含烟碱多元系统气-液相平衡的理论预测

摘要：利用拟导体屏蔽链节活度系数（COSMO-SAC）模型研究了甘油、丙二醇、水及烟碱构成的三元和四元系统的气-液相平衡，研究结果表明，对于甘油-丙二醇-烟碱系统，甘油摩尔分数的增加和温度的降低均有利于烟碱的气化释放。对于甘油-水-烟碱系统，甘油摩尔分数在一定范围内的变化不会明显改变气相组成，但当甘油摩尔分数大于0.9 时，温度越低越有利于烟碱的气化释放。对于水-丙二醇-烟碱系统，当水的摩尔分数小于0.3 或高于0.7 时，温度越低越有利于烟碱的气化释放。对于水-丙二醇-甘油-烟碱系统，液相摩尔分数在较宽范围内的变化都不会明显改变气相组成，即气相组成有一个较宽的平台区。

关键词：烟碱；加热卷烟；气-液相平衡；COSMO-SAC；热力学

中图分类号：TQ015.9 文献标志码：A

作为传统卷烟的创新产品，加热卷烟是一种对环境及他人影响较小的烟碱摄入产品[1-2]。与传统卷烟相比，加热卷烟无燃烧过程，减少了烟草由于高温燃烧而产生的有害物质[3-4]，也降低了侧流烟气和环境烟气的释放量[5]。加热卷烟中的烟草基质通常采用再造烟叶，它主要包括烟碱（包括游离烟碱和烟碱盐）、丙三醇（俗称甘油）、1，2-丙二醇（简称丙二醇）、水以及其他香精等有效成分。所不同的是加热卷烟主要通过温控技术（400 ℃ 以下甚至更低）加热再造烟叶，驱使有效成分逐步释放，其释放率在很大程度上决定了用户的吸食体验。目前，在加热卷烟基质中，甘油、丙二醇、水分和烟碱的质量分数分别约为10%～20%、0～10%、7%～16% 和0.2%～1.5%[6]。加热时，丙二醇、丙三醇和烟碱从烟草基质释放到主流烟气中的释放率分别为56.7%～89.2%、6.9%～40.7% 和37.1%～82.5%[7]，且释放率会随烟草基质的不同以及加热温度的改变而发生变化。研究发现，增加甘油含量能促进烟草成分在低温下的释放[8]，但过高的含量（摩尔分数超过35%）会降低烟气的累积释放量[9]。

加热卷烟中增加丙二醇含量，能显著增加水分的释放量，但对烟碱释放量无明显影响[10]。为达到最佳发烟效果，不同类型的加热卷烟其烟草基质中的含水量也不同[5]。加热卷烟本质上可看作是一种烟碱传递系统。在实际的抽吸间隔内，发烟段加热腔内有效成分释放时的传质过程将向相平衡趋近，烟支在受热中的传质和相平衡问题从根本上影响着烟碱与甘油等多种物质的释放特性和递送效率。然而，加热卷烟涉及的是一个多组分的复杂系统，文献中含烟碱混合物相平衡数据报道极少[11-12]，且单纯依靠实验难以获得有规律性的结论。为从理论上研究这些物质在热驱动下的挥发行为，以甘油、丙二醇、烟碱（仅考虑游离烟碱）和水组成的混合系统为研究对象，设想混合物首先在一定温度下液化，然后气化并达到气-液相平衡，通过似导体屏蔽链节活度系数（COSMO-SAC）模型[13-15] 预测含烟碱系统的气-液相平衡，以此探究混合系统的相传质行为，从相平衡的角度研究不同物质的释放特性。