不同煙支長度對(duì)加熱卷煙煙氣主要成分逐口釋放量的影響

吳金鳳 張燕 高嶧涵 齊延鵬 盧樂華 汪長國 肖克毅

摘要 為了研究不同煙支長度對(duì)加熱卷煙煙氣主要成分逐口釋放量的影響，以煙支長度分別為60、66和72 mm的樣品為研究對(duì)象，設(shè)置相同的加熱曲線參數(shù)進(jìn)行抽吸，測(cè)定了加熱卷煙逐口動(dòng)態(tài)吸阻和主流煙氣氣溶膠捕集量（ACM）以及煙堿、甘油、水分的逐口釋放量，分析了單支逐口煙氣釋放量均值及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD），并研究了其對(duì)主流煙氣中煙堿、甘油和水分轉(zhuǎn)移率以及單位質(zhì)量煙草釋放量的影響。結(jié)果表明：隨著煙支長度的增加，煙支同口序逐口抽吸動(dòng)態(tài)吸阻增大；逐口煙氣主要成分釋放穩(wěn)定性遞增，煙氣中的ACM、煙堿和水分釋放量遞增，煙支長度66 mm卷煙的甘油釋放量最低，煙支長度72 mm卷煙最高。隨著煙支長度的增加，煙堿和水分在卷煙煙氣中的轉(zhuǎn)移率下降，煙支長度66 mm卷煙的甘油轉(zhuǎn)移率最低。當(dāng)煙草段長度為30～42 mm時(shí)，不同煙支長度加熱卷煙逐口煙氣中ACM、煙堿、甘油及水分釋放趨勢(shì)基本一致。

關(guān)鍵詞 加熱卷煙；煙支長度；煙草段；逐口釋放

中圖分類號(hào) TS 41+1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 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

基金項(xiàng)目 國家煙草專賣局科技重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（110202102047）；重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司2020年科研項(xiàng)目（HX202001）。

作者簡介 吳金鳳（1982—），女，重慶人，工程師，博士，從事新型煙草制品研究。

通信作者，研究員，碩士，從事煙草、煙氣化學(xué)和生物技術(shù)應(yīng)用研究。

收稿日期 2022-05-19；修回日期 2022-06-21

加熱卷煙是新型煙草制品的重要類型。與傳統(tǒng)卷煙點(diǎn)燃抽吸不同，加熱卷煙利用外部熱源加熱煙草材料釋放煙氣。受加熱溫度、煙芯材料、嘴棒結(jié)構(gòu)等因素的影響，加熱卷煙逐口煙氣釋放及其穩(wěn)定性一直是加熱卷煙研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。國內(nèi)很多學(xué)者以加熱卷煙為研究對(duì)象，采用劍橋?yàn)V片捕集的方法研究了抽吸模式［1］、環(huán)境濕度［2］、加熱溫度［3-4］、濾棒結(jié)構(gòu)［5］對(duì)煙氣釋放的影響。王珂清等［6］、何紅梅等［7］對(duì)不同品牌中心加熱卷煙煙氣逐口釋放行為特征進(jìn)行了分析。龔淑果等［8］以加熱卷煙iQOS和GLO為研究對(duì)象，考察了加熱卷煙煙氣中主要成分逐口釋放量的變化。王樂等［9-10］以iQOS電加熱卷煙加熱器具和配套煙支為試驗(yàn)對(duì)象，研究了電加熱卷煙煙芯段溫度分布和煙氣關(guān)鍵成分逐口變化，建立了電加熱卷煙煙芯材料關(guān)鍵成分傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型。目前，煙支規(guī)格對(duì)煙氣釋放的影響主要在傳統(tǒng)卷煙領(lǐng)域［11-15］，對(duì)加熱卷煙逐口煙氣釋放的影響研究鮮有報(bào)道。加熱卷煙煙草段長度的設(shè)計(jì)對(duì)于加熱卷煙制造降本增效具有重要意義。筆者以細(xì)支周向加熱卷煙為研究對(duì)象，考察不同煙支長度對(duì)加熱卷煙煙氣逐口釋放的影響，分析逐口釋放量變化趨勢(shì)，旨在為加熱卷煙的煙支長度設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料。

圓周17 mm，煙支長度分別為60、66和72 mm的3種加熱卷煙，由重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)制樣，嘴棒長度30 mm，嘴棒打孔位置距離唇端15 mm。劍橋?yàn)V片（44 mm，美國GE公司）。

1.1.2 主要試劑。異丙醇（色譜純，RCI? Labscan）；1，2-丙二醇和丙三醇，純度≥99.5%；1，4-丁二醇，純度≥99%，購自Sigma-Aldrich公司；煙堿（上海安譜科技有限公司）。

1.1.3 主要儀器。

周向電加熱煙具（自制）；ACCS100加熱不燃燒卷煙裁切儀（合肥眾沃儀器技術(shù)有限公司）；X500E新型煙草專用吸煙機(jī)（上海帕夫曼自動(dòng)化儀器有限公司）；56X綜合測(cè)試臺(tái)（法國SODIM公司）；7890B氣相色譜儀（配備FID和TCD檢測(cè)器，美國Agilent公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備。

為保持煙支前后密度一致，采用全緊頭平準(zhǔn)器卷制加熱卷煙樣品，在平均質(zhì)量±0.03 g的范圍內(nèi)挑選煙支樣品，利用離線裁切儀將同款煙支分別裁切成60、66和72 mm 3個(gè)規(guī)格，分別編號(hào)為HTP-1、HTP-2和HTP-3。

1.2.2 煙具設(shè)計(jì)。

3個(gè)長度規(guī)格的加熱卷煙均采用加熱腔長度42 mm的周向兩段式電加熱煙具。為避免前幾口煙氣溫度過高，減緩后幾口煙氣釋放量的衰減，第1段和第2段加熱區(qū)域分段比例應(yīng)不大于1∶1。加熱腔分段區(qū)域及兩段式加熱溫度曲線見圖1。全尺寸加熱腔體適配72 mm煙支，在適配長度60和66 mm煙支時(shí)，分別使用長度12和6 mm的紙質(zhì)空管置于加熱腔下部，縮短加熱腔長度，滿足3種不同規(guī)格的煙支在相同加熱曲線下抽吸。第1段預(yù)熱溫度245 ℃，預(yù)熱時(shí)間42 s；第1段加熱溫度235 ℃，保溫70 s，112 s時(shí)停止對(duì)第1段加熱的同時(shí)第2段加熱段達(dá)到預(yù)設(shè)溫度235 ℃，并保溫100 s。

1.2.3 逐口動(dòng)態(tài)吸阻測(cè)定。

使用單通道吸阻儀測(cè)定逐口動(dòng)態(tài)吸阻［16］，將加熱卷煙放入煙具，煙支在煙具中未加熱時(shí)測(cè)定的吸阻為初始吸阻，煙支在煙具中達(dá)到預(yù)熱溫度后打開單通道吸阻儀開始抽吸，抽吸口數(shù)為7口，抽吸容量55 mL，每次抽吸持續(xù)2 s，抽吸間隔30 s，記錄煙支實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)吸阻。每組樣品隨機(jī)選取5個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試，取平均值。

1.2.4 化學(xué)成分測(cè)定。

加熱卷煙原料及煙氣主要化學(xué)指標(biāo)分析包括煙堿、甘油、水分和煙氣氣溶膠捕集量（aerosol collection mass，ACM）。采用CORESTA推薦的62號(hào)、60號(hào)、57號(hào)方法［17-19］測(cè)定加熱卷煙原料中的煙堿、甘油、水分含量。按照ISO 20778的方法［20］確定煙氣抽吸參數(shù)：抽吸容量55 mL，抽吸時(shí)間2 s，抽吸間隔30 s，采用鐘形流量圖。使用CORESTA推薦的84號(hào)方法［21］測(cè)定煙氣中煙堿、甘油和水分含量，煙具觸發(fā)時(shí)長2 s，預(yù)熱等待時(shí)長42 s，抽吸口數(shù)7口。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理。

使用SPSS軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。3種煙支長度加熱卷煙煙草原料中煙堿、甘油和水分在氣溶膠中的轉(zhuǎn)移率按以下公式計(jì)算：

T=m1/m0×100%（1）

式中，m0為單支煙草原料中煙堿、甘油或水分的含量，單位為mg/支；m1為氣溶膠中煙堿、甘油或水分的含量，單位為mg/支。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同煙支長度對(duì)加熱卷煙逐口動(dòng)態(tài)吸阻的影響

考察了3種加熱卷煙在加熱抽吸狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)吸阻，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，3種加熱卷煙逐口動(dòng)態(tài)吸阻變化趨勢(shì)基本一致。不同長度煙支在加熱抽吸過程中的逐口動(dòng)態(tài)吸阻均高于初始未加熱時(shí)的吸阻，動(dòng)態(tài)吸阻均值比初始吸阻高255～350 Pa。煙支長度最長的HTP-3樣品動(dòng)態(tài)吸阻較HTP-1、HTP-2樣品第1口增幅較大，可見煙草段增長會(huì)增加同口序動(dòng)態(tài)吸阻。在加熱抽吸7口過程中，第1口吸阻最大，第4口較第3口略高，此后處于相對(duì)平穩(wěn)的下降趨勢(shì)。單因素方差分析表明，3種加熱卷煙煙支逐口動(dòng)態(tài)吸阻存在極顯著差異（P＜0.01），HTP-1與其他2種加熱卷煙動(dòng)態(tài)吸阻的差異顯著高于HTP-2與HTP-3之間的差異，HTP-1、HTP-2和HTP-3加熱卷煙動(dòng)態(tài)吸阻的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）分別為4.4%、2.9%和3.3%，說明不同煙支長度加熱卷煙逐口動(dòng)態(tài)吸阻穩(wěn)定性較好。

2.2 不同煙支長度對(duì)加熱卷煙煙氣主要成分逐口釋放量的影響

考察了煙支長度分別為60、66和72 mm的加熱卷煙在相同加熱模式和抽吸模式下ACM以及煙堿、甘油和水分的逐口釋放量，結(jié)果見表1。由表1可知，隨著煙支長度的增加，加熱卷煙ACM、煙堿和水分的逐口釋放量均逐漸增加，甘油逐口釋放量均值差異不明顯。從逐口釋放量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）來看，ACM、煙堿、甘油和水分的逐口釋放量RSD均大于30%，表明逐口釋放量差異較大，均為非均勻釋放。隨著煙支長度的增加，煙氣中主要成分逐口釋放量RSD降低，逐口煙氣釋放量均勻性越高。

2.3 煙氣主要成分逐口釋放量變化

分析了3種不同煙支長度加熱卷煙煙氣中ACM以及煙堿、甘油和水分的逐口釋放量，結(jié)果見圖3～6。

由圖3可知，3種加熱卷煙釋放的ACM均在第2口達(dá)到峰值，此后整體上呈下降趨勢(shì)，其中HTP-1的ACM逐口下降最為明顯。不同煙支長度對(duì)加熱卷煙第4口后ACM的影響較大。從第3口開始，HTP-3樣品的ACM大于HTP-1和HTP-2樣品；從第4口開始，HTP-2樣品的ACM比HTP-1樣品大。

由圖4可知，不同煙支長度加熱卷煙的煙堿逐口釋放量均在第2口煙堿釋放量達(dá)到第1個(gè)峰值，隨后煙堿釋放量下降，第3口后再上升，第5口達(dá)到第2個(gè)峰值，此后再次下降。由于第3口后第2段加熱腔開啟并升溫，第1段加熱腔未冷卻，持續(xù)促使第1段煙草物料釋放煙堿，并累積到后序逐口煙氣中，第5口達(dá)到第2個(gè)峰值，此后隨著第1段加熱腔溫度冷卻，第2段加熱腔加熱的煙草物料隨著加熱過程中煙堿釋放到煙氣中，逐口煙堿釋放量再次下降。這也與兩段式加熱程序的設(shè)置相一致。

由圖5可知，HTP-1樣品的甘油釋放量在第2口達(dá)到峰值，而HTP-2和HTP-3樣品在第3口達(dá)到峰值。3個(gè)樣品的逐口甘油釋放量差異不大，雖然煙支長度不同、甘油含量不同，但并不會(huì)導(dǎo)致加熱卷煙逐口甘油釋放量存在顯著差異。由此可見，不能單一通過煙草物料的增加來增加甘油釋放量，從而達(dá)到提高煙霧量的目的。究其原因，可能是由于甘油沸點(diǎn)較高、揮發(fā)性較差，容易被較長氣路截留，煙氣中的甘油釋放量不會(huì)隨著煙支長度的增加而增大。

由圖6可知，3種加熱卷煙逐口水分釋放量整體上呈下降趨勢(shì)。相較于甘油和煙堿，水的沸點(diǎn)較低、最先釋放，且隨著后續(xù)不斷加熱更易釋放。HTP-1樣品第1口水分釋放量最高，且前2口水分釋放量均較HTP-2和HTP-3樣品更多。這也可能與煙支長度不同、氣路截留不同有關(guān)。HTP-2樣品的前3口水分釋放量較HTP-1和HTP-3樣品更少，加熱卷煙煙氣發(fā)燙主要在前3口出現(xiàn)，因此合理設(shè)計(jì)加熱卷煙的長度及煙支結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

2.4 不同煙支長度對(duì)加熱卷煙煙氣主要成分轉(zhuǎn)移率的影響

利用3種不同煙支長度加熱卷煙煙氣主要成分釋放量與單支加熱卷煙煙草原料中對(duì)應(yīng)成分含量，按公式（1）計(jì)算煙氣各成分轉(zhuǎn)移率，結(jié)果見圖7。

由圖7可知，隨著煙支長度的增加，加熱卷煙煙堿和水分在煙氣中的轉(zhuǎn)移率隨之降低。HTP-1樣品逐口動(dòng)態(tài)吸阻小、煙氣路徑短，有利于煙草中主要成分的釋放，因此煙氣主要成分轉(zhuǎn)移率高；隨著煙支長度的增加，可供加熱的煙草原料增加，雖然煙氣釋放總量增加，但煙氣路徑增長導(dǎo)致部分煙氣成分截留，因此HTP-3樣品煙氣中煙堿和水分轉(zhuǎn)移率最低。從甘油轉(zhuǎn)移率來看，HTP-2與HTP-3加熱卷煙煙氣中甘油轉(zhuǎn)移率沒有顯著差異（P＞0.05），煙氣中的甘油轉(zhuǎn)移率不一定隨著煙支長度的增加以及煙草原料甘油含量的增加而增加。

2.5 不同煙支長度對(duì)加熱卷煙煙草原料單位質(zhì)量煙氣主要成分釋放量的影響

3種長度煙支參與加熱的煙草段長度分別為30、36和42 mm。煙草段長度不同，參與加熱的煙草原料質(zhì)量也不同。以煙支中煙草原料單位質(zhì)量釋放的煙氣主要成分為研究對(duì)象，結(jié)果見表2。

由表2可知，隨著煙支長度的增加，加熱卷煙單支煙草原料質(zhì)量增加，ACM、煙堿和水分的釋放量增大；甘油釋放量HTP-3樣品最大，HTP-2樣品小于HTP-1樣品。從煙草原料在不同長度規(guī)格的煙支中單位質(zhì)量釋放量來看，隨著煙支長度的增加，單位質(zhì)量煙草原料的煙氣主要成分釋放量均呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。由此可見，縮短煙草段長度可以提高單位質(zhì)量煙草的有效利用率。

3 結(jié)論

①煙支長度分別為60、66和72 mm的加熱卷煙逐口動(dòng)態(tài)吸阻存在顯著差異。隨著煙草段長度的增加，煙支同口序動(dòng)態(tài)吸阻增大。②在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著煙草段長度的增加，煙氣中各主要成分逐口釋放穩(wěn)定性增加，ACM、煙堿和水分逐口釋放量遞增，HTP-3樣品煙氣中各主要成分逐口釋放量均值最高且逐口釋放穩(wěn)定性最佳，HTP-2樣品甘油逐口釋放量均值最低。③不同煙草段長度的加熱卷煙逐口煙氣均呈非均勻釋放。ACM均在第2口達(dá)到峰值后降低，煙堿逐口釋放量在第2口和第5口出現(xiàn)2個(gè)峰值，甘油逐口釋放量在第2口或第3口達(dá)到峰值后降低，HTP-1樣品水分逐口釋放量在第1口達(dá)到最大值后下降，前2口水分釋放量均大于HTP-2和HTP-3樣品。④煙氣主要成分在煙草段中的截留效應(yīng)導(dǎo)致HTP-3樣品煙氣中煙堿和水分的轉(zhuǎn)移率最低，HTP-2樣品的甘油轉(zhuǎn)移率最低。⑤通過對(duì)單位質(zhì)量煙草原料在不同長度規(guī)格的煙支中煙氣釋放量分析發(fā)現(xiàn)，隨著煙支長度的增加，煙草原料單位質(zhì)量ACM以及煙堿、甘油和水分的釋放量下降，原料利用率降低。因此，煙支長度設(shè)計(jì)需要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求來平衡煙草段長度與成分釋放穩(wěn)定性、煙氣成分轉(zhuǎn)移率和原料有效利用率的關(guān)系。在該試驗(yàn)范圍內(nèi)，為了提高煙草利用率，可縮短煙草段長度；為增加逐口煙氣釋放的均勻性，可增加煙草段長度。

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