不同加热非燃烧再造烟叶特性研究

刘达岸李鹏飞刘 冰罗诚浩刘华臣陈 胜韩 鹏姚建武刘雄斌

(1. 湖北中烟工业有限责任公司，湖北 武汉 430040；2. 湖北新业烟草薄片开发有限公司，湖北 武汉 430050；3. 重组烟叶应用技术研究湖北省重点实验室，湖北 武汉 430040)

在日趋严峻的控烟形势下，新型烟草制品发展十分迅速[1]。新型烟草制品区别于传统燃烧型卷烟，主要包括加热非燃烧(Heat not Burn)卷烟、电子烟、无烟气烟草制品3大类，其中加热非燃烧卷烟具有低温加热(500 ℃以下)非燃烧的特点，相比传统卷烟，燃烧时的高温裂解产物大量减少，侧流烟气和环境烟气也大幅降低，可有效减少使用者对有害成分的暴露[2]，成为了新的研究热点。国外的研究大多集中在毒理研究方面[3-4]；中国刘珊等[5]研究了不同烟支结构和加热方式的加热非燃烧卷烟在烟草材料和烟气释放等方面的特性；赵龙等[6]研究了甘油对烟丝加热状态下烟气中挥发性和半挥发性成分的影响；杨继等[7]利用热重/差示扫描量热法和热裂解分析研究了空气氛围下典型电加热和炭加热新型卷烟烟草材料热行为；刘珊等[8]研究了加热状态下烤烟、白肋烟、香料烟3种不同类型烟叶的烟气释放特征。

再造烟叶是绝大部分加热非燃烧卷烟的发烟材料，再造烟叶的制造工艺主要有造纸法、辊压法和稠浆法3种[9]，关于不同制造工艺对加热非燃烧卷烟特性影响的研究尚未见报道。为更好地了解加热非燃烧再造烟叶特性，本试验拟从微观结构、纤维形态、抗张性能、再造烟叶化学成分、烟气化学成分、感官质量方面系统研究3种不同工艺制造的加热非燃烧再造烟叶。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

造纸法加热非燃烧再造烟叶(再造烟叶A)、辊压法加热非燃烧再造烟叶(再造烟叶B )、稠浆法加热非燃烧再造烟叶(再造烟叶C )：湖北新业烟草薄片开发有限公司；

烟碱标准品：国家烟草质量监督检验中心；

氯化钠、无水乙醇、丙三醇、异丙醇：分析纯，FLUKA试剂，美国Sigma Aldrich公司；

蒸馏水：二次蒸馏水，实验室制备；

电子天平：BSA423S型，感量0.001 g，德国Sartorius公司；

转盘式吸烟机：RM200A型，德国Borgwaldt公司；

气相色谱仪：GC6890型，美国Agilent公司；

纤维形态分析仪：MorfiCompact型，法国TechPap公司；

扫描电子显微镜：KYKY-2800B SEM型，中国中科科仪公司；

抗张分析仪：Tensile Tester Horizontal型，德国FRANK-PTI公司。

1.2 方法

1.2.1 微观结构、纤维形态及抗张性能分析

(1) 微观结构：取3种片状不同的烟草材料，截成2小段后用导电性胶带固定于样品台，在离子溅射仪上真空干燥并进行铂喷镀，在扫描电镜下观察其微观结构，每小段样品在相同放大倍数下观察。

(2) 纤维形态：准确称取3.0 g不含水分的烟草材料，将其充分疏解于1 000 mL蒸馏水中，取10 mL含有已疏解烟草材料的试样，定容至1 000 mL，置于纤维形态分析仪分析。

(3) 抗张性能：将每种再造烟叶样品用抗张强度仪的取样器各取15 mm×250 mm的样品10个，并对样品进行温湿度调节后，将样品夹在抗张强度仪夹头上，摆正并夹紧样品后开始测定[10]。

1.2.2 再造烟叶化学成分分析 将不同的烟草材料样品均匀地放在温度(22±2) ℃、相对湿度(60±2)%的环境中平衡 48 h。

(1) 含水率的测定：按YC/T 31—1996执行。

(2) 总烟碱的测定：按YC/T 246—2008执行。

(3) 甘油和丙二醇的测定：按YC/T 243—2008执行。

1.2.3 烟气化学成分分析 不同烟草材料卷制成烟支并平衡后，在电加热装置加热至300～350 ℃时使用吸烟机抽吸。

(1) 总粒相物和焦油的测定：按GB 19609—2004执行。

(2) 盐碱和甘油的测定：按GB/T 23355—2009执行。

(3) 水分的测定：按GB/T 23203.1—2008执行。

1.2.4 感官质量对比分析 不同烟草材料卷制成烟支并平衡后，在电加热装置加热至300～350 ℃的条件下，由7名具有评吸资格的专业人员组成评吸小组，以暗评打分的方式，参照GB 5606.4—2005标准对样品的光泽、香气、协调、杂气、刺激性、余味分别打分进行感官评价，通过统计得到不同样品感官质量特征。

2 结果与讨论

2.1 微观结构、纤维形态及抗张性能分析

2.1.1 微观结构 由于烟草材料的微观结构可能对其物理性能、烟气释放行为产生影响[11]，故考察了不同烟草材料的微观结构。由图1可知，再造烟叶A与其他2种具有截然不同的表面微观结构，其表面为长束纤维状物相互交织形成的网状结构；再造烟叶B表面为含少量束状纤维的不平整面，再造烟叶C的表面较平整，不含束状纤维结构。再造烟叶A的表面结构与其他2种不同的原因：① 造纸法工艺对烟草原料的制浆处理是将烟草纤维搓磨成丝状，而辊压法和稠浆法工艺对烟草原料的处理均为粉碎至80～100目的颗粒；② 由于造纸法工艺与其他2种的成型原理不同，造纸法原料通常含有易于被磨成束状的烟梗原料[12]。但3种再造烟叶的断面结构较为相似，未见明显差异。

2.1.2 纤维特征及抗张性能 由表1可知，再造烟叶A含有大量纤维，长度主要分布在0.20～1.25 mm和1.50 mm以上2个区间，再造烟叶B和再造烟叶C的纤维计数明显少于再造烟叶A，推测主要为木浆纤维，颗粒状物质较多，3种不同烟草材料纤维形态及数量差异亦源于烟草原料的处理方式，且与对应的微观结构一致。

样品纤维计数/(×106·g-1)纤维平均长度/μm纤维长度分布/%0.20～0.50 mm0.50～0.75 mm0.75～1.25 mm1.25～1.50 mm1.50 mm以上抗张强度/(kN·m-1)断裂拉伸伸长率/%再造烟叶A3.89796824.620.326.96.022.20.5690.03再造烟叶B0.22467230.020.921.30.027.70.4320.19再造烟叶C0.50286028.213.326.611.420.50.3960.23

再造烟叶的抗张性能是部分加热非燃烧卷烟的重要加工性能评价指标，再造烟叶A的抗张强度为0.569 kN/m，明显高于其他2种，而断裂拉伸伸长率与抗张强度呈反比。影响抗张性能的因素颇多，包括制造工艺、厚度、水分等[13]。

2.2 再造烟叶烟草材料化学成分分析

为了考察不同再造烟叶制造工艺制备的加热非燃烧型再造烟叶的特性差异，对比分析了3种不同烟草材料的一些化学成分。研究指出，甘油和丙二醇都具有自身发烟雾化和促进烟草在加热状态下释放烟气的作用[14]，作为雾化剂广泛应用于加热非燃烧型卷烟和电子烟产品[7]。

由图2可知，3种不同烟草材料的甘油质量分数均超过20%，再造烟叶A、再造烟叶B、再造烟叶C中甘油质量分数分别为25.6%，32.4%，28.9%；但三者的丙二醇质量分数均不足1%。三者的含水率略有差异，均高于普通再造烟叶，可能与甘油的保润性存在一定关系。再造烟叶A的烟碱质量分数显著低于其他2种，再造烟叶B的烟碱质量分数略高于再造烟叶C，推测烟碱在再造烟叶中的含量与制造工艺密切相关。

2.3 烟气化学成分分

图3为3种烟草材料烟气总粒相物(TPM)、水分、烟碱、焦油及甘油的分析结果。由图3可知，再造烟叶B、C 烟气TPM释放量高于再造烟叶A；3种烟气中水分含量较高，均在10 mg/支以上，加热非燃烧卷烟相比传统卷烟，具有低温加热和无侧流烟气两大特点，高温和侧流烟气均会导致主流烟气水分的损失[8]。由于烟草材料中添加了大量的甘油，再造烟叶A和再造烟叶C的烟气焦油中30%以上为甘油，而再造烟叶B烟气甘油释放量也接近焦油的40%。去除甘油后，3种再造烟叶的烟气焦油释放量分别为3.85，5.23，5.47 mg/支，均明显低于传统烤烟型卷烟。由图2、3可知，烟气中水分及甘油释放量均与再造烟叶中水分及甘油含量呈正相关，推测除甘油焦油含量的差异与不同的再造烟叶制造工艺相关。

图2 不同再造烟叶的水分、甘油、丙二醇和烟碱含量

Figure 2 Contents of water, glycerol, propylene glycol and nicotine for different HnB Recon

图3 不同再造烟叶加热非燃烧状态下烟气释放行为

Figure 3 Smoke deliveries of HnB Recon materials under same heat-not-burn condition

2.4 感官质量分析

参照卷烟感官评吸方法对相同加热非燃烧状态下的不同烟草材料进行评吸，每位评委的评价打分情况见表2。

整体感官质量由优到次依次为：再造烟叶B、再造烟叶C、再造烟叶A。由图4可知，光泽方面，烟草材料A优于其他2种，具体为烟草材料A的颜色呈亮黄色，接近天然烟叶的颜色，烟草材料B和烟草材料C的颜色均较深，推测颜色差异应与不同烟草材料的添加剂配方相关[15]；香气方面，烟草材料B与烟草材料C具有充足的烟草本香，而烟草材料A的烟草香气略淡薄；烟草材料C的感官协调为三者中最优，其他2个相当；烟草材料B的杂气最轻，略有杂气，稍优于烟草材料A和烟草材料C；刺激性方面，3种不同卷烟材料表现相当，无明显差异；余味方面，烟草材料A最为干净舒适，烟草材料C其次，烟草材料B最次，余味尚净、尚舒适。

表2 不同样品感官质量具体得分情况

图4 不同再造烟叶在加热非燃烧状态下的感官质量

Figure 4 Sensory qualities of different HnB Recon under same heat-not-burn condition

总体而言，烟草材料B由于在香气和杂气方面的突出表现，综合感官质量最优，但烟草材料A在余味方面表现最优；烟草材料C在感官质量方面与烟草材料B相似，综合感官质量略次于烟草材料B。推测造纸法再造烟叶的萃取-浓缩-涂布的烟草液处理工艺可能为导致烟草材料A与其他2种感官质量差异明显的原因，从不同制造工艺角度理解，烟草材料A为形态和内质的双重再造，而其他2种可近似理解为形态的再造。

3 结论

本试验从微观结构、纤维形态、抗张性能、再造烟叶化学成分、烟气化学成分、感官质量方面对3种加热非燃烧再造烟叶进行了系统探究。结果表明，造纸法加热非燃烧再造烟叶的微观结构及纤维形态与辊压法及稠浆法的截然不同，造纸法再造烟叶抗张强度最高；3种加热非燃烧再造烟叶及其烟气中的水分及甘油含量均较高，且3种再造烟叶和其对应烟气中水分及甘油含量相对呈正比关系，3种再造烟叶烟气中除甘油焦油释放量均明显低于传统烤烟型卷烟，与赵龙[6]、刘珊[14]等的研究结果一致；辊压法和稠浆法加热非燃烧再造烟叶的综合感官质量接近，均优于造纸法加热非燃烧再造烟叶。

本研究仅涉及制造工艺，而加热非燃烧再造烟叶的感官质量与其原料配方、加工过程中香味前体物质的变化、加热过程中致香成分变化等因素密切相关。因此，对于加热非燃烧再造烟叶感官质量的影响因素有待进一步深入研究。