电加热雾化技术在降低卷烟烟气有害成分中的应用研究

张霞，朱东来，李寿波，陈永宽，巩效伟，韩敬美，崔柱文，金永灿，缪明明，韩熠

云南中烟技术中心，新型烟草制品研究所，昆明 650231

烟草与烟气化学

电加热雾化技术在降低卷烟烟气有害成分中的应用研究

张霞，朱东来，李寿波，陈永宽，巩效伟，韩敬美，崔柱文，金永灿，缪明明，韩熠

云南中烟技术中心，新型烟草制品研究所，昆明 650231

设计了一种具有电加热雾化功能的卷烟抽吸装置,该装置由夹持卷烟烟支的夹持器和具有电子雾化功能的组件两部分组成。该烟具利用所装雾化器中雾化液及其雾化产生的雾化蒸气与卷烟主流烟气的作用达到降低烟气有害成分的目的。为了考查该烟具的减害效果，选择丙二醇和甘油为雾化液，将卷烟样品插入装有雾化器的烟具，在ISO标准抽吸模式下抽吸10种卷烟样品和1种参比卷烟，检测捕集到的主流烟气中有害成分的释放量并与相同抽吸模式下未加装烟具的卷烟样品分析结果进行对比。研究结果表明：使用烟具后卷烟主流烟气焦油量均有所下降，平均每支烟的焦油降低幅度为3.04% ～ 18.4%。，主流烟气中烟碱释放量整体也表现出明显的降低趋势，降低率达到了28.4%～48.1%，而水分整体呈现出升高的趋势，升高率达到了31.2%～153.8%。使用该烟具后卷烟主流烟气有害成分释放量明显降低，氨的降低率达到了54.4% ～ 67.8%，巴豆醛的降低率达到了51.1%～ 65.6%，HCN的降低率达到了42.8%～ 58.9%，B[a]P的降低率达到了42.9%～ 58.4%，NNK的降低率达到了48.0%～ 73.7%，而苯酚几乎被完全去除，减害效果显著，且该装置结构简单、操作方便，是一种有别于传统卷烟减害技术的新方法。该装置还可以采用各种功能性雾化液实现增香、保润等其它作用，未来可继续对其应用进行深入研究。

电加热雾化；卷烟主流烟气；减害；有害成分

截至2012年，已在卷烟烟气中发现了6010种化学成分[1]，其中含有与人类疾病有关的化学物质，如醛酮、酚类、氨、烟草特有亚硝胺（TSNAs）、多环芳烃（PAHs）等。减少吸烟对公众健康的危害一直都是消费者、烟草行业和卫生部门的共同关注点。为减少卷烟烟气中的有害物质，卷烟减害技术与工艺被广泛应用到卷烟产品中。

传统的卷烟减害技术主要包括改变卷烟燃烧状态和采用特殊滤嘴来减少主流烟气有害成分。前者包括采用高透气度卷烟纸或在烟丝中掺混烟草薄片和膨胀烟丝及梗丝，其中高透气度卷烟纸可稀释烟支部分的烟气、提高燃烧速度；掺混烟草薄片和膨胀烟丝及梗丝可提高烟丝的填充性，加快卷烟燃烧速度，同时也减少了抽吸口数。后者多采用滤嘴截留技术和滤嘴通风稀释技术，滤嘴截留技术是在滤嘴中加入活性炭、沸石等吸附剂或制成二元或多元复合滤嘴及不同结构的异型滤嘴，可以选择性截留主流烟气中的有害成分；滤嘴通风稀释技术是在水松纸上打孔、使用高透气度成型纸或在滤棒上制成凹槽等方式，使抽吸卷烟时空气进入滤嘴内稀释主流烟气，从而达到减害的目的。但滤嘴选择性截留和通风稀释技术均会造成生产工艺复杂、影响卷烟吃味等问题，需要通过加香、加料补偿措施来保持卷烟的吸味品质[2-6]。

作为现有减害技术的补充，本研究设计了一种旨在降低卷烟危害的具有电加热雾化功能的卷烟抽吸装置。该装置不改变烟支本身的性质，仅在烟支滤嘴端加装了一个带有电子雾化功能的烟具，利用烟具所装雾化器中雾化液及其雾化产生的雾化蒸汽与卷烟主流烟气作用达到降低烟气有害成分的目的。本研究以主流烟气中有害成分为目标物，采用行标或CORESTA推荐方法测定使用烟具抽吸卷烟后主流烟气中的有害成分释放量，并与传统抽吸方式进行比较，对其减害效果进行初步探索。

1 实验部分

1.1 电子雾化烟具的结构与原理

本研究所设计的电子雾化烟具[7-8]包括两部分：用于夹持卷烟烟支的卷烟夹持器和具有电子雾化功能的组件。电子雾化组件包含壳体及壳体内的电源、气流感应开关和具有中心气流通道的雾化器（如图1所示）。其中，电池为可充电聚合物锂电池（08300，标称容量120mAh），雾化器内包含玻纤导液绳、发热丝（镍铬合金材质）、雾化液、气流通道等（如图2所示）。

图1 具有电子雾化功能的卷烟抽吸装置分解图Fig. 1 Diagram of the cigarette smoking device with atomizing function

图2 雾化器结构图Fig. 2 Structure of the atomizer

抽吸卷烟时，将烟支插入烟具的卷烟夹持器中，点燃烟支的同时抽吸雾化器的端部。抽吸时，由于在烟具内形成负压，空气从设置在雾化组件壳体上的进气孔进入，通过触发气流感应开关而导通雾化器和电源，状态指示灯亮。此时，雾化液被玻纤导液绳导向发热丝，发热丝加热（加热温度：150℃～300℃）使之雾化形成气溶胶。在雾化液雾化的同时，卷烟主流烟气和烟具内部气流通道中的空气混合后再与雾化器中的雾化蒸汽混合，通过雾化器端部被吸入（如图3所示）。

1.2 材料与仪器

卷烟样品：收集盒标焦油值6～11 mg的卷烟样品10个，样品编号1～10，1个Kentucky参比卷烟3R4F。具体样品信息见表1。

气相色谱仪，配备氢火焰离子化检测器和热导检测器（美国Agilent公司）；ICS 3000型离子色谱仪，配备电导检测器(美国Thermo Fisher公司)；AA3连续流动分析仪(德国Bran+luebbe公司)；LC-MS高效液相色谱（美国Waters公司）-质谱联用仪（美国AB SCIEX公司）；HP6890气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司)、Waters 2695高效液相色谱仪，配备紫外检测器和荧光检测器(美国Waters公司)。

表1 卷烟样品信息表Tab.1 Information of cigarette samples

1.3 实验方法

采用ISO 3402:1999[9]规定的条件调节卷烟样品平衡48 h，然后依据ISO8243:2013[10]挑选合格测试样品，质量允差为±0.02 g，吸阻允差为±50Pa，具体数据见表1。

甘油和丙二醇是许可使用的烟用添加剂[11-13]而且具有强吸湿性。前期实验及感官评价证明，在雾化器中准确加入0.65g质量比为2：1的丙二醇和甘油，能够保证合适的烟雾量和感官舒适度。因此，为了便于实验开展和结果比较，在雾化器中准确加入0.65g质量比为2：1的丙二醇和甘油。然后将雾化器接入烟具，在烟具另一端插入卷烟样品，实验过程中保持电池和烟弹状态一致，依据ISO 3308:2012[14]直线型吸烟机在ISO模式下抽吸卷烟样品，与直接采用SM450直线型吸烟机抽吸卷烟样品捕集到的主流烟气中氨和苯酚的释放量进行对比。

ISO模式具体抽吸参数为：抽吸容量：35mL，抽吸持续时间：2s；抽吸间隔时间：58s。

卷烟主流烟气中的焦油、烟碱、水分、NH3、苯酚、HCN、巴豆醛、BAP和TSNAs分别依据GB/T19609—2004《卷烟 用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》、GB/T 23355—2009《卷烟 总粒相物中烟碱的测定 气相色谱法》、GB/T 23203.1—2008《卷烟 总粒相物中水分的测定 第1部分：气相色谱法》、YC/T 377—2010《卷烟 主流烟气中NH3的测定 离子色谱法》、CORESTA推荐方法N° 78《卷烟 主流烟气中酚类化合物的测定 液相色谱法-荧光检测》、YC/T 253—2008《卷烟主流烟气中氰化氢的测定 连续流动法》、YC/T 254—2008《卷烟主流烟气中主要羰基化合物的测定 高效液相色谱法》、GB/T 21130—2007《卷烟 烟气总粒相物中苯并[a]芘的测定》和YQ/T 17—2012《卷烟 主流烟气总粒相物中烟草特有N-亚硝胺的测定 高效液相色谱-串联质谱联用法》，所有样品均平行检测2次。

2 结果与讨论

在使用电子雾化烟具前后分别采用ISO抽吸方案抽吸了10种卷烟样品和1种参比卷烟，检测其主流烟气中焦油、烟碱、水分的释放量，并比较了相同的烟支在ISO抽吸模式下，使用和不使用该烟具时卷烟的抽吸口数、卷烟烟气中焦油、烟碱、水分、有害成分释放量的变化情况。通过对数据进行分析说明其减害的效果，并对有害成分降低的原理进行简单分析。

2.1 使用烟具前后抽吸口数、烟气常规成分比较

在ISO标准抽吸条件下，使用烟具前后卷烟抽吸口数和烟气常规成分的数据比较结果见表2。由表1和表2可知，在加装烟具后抽吸口数有所增加（平均增加0～1.4口），其原因可能是使用该烟具后引入的空气和丙二醇和甘油的雾化蒸汽稀释了卷烟主流烟气，与此同时，会降低卷烟段的气流速度，改变燃烧条件，从而增加了卷烟的抽吸口数。

使用烟具后焦油量有所降低，平均每支烟的焦油降低幅度为3.04% ～ 18.4%。从表3可知，使用烟具后主流烟气中烟碱释放量整体也表现出明显的降低趋势，降低率为28.4% ～ 48.1%，而水分整体呈现出升高的趋势，升高率为31.2% ～ 153.8%。这与后续样品的感官评吸结果“使用该装置后抽吸卷烟劲头稍有减弱，干燥感降低”具有一致性，劲头稍有减弱就是烟碱降低引起的，干燥感降低是烟气中水分含量增加达到了较好地保润效果，而水分的增加较大程度上取决于甘油、丙二醇的吸水性。

表2 使用烟具前后卷烟焦油和抽吸口数的比较结果Tab. 2 Results of the tar delivery and puffs before and after using the device

表3 使用烟具前后卷烟烟碱和水分的比较结果Tab.3 Results of the delivery of nicotine and moisture before and after using the device

2.2 使用烟具前后卷烟主流烟气中氨释放量的比较

在ISO标准抽吸条件下，使用烟具前后卷烟主流烟气中氨释放量的比较结果见表3。如表4和图4所示，使用烟具后，卷烟主流烟气中氨的释放量降低了54.4%～ 67.8%，造成烟气中氨含量降低的主要原因可能是氨与多元醇通过氢键结合。

当没有专门的部门进行管理时，虽然地方政府承担起文化古城可持续发展的保护角色，但其内部的职能分配的专业化、细分性不足，使其本身在某种程度上既是作为领导者、组织者和建设者，同时也成为了检验成果时的监督者和评价者。更何况，在具体实施中出现问题时，负责工程的相关部门往往会互相推卸责任。因此，专门管理机构的缺失使职能界限模糊，很难实现其可持续发展战略。

2.3 使用烟具前后卷烟主流烟气中苯酚释放量的比较

在ISO标准抽吸条件下，使用烟具前后卷烟主流烟气中苯酚释放量的比较结果见表5。如表5和图5所示，使用烟具后，卷烟主流烟气中的苯酚几乎被完全除去，原因可能是主流烟气中微量苯酚易溶于雾化液中大量的甘油和丙二醇中而被滤除，另外，即使有少量苯酚与雾化液蒸汽混合，其酚羟基也会与甘油、丙二醇的醇羟基形成分子间氢键而被包裹，从而大大降低了吸入烟气中苯酚的含量。

表4 使用烟具前后卷烟主流烟气中氨释放量的比较结果Tab.4 Results of the delivery of ammonia in cigarette mainstream smoke before and after using the device

图4 烟具使用前（a）与使用后（b）卷烟主流烟气中氨的离子色谱图Fig. 4 Chromatogram of ammonia in cigarette mainstream smoke before (a) and after using the smoking device (b)

表5 使用烟具前后卷烟主流烟气中苯酚释放量的比较结果Tab.5 Results of the delivery of phenol in cigarette mainstream smoke before and after using the device

图5 烟具使用前（a）与使用后（b）卷烟主流烟气中苯酚的液相色谱图Fig.5 Chromatogram of phenol in cigarette mainstream smoke before (a) and after using the smoking device (b)

2.4 使用烟具前后卷烟主流烟气中其它4种有害成分释放量的比较

本文同步开展了NNK、BAP、巴豆醛等其它有害成分的研究，考察了在ISO标准抽吸条件下，使用烟具前后卷烟主流烟气中其它4种有害成分释放量变化情况，具体比较结果见表6。如表6所示，使用烟具后，卷烟主流烟气中其它4种有害成分均有大幅下降，其中巴豆醛释放量降低了51.1%～ 65.6%，HCN释放量降低了42.8%～ 58.9%，B[a]P释放量降低了42.9%～ 58.4%，NNK释放量降低了48.0%～ 73.7%。

表6 使用烟具前后卷烟主流烟气中巴豆醛、HCN、B[a]P、NNK释放量的比较结果Tab.6 Results of the delivery of Crotonaldehyde,HCN, B[a]P, NNK in cigarette mainstream smoke before and after using the device

2.5 卷烟主流烟气有害成分降低原因分析

在使用电加热雾化装置后，卷烟主流烟气中有害成分均有大幅降低，本研究对烟气有害成分降低的原因也进行了简单的分析。利用本装置降低烟气有害成分的关键是雾化液的作用。雾化液在发热丝加热温度下蒸发产生气溶胶并与卷烟主流烟气混合，在混合的同时通过稀释作用降低烟气有害成分。此时，雾化液的雾化蒸气起着主流烟气载体和稀释剂的双重作用。由于雾化器与烟支为串联布置，当主流烟气经过雾化器时，其中的部分焦油也可能被雾化液吸收，实现一定的减害功能。因此，可以根据要选择性降低的成分来选择溶解性、极性、挥发性合适的雾化液。另一方面，由于抽吸卷烟时，从烟具气流感应开关进气孔会吸入触发气流感应开关的空气，进入烟具内部的空气经过气流通道对卷烟主流烟气起到通风和释放的作用，这也会在一定程度上降低卷烟主流烟气中有害成分释放量。

值得一提的是，雾化液中甘油、丙二醇的强吸水性还会增加烟气颗粒的粒径，有利于烟气颗粒在口腔中的保留，减少了烟气颗粒吸入肺部的几率[16]，另外，甘油是一种能提高卷烟烟气水分的添加剂，能明显改善卷烟的感官舒适程度[17]。且从表4、表5、表6中的数据可发现卷烟的焦油含量与有害成分的降低率间没有明显相关性，说明该装置在选择合适雾化液用量和雾化参数的情况下，可应用于不同焦油量卷烟的减害。

2.6 使用该装置后卷烟样品感官品质结果

为考查使用该装置对卷烟主流烟气有害成分的降低效果，本文选择了基础溶剂作为雾化液以减少其他因素的影响。但在实际使用过程中会考虑选择合适的雾化液保证在减害的同时不改变卷烟的感官抽吸品质。本文在评价其感官品质时选择的是自主研发的雾化液（由溶剂（甘油、丙二醇等）、香精、烟碱等成分组成），然后组织10名专业评吸人员，依据方法《YC/T 497—2014 卷烟中式卷烟风格感官评价方法》[18]，从香气特性、烟气特性和余味等方面对10个卷烟样品加装抽吸装置前后进行对比评价，综合结果如表7所示。加装卷烟抽吸装置以后，卷烟香气丰满程度和香气量较好，雾化液香气与卷烟香气谐调性较好，烟气浓度增加，劲头稍有减弱，干燥感减轻，卷烟整体感官风格保持不变。综合评价结果认为加装该装置前后卷烟感官质量没有显著差异。

表7 相同卷烟使用该装置前后感官品质结果Tab.7 Results of sensory quality of the same cigarette before and after using the device

3 结论

本研究设计了一种具有电加热雾化功能的卷烟抽吸装置。该装置结构简单、操作方便，便于携带。通过与传统抽吸方式对比发现使用该烟具抽吸卷烟样品，其主流烟气经过与雾化蒸气和稀释空气的混合后，卷烟样品焦油含量均有所下降，平均每支烟的焦油降低幅度为3.04% ～ 18.4%。捕集到滤片上的烟碱释放量整体也表现出明显的降低趋势，降低率达到了28.4%～48.1%，而水分整体呈现出升高的趋势，升高率达到了31.2%～153.8%。捕集到滤片上的有害成分的释放量大幅降低，氨的降低率达到了54.4% ～67.8%，巴豆醛的降低率达到了51.1%～ 65.6%，HCN的降低率达到了42.8%～ 58.9%，B[a]P的降低率达到了42.9%～ 58.4%，NNK的降低率达到了48.0%～73.7%，而苯酚几乎被完全去除，减害效果显著，并对其减害原因进行了初步探索。研究结果表明通过在雾化器中注入由甘油、丙二醇组成的雾化液，既能满足感官抽吸要求、保证卷烟感官品质，也可实现对卷烟主流烟气的减害功效，是一种有别于传统卷烟减害技术的新方法。同时根据本研究得出的结果可为传统卷烟的减害方法开发提供一些思路，未来可考虑进一步在传统卷烟滤嘴中加入少量甘油、丙二醇等溶剂并研究其减害效果。

本研究所开发的装置除了具有减少烟气有害成分的功能外，还可以采用各种功能性雾化液以实现增香、保润等其它作用。未来可考虑对雾化液的组成和比例以及烟具的设计进一步优化，继续对其拓展功能的应用及机理进行深入研究。

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Application of electronic-heating atomizing technology in to reducing harmful components in cigarette mainstream smoke

ZHANG Xia, ZHU Donglai, LI Shoubo, CHEN Yongkuan, GONG Xiaowei, HAN Jingmei, CUI Zhuwen, JIN Yongcan, MIAO Mingming, HAN Yi
New Tobacco Products Institute, Technology Center, China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd, Kunming 650231, China

s：A novel cigarette smoking device was designed by adopting electronic-heating atomizing technique to reduce harmful components in cigarette mainstream smoke. The device was composed of a cigarette holder and an electronic atomizinger. Liquid solution was atomized and mixed with cigarette mainstream smoke, and harm components were reduced via interaction of atomized aerosol and cigarette mainstream smoke. To investigate the harm reduction effect of the device, ten cigarette samples and one reference cigarette were inserted in the smoking device after the mixed solution of glycerol and propylene glycol was added to the atomizer, and smoked by a smoking machine under ISO smoking regime. Deliveries of harmful components in captured cigarette mainstream smoke were determined and compared with those from normal cigarettes. Results showed that by using smoking device, delivery of tar in cigarette mainstream smoke was reduced by 3.04% ～ 18.4%, nicotine was reduced by 28.4% ～ 48.1%; moisture was increased by 31.2% ～ 153.8%; ammonia was reduced by 54.4% ～ 67.8%; crotonaldehyde by 51.1% ～ 65.6%, HCN by 42.8% ～ 58.9%, B[a]P by 42.9% ～ 58.4%, NNK by 48.0% ～73.7%, and there was almost no phenol. The smoking device is simple in structure and easy to operation. It also features flavor enhancing and moisture retaining through adding various functional solutions.

electronic-heating atomizing technology; cigarette mainstream smoke; harm reduction; harmful components

张霞，朱东来，李寿波，等. 电加热雾化技术在降低卷烟烟气有害成分中的应用研究[J]. 中国烟草学报，2016,22（6）

云南中烟工业有限责任公司研究项目“具有中式卷烟风格的电子烟开发”（2015CP06)

张霞（1984—），硕士，助理研究员，主要从事新型烟草制品研究，Email：zhangxia840511@163.com

韩熠（1976—），博士，助理研究员，主要从事新型烟草制品研究，Email: 15288389322@163.com

2015-10-23

: ZHANG Xia, ZHU Donglai, LI Shoubo, et al.Application of electronic-heating atomizing technology in to reducing harmful components in cigarette mainstream smoke [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016,22(6)