丙二醇对烟叶加热非燃烧状态下烟气释放的影响

胡安福， 刘 珊， 杨 君， 唐培培， 曾世通， 孙世豪

(1.浙江中烟工业有限责任公司, 浙江 杭州310024； 2.中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南 郑州 450001)

丙二醇对烟叶加热非燃烧状态下烟气释放的影响

胡安福1， 刘 珊2， 杨 君1， 唐培培2， 曾世通2， 孙世豪2

(1.浙江中烟工业有限责任公司, 浙江 杭州310024； 2.中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南 郑州 450001)

为考察丙二醇对烟叶加热非燃烧状态下烟气释放的影响，采用差示扫描量热法(DSC)和热失重法(TGA)分析了不同丙二醇添加量烟丝样品的热性能；在200～400 ℃下，利用实验室加热装置对各样品进行了加热，分析了烟气粒相物、烟碱、水分和焦油释放量。结果表明：添加丙二醇与添加甘油对烟丝热性能的影响虽总体趋势一致，但也存在一定差异；烟气粒相物和焦油释放量均随丙二醇添加量的增加呈增大趋势，添加丙二醇能够显著增加烟气水分释放量，但对烟碱释放量无明显影响；添加丙二醇烟丝样品与添加甘油烟丝样品相比，烟气水分释放量较大，烟气烟碱释放较小，在较低加热温度下的烟气粒相物和焦油释放量较高。

丙二醇;加热非燃烧;热性能;烟气释放;烟叶

多元醇如丙二醇、甘油在传统卷烟中作为改善在制品加工性能的保润剂有着广泛应用，而在新型烟草制品如加热非燃烟草制品和电子烟中的研究涉及表面微结构[1]，烟气增浓剂和雾化剂[2-5]、烟草燃烧状态下烟气的化学成分[6-8]，以及烟草燃烧状态下烟气的感官质量[9-11 ]。虽然多元醇在加热非燃烟草制品中的应用各大烟草公司的相关专利多有提及，但是多元醇对烟叶加热非燃烧状态下烟气释放特征的影响鲜见报道。针对前期研究中甘油对烟叶加热非燃烧状态下烟气释放特征的影响，本研究重点考察丙二醇对烟叶在加热非燃烧状态下烟气释放特征的影响，分析与甘油影响的差异性，为加热非燃烟草制品烟芯材料的研发提供参考。

1 材料与方法

1.1材料、试剂和仪器

正十七烷、烟碱(标样，纯度均> 98%，美国Sigma公司)；无水乙醇、异丙醇(分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司)；云南C3F烤烟(2012年)。

76A/DSC同步热分析仪(瑞士Mettler公司)；实验室加热装置(自制)；CP224S型电子天平(感量：0.000 1 g，德国Sartorius公司)； JJD 200型单孔道吸烟机(郑州嘉德机电科技有限公司)；KS型康氏振荡器(金坛市华峰仪器有限公司)；6890气相色谱仪、FID检测器、TCD检测器(美国Agilent公司)。

1.2方法

1.2.1 烟丝样品制备 称取4份云南C3F烤烟烟丝(每份50 g)，1份作为空白样品，其余3份分别按烟丝质量的5%, 10%和15%添加丙二醇。烟丝样品于温度(22±1)℃、相对湿度(60±2)%条件下平衡48 h。

1.2.2 烟丝样品热性能分析 采用同步热分析仪对各烟丝样品进行分析，同时得到热重(TG)、微分热重(DTG)和差示扫描量热(DSC)曲线。仪器条件：升温范围25～700 ℃；升温速率10 ℃·min-1；载气为合成空气。采用TG-DTG切线法确定着火温度[12]，即在DTG曲线上过峰值作垂线与TG曲线相交，过交点作TG曲线的切线，该切线与失重开始平行线的交点所对应的温度即为着火温度。

1.2.3 不同加热温度下烟丝样品抽吸 烟丝加热、抽吸及烟气捕集装置参照文献[13]。将烟丝装入抽吸管样品腔，在200, 250, 300, 350和400 ℃下加热，每个剑桥滤片捕集3个样品。抽吸参数为：抽吸容量50 mL，抽吸时间2 s，抽吸间隔30 s，抽吸10口。丙二醇含量0 %，5%，10%和15%烟丝的上样量分别为0.20，0.21，0.22，0.23 g。

1.2.4 烟气常规化学指标测定 准确称量抽吸前后剑桥滤片与抽吸管冷凝段的质量，以二者所含粒相物质量和作为加热非燃烧状态下的烟气粒相物释放量。

抽吸结束后，以含有标准物的异丙醇溶液萃取剑桥滤片与抽吸管冷凝段，分别对捕集物与冷凝物中的烟碱、水分、焦油和甘油进行分析，释放量以捕集物与冷凝物中释放量之和表示。烟碱、水分和焦油采用标准方法[14-16]进行分析。丙二醇的GC-MS分析条件：色谱柱为HP-FFAP (50 m×200 μm i. d.×0. 32 μm d. f. )熔融石英毛细管柱；进样口温度为270 ℃;载气为He, 1 mL·min-1；进样量为1 μL,分流比为10∶1；升温程序从60 °C以8 ℃·min-1的速率升至200 ℃；传输线温度为250 ℃；电离方式为EI；电离能量为70 eV；离子源温度为230 ℃；四极杆温度为150 ℃；扫描范围为40～400 amu；溶剂延迟为9.5 min。

2 结果与分析

2.1丙二醇对烟丝热性能的影响

添加丙二醇烟丝样品的DSC分析结果见图1。前期研究结果已表明，各烟丝样品在升温过程中均存在2个燃烧阶段，200～400 ℃烟丝样品热解挥发性物质燃烧所产生的相对较小的放热峰和400～600 ℃烟丝样品炭化物燃烧所产生的相对较大的放热峰[17]。由图1可以看出，添加丙二醇后第一燃烧阶段放热量明显降低，而且与前期甘油影响分析结果相比[17]，添加丙二醇烟丝的放热量低于添加甘油烟丝。这可能是由于添加丙二醇后，其本身温度的升高会吸收部分热量，从而导致放热量减小。虽然丙二醇与甘油的比热容相当，升高同样的温度所需能量基本一致，但是加热到200 ℃时已经高于丙二醇的沸点，此时丙二醇将完全气化，并需进一步吸收汽化所需能量，而此时尚未达到甘油沸点，甘油不会完全汽化，因此，烟丝样品加热到第一燃烧阶段，添加丙二醇与添加相同质量的甘油相比，将吸收更多的能量，从而抵消更多的放热量。对于第二燃烧阶段，与添加甘油相同，添加丙二醇对炭化物燃烧放热量的影响不明显，但是与甘油不同的是添加丙二醇后该阶段放热峰明显变尖锐，具体原因有待进一步研究。

添加丙二醇烟丝样品的热失重分析结果见图2。与前期甘油影响分析结果一致[17]，各烟丝样品均存在4个放热阶段，其中第三和第四失重阶段分别对应于DSC曲线中的2个燃烧阶段。与甘油相同，添加丙二醇后，第一阶段(50～130 ℃)和第二阶段(130～220 ℃)的失重比例明显增大，第三阶段(220～420 ℃)的失重比例明显下降，但添加量的变化规律都不明显；第四阶段(420～550 ℃)的失重比例变化规律不明显。与甘油分析结果[17]相比，添加丙二醇烟丝的失重速率显著高于添加甘油烟丝，与DSC曲线中第二放热阶段规律相一致，而且前两个阶段的失重比例也高于甘油烟丝，这可能与二者沸点和挥发性差异有关。

图1 添加丙二醇烟丝样品的差示扫描量热曲线Fig.1 Curves of differential scanning calorimetry ofadding propylene glycol tobacco sample

图2 添加丙二醇烟丝样品的热失重曲线Fig.2 Curves of thermogravimetric of addingpropylene glycol tobacco sample

针对烟丝样品加热过程中的2个燃烧阶段，根据TG-DTG法分别得到2个阶段的着火温度如表1。由表1可以看出，添加丙二醇明显降低烟丝第一阶段的着火温度，提高第二阶段的着火温度，但添加量影响不明显；而烟丝添加甘油后，2个阶段的着火温度都明显提高，且随添加量的增大呈上升趋势[17]。这同样也可能是由于二者沸点、挥发性以及加热过程中吸收热量差异所导致。

表1 添加丙二醇烟丝样品的着火温度Table 1 Ignition temperature of addingpropylene glycol tobacco sample

2.2丙二醇对加热非燃烧状态下烟气粒相物释放量的影响

添加丙二醇烟丝在加热非燃烧状态下烟气粒相物释放量分析结果如表2。由表2可以看出，随着加热温度的升高，不同丙二醇添加量烟丝样品的烟气粒相物释放量均增大；随着丙二醇添加量的增大，在各加热温度下的烟气粒相物释放量均呈增大趋势。与甘油影响分析结果相比[17]，添加量为5%时，在各加热温度下的烟气粒相物释放量均明显大于添加甘油的烟丝样品；添加量为10%和15%时，在加热温度低于250 ℃下的烟气粒相物释放量明显大于添加甘油的烟丝样品。由于加热非燃烧烟草制品烟芯材料处理中为了增大烟气浓度，多元醇作为烟气增浓剂，其添加量一般都会超过10%，因此，加热温度低于250 ℃时，丙二醇的烟气增浓效果更好。

表2 添加丙二醇烟丝样品的烟气粒相物释放量Table 2 Release of smoke particulate matter ofadding propylene glycol tobacco sample mg

注：对应的烟丝质量为0.2 g。下同。

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

烟气粒相物中丙二醇释放量分析结果见表3。从表3可以看出，在同一加热温度下，随丙二醇添加量增加，丙二醇释放量及其在粒相物中所占比例均呈增加趋势，当添加量为15%时，丙二醇在粒相物中所占比例达20%。在同一添加量下，随着温度的升高，丙二醇释放量逐渐升高，但在粒相物中所占比例却因烟草热解物质释放量的增大呈减小趋势。与甘油影响分析结果相比[17]，在加热温度低于250 ℃时，添加丙二醇烟丝样品的丙二醇释放量及其在粒相物中所占比例均明显高于甘油烟丝样品，尤其是200 ℃时，丙二醇释放量超过甘油释放量的2倍，而且在粒相物中所占比例也接近甘油的2倍。这也说明在较低加热温度下，丙二醇比甘油具有更佳的烟气增浓效果。

表3 添加丙二醇烟丝样品的烟气中丙二醇释放量Table 3 Release of smoke propylene glycol of adding propylene glycol tobacco sample

2.3丙二醇对加热非燃烧状态下烟碱释放量的影响

添加丙二醇烟丝样品的烟碱释放量分析结果见表4。由表4可以看出，在各添加量下，随着加热温度的升高，烟碱释放量呈增大趋势，但各加热温度下，烟碱释放量随丙二醇添加量的增大变化不明显。与甘油影响分析结果相比[17]，添加丙二醇烟丝样品的烟碱释放量均低于添加甘油的烟丝样品。

表4 添加丙二醇烟丝样品的烟气烟碱释放量Table 4 Release of smoke nicotine ofadding propylene glycol tobacco sample mg

2.4丙二醇对加热非燃烧状态下烟气水分释放量的影响

添加丙二醇烟丝样品的烟气水分释放量分析结果见表5。由表5可以看出,与甘油影响分析结果[17]一致的是随着加热温度的升高，各烟丝样品的烟气水分释放量呈增大趋势；在同一加热温度下，添加丙二醇后烟气水分释放量显著增大，但不同添加量间的差异不明显。与甘油影响分析结果[17]不同的是添加丙二醇烟丝样品的烟气水分释放量高于添加甘油的烟丝样品。

表5 添加丙二醇烟丝样品的烟气水分释放量Table 5 Release of smoke moisture ofadding propylene glycol tobacco sample mg

2.5丙二醇对加热非燃烧状态下烟气焦油释放量的影响

添加丙二醇烟丝样品的烟气焦油释放量分析结果见表6。由表6可以看出，随着加热温度的升高，各烟丝样品的烟气焦油释放量呈增大趋势。在同一加热温度下，随丙二醇添加量增加，烟气焦油释放量总体上也呈增大趋势，但是扣除丙二醇后的焦油释放量变化规律性不明显，这也说明焦油释放量增大是由于丙二醇的释放所引起。与甘油影响分析结果相比[17]，当添加量大于10 %时，在加热温度低于250 ℃下，添加丙二醇烟丝样品的焦油释放量明显高于甘油烟丝样品。同样也说明在较低加热温度下，丙二醇的烟气增浓效果优于甘油。

3 结论与讨论

研究结果表明，各烟丝样品在升温过程中均存在2个燃烧阶段，200～400 ℃烟丝样品热解挥发性物质燃烧所产生的相对较小的放热峰和400～600 ℃烟丝样品炭化物燃烧所产生的相对较大的放热峰，添加丙二醇可增大烟丝加热过程中的失重比例，降低第一燃烧阶段的燃烧性，提高第二燃烧阶段着火温度。随着丙二醇添加量增大，烟气粒相物和焦油释放量均呈增大趋势；在较低加热温度下，添加丙二醇烟丝样品的烟气粒相物和焦油释放量均明显高于添加甘油烟丝样品，这可能与丙二醇比甘油的沸点低有关。本研究结果还表明，丙二醇在相对较低的加热温度下更加有利于烟气浓度的增强。

表6 添加丙二醇烟丝样品的烟气焦油释放量Table 6 Release of smoke tar of adding propylene glycol tobacco sample mg

注：括号内数据为扣除丙二醇的焦油释放量。

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

而相对于烟碱的释放，丙二醇的添加量对烟碱释放量无明显影响。与甘油相比，添加丙二醇烟丝样品的烟碱释放量低于添加甘油的烟丝样品。添加丙二醇能够显著增加烟气水分释放量，但不同添加量间的差异不明显，而添加丙二醇烟丝样品的烟气水分释放量高于添加甘油的烟丝样品。对于加热非燃烧卷烟而言，水分的增加会增加烟气的温度，引起口腔不适，使用时应控制一定的用量。总之，在加热非燃烧状态下，烟丝中丙二醇的添加有利于烟气浓度的提升，并且在较低加热温度下的烟气增浓效果优于甘油，在加热非燃烧烟草制品研究中是一种较优的烟气雾化剂。

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(责任编辑：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

浙江中烟工业有限责任公司科技项目(2014C003)

胡安福(1982-)，男，浙江金华人，工程师，硕士，主要从事烟草化学研究工作。

曾世通(1980-)，男，四川成都人，高级工程师，硕士。

1000-2340(2016)06-0818-05

S 572

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