電加熱卷煙氣溶膠物理特性的表征

崔華鵬，陳黎，樊美娟，陳滿堂，劉瑞紅，王洪波，劉紹鋒，司曉喜

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001；2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，云南 昆明 650231

0 引言

近年來，電加熱卷煙產(chǎn)品呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢，其以“加熱而不燃燒煙草”為特征，既滿足了消費(fèi)者對于煙氣消費(fèi)的需求，又減少了煙草高溫燃燒產(chǎn)生的有害成分，大幅降低了對吸煙者的健康危害[1-4]。相比傳統(tǒng)卷煙，電加熱卷煙氣溶膠的有害成分釋放量明顯降低，大多數(shù)有害成分的釋放降低率大于80%[5-6]，因此，電加熱卷煙被認(rèn)為是低危害煙草制品[7]。然而，卷煙產(chǎn)品的危害，一方面與煙氣有害成分釋放量有關(guān)，另一方面還與煙氣氣溶膠在人體呼吸道的沉降截留有關(guān)。卷煙抽吸過程中，煙氣氣溶膠進(jìn)入人體口腔、咽、喉、氣管，最終到達(dá)肺部并發(fā)生沉降作用，這可能是致病的重要因素[8-10]。目前，針對卷煙氣溶膠粒數(shù)及粒徑分布表征的研究較多，也有關(guān)于煙氣氣溶膠人體沉降的相關(guān)研究報(bào)道[11]。但針對電加熱卷煙氣溶膠粒數(shù)及粒徑分布的研究較少，也未發(fā)現(xiàn)其在人體呼吸道沉降的相關(guān)研究。電加熱卷煙氣溶膠粒數(shù)及粒徑分布與傳統(tǒng)卷煙煙氣不同，可能導(dǎo)致氣溶膠在人體呼吸道內(nèi)沉降截留率的差異。目前，市場上的電加熱卷煙產(chǎn)品在加熱方式、加熱升溫條件、煙支設(shè)計(jì)等方面均存在差異，其氣溶膠的理化特性也有較大區(qū)別。

研究煙氣氣溶膠粒數(shù)及粒徑分布的方法主要有顯微鏡觀察法、重力沉降法、光散射法、靜電遷移法、慣性沖擊法等[12-13]。煙氣氣溶膠的粒數(shù)濃度通常為108～1010個(gè)/cm3，在如此高的粒數(shù)濃度下，顆粒相互之間容易發(fā)生碰撞、凝聚，從而使顆粒的粒數(shù)濃度和粒徑分布發(fā)生改變[12]，因此,煙氣氣溶膠粒徑分布及濃度變化研究需要采用在線稀釋和測試方法。模擬循環(huán)吸煙機(jī)(SCS)和DMS 500 快速粒徑譜儀可以實(shí)現(xiàn)對卷煙樣品的在線稀釋和氣溶膠測試，已被用于卷煙、電子煙等樣品氣溶膠的測試中[14-16]。基于此，本研究擬建立基于SCS-DMS的氣溶膠表征方法，對市場上主流的電加熱卷煙總釋放氣溶膠和逐口釋放氣溶膠的粒數(shù)濃度、粒徑分布(粒數(shù)中值粒徑)、體積濃度等物理特征進(jìn)行研究，以期為電加熱卷煙氣溶膠的在人體呼吸道沉降的研究提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而為電加熱卷煙的吸煙與健康研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

實(shí)驗(yàn)樣品：國內(nèi)外5個(gè)品牌共20個(gè)電加熱卷煙樣品，品牌1的樣品口味分別是濃原味、濃薄荷味、堅(jiān)果味、淡原味，樣品編號分別為1-1、1-2、1-3、1-4；品牌2的樣品口味分別是原味、薄荷味、朗姆酒味、抹茶味，樣品編號分別為2-1、2-2、2-3、2-4；品牌3的樣品口味分別是薄荷味(含爆珠)、煙草/漿果味(含爆珠)、薄荷/桃子味(含爆珠)、薄荷/熱帶水果口味，樣品編號分別為3-1、3-2、3-3、3-4；品牌4的樣品口味分別是淡薄荷味、原味、新鮮薄荷味、李子薄荷味，樣品編號分別為4-1、4-2、4-3、4-4；品牌5的樣品口味分別是原味、淡薄荷味、提拉米蘇味、葡萄甜橙味，樣品編號分別為5-1、5-2、5-3、5-4。各煙支樣品均采用各自配套的加熱器具進(jìn)行加熱，其中品牌4配套加熱器具采用周向加熱方式，品牌1、2、3、5配套加熱器具采用內(nèi)加熱方式。

主要儀器：SCS模擬循環(huán)吸煙機(jī)、DMS 500快速粒徑譜儀，英國Cambustion公司產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

電加熱卷煙樣品均為開包后立刻測試。采用SCS-DMS 500系統(tǒng)[17]，按照HCI抽吸模式(抽吸容量為55 mL、抽吸持續(xù)時(shí)間為2 s、抽吸頻率為2 次/min)對電加熱卷煙進(jìn)行抽吸，設(shè)置DMS 500的采樣流量為25.0 L/min，二級稀釋比為200∶1，由DMS 500對整個(gè)加熱周期的每口氣溶膠進(jìn)行在線取樣測試，獲得每支電加熱卷煙逐口氣溶膠的粒數(shù)濃度及粒徑分布等數(shù)據(jù)，每個(gè)樣品進(jìn)行5次平行樣測定，取平均值，并用氣溶膠粒數(shù)濃度與粒徑分布數(shù)據(jù)計(jì)算氣溶膠的體積濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 電加熱卷煙氣溶膠的粒徑分布

相同品牌電加熱卷煙樣品在芯材配方、輔材設(shè)計(jì)和加熱條件等方面較為一致，所產(chǎn)生的氣溶膠在物理特性上較為相似，因此在5個(gè)品牌中各選出一款(1-1、2-1、3-1、4-1、5-1)進(jìn)行分析和對比，電加熱卷煙樣品氣溶膠的粒徑分布如圖1所示。由于不同品牌加熱器具的加熱持續(xù)時(shí)間不同，使得加熱卷煙的抽吸口數(shù)有所差異。由圖1可知，電加熱卷煙氣溶膠的粒徑主要分布在10～200 nm的范圍內(nèi)，粒數(shù)中值粒徑主要集中在30～60 nm 范圍內(nèi)，最大粒數(shù)濃度集中于20～100 nm的范圍內(nèi)。

圖1 電加熱卷煙樣品氣溶膠的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of aerosol from electrically heated cigarettes

不同電加熱卷煙的氣溶膠呈現(xiàn)出不同的粒徑分布輪廓，1-1、2-1、5-1樣品氣溶膠的粒徑分布輪廓較為接近，均為單峰分布趨勢，呈現(xiàn)出粒數(shù)濃度對粒徑的近似正態(tài)分布，最高粒數(shù)濃度所對應(yīng)的粒徑在40～50 nm范圍內(nèi)；3-1樣品氣溶膠的粒徑分布輪廓展寬較寬，部分抽吸口的氣溶膠呈一定的雙峰分布趨勢；4-1樣品氣溶膠的粒徑分布輪廓展寬較寬，除第一抽吸口外，所有抽吸口的氣溶膠粒徑分布均為雙峰分布趨勢。電加熱卷煙的煙芯材料經(jīng)過熱解、蒸餾等作用形成氣態(tài)分子，隨著持續(xù)加熱形成過飽和蒸汽，當(dāng)抽吸氣流通過芯材導(dǎo)致溫度降低時(shí)，飽和蒸汽的氣態(tài)分子開始凝聚成核，伴隨氣態(tài)分子在凝聚核上的快速凝結(jié)以及氣溶膠粒子的凝并，形成動態(tài)變化的氣溶膠[18]，氣溶膠的形成過程與飽和蒸汽的成分組成相關(guān)，蒸汽成分的沸點(diǎn)關(guān)系到成核的速度和最終的粒徑，對于均勻飽和的蒸汽體系，通常分子會經(jīng)過均相成核過程形成單峰粒徑分布的氣溶膠。

氣溶膠雙峰粒徑分布的4-1樣品，其煙草基質(zhì)段為無序煙絲結(jié)構(gòu)；而同樣出現(xiàn)雙峰分布趨勢的3-1樣品，其煙草基質(zhì)段為寬度較小的薄片，碎屑和無序程度明顯高于其他樣品。4-1和3-1樣品的小粒徑段氣溶膠可能來自于煙絲或無序薄片的表面固體納米顆粒，其在加熱過程中迸出并在抽吸氣流的載帶下引出，與后續(xù)產(chǎn)生的氣溶膠形成了雙峰粒徑分布的形態(tài)[19-20]。

綜上，不同品牌電加熱卷煙樣品氣溶膠的粒徑分布輪廓表現(xiàn)出一定的差異，粒數(shù)濃度對粒徑呈現(xiàn)出單峰或雙峰的分布趨勢，而粒徑分布范圍則相對接近，其粒徑明顯小于傳統(tǒng)卷煙氣溶膠粒徑[16]。

2.2 電加熱卷煙總釋放氣溶膠的物理特性

將電加熱卷煙樣品的氣溶膠粒數(shù)濃度、粒數(shù)中值粒徑、體積濃度等物理特性進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在氣溶膠粒數(shù)濃度和體積濃度方面，同一品牌樣品較為接近，不同品牌樣品表現(xiàn)出明顯的差異；所考察樣品的粒數(shù)濃度在8.41×108～1.10×1010個(gè)/cm3范圍內(nèi)，體積濃度在3.93×105～1.78×106μm3/cm3范圍內(nèi)，品牌3和4電加熱卷煙氣溶膠的粒數(shù)濃度和體積濃度遠(yuǎn)低于其他品牌。品牌3樣品氣溶膠粒數(shù)中值粒徑普遍較大，其中3-3樣品的氣溶膠粒數(shù)中值粒徑最大，達(dá)到75 nm，這可能與該品牌樣品特有的吸嘴內(nèi)置爆珠設(shè)計(jì)有關(guān)，當(dāng)加熱區(qū)形成的氣溶膠經(jīng)過吸嘴時(shí)，容易更充分地與爆珠釋放成分相結(jié)合，使氣溶膠的粒徑增大。其余樣品的粒數(shù)中值粒徑主要在30～50 nm范圍內(nèi)，均遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)卷煙煙氣粒數(shù)中值粒徑(180 nm)[16]。這種差異主要來自于氣溶膠形成過程的不同，傳統(tǒng)卷煙燃燒錐的溫度較高，可達(dá)900 ℃[21]，煙絲燃燒過程中會有高沸點(diǎn)成分釋放，而高沸點(diǎn)成分在冷凝過程中有利于大粒徑氣溶膠的形成；電加熱卷煙在加熱條件下，煙草基質(zhì)受熱釋放成分的沸點(diǎn)普遍較低，因而形成氣溶膠的粒徑較小。此外，不同品牌電加熱卷煙樣品氣溶膠粒徑的差異不大，主要是因?yàn)闅馊苣z形成的機(jī)理和過程基本相同，煙草基質(zhì)在加熱條件下整體釋放的成分也較為相似，飽和蒸汽狀態(tài)下氣體分子在抽吸降溫過程中，均經(jīng)歷了分子凝聚成簇、成核、冷凝增長等過程，相似的氣溶膠組成，使其粒徑較為接近。

圖2 電加熱卷煙樣品總釋放氣溶膠的物理特性對比Fig.2 Comparison of the physical properties of total aerosol from electrically heated cigarettes

總體上，同一品牌不同口味的電加熱卷煙樣品氣溶膠粒數(shù)濃度和體積濃度較為接近，不同品牌加熱卷煙樣品則表現(xiàn)出明顯的差異，表明加熱卷煙口味對氣溶膠粒數(shù)濃度和體積濃度的影響不大，粒數(shù)濃度和體積濃度可能與濾棒結(jié)構(gòu)和加熱條件有關(guān)；除濾棒爆珠等特殊樣品外，不同品牌電加熱卷煙樣品的粒數(shù)中值粒徑較為接近，表明加熱卷煙的氣溶膠形成機(jī)理和過程基本相同。

2.3 電加熱卷煙逐口釋放氣溶膠的物理特性

電加熱卷煙樣品逐口釋放氣溶膠的粒數(shù)濃度、粒數(shù)中值粒徑和體積濃度如圖3—5所示。在粒數(shù)濃度和體積濃度方面，整體上所有樣品的逐口氣溶膠均隨抽吸口數(shù)發(fā)生變化，但表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。其中，品牌1、2樣品的粒數(shù)濃度和體積濃度整體上呈現(xiàn)逐口上升趨勢；品牌3樣品的粒數(shù)濃度整體上呈現(xiàn)逐口上升趨勢，體積濃度則呈現(xiàn)先上升后下降趨勢；而品牌4和品牌5樣品的粒數(shù)濃度和體積濃度整體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但兩者的變化趨勢存在明顯差異。粒數(shù)中值粒徑方面，品牌1、2樣品呈現(xiàn)逐口增加趨勢，而品牌3、4、5樣品整體上呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在傳統(tǒng)卷煙逐口抽吸過程中，由于每次抽吸所燃燒的煙絲相似，所以逐口煙氣的組成成分基本一致，逐口煙氣的粒數(shù)濃度和體積濃度主要與煙絲過濾有關(guān)[22]；而電加熱卷煙的煙草基質(zhì)通常在連續(xù)加熱條件下釋放氣溶膠成分，各種成分由于熱物理性質(zhì)的差異往往具有不同的最佳釋放區(qū)間，因此，電加熱卷煙逐口釋放成分的差異導(dǎo)致了逐口氣溶膠物理特性的不同。品牌1、2樣品氣溶膠粒數(shù)濃度和體積濃度的逐口上升趨勢可能與其加熱器具的升溫曲線和煙草基質(zhì)中成分的受熱釋放行為有關(guān)。

圖3 電加熱卷煙樣品逐口氣溶膠的粒數(shù)濃度Fig.3 The puff-by-puff particle number concentration of aerosol from electrically heated cigarette

根據(jù)報(bào)道[23]，品牌1和品牌2電加熱卷煙的加熱器具在加熱過程中存在兩個(gè)主要的加熱階段：一是卷煙預(yù)加熱階段，該階段加熱片的溫度迅速上升至250 ℃；二是卷煙抽吸階段，該階段加熱片溫度緩慢上升，由250 ℃逐漸升高至310 ℃。隨著煙草加熱的持續(xù)進(jìn)行，加熱腔內(nèi)的溫度逐漸升高，煙草基質(zhì)中的揮發(fā)、半揮發(fā)成分及霧化劑開始釋放，且隨著溫度的升高，各成分的釋放量逐漸升高，導(dǎo)致粒數(shù)濃度呈現(xiàn)上升趨勢。此外，加熱溫度的升高可能導(dǎo)致高沸點(diǎn)化合物的釋放，這有利于粒徑較大氣溶膠的形成，使逐口釋放氣溶膠的粒數(shù)中值粒徑呈現(xiàn)一定的升高趨勢。品牌4樣品粒數(shù)濃度和體積濃度在逐口中間段較高，這主要與其周向加熱方式有關(guān)，周向加熱是由外周向內(nèi)部加熱，對煙草基質(zhì)的加熱效率較高，容易使煙草成分集中在加熱的中段釋放，因而加熱后段所形成的氣溶膠相對較少。品牌5樣品粒數(shù)濃度和體積濃度的逐口降低趨勢可能與其霧化劑的添加有關(guān)，霧化劑在前幾口逐漸釋放，可能導(dǎo)致后續(xù)幾口氣溶膠的形成量逐漸減少。

整體上，電加熱卷煙樣品氣溶膠的粒數(shù)濃度、粒數(shù)中值粒徑和體積濃度均隨抽吸口數(shù)發(fā)生變化，表現(xiàn)出氣溶膠物理特性的逐口不穩(wěn)定性，這主要與電加熱卷煙的持續(xù)加熱方式有關(guān)，煙芯材料受熱而逐口釋放成分的差異導(dǎo)致了逐口氣溶膠物理特性的差異。

圖4 電加熱卷煙樣品逐口氣溶膠的粒數(shù)中值粒徑

圖5 電加熱卷煙樣品逐口氣溶膠的體積濃度Fig.5 The puff-by-puff particle volume concentration of aerosol from electrically heated cigarettes

3 結(jié)論

本文選取5個(gè)品牌20種市售電加熱卷煙作為樣品，對其氣溶膠的物理特性進(jìn)行了表征，結(jié)果表明：電加熱卷煙氣溶膠的粒徑分布輪廓為單峰分布或雙峰分布，粒數(shù)中值粒徑主要集中在30～60 nm范圍內(nèi)；不同品牌電加熱卷煙總釋放氣溶膠的粒數(shù)濃度與體積濃度存在明顯差異；逐口釋放氣溶膠的粒數(shù)濃度、粒數(shù)中值粒徑和體積濃度隨抽吸口數(shù)均呈現(xiàn)出一定的變化趨勢，這表現(xiàn)出電加熱卷煙氣溶膠的逐口釋放不穩(wěn)定性。本文的研究結(jié)果將為電加熱卷煙的氣溶膠吸入危害評價(jià)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，對于氣溶膠暴露和危害評價(jià)具有重要意義。在本研究基礎(chǔ)上，未來將進(jìn)行加熱卷煙樣品氣溶膠物理特性的單因素試驗(yàn)，系統(tǒng)研究電加熱卷煙氣溶膠的形成及各因素的影響規(guī)律。