丙二醇對(duì)煙葉加熱非燃燒狀態(tài)下煙氣釋放的影響

胡安福， 劉 珊， 楊 君， 唐培培， 曾世通， 孫世豪

(1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司, 浙江 杭州310024； 2.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001)

丙二醇對(duì)煙葉加熱非燃燒狀態(tài)下煙氣釋放的影響

胡安福1， 劉 珊2， 楊 君1， 唐培培2， 曾世通2， 孫世豪2

(1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司, 浙江 杭州310024； 2.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001)

為考察丙二醇對(duì)煙葉加熱非燃燒狀態(tài)下煙氣釋放的影響，采用差示掃描量熱法(DSC)和熱失重法(TGA)分析了不同丙二醇添加量煙絲樣品的熱性能；在200～400 ℃下，利用實(shí)驗(yàn)室加熱裝置對(duì)各樣品進(jìn)行了加熱，分析了煙氣粒相物、煙堿、水分和焦油釋放量。結(jié)果表明：添加丙二醇與添加甘油對(duì)煙絲熱性能的影響雖總體趨勢(shì)一致，但也存在一定差異；煙氣粒相物和焦油釋放量均隨丙二醇添加量的增加呈增大趨勢(shì)，添加丙二醇能夠顯著增加煙氣水分釋放量，但對(duì)煙堿釋放量無(wú)明顯影響；添加丙二醇煙絲樣品與添加甘油煙絲樣品相比，煙氣水分釋放量較大，煙氣煙堿釋放較小，在較低加熱溫度下的煙氣粒相物和焦油釋放量較高。

丙二醇;加熱非燃燒;熱性能;煙氣釋放;煙葉

多元醇如丙二醇、甘油在傳統(tǒng)卷煙中作為改善在制品加工性能的保潤(rùn)劑有著廣泛應(yīng)用，而在新型煙草制品如加熱非燃煙草制品和電子煙中的研究涉及表面微結(jié)構(gòu)[1]，煙氣增濃劑和霧化劑[2-5]、煙草燃燒狀態(tài)下煙氣的化學(xué)成分[6-8]，以及煙草燃燒狀態(tài)下煙氣的感官質(zhì)量[9-11 ]。雖然多元醇在加熱非燃煙草制品中的應(yīng)用各大煙草公司的相關(guān)專利多有提及，但是多元醇對(duì)煙葉加熱非燃燒狀態(tài)下煙氣釋放特征的影響鮮見(jiàn)報(bào)道。針對(duì)前期研究中甘油對(duì)煙葉加熱非燃燒狀態(tài)下煙氣釋放特征的影響，本研究重點(diǎn)考察丙二醇對(duì)煙葉在加熱非燃燒狀態(tài)下煙氣釋放特征的影響，分析與甘油影響的差異性，為加熱非燃煙草制品煙芯材料的研發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1材料、試劑和儀器

正十七烷、煙堿(標(biāo)樣，純度均> 98%，美國(guó)Sigma公司)；無(wú)水乙醇、異丙醇(分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司)；云南C3F烤煙(2012年)。

76A/DSC同步熱分析儀(瑞士Mettler公司)；實(shí)驗(yàn)室加熱裝置(自制)；CP224S型電子天平(感量：0.000 1 g，德國(guó)Sartorius公司)； JJD 200型單孔道吸煙機(jī)(鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司)；KS型康氏振蕩器(金壇市華峰儀器有限公司)；6890氣相色譜儀、FID檢測(cè)器、TCD檢測(cè)器(美國(guó)Agilent公司)。

1.2方法

1.2.1 煙絲樣品制備 稱取4份云南C3F烤煙煙絲(每份50 g)，1份作為空白樣品，其余3份分別按煙絲質(zhì)量的5%, 10%和15%添加丙二醇。煙絲樣品于溫度(22±1)℃、相對(duì)濕度(60±2)%條件下平衡48 h。

1.2.2 煙絲樣品熱性能分析 采用同步熱分析儀對(duì)各煙絲樣品進(jìn)行分析，同時(shí)得到熱重(TG)、微分熱重(DTG)和差示掃描量熱(DSC)曲線。儀器條件：升溫范圍25～700 ℃；升溫速率10 ℃·min-1；載氣為合成空氣。采用TG-DTG切線法確定著火溫度[12]，即在DTG曲線上過(guò)峰值作垂線與TG曲線相交，過(guò)交點(diǎn)作TG曲線的切線，該切線與失重開(kāi)始平行線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即為著火溫度。

1.2.3 不同加熱溫度下煙絲樣品抽吸 煙絲加熱、抽吸及煙氣捕集裝置參照文獻(xiàn)[13]。將煙絲裝入抽吸管樣品腔，在200, 250, 300, 350和400 ℃下加熱，每個(gè)劍橋?yàn)V片捕集3個(gè)樣品。抽吸參數(shù)為：抽吸容量50 mL，抽吸時(shí)間2 s，抽吸間隔30 s，抽吸10口。丙二醇含量0 %，5%，10%和15%煙絲的上樣量分別為0.20，0.21，0.22，0.23 g。

1.2.4 煙氣常規(guī)化學(xué)指標(biāo)測(cè)定 準(zhǔn)確稱量抽吸前后劍橋?yàn)V片與抽吸管冷凝段的質(zhì)量，以二者所含粒相物質(zhì)量和作為加熱非燃燒狀態(tài)下的煙氣粒相物釋放量。

抽吸結(jié)束后，以含有標(biāo)準(zhǔn)物的異丙醇溶液萃取劍橋?yàn)V片與抽吸管冷凝段，分別對(duì)捕集物與冷凝物中的煙堿、水分、焦油和甘油進(jìn)行分析，釋放量以捕集物與冷凝物中釋放量之和表示。煙堿、水分和焦油采用標(biāo)準(zhǔn)方法[14-16]進(jìn)行分析。丙二醇的GC-MS分析條件：色譜柱為HP-FFAP (50 m×200 μm i. d.×0. 32 μm d. f. )熔融石英毛細(xì)管柱；進(jìn)樣口溫度為270 ℃;載氣為He, 1 mL·min-1；進(jìn)樣量為1 μL,分流比為10∶1；升溫程序從60 °C以8 ℃·min-1的速率升至200 ℃；傳輸線溫度為250 ℃；電離方式為EI；電離能量為70 eV；離子源溫度為230 ℃；四極桿溫度為150 ℃；掃描范圍為40～400 amu；溶劑延遲為9.5 min。

2 結(jié)果與分析

2.1丙二醇對(duì)煙絲熱性能的影響

添加丙二醇煙絲樣品的DSC分析結(jié)果見(jiàn)圖1。前期研究結(jié)果已表明，各煙絲樣品在升溫過(guò)程中均存在2個(gè)燃燒階段，200～400 ℃煙絲樣品熱解揮發(fā)性物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的相對(duì)較小的放熱峰和400～600 ℃煙絲樣品炭化物燃燒所產(chǎn)生的相對(duì)較大的放熱峰[17]。由圖1可以看出，添加丙二醇后第一燃燒階段放熱量明顯降低，而且與前期甘油影響分析結(jié)果相比[17]，添加丙二醇煙絲的放熱量低于添加甘油煙絲。這可能是由于添加丙二醇后，其本身溫度的升高會(huì)吸收部分熱量，從而導(dǎo)致放熱量減小。雖然丙二醇與甘油的比熱容相當(dāng)，升高同樣的溫度所需能量基本一致，但是加熱到200 ℃時(shí)已經(jīng)高于丙二醇的沸點(diǎn)，此時(shí)丙二醇將完全氣化，并需進(jìn)一步吸收汽化所需能量，而此時(shí)尚未達(dá)到甘油沸點(diǎn)，甘油不會(huì)完全汽化，因此，煙絲樣品加熱到第一燃燒階段，添加丙二醇與添加相同質(zhì)量的甘油相比，將吸收更多的能量，從而抵消更多的放熱量。對(duì)于第二燃燒階段，與添加甘油相同，添加丙二醇對(duì)炭化物燃燒放熱量的影響不明顯，但是與甘油不同的是添加丙二醇后該階段放熱峰明顯變尖銳，具體原因有待進(jìn)一步研究。

添加丙二醇煙絲樣品的熱失重分析結(jié)果見(jiàn)圖2。與前期甘油影響分析結(jié)果一致[17]，各煙絲樣品均存在4個(gè)放熱階段，其中第三和第四失重階段分別對(duì)應(yīng)于DSC曲線中的2個(gè)燃燒階段。與甘油相同，添加丙二醇后，第一階段(50～130 ℃)和第二階段(130～220 ℃)的失重比例明顯增大，第三階段(220～420 ℃)的失重比例明顯下降，但添加量的變化規(guī)律都不明顯；第四階段(420～550 ℃)的失重比例變化規(guī)律不明顯。與甘油分析結(jié)果[17]相比，添加丙二醇煙絲的失重速率顯著高于添加甘油煙絲，與DSC曲線中第二放熱階段規(guī)律相一致，而且前兩個(gè)階段的失重比例也高于甘油煙絲，這可能與二者沸點(diǎn)和揮發(fā)性差異有關(guān)。

圖1 添加丙二醇煙絲樣品的差示掃描量熱曲線Fig.1 Curves of differential scanning calorimetry ofadding propylene glycol tobacco sample

圖2 添加丙二醇煙絲樣品的熱失重曲線Fig.2 Curves of thermogravimetric of addingpropylene glycol tobacco sample

針對(duì)煙絲樣品加熱過(guò)程中的2個(gè)燃燒階段，根據(jù)TG-DTG法分別得到2個(gè)階段的著火溫度如表1。由表1可以看出，添加丙二醇明顯降低煙絲第一階段的著火溫度，提高第二階段的著火溫度，但添加量影響不明顯；而煙絲添加甘油后，2個(gè)階段的著火溫度都明顯提高，且隨添加量的增大呈上升趨勢(shì)[17]。這同樣也可能是由于二者沸點(diǎn)、揮發(fā)性以及加熱過(guò)程中吸收熱量差異所導(dǎo)致。

表1 添加丙二醇煙絲樣品的著火溫度Table 1 Ignition temperature of addingpropylene glycol tobacco sample

2.2丙二醇對(duì)加熱非燃燒狀態(tài)下煙氣粒相物釋放量的影響

添加丙二醇煙絲在加熱非燃燒狀態(tài)下煙氣粒相物釋放量分析結(jié)果如表2。由表2可以看出，隨著加熱溫度的升高，不同丙二醇添加量煙絲樣品的煙氣粒相物釋放量均增大；隨著丙二醇添加量的增大，在各加熱溫度下的煙氣粒相物釋放量均呈增大趨勢(shì)。與甘油影響分析結(jié)果相比[17]，添加量為5%時(shí)，在各加熱溫度下的煙氣粒相物釋放量均明顯大于添加甘油的煙絲樣品；添加量為10%和15%時(shí)，在加熱溫度低于250 ℃下的煙氣粒相物釋放量明顯大于添加甘油的煙絲樣品。由于加熱非燃燒煙草制品煙芯材料處理中為了增大煙氣濃度，多元醇作為煙氣增濃劑，其添加量一般都會(huì)超過(guò)10%，因此，加熱溫度低于250 ℃時(shí)，丙二醇的煙氣增濃效果更好。

表2 添加丙二醇煙絲樣品的煙氣粒相物釋放量Table 2 Release of smoke particulate matter ofadding propylene glycol tobacco sample mg

注：對(duì)應(yīng)的煙絲質(zhì)量為0.2 g。下同。

Note: The corresponding quality of cut tobacco was 0.2 g. The same as below.

煙氣粒相物中丙二醇釋放量分析結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，在同一加熱溫度下，隨丙二醇添加量增加，丙二醇釋放量及其在粒相物中所占比例均呈增加趨勢(shì)，當(dāng)添加量為15%時(shí)，丙二醇在粒相物中所占比例達(dá)20%。在同一添加量下，隨著溫度的升高，丙二醇釋放量逐漸升高，但在粒相物中所占比例卻因煙草熱解物質(zhì)釋放量的增大呈減小趨勢(shì)。與甘油影響分析結(jié)果相比[17]，在加熱溫度低于250 ℃時(shí)，添加丙二醇煙絲樣品的丙二醇釋放量及其在粒相物中所占比例均明顯高于甘油煙絲樣品，尤其是200 ℃時(shí)，丙二醇釋放量超過(guò)甘油釋放量的2倍，而且在粒相物中所占比例也接近甘油的2倍。這也說(shuō)明在較低加熱溫度下，丙二醇比甘油具有更佳的煙氣增濃效果。

表3 添加丙二醇煙絲樣品的煙氣中丙二醇釋放量Table 3 Release of smoke propylene glycol of adding propylene glycol tobacco sample

2.3丙二醇對(duì)加熱非燃燒狀態(tài)下煙堿釋放量的影響

添加丙二醇煙絲樣品的煙堿釋放量分析結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，在各添加量下，隨著加熱溫度的升高，煙堿釋放量呈增大趨勢(shì)，但各加熱溫度下，煙堿釋放量隨丙二醇添加量的增大變化不明顯。與甘油影響分析結(jié)果相比[17]，添加丙二醇煙絲樣品的煙堿釋放量均低于添加甘油的煙絲樣品。

表4 添加丙二醇煙絲樣品的煙氣煙堿釋放量Table 4 Release of smoke nicotine ofadding propylene glycol tobacco sample mg

2.4丙二醇對(duì)加熱非燃燒狀態(tài)下煙氣水分釋放量的影響

添加丙二醇煙絲樣品的煙氣水分釋放量分析結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看出,與甘油影響分析結(jié)果[17]一致的是隨著加熱溫度的升高，各煙絲樣品的煙氣水分釋放量呈增大趨勢(shì)；在同一加熱溫度下，添加丙二醇后煙氣水分釋放量顯著增大，但不同添加量間的差異不明顯。與甘油影響分析結(jié)果[17]不同的是添加丙二醇煙絲樣品的煙氣水分釋放量高于添加甘油的煙絲樣品。

表5 添加丙二醇煙絲樣品的煙氣水分釋放量Table 5 Release of smoke moisture ofadding propylene glycol tobacco sample mg

2.5丙二醇對(duì)加熱非燃燒狀態(tài)下煙氣焦油釋放量的影響

添加丙二醇煙絲樣品的煙氣焦油釋放量分析結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可以看出，隨著加熱溫度的升高，各煙絲樣品的煙氣焦油釋放量呈增大趨勢(shì)。在同一加熱溫度下，隨丙二醇添加量增加，煙氣焦油釋放量總體上也呈增大趨勢(shì)，但是扣除丙二醇后的焦油釋放量變化規(guī)律性不明顯，這也說(shuō)明焦油釋放量增大是由于丙二醇的釋放所引起。與甘油影響分析結(jié)果相比[17]，當(dāng)添加量大于10 %時(shí)，在加熱溫度低于250 ℃下，添加丙二醇煙絲樣品的焦油釋放量明顯高于甘油煙絲樣品。同樣也說(shuō)明在較低加熱溫度下，丙二醇的煙氣增濃效果優(yōu)于甘油。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，各煙絲樣品在升溫過(guò)程中均存在2個(gè)燃燒階段，200～400 ℃煙絲樣品熱解揮發(fā)性物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的相對(duì)較小的放熱峰和400～600 ℃煙絲樣品炭化物燃燒所產(chǎn)生的相對(duì)較大的放熱峰，添加丙二醇可增大煙絲加熱過(guò)程中的失重比例，降低第一燃燒階段的燃燒性，提高第二燃燒階段著火溫度。隨著丙二醇添加量增大，煙氣粒相物和焦油釋放量均呈增大趨勢(shì)；在較低加熱溫度下，添加丙二醇煙絲樣品的煙氣粒相物和焦油釋放量均明顯高于添加甘油煙絲樣品，這可能與丙二醇比甘油的沸點(diǎn)低有關(guān)。本研究結(jié)果還表明，丙二醇在相對(duì)較低的加熱溫度下更加有利于煙氣濃度的增強(qiáng)。

表6 添加丙二醇煙絲樣品的煙氣焦油釋放量Table 6 Release of smoke tar of adding propylene glycol tobacco sample mg

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為扣除丙二醇的焦油釋放量。

Note:Data in brackets are deducted from the tar release quantity of propylene glycol.

而相對(duì)于煙堿的釋放，丙二醇的添加量對(duì)煙堿釋放量無(wú)明顯影響。與甘油相比，添加丙二醇煙絲樣品的煙堿釋放量低于添加甘油的煙絲樣品。添加丙二醇能夠顯著增加煙氣水分釋放量，但不同添加量間的差異不明顯，而添加丙二醇煙絲樣品的煙氣水分釋放量高于添加甘油的煙絲樣品。對(duì)于加熱非燃燒卷煙而言，水分的增加會(huì)增加煙氣的溫度，引起口腔不適，使用時(shí)應(yīng)控制一定的用量?？傊诩訜岱侨紵隣顟B(tài)下，煙絲中丙二醇的添加有利于煙氣濃度的提升，并且在較低加熱溫度下的煙氣增濃效果優(yōu)于甘油，在加熱非燃燒煙草制品研究中是一種較優(yōu)的煙氣霧化劑。

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(責(zé)任編輯：常思敏)

Effectsofpropanediolonthecharacteristicsoftobaccosmokereleasingundernon-combustionheatingconditions

HU Anfu1, LIU Shan2, YANG Jun1, TANG Peipei1, ZENG Shitong2, SUN Shihao2

(1.China Tobacco Zhejiang Industrial Company Limited,Hangzhou 310024, China; 2.Zhengzhou Tobacco Research Institute of China National Tobacco Corporation, Zhengzhou 450001, China)

In order to study the effects of propanediol on the smoke release characteristics of tobacco by non-combustion heating, thermal behavior of tobacco with different amounts of propanediol addition were analyzed by DSC and TG, and all the tobacco samples were heated at different temperatures with an experimental equipment and then the release amounts of smoke particulate matter, nicotine, moisture content and tar were measured with standard methods. The results showed that: effect of propanediolon thermal behavior of tobacco was generally consistent with that of glycerol, but there were still some differences. The release amount of smoke particulate matter and tar increased with the increase of propanediol dosage, and propanediol addition could remarkably increase moisture content, but had no significant effect on nicotine content. Compared with the sample of glycerol, the moisture content of propanediol sample was higher, but the nicotine content was lower, and at relatively lower heating temperature, the release amount of smoke particulate matter and tar was higher.

propanediol; non-combustion heating; thermal behavior; smoke release; tobacco

2016-06-10

浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(2014C003)

胡安福(1982-)，男，浙江金華人，工程師，碩士，主要從事煙草化學(xué)研究工作。

曾世通(1980-)，男，四川成都人，高級(jí)工程師，碩士。

1000-2340(2016)06-0818-05

S 572

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