地理氣候因素對(duì)卷煙煙氣氣溶膠的影響

關(guān) 斌，葉 茵，劉德祥，李 強(qiáng)，徐淑浩，李慕顏，陳 杰，張 霞

（1.紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 紅河卷煙廠(chǎng)，云南 彌勒652399；2.新疆維吾爾自治區(qū)煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，新疆烏魯木齊830026）

卷煙燃吸時(shí)產(chǎn)生的煙氣是一個(gè)不斷變化的氣溶膠體系，由粒相物和氣相物2個(gè)部分組成[1]。一般來(lái)說(shuō)，在室溫下能通過(guò)劍橋?yàn)V片的煙氣部分稱(chēng)為氣相物質(zhì)。氣相物質(zhì)占煙氣總量的92%左右，其中空氣和氮?dú)饧s占73%，還包括了碳?xì)浠衔铩⒂袡C(jī)物的蒸汽、氮氧化合物等；另一方面，能夠被劍橋?yàn)V片截流的部分稱(chēng)為粒相物質(zhì)。粒相物質(zhì)占煙氣總量的8%左右，主要有水分、包括煙堿的煙草植物堿和焦油等。

1 卷煙煙氣氣溶膠的形成

1.1 煙氣氣溶膠的概述

卷煙煙氣氣溶膠是一個(gè)十分復(fù)雜的三相體系，由固、液和氣三相構(gòu)成，每一相都是混合物，也就是說(shuō)，氣相是由多種氣體構(gòu)成的；液相和固相也分別是由多種物質(zhì)構(gòu)成的混合物，共同組成粒相。無(wú)論是氣相，還是粒相均以分散的形式存在于氣體介質(zhì)中，所以稱(chēng)之為煙氣氣溶膠。

1.2 煙氣氣溶膠的形成機(jī)理

1.2.1 主流煙氣（MS）氣溶膠的形成機(jī)理

（1）冷凝作用。發(fā)生在煙絲上的冷凝作用。主流煙氣進(jìn)入低溫冷凝區(qū)后，被稀釋空氣冷卻，或者被較冷的煙絲冷卻，煙氣中的高沸點(diǎn)、低揮發(fā)物質(zhì)在煙絲上冷卻，從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)形成氣溶膠的微粒。

（2）晶核作用。發(fā)生在固體顆粒上的冷凝作用叫做晶核作用。高溫燃燒過(guò)程會(huì)使一些物質(zhì)以固體顆粒的形式直接進(jìn)入煙氣氣流中，這些固體顆粒就形成了煙氣的冷凝核心（又叫晶核）[2]。

（3）聚合作用。在高溫的條件下，若干個(gè)小分子物質(zhì)之間相互聚合形成更大分子量的大分子物質(zhì)的反應(yīng)。未飽和有機(jī)物和苯系物的苯環(huán)較容易發(fā)生聚合作用，苯系物聚合后形成稠環(huán)芳烴[3]。

1.2.2 側(cè)流煙氣（SS）氣溶膠的形成機(jī)理

測(cè)流煙氣氣溶膠的微粒來(lái)源于熱解蒸餾區(qū)中形成的濃聚蒸汽，這些蒸汽自燃燒錐從局部被蝕解的卷煙紙通過(guò)，并向煙支的外部擴(kuò)散。蒸汽一經(jīng)離開(kāi)燃燒錐溫度就會(huì)驟降，與稀釋共同作用，冷凝形成測(cè)流煙氣氣溶膠中的微粒成分。

1.3 煙氣氣溶膠的組成

卷煙煙氣氣溶膠包括氣相和粒相2個(gè)部分，其中粒相又包括固態(tài)顆粒和液態(tài)顆粒。

如果單支卷煙（無(wú)過(guò)濾嘴卷煙）所產(chǎn)生的主流煙氣中質(zhì)量為500 mg左右，則其中氣相部分占比為95.5%（質(zhì)量百分比，下同），粒相部分占比4.5%（又有相關(guān)資料顯示：氣相部分占92%，粒相部分占8%，無(wú)論如何，相同結(jié)論為氣相部分占絕大多數(shù)，而粒相部分僅占一小部分）。氣相部分中來(lái)自大氣的氣態(tài)物質(zhì)又占絕大比例，非大氣來(lái)源的氣態(tài)物質(zhì)僅占13.5%左右，這其中絕大部分是CO2和H2O，只有一小部分是需要分析研究的，這一小部分約占全部主流煙氣的1.35%。主流煙氣中占比4.5%的粒相部分中含有一部分水分，除去水分后的干粒相物占主流煙氣的3.78%左右，也就是說(shuō)，去除水分、CO2和來(lái)自大氣的物質(zhì)成分，由煙草產(chǎn)生的氣相和粒相組分之和僅占全部煙氣組分的5.13%左右，這一部分所占比例雖然很小，但卻是煙草科技研究的重要對(duì)象[1]。

（1）粒相部分。稱(chēng)為總粒相物（TPM），有的資料也叫中凝聚物或卷煙氣冷凝物。主要包括焦油、煙堿和水分。

焦油（TAR）：指減去煙堿和水分質(zhì)量的總粒相物質(zhì)量（不含煙堿的干粒相物），其表達(dá)公式為：TAR=TPM-水分-煙堿。

水分（H2O，以質(zhì)量計(jì)算的含水量）：煙草加熱燃燒時(shí)，粒相中的水分包括本身?yè)]發(fā)出的自由態(tài)和結(jié)合態(tài)水；氧化和裂解反應(yīng)生成的水，以及來(lái)自于大氣中的水蒸氣等。

煙堿（Nicotine）：是普遍存在于茄屬植物中的植物堿，在煙草中占植物堿總量達(dá)到95%以上，是煙氣的重要組分。粒相中煙堿是煙草燃燒時(shí)通過(guò)熱解和蒸餾與其他揮發(fā)性氣態(tài)物質(zhì)分散到氣溶膠中的。

（2）氣相部分。除了煙草燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣態(tài)分子外，還包括煙草受熱直接揮發(fā)的物質(zhì)，以及來(lái)自于空氣的一些氣體和水蒸氣。

煙氣氣溶膠中的總粒相物、水分、煙堿和CO等都可以通過(guò)檢測(cè)儀器按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定出來(lái)。而焦油釋放量則是通過(guò)計(jì)算得到的指標(biāo)含量。

2 卷煙煙氣氣溶膠的物理特性

2.1 微粒大小

主流煙氣中的微粒直徑為200～600 nm；測(cè)流煙氣中的微粒直徑為80～1 000 nm，而一般意義上的膠體粒徑為1～100 nm，所以煙氣氣溶膠的微粒比膠體微粒略大一些。

前人運(yùn)用多種檢測(cè)方法對(duì)煙氣氣溶膠中的微粒粒徑進(jìn)行了測(cè)定。

不同方法測(cè)定的煙氣氣溶膠中微粒粒徑大小見(jiàn)表1。

從表1可以看出，不同檢測(cè)方法的試驗(yàn)結(jié)果不盡相同，這與試驗(yàn)條件密切相關(guān)，如參與試驗(yàn)的煙草類(lèi)型、煙支的規(guī)格、抽吸方法條件和測(cè)定方法，以及氣溶膠的稀釋的程度和處理時(shí)間的長(zhǎng)短等。

表1 不同方法測(cè)定的煙氣氣溶膠中微粒粒徑大小

2.2 粒數(shù)濃度

卷煙煙氣氣溶膠是個(gè)高濃度氣溶膠體系，平均粒數(shù)濃度達(dá)到1.33×1010個(gè)/cm3，相鄰2個(gè)微粒的間距僅為4 200 nm左右（大約相當(dāng)于20個(gè)微粒的直徑），卷煙煙氣氣溶膠的粒數(shù)濃度比一般的其他氣溶膠都要高。

2.3 微粒電荷

煙氣氣溶膠的微粒是輕度帶電荷的，在這些帶電微粒中，大多數(shù)僅帶一個(gè)電荷，只有極少數(shù)帶有兩個(gè)或多個(gè)電荷。某些研究發(fā)現(xiàn)，約有一半的微粒帶正電，一半的微粒帶負(fù)電，故總體呈現(xiàn)電中性。據(jù)推測(cè)，微粒帶電可能會(huì)影響其生物活性。

3 地理氣候因素對(duì)卷煙煙氣氣溶膠，及其焦油釋放量的影響

對(duì)于同一支卷煙，在不同的地方，即使同一個(gè)人抽吸，其感官質(zhì)量可能也會(huì)不同。當(dāng)煙氣的感官質(zhì)量（即產(chǎn)品功能）有差異時(shí)，應(yīng)該是產(chǎn)生煙氣的系統(tǒng)要素（化學(xué)組分）和結(jié)構(gòu)（煙氣氣溶膠的微粒大小及其分布）發(fā)生了改變所致。隨著抽吸地點(diǎn)的不同，也就是大氣溫度、濕度、煙氣、含氧量和氧分壓，包括pH值等因素的改變，卷煙的抽吸質(zhì)量也發(fā)生一定的變化，這些因素統(tǒng)稱(chēng)為地理氣候因素[1]。

3.1 溫度對(duì)卷煙煙氣氣溶膠及其焦油釋放量的影響

隨著地方、季節(jié)和晝夜的更替和轉(zhuǎn)換，大氣溫度的變化范圍相對(duì)較大，如在我國(guó)東北地區(qū)和新疆地區(qū)冬天溫度會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)-40℃以下，而南方有些地區(qū)夏天又經(jīng)常出現(xiàn)40℃左右的氣溫，在這80℃左右的溫度變化過(guò)程中，煙氣氣溶膠微粒大小和分布將會(huì)發(fā)生改變。

卷煙煙氣氣溶膠是個(gè)高度分散和不均勻體系，其固有的布朗運(yùn)動(dòng)（Brownian Motion）會(huì)使煙氣氣溶膠形成后產(chǎn)生熱動(dòng)凝并現(xiàn)象，隨著氣溶膠微粒的凝并，其粒徑越來(lái)越大。因此，在地理氣候因素中，隨著溫度的升高，煙氣氣溶膠發(fā)生凝并作用的速度加快，煙氣氣溶膠的平均粒徑變大，煙氣變粗，感官質(zhì)量會(huì)受到相應(yīng)的影響。

當(dāng)煙氣氣溶膠通過(guò)煙條時(shí)，隨著氣溶膠微粒粒徑的增大，凝結(jié)在煙絲上數(shù)量將會(huì)增加。隨后，通過(guò)纖維濾嘴時(shí)，過(guò)濾效率也會(huì)增加，即煙氣氣溶膠的截留量增加。當(dāng)空氣溫度升高，煙草燃燒應(yīng)較完全些，即粒相物總量應(yīng)該下降，這種粒徑變大的煙氣氣溶膠從過(guò)濾嘴吸出后焦油釋放量就減少，煙支主流煙氣的焦油量表現(xiàn)為下降。

3.2 大氣壓強(qiáng)、氧含量和氧分壓對(duì)卷煙煙氣氣溶膠及其焦油釋放量的影響

隨著晝夜、季節(jié)、海拔高度和地點(diǎn)的不同和變化，大氣壓強(qiáng)和氧含量，包括氧分壓等也發(fā)生較大的變化。例如，我國(guó)的華東地區(qū)就比西藏的大氣壓強(qiáng)和氧含量高得多。隨著大氣壓強(qiáng)的變化，煙氣氣溶膠微粒的大小和分布也將發(fā)生改變。

伴隨著大氣壓強(qiáng)的增加（與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相比），煙氣氣溶膠的布朗運(yùn)動(dòng)加快，其凝并作用也加快，煙氣氣溶膠的平均粒徑增大，煙氣變粗；反之，隨著大氣壓強(qiáng)的變小（與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)相比），煙氣氣溶膠的布朗運(yùn)動(dòng)變緩，其凝并作用也減慢，煙氣氣溶膠的平均粒徑減小，煙氣變細(xì)。

當(dāng)這些或大或小的煙氣氣溶膠微粒通過(guò)纖維過(guò)濾嘴時(shí)，都會(huì)被過(guò)濾嘴截留過(guò)濾：這些大小不同的煙氣氣溶膠微粒優(yōu)先被纖維濾嘴截留（見(jiàn)圖1），若大氣壓強(qiáng)發(fā)生改變，而氧分壓不變，由于燃燒與氧含量有關(guān)，其產(chǎn)生的煙氣量一般來(lái)說(shuō)與空氣壓強(qiáng)無(wú)關(guān)（即受空氣壓強(qiáng)影響不大），這樣理論上產(chǎn)生的初始煙氣粒相物可以認(rèn)為不變。當(dāng)其通過(guò)纖維濾嘴后，其主流煙氣焦油釋放量就會(huì)減少（無(wú)論大氣壓強(qiáng)與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓比是高還是低）。但是，這僅是假設(shè)在大氣壓強(qiáng)發(fā)生改變，而氧分壓不變時(shí)理論上的結(jié)論。實(shí)際情況是大氣壓強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，氧分壓也會(huì)隨之發(fā)生改變。

纖維過(guò)濾嘴的過(guò)濾效率（E）與煙氣氣溶膠微粒大?。―）的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 纖維過(guò)濾嘴的過(guò)濾效率（E）與煙氣氣溶膠微粒大?。―）的關(guān)系圖

當(dāng)大氣壓強(qiáng)不變時(shí)，隨著氧含量的增加，煙草能夠得到更完全的燃燒，其初始煙氣顆粒物減少，而凝并作用的速率不變，這時(shí)煙氣氣溶膠微粒大小及分布不會(huì)發(fā)生變化，其在纖維濾嘴上的截留量不變，故主流煙氣的焦油釋放量就會(huì)減少；相反，當(dāng)大氣壓強(qiáng)不變，隨著氧含量的降低，煙草燃燒不完全程度就增大，其初始煙氣粒相物隨之增加，主流煙氣的焦油釋放量就會(huì)增加。

一般來(lái)說(shuō)，大氣壓強(qiáng)增加，氧含量也增加，反之亦然。隨著大氣壓強(qiáng)和氧含量的同時(shí)增大，一方面初始煙氣粒相物減少；另一方面煙氣氣溶膠微粒變大，在纖維濾棒上截留量增大，主流煙氣焦油釋放量減少。隨著大氣壓強(qiáng)和氧分量的降低，一方面初始煙氣粒相物增加；另一方面煙氣氣溶膠微粒變小，但纖維濾嘴上的截留量在增大，主流煙氣釋放量的大小就要取決于上述2個(gè)方面的增加程度大小的共同作用。一般而言，大氣壓強(qiáng)降低一個(gè)單位，氧分壓降低0.23個(gè)單位，也就是說(shuō)，氧分壓引起的變化程度較大氣壓強(qiáng)引起的變化程度要小，初始煙氣粒相物增加沒(méi)有纖維濾嘴截留量增加得快，故隨著大氣壓強(qiáng)和氧分壓的降低，主流煙氣焦油釋放量一般情況下也有一定程度的降低。大氣壓強(qiáng)影響卷煙煙氣的另一個(gè)因素為燃燒速率，隨著大氣壓強(qiáng)和氧分壓的降低，煙草的燃燒速率也降低，每口燃吸時(shí)消耗的煙絲質(zhì)量也會(huì)降低，每口釋放的焦油量也相應(yīng)降低。

在探討大氣壓強(qiáng)的影響時(shí)，還要考慮卷煙輔材透氣度和卷煙本身通風(fēng)率因素。隨著大氣壓強(qiáng)降低，卷煙輔材的透氣度升高，煙條通風(fēng)率增加，導(dǎo)致煙氣氣溶膠通過(guò)煙條時(shí)稀釋效率增大，煙支和濾嘴對(duì)主流煙氣焦油的過(guò)濾效率均升高。而氣溶膠氣相部分中的一氧化碳傳遞過(guò)程中除了稀釋率增大外，向煙條外的擴(kuò)散作用也提高，故從過(guò)濾嘴吸出的焦油釋放量和一氧化碳濃度均降低。

通過(guò)上面的介紹了解到，大氣壓強(qiáng)、氧含量和氧分壓等在多重因素的共同作用下，對(duì)卷煙煙氣氣溶膠有較大的影響，其中主流煙氣焦油釋放量與大氣壓強(qiáng)存在正相關(guān)關(guān)系。

3.3 空氣濕度和pH值對(duì)卷煙煙氣氣溶膠及其焦油釋放量的影響

隨著天氣和地點(diǎn)的改變和不同，空氣濕度和pH值有很大的差異。如我國(guó)干燥的西部地區(qū)和梅雨季節(jié)的江南地區(qū)，其空氣濕度相差巨大。隨著空氣濕度和pH值改變，煙氣氣溶膠微粒的大小和分布也將發(fā)生改變，相應(yīng)地會(huì)影響到焦油的釋放量大小。

隨著空氣濕度（與常規(guī)空氣濕度相比）的增加，由于水蒸氣能引起煙氣氣溶膠的快速凝并作用，使得煙氣氣溶膠微粒變大較多，煙氣變粗。當(dāng)這些增大較多的煙氣氣溶膠微粒通過(guò)纖維濾嘴時(shí)，過(guò)濾效率也將增加較多，截留量大大增加，主流煙氣焦油釋放量下降。但是，由于主流煙氣的相對(duì)濕度為60%～70%。因此，有研究顯示在相對(duì)濕度低于90%時(shí)，煙氣氣溶膠微粒的粒徑幾乎沒(méi)有增大；當(dāng)相對(duì)濕度高于90%時(shí)，微粒的粒徑迅速增大；相對(duì)濕度為99.5%時(shí)，微粒的粒徑增加1倍，這些研究的重要之處在于人體呼吸道的相對(duì)濕度據(jù)估計(jì)高達(dá)99.5%。通常情況下，煙氣氣溶膠微粒的粒徑增大是一個(gè)復(fù)雜歷程，與微粒所在的氣相環(huán)境和化學(xué)組分均密切相關(guān)。Schneider W等人[2]的研究推算出由于揮發(fā)性化學(xué)組分，尤其是水的存在，煙氣氣溶膠中的微粒在數(shù)毫秒內(nèi)，將發(fā)生顯著的濃度增加和降低，而這兩種歷程都會(huì)影響微粒粒徑的增大。

隨著空氣pH值（與常規(guī)空氣pH值為7時(shí)比較）較大幅度的下降，由于引起空氣pH值下降的物質(zhì)是空氣中酸性物質(zhì)，如硫酸霧、亞硫酸霧、硝酸霧及亞硝酸霧等，這些物質(zhì)的增加同樣會(huì)引起煙氣氣溶膠粒子的快速凝并，使煙氣氣溶膠微粒變大，煙氣變粗、變淡。當(dāng)這些變大的氣溶膠微粒通過(guò)纖維濾嘴時(shí)，由于過(guò)濾效率的增加使得截留量增加，表現(xiàn)為主流煙氣焦油釋放量也下降。

4 結(jié)論

（1）卷煙煙氣氣溶膠是由固、液和氣三相構(gòu)成混合物體系，含有大小不一、分布不均的微粒，由粒相物和氣相物2個(gè)部分組成。

（2）隨著空氣溫度的升高，卷煙抽吸時(shí)主流煙氣的焦油釋放量下降。

（3）隨著大氣壓強(qiáng)的下降，主流煙氣焦油釋放量一般情況下也有一定程度的降低。

（4）隨著空氣濕度相對(duì)濕度的增加和空氣pH值的下降，主流煙氣焦油釋放量也下降。