凝胶态烟油的制备及在电子烟中的应用

2021-11-22张霞李寿波管莹李廷华洪鎏吴俊韩熠朱东来赵伟陆欣宇

中国烟草学报 2021年5期

张霞，李寿波，管莹，李廷华，洪鎏，吴俊，韩熠，朱东来，赵伟*，陆欣宇

1 云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市五华区红锦路367号 650231；2 上海应用技术大学香精香料技术与工程学院，上海市奉贤区海泉路100号 201418；3 上海香料研究所，上海市徐汇区南宁路480号 200232

电子烟作为一种新型烟草制品，近年来发展尤为迅速[1-2]。烟油作为电子烟体系中核心组分，一直是研究热点之一[3-5]。市售电子烟多采用低粘度可流动的液态烟油，在雾化器底座、油仓与底座连接处、吸嘴等部位易发生漏液和污染，影响产品储运和消费者抽吸体验。因此，针对现有液体烟油不足，开发新型非液体烟油体系十分必要。虽然完全固态的烟油较液态烟油易于携带和储存，但是固态烟油存在加热不均匀、雾化效果差等难以克服的问题[6]。相比之下，凝胶因子具有独特的高分子侧链交缠结构，形成的凝胶网络既能有效缓解或阻止液态烟油流动，又能随温度变化而改变状态，从而有效解决液态烟油在不同阶段的渗漏问题，便于消费者随身携带和使用[7-9]。

目前，关于凝胶态烟油的研究与报道较少[6-8]，缺乏系统性。而凝胶因子种类众多，功能各异，在开发凝胶态烟油过程中应依据安全性、溶解分散性、电子烟雾化温度下的稳定性等原则筛选合适的凝胶因子[10]。明胶作为一种常见的食品添加剂，具有价格低廉、安全无毒且凝胶-液化转变性能良好等优势，已广泛应用于食品、医药、生物、化工等领域[11]，并已有用于安全有效递送肺部吸入式纳米药物的报道[12]，且明胶在甘油、丙二醇中的溶解分散性较好，在电子烟雾化温度下的稳定性较强，因此本研究选择明胶作为凝胶因子来制备凝胶态烟油，针对凝胶态烟油制备过程中影响产物状态和凝固特性的工艺参数进行优化，并对凝胶态烟油在电子烟中的应用效果进行测试与评价。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甘油、丙二醇、明胶、烟碱（食品级，上海阿达玛斯试剂有限公司）；薄荷香精（食品级，上海香料研究所自制）。

Cary-50紫外可见分光光度仪（美国瓦里安有限公司）；TGL-18M台式高速冷冻离心机（上海卢湘仪离心机仪器有限公司）；ME-104E分析天平（梅特勒-托利多国际股份有限公司）；524G恒温磁力搅拌器（上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司）；HWS-12电热恒温水浴锅（上海一恒科学仪器有限公司）；CETI8 V3.0电子烟吸烟机(英国斯茹林公司)；S-3400N扫描式电子显微镜（株式会社日立制作所）；STA6000热重分析仪（美国珀金爱尔默公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 实验方案设计

在凝胶的制备过程中，明胶含量、反应时间、加热温度等对其状态影响较大。凝胶时间、持液力和透光率等是体现凝胶体系状态的重要参数[13]，其中透光率和持液力是凝胶性能的初步筛选参数，凝胶时间是关键参数。获得期望的凝胶状态通常需要兼顾各参数之间的平衡，最重要的是缩短凝胶时间，使液化的烟油在抽吸结束时尽快恢复凝胶状态，避免渗漏发生，因此本次响应面优化实验中采用凝胶时间作为评价指标。

单因素实验设计：分别对明胶含量（1%、2%、4%、6%、8%）、反应时间（1 h、2 h、3 h、4 h、5 h）、加热温度（40℃、60℃、80℃、100℃、120℃）等3个因素进行单因素实验。通过测定各产物的持液力、透光率和凝胶时间，确定产物凝胶状态较理想时所对应的制备工艺参数取值区间。

响应面优化实验设计：根据单因素实验结果选出制备工艺参数的适宜区间，采用基于Box-Behnken中心组合设计的响应面分析方法[14]，以明胶含量（A）、反应时间（B）、加热温度（C）3个变量为影响因素，凝胶时间（Y）为响应值，进行三因素两水平中心组合优化实验（具体的因素、水平如表1所示），通过响应面图与等高线图精确地表述各因素之间的交互作用关系[15]，并通过回归方程确定优化的工艺参数进行验证实验，以期获得表观状态和凝胶时间均较为理想的凝胶态烟油体系。

表1 优化实验因素与水平Tab. 1 Factors and levels of optimization experiment

1.2.2 凝胶态烟油的制备过程

搅拌下，将雾化剂（配方组成：甘油39.0%、丙二醇58.5%、薄荷香精1.5%、烟碱1%，均为质量百分数）逐渐加到明胶与水（两者质量比为1:1）的混合物中，加完后，升高至一定温度，保持恒温反应继续搅拌反应一定时间，降温至20℃，即得凝胶态烟油产物。对照烟液中薄荷香精和烟碱的质量百分数均与凝胶态烟油中的相同。

1.2.3 各指标测试方法

1.2.3.1 持液力的测定

准确称取凝胶态烟油800 mg，按文献[16]方法进行测定，并按以下公式计算其持液力L：

式中，L为凝胶持液力（%）；m1为凝胶质量（mg）；m2为滤纸吸液量（mg）。

1.2.3.2 透光率的测定

量取产物样品2 mL置于比色皿，按文献[17]方法在620 nm波长下测定其透光率，以未添加明胶的雾化剂体系作为空白对照（设其透光率为100%）。

1.2.3.3 凝胶时间的测定

参考文献[18]凝胶时间的测定方法，对凝胶态烟油的凝胶时间进行测定。为验证该方法的适用性，根据此方法进行了烟油凝胶时间的测定，平行测定3次取均值，结果相对标准偏差在2.1%～6.6%之间，表明该方法符合实验需求。具体方法如下：量取产物样品2 mL置于试管，再将其放入90℃的电热恒温水浴槽中平衡稳定0.5 h，随后取出样品在20℃恒温箱中逐渐冷却，每隔0.3 h倒置试管，直到观察到样品不再流动时，记录对应时间，即为该样品的凝胶时间。

1.2.3.4 微观形貌的表征方法

采用S-3400N扫描式电子显微镜观察并拍摄凝胶态烟油的微观形貌：放大倍数为1000倍，加速电压15.0 kV，电流75 mA。取干燥凝胶态烟油样品，用导电双面胶固定，表面喷金后测试。

1.2.3.5 热重实验方法

通过STA6000热重分析仪测定凝胶态烟油的热稳定性。样品坩埚材质：氧化铝，测试温度范围：室温～500℃，升温速率：10℃/min，保护反应气：氮气，流量：50 mL/min。采用铟标定仪器，仪器自动校零后，取待测凝胶态烟油样品置于样品坩埚中，开始测试。分别记录样品的温度、质量等数据并进行分析。

1.2.3.6 渗漏性测定

贮存期渗漏性测定：实验过程中考察了竖直、水平、倾斜等不同角度下的液体烟油渗漏状况，发现竖直状态下其最易渗漏，水平状态下则不易渗漏，倾斜态则介于两者之间，因此在贮存期渗漏性测定时采取的方式是竖直放置。具体方法如下：凝胶态烟油需高温液化后才便于加至烟弹中，为提高实验效率，可在10℃的低温条件下恒温静置12 h加快凝胶而不影响后续测试结果。然后将装有凝胶态烟油或液体烟油的电子烟烟弹，置于室温（25℃±1℃）下保持竖直放置在滤纸上，放置不同时间分别测量滤纸上的烟油油斑直径（0 mm为无渗漏，1～5 mm为轻微、>5 mm为显著）。

抽吸后渗漏性测定：将装配后的烟弹采用电子烟吸烟机进行20次抽吸（抽吸参数为：抽吸容量55 mL，抽吸持续时间3 s，抽吸频率每30 s抽吸1次，抽吸曲线为方波）后置于滤纸上，并保持竖直在室温下静置一段时间，分别测量储存以及抽吸后的烟油油斑直径（0 mm为无渗漏，1～5 mm为轻微、>5 mm为显著）。

1.2.3.7 感官质量评价

将制备的凝胶态烟油和对照烟油以相同量分别添加至电子烟烟弹中，组织7名具有烟草行业卷烟感官评吸资质的专家对电子烟样品进行感官质量评价。电子烟感官质量用烟雾量、香气、谐调、刺激性、杂气（味）和余味等6个指标（表2）进行评价。各项目均以0.5分为计分单元；各单项分别计算加权平均分，精确至0.01分；感官质量合计得分以各单项加权平均分之和表示，精确至0.1分。

表2 电子烟评吸指标及评判标准Tab. 2 Sensory evaluation indexes and assessment standards for e-cigarette

2 结果与分析

2.1 凝胶态烟油制备工艺条件优化研究

2.1.1 制备工艺单因素实验研究结果分析

2.1.1.1 明胶含量对凝胶状态的影响

当加热温度为100℃、反应时间为5 h时，明胶含量对凝胶体系的持液力、透光率和凝胶时间的影响见图1。随着明胶含量的增加，持液力随之增强，而透光率随之减弱，凝胶时间随之缩短。这是因为，随着明胶含量逐渐增加，分子间交联作用逐渐增强，有助于将雾化剂更好地锁在交联网络之间，使其液体析出量变少，表现为持液力逐渐升高与凝胶时间变短。但体系中的明胶过多会导致分散性变差而出现相分离现象，表现为透光率降低，体系呈毛玻璃样浑浊。因此明胶含量在2%～6%之间时，凝胶体系的综合性能较理想。

图1 明胶含量对持液力、透光率和凝胶时间的影响Fig. 1 Influences of gelation content on the liquid holdup, light transmittance and gelation time

2.1.1.2 反应时间对凝胶状态的影响

当明胶含量4%，加热温度为100℃时，反应时间对凝胶体系的持液力、透光率和凝胶时间的影响见图2。随着反应时间的延长，持液力和透光率均呈现先增加后稳定的趋势，凝胶时间则随之缩短。这是由于延长反应时间有助于实现体系中明胶的充分溶解扩散、逐渐形成交联网络将雾化剂固定的过程，表现为持液力和透光率在初始3 h内逐渐增加、凝胶时间变短。而大于3 h后持液力、透光率和凝胶时间基本稳定不变，表明上述过程已经达到平衡。因此反应时间在3 h～5 h之间时，凝胶的综合性能较理想。

图2 反应时间对持液力、透光率和凝胶时间的影响Fig. 2 Influences of reacting time on the liquid holdup, light transmittance and gelation time

2.1.1.3 加热温度对凝胶状态的影响

当明胶含量4%，反应时间为4 h时，加热温度对凝胶体系的持液力、透光率和凝胶时间的影响见图3。随着加热温度升高，持液力先增加后减小，而透光率与凝胶时间均逐渐增加。这是因为随着加热温度升高，有助于明胶在体系中的溶解、扩散与交联过程，表现为加热温度在40℃～80℃之间时，产物的持液力和透光率逐渐增加。但过高的加热温度会使明胶分子链部分断裂，导致其固定雾化剂的交联网络强度下降，表现为加热温度在80℃～120℃之间时，透光率稍有增加，但持液力逐渐下降且凝胶时间延长。因此加热温度在80℃～100℃之间时，凝胶的综合性能较理想。

图3 加热温度对持液力、透光率和凝胶时间的影响Fig. 3 Influences of heating temperature on the liquid holdup, light transmittance and gelation time

综上，单因素实验得到较适宜的工艺参数范围为：明胶含量2%～6%、反应时间3 h～5 h、加热温度80℃～100℃。

2.1.2 响应面优化实验

根据上述单因素实验结果，选取制备工艺参数的适宜取值区间，通过Box-Behnken中心组合设计，以凝胶时间为评价指标，开展三因素两水平中心组合优化实验。

2.1.2.1 回归模型分析

根据Box-Behnken设计原理设计17个实验点，所得实验结果如表3所示。

表3 Box-Behnken 设计矩阵及响应值Tab. 3 BBD matrix and response values

运用Design Expert数据分析软件对表3实验点的响应值数据进行逐步回归分析，建立凝胶时间（Y）与明胶含量（A）、反应时间（B）、加热温度（C）3个因素实际值的数学回归模型。为检验数学模型的合理性，对回归得到的方程的有效性进行方差分析，并在初次拟合后删除不显著项后，进行二次回归方差分析以提高检验精确度。得到响应值Y对自变量的二次多项回归模型方程为：

模型的二次回归方差分析结果见表4。

表4 二次回归模型的方差分析结果Tab. 4 Analysis of variance for the quadratic regression model

二次回归模型的相关系数如表5所示，模型的决定系数R2为0.9973，说明数据相关性较好；校正回归系数R2

表5 二次回归模型的相关系数表Tab. 5 Correlation coefficients table for quadratic regression model

adj为0.9961，表明99.61%的实验数据可以用此回归模型来解释，模型与实际结果拟合度较高；预测回归系数R2Pred为0.9943，说明该模型的预测效果较好。本实验变异系数为3.28%，表明其可信度和精确度较好。

综上所述，回归方程对被研究的整个回归区域拟合很好，实验误差较小，从而能准确地描述各因素与响应值之间的真实关系。模型可以选择且能有效地分析各因素对凝胶时间的影响结果。因此，可以采用此回归方程及其数学模型对实验结果进行预测。

2.1.2.2 因素间的交互作用分析

根据表4中回归模型的方差分析结果，对接近显著的AB间的交互作用通过响应图面与等高线图进行分析，如图4所示。当加热温度在中心水平时，明胶含量和反应时间共同作用下对凝胶时间的影响，凝胶时间随明胶含量增加而呈现缩短趋势；对应的等高线椭率较大，明胶含量和反应时间的交互作用显著，且明胶含量对凝胶时间的影响大于反应时间的影响。

图4 明胶含量和反应时间对凝胶时间交互影响的三维曲面图和等高线图Fig. 4 Surface and contour plots of mutual-influence of gelation contents and reaction time on the gelation time

2.1.2.3 最优工艺条件及模型验证实验

通过建立凝胶时间与各因素之间的响应面拟合模型，在选取的各因素范围内，根据回归模型得出制备凝胶态烟油最优工艺条件为：明胶含量5.93%、加热温度80.0℃、反应时间4.16 h，对应凝胶时间预测值为1.95 h。

在此基础上对优化得出的最佳制备工艺条件进行3次重复验证实验，通过比较理论值和实验均值来验证模型的有效性，结果如表6所示。

表6 验证实验结果Tab. 6 Results of verification test

在上述优化工艺条件下重复实验3次，所得凝胶态烟油产物为性状稳定的浅黄透明凝胶（持液力均值为94.7%、透光率均值为83.2%），测得其平均凝胶时间为1.90 h，与预测值的1.95 h基本一致，表明实验值与预测值具有较好的吻合度。因此，该方程与实际情况拟合很好，充分验证了所建模型的适用性。

2.2 凝胶态烟油的应用研究

2.2.1 凝胶态烟油的微观形貌表征

凝胶态烟油的扫描电镜图（SEM）如图5所示，从图5中可以看出凝胶态烟油中的明胶可以形成类纤维的交联网络状的聚集结构，且纤维的规整度较均匀。

图5 凝胶态烟油样品的SEM 图像Fig. 5 SEM image of gel phase e-liquid sample

2.2.2 凝胶态烟油的热分析特性

热重分析仪（TGA）是通过程序升温加热样品，采用精密天平测定样品随温度升高其质量的变化，从而推测样品的物理与化学变化过程，热重曲线（TG-DTA）记录了物质组分随温度和加热时间的变化关系，反映了物质的热变化过程，因此可为样品的形成、热分解温度以及热稳定性等提供有效信息。

从图6 TG-DTA曲线可以看出，凝胶态烟油样品的热重曲线存在一个不太明显的失重阶段和三个直观可见的失重阶段：第一失重阶段为30℃～100℃，失重约5.7%，在温度100℃附近有一个吸热峰，推测主要是水在蒸发和汽化共同表现出的吸热效应；第二失重阶段为100℃～200℃，失重约52.7%，在温度155.8℃附近有一个吸热峰，推测主要是丙二醇蒸发和汽化共同表现出的吸热效应；第三失重阶段为200℃～325℃，失重约35.5%，在温度220.05℃曲线中有一个非常典型的吸热峰，推测主要是甘油的蒸发和汽化共同表现出的吸热效应；第四失重阶段为325℃～500℃，失重约2.6%，在温度325℃附近有一微弱平缓的吸热峰，推测可能是明胶高温分解所表现出的吸热效应。图6中前三次失重之和约94%，表明凝胶态烟油在此范围内低沸物的蒸发和汽化过程基本完全，且明胶在此范围内具有较好的热稳定性。

图6 凝胶态烟油样品的TG-DTA 曲线Fig. 6 TG-DTA curve of gel phase e-liquid sample

2.2.3 漏油效果评价

烟油在烟弹中的防渗漏性能至关重要，结合实际应用情况，本研究针对储存和抽吸后的漏油测试分别选择了不同的周期，根据1.2.3.6中描述的渗漏性测试方法分别测试电子烟烟弹中的凝胶态烟油及对照液体烟油在室温储存（1 h、6 h、12 h、1 d、3 d、7 d、30 d、180 d）以及抽吸循环后不同时间（1 h、6h、12 h、1 d、3 d、7 d）烟油渗漏情况，考察其抗渗漏性。具体测试结果见表7。

表7 凝胶态烟油及液体烟油在烟具中储存及抽吸渗漏情况Tab. 7 Leakage of gel phase e-liquid and e-liquids during storage or smoking

从表7可知，根据目前的实验数据凝胶态烟油在室温状态下储存时间180 d，期间未观察到烟油渗漏现象；而对照参比的液体烟油体系则在12 h后出现了轻微渗漏，3 d后变为显著渗漏。另一方面，凝胶态烟油在抽吸后储存1 d，期间未观察到烟油渗漏，延长到3～7 d，仅发现轻微渗漏；而对照参比的液体烟油体系则在1 h后即出现了轻微渗漏，12 h后变为显著渗漏。这是因为凝胶态烟油在烟弹中室温下处于凝胶状，加热抽吸为黏性胶液状，不像液体烟油始终处于易流动状态，故能有效克服毛细作用和重力作用的双重影响，均表现出现良好的抗渗漏效果。对比测试结果表明本研究所制备的凝胶态烟油防渗漏效果明显优于对照液体烟油。

2.2.4 感官质量评价

对采用上述工艺制备得到的凝胶态烟油和对照的液体烟油采用1.2.3.5描述的感官评吸方法进行感官质量评价，评吸结果见表8。结果表明：凝胶态烟油的感官质量与对照薄荷口味烟液无明显差异。