點燃和加熱條件下不同濾嘴通風率卷煙的氣溶膠釋放特征

羅萌柔，李世衛(wèi)，趙 楊，朱瑞芝，楊 繼，張鳳梅，申欽鵬，楊 柳，劉志華，蔣麗紅，司曉喜*，3

1.昆明理工大學化學工程學院，昆明市景明南路727 號 650500

2.云南省煙草化學重點實驗室 云南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，昆明市紅錦路367 號 650231

3.昆明理工大學環(huán)境科學與工程學院，昆明市景明南路727 號 650500

傳統(tǒng)卷煙是通過燃吸方式產(chǎn)生并釋放氣溶膠，加熱卷煙則是通過熱源加熱煙草材料從而釋放氣溶膠。在傳統(tǒng)卷煙領(lǐng)域，濾嘴通風是降低卷煙焦油、減少煙氣中有害成分的有效方法［1-3］。王理珉等［4］、曹伏軍等［5］、Browne等［6］研究表明，隨著濾嘴通風率的增加，煙氣常規(guī)成分CO、焦油以及煙堿等釋放量減少。趙樂等［7］研究表明濾嘴通風率與CO、NH3、HCN、巴豆醛、苯酚和B[a]P 的釋放量呈顯著的負相關(guān)關(guān)系。濾嘴通風率也會影響卷煙主流煙氣中香味成分的釋放［8-11］，隨著濾嘴通風率的增加，酸性、中性和堿性香味成分的釋放量減少［12-16］。但關(guān)于濾嘴通風率對氣溶膠物理特性影響的研究報道相對較少，如Alderman 等［17］研究了在抽吸容量為60 mL、抽吸持續(xù)時間為2 s、間隔時間為30 s 的條件下，濾嘴通風率增加會降低主流煙氣的釋放量從而降低氣溶膠濃度。目前濾嘴通風稀釋技術(shù)在傳統(tǒng)卷煙中大量采用［18-22］，部分加熱卷煙也采用了該技術(shù)［23］，由于傳統(tǒng)卷煙和加熱卷煙氣溶膠形成過程、理化特性明顯不同，濾嘴通風率對點燃和加熱條件下煙氣氣溶膠形成和釋放的影響是否有差異尚不清楚。進一步研究濾嘴通風率對不同煙草制品氣溶膠物理和化學特性的影響，有助于評價不同濾嘴通風率下煙氣氣溶膠的感官特性和安全性等。為此，制備了不同濾嘴通風率的兩用型煙支（可燃吸、配套煙具加熱后抽吸），比較了濾嘴通風率對點燃和加熱條件下產(chǎn)生的煙氣氣溶膠的溫度、粒數(shù)粒徑分布及主要化學成分釋放等的影響，旨在為卷煙加工工藝參數(shù)的設(shè)計提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

烤煙型原味煙支（云南中煙工業(yè)有限責任公司提供）；劍橋濾片（ 44 mm，德國Borgwaldt KC GmbH公司）；有機濾膜（ 0.22 μm，天津市津騰實驗設(shè)備有限公司）。

甲醇（色譜純，德國Merck股份兩合公司）；異丙醇、1,3-丁二醇（內(nèi)標，≥99%，北京百靈威科技股份有限公司）；2-甲基喹啉（內(nèi)標，≥99%，國藥集團化學試劑有限公司）。

SCS 模擬循環(huán)吸煙機和DMS500 快速粒徑譜儀（英國Cambustion 公司）；X500E 電子煙科研吸煙機（配微細熱電偶，上海帕夫曼自動化儀器有限公司）；KBF240 恒溫恒濕箱（德國Binder 公司）；5977B 氣相色譜儀（配FID 和TCD 檢測器，美國Agilent 公司）；BT125D 電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius公司）。

1.2 方法

1.2.1 不同濾嘴通風率煙支的制備

選取煙草材料段為造紙法再造煙葉絲和煙絲混配而成的烤煙型原味煙支，將其煙草材料段卷制后，再與復合濾棒搓接成新的煙支，新的煙支規(guī)格為長度84 mm（54 mm煙草材料段+10 mm空腔紙管支撐段+10 mm醋酸纖維中空降溫段+10 mm醋酸纖維濾嘴段）、圓周17.0 mm，該煙支可以點燃抽吸或采用配套加熱煙具加熱后抽吸。挑選單支質(zhì)量為（0.55±0.01）g 的煙支，通過對空腔紙管支撐段進行不打孔、單排打孔、雙排打孔方式，制備得到不同濾嘴通風率的煙支，測定每類煙支的吸阻、濾嘴通風率和總通風率的平均值，挑選吸阻平均值±0.1 kPa、濾嘴通風率平均值±1%、總通風率平均值±1%的煙支進行實驗。實驗煙支在相對濕度45%、溫度22 ℃的環(huán)境中平衡24 h 以上，然后分別進行煙支物理指標和煙氣氣溶膠化學成分檢測及物理特性表征。

1.2.2 抽吸方法

點燃條件下：煙支直接點燃抽吸。加熱條件下：采用配套的加熱煙具加熱后抽吸，加熱方式為周向加熱型，加熱溫度為恒溫240 ℃。兩種條件下均采用HCI抽吸模式，即抽吸容量為55 mL、抽吸持續(xù)時間為2 s、抽吸間隔為30 s，每支卷煙均固定抽吸8口。進行抽吸實驗的實驗室的大氣符合GB/T 16447—2004［24］的規(guī)定。

1.2.3 煙氣氣溶膠出口溫度測試

基于微細熱電偶測溫技術(shù)，記錄逐口煙氣的瞬時溫度曲線和逐口最高溫度，每類煙支進行3次平行測定。

1.2.4 煙氣氣溶膠中主要煙氣指標測試

按照1.2.2 節(jié)中的抽吸方法，每類煙支中均選取3 支卷煙進行抽吸，用劍橋濾片捕集粒相物，氣相部分由串接于劍橋濾片之后的吸收瓶捕集，吸收瓶中裝有20 mL 含內(nèi)標的甲醇溶液，置于干冰冷阱中。煙支抽吸后，取出截留氣溶膠粒相物的劍橋濾片，放入50 mL離心管中，加入20 mL含內(nèi)標的甲醇溶液，室溫下振蕩30 min 并經(jīng)有機濾膜過濾得到萃取液；取出捕集有氣溶膠氣相物的捕集液；參考司曉喜等［25］報道的方法分別進行氣溶膠粒相物和氣相物中化學成分檢測。

1.2.5 煙氣氣溶膠粒徑分布測試

參考司曉喜等［26］報道的方法，并對采樣流量和稀釋比例進行優(yōu)化，選取低稀釋比例降低了揮發(fā)性成分的揮發(fā)損失對氣溶膠粒徑分布造成的影響。設(shè)置采樣流量為1.0 L/min，關(guān)閉二級稀釋，基于不同大小氣溶膠顆粒電遷移率的差異進行粒徑分級和檢測，粒徑測定范圍為5～2 500 nm，獲得每支煙支逐口煙氣氣溶膠的粒數(shù)粒徑分布圖、體積粒徑分布圖。根據(jù)逐口分布圖，可得到逐口煙氣氣溶膠粒數(shù)濃度、粒數(shù)中值粒徑（Count median diameter，CMD）、粒子體積濃度和體積中值粒徑（Volume median diameter，VMD），每類煙支均進行3 次平行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濾嘴通風率煙支的物理參數(shù)

比較了3類不同濾嘴通風率煙支的物理參數(shù)，見表1?？梢婋S著打孔數(shù)的增加，煙支濾嘴通風率和總通風率明顯增加，煙支吸阻變化不大。

表1 不同濾嘴通風率煙支的物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of cigarettes with different filter ventilation rates

2.2 點燃和加熱條件下不同濾嘴通風率煙支的煙氣溫度

比較了3 類不同濾嘴通風率煙支在點燃和加熱條件下逐口煙氣的出口溫度（即濾嘴嘴端溫度），見圖1。從圖1a可以看出，在點燃條件下，煙氣出口溫度逐口升高，原因是隨著煙支的燃燒，煙支長度變短且熱量累積，其中單排打孔和雙排打孔對第3口后的煙氣溫度的降低作用明顯，且隨著濾嘴通風率增加溫度降低作用越明顯。從圖1b可以看出，采用周向加熱型煙具加熱后抽吸，煙氣出口溫度逐口降低，主要原因是前幾口煙氣氣溶膠中水分釋放量高并冷凝放熱，濾嘴通風率為64.08%時對煙氣出口溫度降低作用明顯。以上結(jié)果表明，濾嘴通風對降低點燃和加熱條件下煙氣出口溫度效果顯著。

圖1 點燃和加熱條件下不同濾嘴通風率卷煙逐口煙氣的出口溫度Fig.1 Puff-by-puff temperature of smoke out of mouth ends of cigarettes with different filter ventilation rates during burning or heating

2.3 點燃和加熱條件下不同濾嘴通風率煙支煙氣氣溶膠中主要煙氣指標

比較了不同濾嘴通風率煙支在點燃和加熱條件下煙氣氣溶膠中主要煙氣化學指標，見表2?？梢?，在點燃條件下，隨著濾嘴通風率從0增加至64.08%，總粒相物釋放量以及粒相物中煙堿、丙二醇、丙三醇和水分的釋放量均顯著減少，氣相物中水分的釋放量在濾嘴通風率為64.08%時略微降低。在加熱條件下，與濾嘴不打孔的樣品相比，進行通風打孔后，總粒相物釋放量以及粒相物中煙堿、丙二醇和丙三醇釋放量增加，特別是煙堿和丙三醇增加較為明顯，但濾嘴通風率過大，即從47.86%增加至64.08%后，總粒相物釋放量以及粒相物中煙堿和丙三醇釋放量又略微降低；而粒相物和氣相物中水分的釋放量則隨濾嘴通風率的增加略微降低。以上結(jié)果表明，濾嘴打孔通風后，與濾嘴不打孔煙支相比，點燃條件下濾嘴通風使得通過燃燒錐的氣流量減少，進而導致單口煙絲燃燒量減少，同時也降低了氣流速率，提高了煙絲段和濾嘴打孔前段的過濾效率。因此，氣溶膠粒相物以及粒相物中煙堿、丙二醇和丙三醇的釋放量明顯降低。在加熱條件下則表現(xiàn)出相反的作用，打孔通風后流經(jīng)煙草材料段的氣流量減少，對煙草材料段的降溫作用減少，煙氣溫度高，導致半揮發(fā)性煙氣成分如煙堿和丙三醇的釋放量明顯增加，并減少了在濾嘴通風打孔處前端的截留；由于低沸點的水分隨氣流帶出量減小，其釋放量反而略微降低。

表2 點燃和加熱條件下不同濾嘴通風率卷煙氣溶膠中主要化學指標Tab.2 Main chemical components in aerosol from cigarettes with different filter ventilation rates during burning or heating（mg·支-1）

2.4 點燃和加熱條件下不同濾嘴通風率煙支煙氣氣溶膠的粒徑分布比較

不同濾嘴通風率煙支在點燃和加熱條件下的煙氣氣溶膠粒徑分布如圖2所示。點燃條件下通過燃燒產(chǎn)生以碳顆粒為核心的氣溶膠，加熱條件下通過蒸發(fā)和熱解產(chǎn)生液滴狀氣溶膠。由于點燃和加熱條件下煙氣氣溶膠產(chǎn)生方式、氣溶膠特性完全不同［26］，因此其粒徑分布范圍及受濾嘴通風率的影響均不同。在點燃和加熱條件下，不同濾嘴通風率煙支煙氣氣溶膠隨粒徑大小均呈現(xiàn)近似對數(shù)正態(tài)分布。從圖2a可以看出，在點燃條件下，不同濾嘴通風率煙支的煙氣氣溶膠粒徑均主要分布在60～2 000 nm，從峰值可以看出粒數(shù)濃度存在一定差異。從圖2b可以看出，加熱條件下，濾嘴通風率為0時，煙氣氣溶膠粒徑均主要分布在40～500 nm；濾嘴通風率為47.86%和64.08%時，第1口煙氣氣溶膠粒徑均主要分布在20～500 nm，第2～第8口粒徑均主要分布在40～1 000 nm。從峰值可以看出，不同濾嘴通風率煙支煙氣氣溶膠粒數(shù)濃度存在較明顯差異。此外，在加熱條件下，不同濾嘴通風率煙支的第一口煙氣氣溶膠的粒數(shù)濃度、粒徑分布均明顯小于后面口數(shù)，主要原因可能是預熱階段產(chǎn)生較多的低沸點成分，蒸氣成分的組成影響了成核過程和最終的粒徑［27］。以上結(jié)果表明，濾嘴通風率對加熱條件下煙氣氣溶膠粒徑分布的影響明顯大于點燃條件，濾嘴打孔后，整體上，加熱條件下煙氣氣溶膠粒數(shù)濃度和粒徑增大。

圖2 點燃和加熱條件下不同濾嘴通風率卷煙煙氣氣溶膠粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of aerosol from cigarettes with different filter ventilation rates during burning or heating

2.5 點燃和加熱條件下不同濾嘴通風率煙支逐口煙氣氣溶膠的物理特性

2.5.1 煙氣氣溶膠的逐口粒數(shù)濃度和粒數(shù)中值粒徑

不同濾嘴通風率煙支在點燃和加熱條件下煙氣氣溶膠的粒數(shù)濃度和粒數(shù)中值粒徑（CMD）的逐口變化如圖3所示，圖3中誤差棒為3次平行測定的相對偏差。由圖3a1 和圖3a2 可以看出，在點燃條件下，除第1口外，隨抽吸口數(shù)的增加，不同濾嘴通風率煙支煙氣氣溶膠的粒數(shù)濃度均略微增加，CMD則略微降低，原因是隨著煙支燃燒，煙絲段變短，導致煙氣通過煙支的距離縮短，同時煙氣溫度增加使煙氣的團聚作用減小，煙氣在煙絲和濾嘴中的吸附減少、脫附增強［28］。隨著濾嘴通風率的增加，全部口數(shù)煙氣氣溶膠的粒數(shù)濃度的平均值在通風率增加至64.08%時明顯減少，CMD平均值增加。原因可能是濾嘴通風率增加，導致進氣量減少從而使單口煙絲燃燒量減少，進而導致氣溶膠粒數(shù)減少；而煙氣流速減小，使煙氣氣溶膠在煙支中的停留時間延長［17］，此外濾嘴打孔通風對打孔處后端的降溫作用也會促進氣溶膠的凝聚，兩個作用均會導致粒徑增加。

由圖3b1 和圖3b2 可知，在加熱條件下，隨著抽吸口數(shù)的增加，濾嘴通風率為0時，煙氣粒數(shù)濃度和CMD 均先增大后減小，濾嘴通風率為47.86%和64.08%時，煙氣粒數(shù)濃度和CMD均增大。與濾嘴通風率為0的樣品相比，濾嘴通風率增加，全部口數(shù)的煙氣粒數(shù)濃度和CMD的平均值顯著增加，但濾嘴通風率由47.86%增加至64.08%時，粒數(shù)濃度略微降低。加熱條件下煙氣氣溶膠物理特性受濾嘴通風率的影響規(guī)律與點燃條件下明顯不同，主要是受煙氣產(chǎn)生方式的影響。一方面，加熱條件下，濾嘴通風率增加，經(jīng)煙草材料段的進氣量減少，減少了對煙草材料段溫度的降溫作用，反而有利于煙氣成分的蒸發(fā)和釋放；此外由于煙氣溫度高，減少了氣溶膠在濾嘴通風打孔處前端的截留。2.3 節(jié)結(jié)果也表明隨著濾嘴通風率增大，煙氣氣溶膠中高沸點成分煙堿和丙三醇的釋放量顯著增加；另一方面濾嘴通風率增大，降低了濾嘴通風打孔處后端的溫度，2.2節(jié)結(jié)果也表明濾嘴打孔通風對煙氣氣溶膠起到了明顯的降溫作用，增加了凝結(jié)和團聚作用，以上兩點的共同作用使煙氣粒數(shù)濃度和CMD 增大。當濾嘴通風率為64.08%時，由于經(jīng)煙草材料段的進氣量進一步減少、通風稀釋作用增加，從而使煙氣粒數(shù)濃度有所降低。以上結(jié)果和分析表明，濾嘴打孔通風后，點燃條件下影響了煙絲燃燒量、煙氣流速和濾嘴溫度等，使煙氣氣溶膠粒數(shù)濃度減小、CMD 增加；加熱條件下影響了煙氣成分蒸發(fā)量、濾嘴截留量和濾嘴溫度等，使煙氣氣溶膠粒數(shù)濃度和CMD均增大；但濾嘴通風對加熱條件下氣溶膠的產(chǎn)生和傳遞作用的影響顯著大于點燃條件。

圖3 點燃和加熱條件下不同濾嘴通風率卷煙煙氣氣溶膠的逐口粒數(shù)濃度和粒數(shù)中值粒徑（n=3）Fig.3 Puff-by-puff particle number concentration and count median diameter of aerosol from cigarettes with different filter ventilation rates during burning or heating（n=3）

2.5.2 煙氣氣溶膠的逐口粒子體積濃度和體積中值粒徑（VMD）

不同濾嘴通風率煙支在點燃和加熱條件下煙氣氣溶膠的粒子體積濃度和VMD 的逐口變化如圖4所示。由圖4a1和圖4a2可知，在點燃條件下，除第1口外，隨抽吸口數(shù)的增加，不同濾嘴通風率煙支煙氣氣溶膠的粒子體積濃度略微增大；隨著濾嘴通風率的增加，全部口數(shù)煙氣氣溶膠粒子體積濃度和VMD的平均值變化不顯著。由圖4b1和圖4b2可知，在加熱條件下，隨著抽吸口數(shù)的增加，不同濾嘴通風率煙支煙氣氣溶膠粒子體積濃度和VMD 均先增大后減小，尤其是濾嘴通風率為0時逐口變化較明顯；與濾嘴通風率為0的卷煙比較，隨著濾嘴通風率增加，全部口數(shù)的煙氣氣溶膠粒子體積濃度和VMD 的平均值顯著增大，但濾嘴通風率由47.86%增加至64.08%時，粒子體積濃度略微降低。以上結(jié)果表明，濾嘴通風對加熱條件下氣溶膠體積濃度、VMD的影響顯著大于點燃條件，在加熱條件下，濾嘴通風能夠明顯增大煙氣氣溶膠粒子的體積濃度和VMD。

圖4 點燃和加熱條件下不同濾嘴通風率卷煙煙氣氣溶膠的逐口粒子體積濃度和體積中值粒徑（n=3）Fig.4 Puff-by-puff particle volume concentration and volume median diameter of aerosol from cigarettes with different filter ventilation rates during burning or heating（n=3）

2.6 不同濾嘴通風率對點燃和加熱條件下氣溶膠釋放影響的分析

濾嘴通風率增加，對煙草材料段的影響主要表現(xiàn)為通過的氣流減少，但由于點燃和加熱產(chǎn)生氣溶膠的方式不同，因此受氣流量變化的影響也不同。傳統(tǒng)卷煙抽吸燃燒時溫度迅速上升，煙草組分經(jīng)燃燒、熱解、蒸餾等復雜變化而形成固、液、氣三相，隨溫度的降低而凝結(jié)形成煙霧氣溶膠。燃吸條件下濾嘴通風率增加，進氣量減少，導致單口煙絲燃燒量減少，產(chǎn)生的煙氣量減少，同時氣流量減少、流速降低，煙氣流經(jīng)煙絲段時溫度降低，增加了在煙絲段的截留和凝聚作用。因此，煙支出口端氣溶膠中煙氣成分釋放量減少、全部口數(shù)的氣溶膠粒數(shù)濃度的平均值減小、CMD 的平均值增大。抽吸加熱卷煙時，受環(huán)境空氣及揮發(fā)性物質(zhì)蒸發(fā)的影響，溫度下降［29］，經(jīng)低溫蒸發(fā)和熱解作用形成氣-汽混合物，隨氣流向煙支出口端遞送的過程中溫度不斷降低，成核并凝結(jié)形成氣溶膠。加熱條件下濾嘴通風率增加，進氣量減少反而減小了對煙草材料段的降溫作用，因此，增加了半揮發(fā)成分的蒸發(fā)和釋放，而濾嘴通風率增加降低了濾嘴溫度，加速了煙氣流的凝結(jié)和團聚作用，煙氣氣溶膠粒數(shù)濃度和CMD均增大。

3 結(jié)論

在點燃和加熱條件下，濾嘴通風率對煙氣氣溶膠釋放特征的影響不同：①隨著濾嘴通風率從0增加至64.08%，在點燃條件下，總粒相物釋放量，粒相物中煙堿、丙二醇和丙三醇及粒相物和氣相物中水分的釋放量均顯著減??；在加熱條件下，濾嘴通風打孔后，粒相物中煙堿、丙二醇和丙三醇的釋放量增大，粒相物和氣相物中水分的釋放量略微減小，但濾嘴通風率增大至64.08%后，粒相物中煙堿和丙三醇的釋放量又略微減小。②隨著濾嘴通風率從0增大至64.08%，在點燃條件下，煙氣氣溶膠的粒數(shù)濃度粒徑分布變化不大，粒數(shù)濃度降低，CMD增大；在加熱條件下，煙氣氣溶膠的粒數(shù)粒徑分布從20～500 nm 增加至40～1 000 nm，與濾嘴通風率為0 的煙支相比，煙氣氣溶膠粒數(shù)濃度、粒子體積濃度、CMD和VMD顯著增大，但濾嘴通風率由47.86%增加至64.08%時，粒數(shù)濃度和粒子體積濃度略微降低。