调节湿度对国外两款市售加热卷烟烟气主要成分逐口释放行为的影响

2021-10-09刘广超高峄涵郑赛晶

烟草科技 2021年9期

刘广超，刘鸿，张玮，谢焰，高峄涵，吴达，郑赛晶*

1.上海新型烟草制品研究院，上海市浦东新区秀浦路3733号 201315

2.上海烟草集团有限责任公司技术中心，上海市浦东新区秀浦路3733号 201315

加热卷烟作为新型烟草制品的重要形式，因其采用加热烟草材料而不是燃烧的方式产生气溶胶，被证明能够大大降低烟气中有害物质的产生［1-2］，受到国内外烟草公司技术研发人员的极大关注［3-4］。近年来，国外烟草企业及科研机构偏重于加热卷烟减害效果的评价研究，在分析对比加热卷烟和传统卷烟有害成分释放量的变化、细胞或动物毒理性以及人群暴露研究等方面做了一定工作［2，5-7］。国内加热卷烟研究起步较晚，特别是对加热卷烟成品烟气质量控制的基础研究相对缺乏。目前已见文献报道的有张丽等［8］对加热卷烟烟气中主要成分的转移效率研究，张洪非等［9］研究的抽吸模式对主流烟气释放物的影响以及李朝建等［10］开展的烟支含水率与烟气中水分、甘油、烟碱的相关性研究等工作，均是整支烟烟气受到各种因素影响而产生的变化，无法体现产品烟气释放趋势、释放均匀性等烟气逐口释放特征受到的影响，难以为产品烟气的精细调控提供指导。在加热卷烟烟气逐口释放研究方面，目前仅有龚淑果等［11］分析了两种不同加热方式的加热卷烟在两种抽吸模式下的烟气主要成分逐口释放情况，而对于加热卷烟关注的基本指标（如含水率）以及环境条件（如环境湿度）对烟气逐口释放特征的影响研究鲜见报道。

考虑到加热卷烟中烟草原料的吸湿-解湿特性以及甘油的吸湿特性，烟支含水率易受到环境湿度的影响，环境湿度会在加热卷烟产品生产、检测等环节对产品质量控制和质量评价等产生较大影响，本研究中选择考察不同湿度调节后加热卷烟烟气的逐口释放量，分析不同湿度调节后烟气的逐口释放特征，旨在了解烟支调节湿度对烟气逐口释放行为的影响规律，为加热卷烟研发中精细调控产品品质提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

HTP-1 加热卷烟（圆周23 mm，长度45 mm），配套器具A（中心加热）（国外市售）；HTP-2 加热卷烟（圆周17 mm，长度84 mm），配套器具B（外周两段式加热）（国外市售）；44 mm 剑桥滤片（英国Whatman 公司）。

甲醇、异丙醇（色谱纯，印度RCI Labscan 公司）；定制烟碱标准溶液（4 000 mg/L 于异丙醇中，上海安谱实验公司）；甘油标准品［≥99.9%，阿拉丁试剂（上海）有限公司］；一级水（实验室自制）；1,4-丁二醇（≥99.0%，美国Sigma Aldrich 公司）；正十七烷（≥99.8%，美国Acros 公司）。

Climacell 404 恒温恒湿箱（德国MMM 公司）；XPE205 电子天平（感量0.000 01 g，瑞士Mettler 公司）；7890A 气相色谱仪（美国Agilent 公司）；X500E 电子烟吸烟机（上海新型烟草制品研究院有限公司）；Milli-Q 型超纯水仪（美国Millipore公司）。

1.2 方法

1.2.1 烟支调节

参照GB/T 16447—2004［12］的方法，将烟支开包取出，放置在22 ℃及设定相对湿度（RH）为30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%的恒温恒湿箱内，根据实验需要选择调节时间为1、3、6、12、24、30、48、72 h。

1.2.2 加热卷烟的逐口抽吸及烟气捕集

参考加拿大深度抽吸模式（ISO 20778：2018［13］）进行抽吸，具体参数为：钟形曲线，抽吸容量55.0 mL，抽吸时间2.0 s，抽吸间隔30 s，通气孔均不进行封堵。

每张滤片捕集10 支烟的同一抽吸口数序号的烟气。器具A 预热25 s 后抽吸第一口烟气，每支烟抽吸12 口；器具B 预热45 s 后抽吸第一口烟气，每支烟抽吸8 口。所有样品平行测定两次。

1.2.3 烟支原料含水率的测定

按照YC/T 345—2010［14］的方法检测烟支原料含水率。

1.2.4 烟气中水分、甘油、烟碱释放量的测定

按照CORESTA 84 号［15］推荐方法检测烟气中水分、甘油和烟碱的释放量。

2 结果与讨论

本研究的目的是考察调节湿度对加热卷烟成品烟支逐口烟气释放行为的影响。由于市面上主要以两家国际烟草公司的中心加热类型和外周加热类型的加热卷烟为代表，所以本研究中从这两家公司的两种类型市售加热卷烟中分别选择一款烟支作为研究对象，分析了调节湿度对两款代表性的加热卷烟产品各自逐口烟气释放行为的影响。实验中，先对两款烟支分别进行了质量筛选，并通过控制相同的调节时间，减少其他因素的干扰，尽量实现自变量仅为调节湿度，使两款烟支分别满足单一变量原则。为使文章结构紧凑，在后文中将两款烟支的结果放在一起讨论，并作了简单的比较和分析。

2.1 烟支调节条件的选择

2.1.1 烟支调节时间的优化

为优化烟支在RH 为30%～60%条件下的调节时间，考察了RH 为30%和60%条件下，烟支相对质量（不同调节时间烟支称量质量与开包时烟支称量质量的比值，以百分比计）随调节时间的变化趋势。由图1 可见，在RH 为30%条件下，HTP-1、HTP-2 两款烟支均表现为失重，并且变化趋势一致，失重速度先快后慢，在调节30 h 后质量基本稳定；在RH 为60%条件下，两款烟支表现为先小幅增重，后小幅失重，并且整个调节过程中，两款烟支相对质量波动幅度基本在0.2%以内，参照GB/T 16447—2004［12］中的平衡检验条件，可认为烟支已到达平衡。为了减少调节湿度以外的因素对实验带来的影响，选择样品在RH 为30%～60%范围内平衡48 h。

图1 两款加热卷烟烟支相对质量随调节时间的变化Fig.1 Variations of relative weights of two HTPs with conditioning time

2.1.2 烟支调节湿度的优化

为探究调节湿度对加热卷烟烟气逐口释放行为的影响，首先考察了RH 为30%～60%范围内不同调节湿度对烟支原料含水率（烟支开包时，HTP-1 和HTP-2 烟支原料含水率分别为11.8%和11.7%）的影响。由图2 可见，烟支在不同湿度下调节，烟支原料将具有不同的含水率，且烟支原料含水率与调节湿度成正相关关系。根据调节湿度和烟支含水率的对应关系，选择能够产生一定含水率跨度的3 个调节湿度（RH 为30%、45%、60%）条件对烟支进行调节，平衡后烟支的含水率分别为6%、9%和13%左右，考察调节湿度变化对加热卷烟烟气逐口释放行为的影响。

图2 两款加热卷烟烟支含水率随调节湿度的变化Fig.2 Variations of moisture contents in two HTPs with conditioning humidity

2.2 调节湿度对加热卷烟烟气逐口释放特征的影响

2.2.1 调节湿度对烟气气溶胶捕集量的逐口释放趋势、释放量及释放均匀性的影响

两款加热卷烟在不同湿度下调节后，烟气气溶胶捕集量（Aerosol collected mass，ACM）的逐口分析结果如图3 所示。将HTP-1、HTP-2 分别在RH 为30%、45%、60%条件下调节后，其各自烟气ACM 的逐口释放趋势基本不变，均是先增加后降低，在第3 口时释放量达到最高。在相同抽吸口数序号时，两款烟支的烟气ACM 均随调节湿度升高而增加。由逐口烟气ACM 值计算得到的相对标准偏差（RSD）之间的比较表明，HTP-1 在RH 为60%条件下调节后，ACM 逐口释放均匀性最好；而HTP-2 在RH 为30%条件下调节后的均匀性略优于RH 为45%、60%条件下的均匀性，但是RSD 差异不大。

图3 两款烟支在不同湿度下调节48 h 后烟气ACM 的逐口释放曲线Fig.3 Puff-by-puff releases of ACM from two HTPs after being conditioned for 48 h at different relative humidity

2.2.2 调节湿度对烟气烟碱逐口释放趋势、释放量及释放均匀性的影响

两款加热卷烟在不同湿度下调节后，烟气烟碱的逐口释放分析结果如图4 所示。不同调节湿度对两款加热卷烟的烟气烟碱逐口释放趋势的影响不同，其中HTP-1 在3 个不同湿度下调节后的烟气烟碱逐口释放趋势明显不同：RH 为30%时，烟气烟碱释放量表现为逐口减少，而RH 为45%、60%时，烟气烟碱的逐口释放趋势表现为先增加后减少，并且RH 为45%时释放最高点出现在第4口，RH 为60%时释放最高点出现在第7、第8 口，说明对于HTP-1，调节湿度越低，大部分的烟碱会在前几口被释放出来；而调节湿度越高，可以使较大量的烟碱较晚地释放出来。而HTP-2 的烟气烟碱逐口释放趋势基本不受烟支调节湿度的影响：在3 个湿度条件下调节烟支，其烟气烟碱的逐口释放趋势均表现为先增加后减少、再增加再减少的“M”形变化趋势，这可能与器具B 的两段式加热模式有关。在相同抽吸口数序号时，HTP-1 前4口烟气烟碱释放量和调节湿度成负相关关系，第6口之后烟气烟碱释放量和调节湿度成正相关关系；而HTP-2 相同口数序号的烟气烟碱释放量基本上均随调节湿度增大而减少。由逐口烟气烟碱值计算得到的RSD 之间的比较表明，HTP-1 在RH为45%条件下调节后，烟气烟碱逐口释放均匀性明显优于RH 为30%、60%条件下的均匀性；而HTP-2 在RH 为30%条件下调节后的烟气烟碱逐口均匀性优于RH 为45%、60%条件下的均匀性，这主要与RH 为30%时烟碱逐口释放量较大有关。对于两款烟支烟气烟碱逐口释放趋势受调节湿度影响的变化趋势有很大不同，可能与两款烟支的加热模式及尺寸有关：HTP-1 使用中心加热，烟支直径较大，烟支内外层受热差异容易受到烟支含水率的影响，从而调节湿度会引起HTP-1 烟碱逐口释放趋势较大的变化；而HTP-2 使用外周加热，烟支直径较小，烟支整体容易达到稳定的受热状态，因而调节湿度引起HTP-2 烟碱逐口释放的变化表现为整体的浮动。

图4 两款烟支在不同湿度下调节48 h 后烟气烟碱的逐口释放曲线Fig.4 Puff-by-puff releases of nicotine from aerosols of two HTPs after being conditioned for 48 h at different relative humidity

2.2.3 调节湿度对烟气甘油逐口释放趋势、释放量及释放均匀性的影响

两款加热卷烟在不同湿度下调节后，烟气甘油的逐口释放分析结果如图5 所示。不同调节湿度对两款加热卷烟烟气甘油的逐口释放趋势的影响不同，其中HTP-1 在3 个不同湿度下调节后烟气甘油的逐口释放趋势差异明显：RH 为30%时，烟气甘油释放量表现为逐口减少，而RH 为45%、60%时，烟气甘油的逐口释放趋势基本上表现为先增加后减少，并且RH 为45%时释放量最高点出现在第4 口，RH 为60%时释放量最高点则出现在第7、第8 口，说明对于HTP-1，调节湿度越低，大部分的甘油会在前几口被释放出来；而调节湿度越高，可以使甘油较晚地释放出来，这与HTP-1 的烟气烟碱释放特征一致。而HTP-2 的烟气甘油逐口释放趋势基本不受烟支调节湿度的影响：3 个湿度条件下调节烟支，其烟气甘油的逐口释放趋势均表现为先增加后减少，并且均在第3 口时释放量达到最大。在相同抽吸口数序号时，HTP-1 前3口烟气甘油释放量和调节湿度成负相关关系，第5口之后烟气甘油释放量和调节湿度成正相关关系；而HTP-2 相同抽吸口数序号的烟气甘油释放量随调节湿度增大而减少，但是第4 口之后变化并不明显。由逐口烟气甘油值计算得到的RSD 之间的比较表明，HTP-1 在RH 为45%条件下调节后，烟气甘油逐口均匀性明显优于在RH 为30%和60%条件下的均匀性；而HTP-2 在RH 为30%条件下调节后的均匀性优于RH 为45%和60%条件下的均匀性，这主要与RH 为30%时甘油逐口释放量较大有关。两款烟支烟气甘油逐口释放趋势受调节湿度影响的变化趋势有很大不同，其原因可能与2.2.2 节中烟碱的变化原因相同。

图5 两款烟支在不同湿度下调节48 h 后烟气甘油的逐口释放曲线Fig.5 Puff-by-puff releases of glycerin from aerosols of two HTPs after being conditioned for 48 h at different relative humidity

2.2.4 调节湿度对烟气水分逐口释放趋势、释放量及释放均匀性的影响

两款加热卷烟在不同湿度下调节后，烟气水分的逐口释放分析结果如图6 所示。HTP-1、HTP-2 在RH 为30%、45%、60%条件下调节后，其各自烟气水分的逐口释放趋势基本不变，均是先增加后降低，但是随调节湿度减小，烟气水分逐口释放的最高点有前移的趋势。在相同抽吸口数序号时，烟气水分释放量随调节湿度增大而增加，这与烟支含水率随调节湿度的变化规律相一致。由逐口烟气水分值计算得到的RSD 之间的比较表明，两款烟支均在RH 为60%条件下调节后的烟气水分逐口释放均匀性最好，这主要与RH 为60%时水分逐口释放量较大有关。

图6 两款烟支在不同湿度下调节48 h 后烟气水分的逐口释放曲线Fig.6 Puff-by-puff releases of moisture from aerosols of two HTPs after being conditioned for 48 h at different relative humidity

综合以上各成分的逐口释放情况，可见调节湿度对HTP-1 和HTP-2 前几口烟气同一口数序号下相同成分释放量的影响规律一致，而对后几口烟气同一口数序号下相同成分的影响趋势不尽相同。对于前几口烟气，特别是第一口烟气，调节湿度对烟气释放的影响可解释为调节湿度越高，烟支含水率越高，水分因其沸点比甘油、烟碱低，加热时优先释放，在物料充足而器具提供热量有限的情况下，水分释放量增加，从而甘油和烟碱可以获取的热量降低，二者的释放量有所减少。而对于后几口烟气，由于受到烟支物料消耗程度的不同以及烟具本身供热功率差异等因素的影响，调节湿度对两款烟支后几口烟气同一口数序号相同成分影响的规律性不明显。

2.3 调节湿度对加热卷烟烟气各成分逐口所占比例的影响

为进一步了解调节湿度对逐口烟气组成的影响，分别分析了HTP-1、HTP-2 烟气各成分所占比例（各成分释放量与ACM 之比）随抽吸口数序号的变化情况，如图7～图9 所示。

图7 烟支在不同湿度下调节48 h 后烟气烟碱逐口释放所占比例的变化Fig.7 Variations of nicotine/ACM ratio with proceeding puffs after two HTPs’being conditioned for 48 h at different relative humidity

图8 两款烟支在不同湿度下调节48 h 后烟气甘油逐口释放所占比例的变化Fig.8 Variations of glycerin/ACM ratio with proceeding puffs after two HTPs’being conditioned for 48 h at different relative humidity

图9 两款烟支在不同湿度下调节48 h 后烟气水分逐口释放所占比例的变化Fig.9 Variations of moisture/ACM ratio with proceeding puffs after two HTPs’being conditioned for 48 h at different relative humidity

2.3.1 烟碱

两款加热卷烟在不同湿度下调节后，烟气烟碱所占比例随抽吸口数序号的变化曲线如图7 所示。调节湿度对两款烟支烟气烟碱所占比例随抽吸口数序号的变化趋势影响有所不同，其中HTP-1 在RH 为30%、45%条件下调节时，其烟气烟碱所占比例随抽吸口数序号增大表现为先降低后逐渐升高的趋势，并且最低点有随调节湿度增大而前移的趋势，而当HTP-1 在RH 为60%条件下调节时，其烟气烟碱所占比例随抽吸口数序号增大表现为逐渐升高的趋势，这种趋势其实是前几口烟气烟碱随调节湿度增大而大幅下降造成的；而HTP-2 在3 个湿度条件下调节，其烟气烟碱所占比例随抽吸口数序号增大的变化趋势基本一致，均表现出先升高后下降、再升高再下降的趋势，这种变化趋势可能与器具B 的两段式加热模式有关。在相同口数序号时，两款加热卷烟烟气烟碱所占比例均表现出随调节湿度减小而升高的趋势，说明降低调节湿度有利于提高烟气中烟碱所占比例。

2.3.2 甘油

两款加热卷烟在不同湿度下调节后，烟气甘油所占比例随抽吸口数序号的变化曲线如图8 所示。两款烟支在3 个不同湿度条件下调节，其各自烟气甘油所占比例随抽吸口数序号增大的变化趋势基本不变，其中HTP-1 烟气甘油所占比例随抽吸口数序号增大表现为先降低后逐渐升高的趋势，并且最低点有随调节湿度增大而前移的趋势，这与烟气烟碱相似；而HTP-2 烟气甘油所占比例随抽吸口数序号增大基本表现为逐渐升高的趋势。在相同口数序号时，两款加热卷烟烟气甘油所占比例均表现为随调节湿度减小而升高的趋势，说明降低调节湿度有利于提高烟气中甘油所占比例。

2.3.3 水分

两款加热卷烟在不同湿度下调节后，烟气水分所占比例随抽吸口数序号的变化曲线如图9 所示。两款烟支在3 个不同湿度条件下调节后，其各自烟气水分所占比例随抽吸口数序号的变化趋势基本不变，其中HTP-1 烟气水分所占比例随抽吸口数序号大致呈降低的趋势；而HTP-2 烟气水分所占比例随抽吸口数序号呈先略有增加、后逐渐降低的趋势。在相同口数序号时，HTP-1 的烟气水分所占比例表现为在RH 为45%条件下调节时所占比例最高（除最后3 口外），RH 为30%时所占比例最低；而HTP-2 的第一口烟气水分所占比例表现为RH 为45%时最高，从第二口开始则表现为随调节湿度增大而增大的趋势。

综合调节湿度对烟气烟碱、烟气甘油及烟气水分所占比例的影响，可以发现，HTP-1 在RH 为60%条件下调节，其烟气烟碱、甘油、水分所占比例均比在RH 为45%条件下调节低，说明RH 为60%条件下调节烟支后，烟气中除烟碱、甘油、水分以外的其他成分（主要是香味成分）所占比例有所增加，同时RH 为60%时ACM 比45%时大，进一步说明RH 为60%条件下调节有利于除烟碱、甘油、水分以外的其他成分（主要是香味成分）的释放，这与文献［10］的报道一致。