電加熱不燃燒煙彈及煙芯材料產品開發(fā)綜述

傅源鋒，馬早兵，袁岐山，夏啟東，靖德軍，劉 剛

(1.湖南農業(yè)大學 煙草研究院，湖南 長沙 410011；2.廣東省金葉科技開發(fā)有限公司 工藝部，廣東 汕頭 515100；3.河南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，河南 鄭州 450000)

加熱不燃燒煙草制品是利用特殊熱源對由煙絲或其它煙草材料制備的煙芯進行加熱(150～500℃)、煙芯只加熱而不燃燒的新型煙草制品[1]，特點是有害成分釋放量較傳統(tǒng)卷煙低[2-3]且能給消費者帶來一定的煙草特征感受。加熱不燃燒煙草制品按照熱源加熱方式的不同，主要分為電加熱型、碳加熱型、理化反應加熱型、其它熱源型等。目前，在加熱不燃燒煙草制品中，電加熱型是市面上主流的產品，其產品開發(fā)和技術研究最為廣泛，菲莫國際、英美煙草和日本煙草均有其代表產品出售，國內中煙也有相應的技術研究和儲備，且有部分產品在海外試銷。電加熱不燃燒煙草制品作為一種新型的煙草制品，本文從產品類型、煙芯材料、煙支結構等方面對電加熱不燃燒型煙草制品的產品開發(fā)動態(tài)進行綜述，旨在為我國電加熱不燃燒煙草制品的技術開發(fā)提供參考。

1 產品類型分析

加熱不燃燒煙草制品的主要特點是利用外部熱源加熱煙草而不是點燃煙草，這種模式既不同于傳統(tǒng)卷煙，也不同于電子煙，其中，傳統(tǒng)卷煙需要點燃煙草才能抽吸，而電子煙則是將含有尼古丁的液體霧化從而形成氣狀物吸入[4]。電加熱不燃燒煙草制品作為加熱不燃燒煙草制品的主要類型，其加熱模式主要是利用電能對煙草制品進行加熱，使煙草材料在加熱狀態(tài)下產生氣霧從而被吸入，滿足消費者需求，就其加熱原理而言，包括有電阻、電磁感應、微波、激光和紅外等多種加熱方式，其中電阻加熱是目前的技術主流[5]。

電加熱不燃燒煙草制品按其加熱結構模式主要分為三種，一種是中心加熱結構，一種是外圍加熱結構，第三種是中心與外圍結合加熱的結構[4]。另外，還有一種則是將煙草材料與電子霧化液相結合加熱的模式，一般將這種模式的產品歸入電子煙系列，但本文也將其列入電加熱不燃燒煙草制品中作為參考。

1.1 中心加熱結構產品

作為加熱不燃燒煙草制品的市場鼻祖，菲莫國際的IQOS系列產品采用的便是中心加熱的結構模式，如圖1所示，該產品包括煙彈和加熱棒兩部分，使用時需將煙彈插入加熱棒中進行加熱抽吸。IQOS加熱棒中心加熱片的工作溫度不超過350℃，而煙彈煙芯材料的加熱溫度不高于300℃[6-8]。該產品自2014年在日本首發(fā)后取得較大成功，并呈爆發(fā)式增長，2017年全年IQOS煙彈銷量達72.5萬箱，銷售額36.4億美元，是目前電加熱不燃燒煙草制品中銷售最好的一款產品。除IQOS產品以外，韓國KTnG生產的lil加熱裝置(圖1)也屬于中心加熱結構模式，其煙彈可與IQOS萬寶路煙彈通用。

圖1 菲莫國際IQOS系列產品和韓國KTnG的lil產品

1.2 外圍加熱結構產品

相較于菲莫國際，英美煙草在加熱不燃燒煙草制品的產品開發(fā)要晚一些，其代表性產品GLO于2016年12月才在日本仙臺上市，10周的銷量就占據(jù)了當?shù)厥袌龅?.4%，可謂表現(xiàn)優(yōu)異。如圖2所示，該產品同樣包括煙彈和加熱裝置兩部分，使用時將超細煙彈插入加熱裝置中進行加熱抽吸。GLO加熱裝置采用獨特的分段動態(tài)加熱方式，屬于外圍加熱結構模式，工作溫度范圍在240～350℃[9-10]，設定加熱溫度低于250℃。

圖2 英美煙草GLO系列產品

1.3 煙草與電子霧化液相結合的產品

該類型產品目前在售的主要有兩款，一是英美煙草的iFuse產品，二是日本煙草的Ploom Tech產品。如圖3所示，iFuse是在電子煙液倉上部增設了可容納煙草材料的腔室[11]，該產品在使用時，含有丙二醇、甘油、尼古丁等成分的電子煙液通過多孔陶瓷片向霧化器輸送并加熱，產生的氣體流經煙草腔帶出煙草材料的揮發(fā)性香味成分，以滿足消費者感官需求。

圖3 英美煙草iFuse產品[11]

而日本煙草的Ploom Tech產品使用原理與iFuse產品類似，其產品結構如圖4所示[12]，包括供電單元、含加熱元件和霧化液(丙二醇、甘油等)的加熱筒以及煙草膠囊三個部分，但與iFuse產品不同的是，其霧化液不含香味物質和尼古丁，煙草膠囊中的材料為經過處理的煙草顆粒。該產品使用時，通過電加熱氣化霧化液成分，產生的氣體流經煙草膠囊，攜帶出煙草材料的揮發(fā)性香味成分供消費者吸食，每個膠囊可抽吸50口，所含煙堿含量為1.10 mg[13]。目前，該產品在日本市場也有較好表現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)卷煙，其煙氣釋放降幅在99%左右[14]。

圖4 日本煙草Ploom Tech產品[12]

2 煙彈結構分析

電加熱不燃燒煙草制品包括煙彈和加熱裝置兩部分，其中加熱裝置決定了產品加熱結構模式，而煙彈則是電加熱不燃燒煙草制品的核心部分。目前，市面上主要的煙彈類型為菲莫國際IQOS的萬寶路煙支、英美煙草GLO的KENT煙支以及日本煙草Ploom Tech的MEVIUS煙草膠囊，同時，國內部分中煙也有相應的煙彈產品推出。

2.1 萬寶路煙支

萬寶路煙支是菲莫國際IQOS產品專用煙彈，如圖5所示[15-16]，該煙支由四個部分復合而成，包括煙草加熱段、中空支撐段、降溫冷卻段和過濾吸嘴段。該煙支整體為四元結構，總長度為45 mm，圓周為22.5 mm，其中，加熱段長度為12 mm，由均質化煙草薄片有序構成；中空段長度為8 mm，由中空醋纖棒構成；降溫段長度為18 mm，由聚乳酸膜棒構成；過濾段長度為7 mm，由常規(guī)醋酸纖維棒構成。使用時，將煙彈插入加熱裝置中，通過加熱均質化煙草薄片產生氣體，該氣體通過中空段進入降溫段降低煙氣溫度后，再經過濾段被消費者吸食。目前，萬寶路煙支煙彈通用于市面上大多數(shù)加熱裝置，而多數(shù)市售產品均以萬寶路煙彈尺寸為主，例如四川中煙“寬窄”二代、云南中煙“MC”、廣東中煙“ING”等煙彈產品。

圖5 萬寶路煙支結構圖[15-16]

2.2 KENT煙支

KENT煙支是英美煙草GLO產品專用煙彈，如圖6所示[17]，該煙支由四個部分復合而成，包括煙草加熱區(qū)、冷卻區(qū)、過濾區(qū)和吸食區(qū)。該煙支整體仍未四元結構，總長度為82 mm，圓周為16.9 mm，其中，加熱區(qū)長度為42 mm，由煙草薄片無序構成；冷卻區(qū)長度為25 mm，由中空紙管構成；過濾區(qū)長度為8 mm，由醋酸纖維棒構成；吸食區(qū)長度為7 mm，由中空紙管構成。使用時，將煙彈插入加熱裝置中，通過加熱煙草薄片產生氣體，該氣體通過冷卻區(qū)降低煙氣溫度后，再經過濾區(qū)、吸食區(qū)后被消費者吸食。目前，KENT煙支煙彈適用于市面上部分加熱裝置，而有一部分市售產品則以KENT煙支煙彈尺寸為主，例如廣東中煙“MU+”(超細支)煙彈產品。

圖6 KENT煙支結構圖[17]

2.3 MEVIUS煙草膠囊

MEVIUS煙草膠囊是日本煙草Ploom Tech產品專用煙彈，如圖4所示[12]，其煙草材料裝在一個長度為23 mm，靠近加熱筒端直徑為25 mm，靠近唇端直徑為29 mm的膠囊中，其中，膠囊靠近加熱筒端為網(wǎng)狀密封，靠近唇端填充有長度為5 mm、直徑為25 mm的醋酸纖維棒。使用時，將膠囊插入到Ploom Tech配套加熱筒中，通過加熱筒中霧化液產生的氣體流經膠囊，可攜帶出膠囊中煙草材料的揮發(fā)性香味成分供消費者吸食。

2.4 國內研發(fā)

國內中煙近幾年加大了對加熱不燃燒煙草制品尤其是電加熱不燃燒煙草制品的研發(fā)力度，并取得一定成果，眾多電加熱不燃燒煙支產品紛紛涌現(xiàn)。四川中煙的趙維一等[18]提供了一種加熱不燃燒卷煙，如圖7所示[18]，包括發(fā)煙段、降溫段和過濾段，其中，發(fā)煙段由成形載體包括紙張、薄片等卷制而成，可產生香氣；降溫段內包覆有煙絲，既能起到降溫作用、又能調香增香；過濾段結構可調，可以是一元的常規(guī)醋纖棒，也可以是二元的醋纖棒加中空棒；降溫段和過濾段之間有連接件，可以拆卸；該加熱不燃燒卷煙具備良好的降溫調香效果，且具有過濾棒方便拆卸的優(yōu)點。

發(fā)煙段110、降溫段120、連接件122和132、過濾棒130

芯材套1、隔套2、濾嘴套3、隔層4、氣孔5

云南中煙的陳劍等[19]設計了一種加熱不燃燒卷煙套，如圖8所示[19]，芯材套、隔套和濾嘴套，芯材套和濾嘴套活動連接在隔套兩端，隔套中設有隔層，隔層上開有若干通氣孔，芯材和濾嘴分別插入到芯材套和濾嘴套中使用；該設計可以任意更換不同口味芯材和不同功能濾棒，滿足消費者多種需求。

湖北中煙的潘曦等[20]提供了一種含有加香型纖維氈的新型加熱不燃燒卷煙，如圖9所示[20]，包括煙草材料段、煙絲端中空段、降溫段、醋纖絲束過濾段和中空段和設置在降溫段的含香纖維氈，其中煙草材料段由煙草薄片構成；中空段由為中空濾棒構成；降溫段由紙筒和聚乳酸薄片材料制成；絲束過濾段為醋纖濾棒；含香纖維氈為含香微膠囊制備的纖維氈，所述含香纖維氈設置于降溫段聚乳酸膜與紙筒的夾層中。

煙草材料段1、煙絲端中空段2、降溫段3、聚乳酸膜3-1、紙筒3-2、醋酸纖維段4、中空段5、含香纖維氈6

圖9 含有加香型纖維氈的新型加熱不燃燒卷煙[20]

廣西中煙的李典等[21]提供了一種具有3D打印濾棒結構的加熱不燃燒煙支，如圖10所示[21]，包括煙葉段和濾棒段；其中，煙葉段主要是由煙絲、煙草薄片、煙梗等煙草物質混合而成；濾棒段中含有運用3D打印制備得到的塑料段材料及醋酸纖維等傳統(tǒng)濾棒材料組成。同時，3D打印段的內在結構可以變化，氣道的氣程可以改變；根據(jù)不同打印的材料，可以改變3D打印段的相變溫度，改變不同溫度下的吸熱效率；根據(jù)不同厚度的控制，可以改變3D打印段的柔軟度和氣泡率，改變對有害物質的吸附能力。該發(fā)明將濾棒段中間的塑料段用3D打印的方式進行處理，可以精確的控制塑料段的結構，提高濾棒的降溫和減害的效果。

煙葉段1、濾棒段2、濾棒段21和23、3D打印段22、空洞結構221、外壁222

圖10 具有3D打印濾棒結構的加熱不燃燒煙支[21]

3 煙芯材料分析

目前，國際煙草公司如菲莫煙草公司[22-24]、雷諾煙草公司[25]及英美煙草公司[26-28]對煙彈加熱段煙芯材料的研究主要集中在再造煙葉方面，而國內近幾年對加熱不燃燒煙芯材料的研究開發(fā)則是以再造煙葉為主，同時涉及煙絲、梗絲、顆粒等多種形式的煙芯材料。國外煙草公司對加熱不燃燒煙草制品的研究大多集中在煙氣成分、毒理研究等方面[29-32]；國內趙龍等[33]研究了甘油對煙絲加熱狀態(tài)下煙氣中揮發(fā)性和半揮發(fā)性成分的影響；劉達岸等[34]對不同加熱非燃燒再造煙葉的特性進行了研究，收集了造紙法、輥壓法、稠漿法3 種工藝制造的加熱非燃燒再造煙葉煙草材料,從微觀結構、纖維形態(tài)、抗張性能、再造煙葉化學成分、煙氣化學成分、感官質量等方面進行了系統(tǒng)研究；楊繼等[35]利用熱重/差示掃描量熱法和熱裂解分析研究了空氣氛圍下典型電加熱和炭加熱新型卷煙煙草材料的熱行為；劉珊等[36]研究了加熱狀態(tài)下烤煙、白肋煙、香料煙3種不同類型煙葉的煙氣釋放特征；王亦等[37]研究了溫度對煙絲、再造煙葉、膨脹煙絲和梗絲等煙草基體在加熱不燃燒狀態(tài)下煙氣釋放量的影響。

3.1 再造煙葉

再造煙葉是絕大部分加熱非燃燒卷煙的發(fā)煙材料,再造煙葉的制造工藝主要有造紙法、干法、輥壓法和稠漿法4種[38]。目前，菲莫國際IQOS煙彈的煙芯材料采用的是稠漿法再造煙葉[39-40]，英美煙草GLO煙彈的煙芯材料采用的是造紙法再造煙葉[41]。湖北中煙的劉達岸等[34]通過分析比較造紙法、稠漿法和輥壓法再造煙葉的加熱非燃燒特性，得出結論：(1)造紙法加熱非燃燒再造煙葉的微觀結構及纖維形態(tài)與輥壓法及稠漿法的截然不同,造紙法再造煙葉抗張強度最高；(2)輥壓法和稠漿法加熱非燃燒再造煙葉的綜合感官質量接近,均優(yōu)于造紙法加熱非燃燒再造煙葉。廣東金葉的劉剛等[42]提供了一種加熱不燃燒卷煙的加工方法，該方法可將片狀再造煙葉(包括干法、造紙法、稠漿法、輥壓法等)沿一個方向切成多根長條煙絲，再將煙絲包裹成圓柱形的煙條作為加熱不燃燒卷煙煙芯使用，其中煙條內的煙絲呈規(guī)則有序排列，該方法實現(xiàn)了加熱不燃燒卷煙產業(yè)化生產的重要一環(huán)。

3.1.1 造紙法再造煙葉

河南中煙的張東豫等[43]發(fā)明了一種造紙法再造煙葉及利用其所制備的加熱不燃燒卷煙，該發(fā)明優(yōu)化了再造煙葉配方，在再造煙葉產品中去除了外加纖維對產品品質的影響，同時添加多元醇/多元醇酯等霧化劑以保證產品在加熱不燃燒狀態(tài)下的煙霧釋放量，同時，利用該再造煙葉所制備的加熱不燃燒卷煙可適用于中心加熱或外圍加熱等不同加熱方式的加熱裝置，廣普性好。上海煙草的嚴新龍等[44]提供了一種造紙法加熱不燃燒薄片及其涂布液、涂布方法和制備方法，賦予了造紙法煙草薄片高比例添加甘油的特性，且具有較低的表面粘附力和摩擦力，降粘劑的使用克服了傳統(tǒng)煙草薄片產品結塊影響加工性的問題，利于后續(xù)切絲或卷接處理，該方法能夠在傳統(tǒng)造紙法煙草薄片生產線上進行大規(guī)模復制，加快了我國加熱不燃燒煙草制品的研究開發(fā)。

3.1.2 干法再造煙葉

廣東金葉的靖德軍等[45]發(fā)明一種加熱不燃燒卷煙煙芯材料，該煙芯材料采用的是干法再造煙葉，這種借鑒干法氣流成型技術成形的加熱不燃燒卷煙煙芯材料具備了高負載性能，同時結合干法再造煙葉所具備的煙草有效成分的高還原性和疏松多孔的物理結構，在保證產品感官質量的同時具備高發(fā)煙量，具有良好的用戶體驗感。云南中煙的韓敬美等[46]在傳統(tǒng)干法再造煙葉生產工藝基礎上，通過優(yōu)化涂布料配方和改進加工工藝，實現(xiàn)了一種干法再造煙葉在加熱不燃燒卷煙產品上的應用。廣東中煙的曾健等[47]針對加熱不燃燒煙草制品的原料技術不足，提供了一種適用于干法再造煙葉涂布液的煙葉組合物，可作為加熱不燃燒卷煙良好的原料選擇。

3.1.3 稠漿法再造煙葉

湖北中煙的羅誠浩等[48]提供了一種改進稠漿法加熱不燃燒再造煙葉品質的工藝方法及應用，通過該方法制備的加熱不燃燒再造煙葉，煙香豐富，木質氣息低，刺激性降低和辛辣味減少；在加熱不燃燒卷煙中應用，香氣協(xié)調優(yōu)美，提調香氣，吸味改善，口感舒適。

3.1.4 輥壓法再造煙葉

湖北中煙的羅誠浩等[49-50]在輥壓法工藝基礎上，改進了工藝方法，制備加熱不燃燒再造煙葉，解決了大比例添加霧化劑的問題，同時該工藝條件溫和，可直接使用現(xiàn)有生產設備，無需改造，具有較大的工業(yè)應用前景。

3.2 煙草顆粒

目前，日本煙草Ploom Tech煙彈的煙草材料采用的是煙草顆粒[13]。國內包括安徽中煙、云南中煙等都在以煙草顆粒為基礎的加熱不燃燒煙芯材料上進行了較多研究。云南中煙的張強等[51]基于煙草膨脹顆粒制備的加熱不燃燒抽吸材料，該抽吸材料由煙草原料經初步粉碎后的粉末，經微波膨脹造粒得到煙草膨脹顆粒，再與香料植物顆粒、煙用香精、淀粉膠粘劑、丙二醇及煙用淀粉保潤劑充分混勻后得到抽吸材料半成品，通過模具壓制成型(棒、片等)得到。安徽中煙的周順等[52]用煙草超微粉末和其他生物粉末為原料，制備出加熱不燃燒釋煙顆粒材料，該材料顆粒度均勻，嗅香愉悅，所釋放的煙氣煙霧量大，在加熱不燃燒狀態(tài)下能夠提供消費者類似吸煙的滿足感。安徽中煙的何慶等[53]公開了一種包含煙草顆粒的加熱不燃燒卷煙，該產品包括外部套筒、依次設置在套筒內的過濾部和顆粒部，其中顆粒部的煙草顆粒密封填裝在套管內的頂蓋和底座之間的空間內。

3.3 煙絲、梗絲及其它

日本煙草的石川信幸等[54]提供了一種包含煙絲和產生氣溶膠的液體的非燃燒型加熱吸煙物品用的煙草填充物，該發(fā)明對包含煙絲的填充物在加熱時能夠抑制香吸味成分的蒸發(fā)量的降低，并且能夠抑制“香吸味阻礙感”，使抽吸更為順暢。上海聚華科技的潘雪松等[55]發(fā)明了一種用于電加熱不燃燒的香煙氣霧產生載體，包括再造梗絲，該再造梗絲是煙草梗絲經過萃取降低或去除其中的蛋白、多糖、硝酸鹽物質后，再向煙草梗絲中回填致香物質、氣霧劑等成分而形成的。云南中煙的王乃定等[56-58]基于成形紙涂布設備，發(fā)明了一種可用于加熱不燃燒卷煙煙芯材料的成形紙，該煙芯材料是通過在成形紙上多次涂布煙草原料、煙草提取物、霧化劑等有效成分制備而成，采用該發(fā)明煙芯制成的加熱不燃燒卷煙抽吸時煙氣飽滿、香氣豐富、勁頭適中，抽吸品質顯著提升。

4 總結

目前，菲莫國際、英美煙草、日本煙草等主要的跨國煙草公司均在電加熱不燃燒煙草制品上有較大技術優(yōu)勢，并且有相關產品上市銷售，隨著技術的進步，電加熱不燃燒煙草制品的更新?lián)Q代越來越頻繁，菲莫國際的IQOS已經發(fā)展到第三代產品，煙彈的抽吸口感也越來越好。而國內煙草企業(yè)在電加熱不燃燒煙草制品的開發(fā)上也已經有較大進步，產品開發(fā)日新月異，部分煙芯材料的產品如干法再造煙葉煙芯材料[42]、造紙法再造煙葉煙芯材料[44]已具備工業(yè)化生產能力。本文通過分析主要跨國煙草公司的電加熱不燃燒卷煙產品特點，以及近幾年國內煙草企業(yè)在電加熱不燃燒煙草制品的產品開發(fā)介紹，為我國煙草行業(yè)在電加熱不燃燒制品的持續(xù)開發(fā)和規(guī)?；a提供一個有益的參考，以期掌握技術優(yōu)勢，加快中式特色的電加熱不燃燒制品的開發(fā)進度，形成有效的技術壁壘，占據(jù)市場主導權，提升市場競爭力。