率变化不大以及甘油降温段截留率略有下降的现象，可知烟碱气溶胶转移率的上升主要是由于滤嘴段截留作用的减小，甘油气溶胶转移率的上升主要是由于滤嘴段和降温段截留作用的减小。

3 结论

①在0～35%的通风率范围内，降温段通风技术可以降低加热卷烟气溶胶的最高温度和平均温度，且随通风率升高前4口气溶胶温度的下降趋势较明显。②随通风率升高，滤嘴段的烟碱截留率呈非线性下降趋势，烟芯段残留率呈非线性增加趋势。通风率不高于25%时，气溶胶转移率随通风率增大呈非线性增加趋势，在通风率25%～30%之间存在一个拟合最大值，其后呈下降趋势。③随通风率升高，甘油的烟芯段残留率和气溶胶转移率均呈非线性增加趋势，滤嘴段的甘油截留率呈非线性下降趋势，降温段截留率略有下降。④降温段通风技术能通过降低烟碱和甘油的截留率提高气溶胶中烟碱和甘油的转移率。