馬 潤(rùn),陳紹全,吳建霖,陳宇超,周 俊,王小升,翟 磊,李瀟逸,李忠任,2
(1.中煙施偉策(云南)再造煙葉有限公司,云南 玉溪 653100;2.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,昆明 650106)
《世界衛(wèi)生組織煙草控制框架公約》于2005 年2月27 日生效以來(lái),各國(guó)不斷加強(qiáng)煙草行業(yè)的管控,通過(guò)加稅、禁煙、限制包裝等多項(xiàng)法律法規(guī)控?zé)熃麩煟?]。隨著全球控?zé)煭h(huán)境的日趨嚴(yán)峻及消費(fèi)者對(duì)健康的日益關(guān)注,研發(fā)一種全面、大幅地降低煙草有害成分釋放量的新型煙草制品逐漸成為世界各國(guó)煙草行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)[2]。
加熱煙草作為新型煙草制品,以低危害性的卷煙替代品進(jìn)入人們的視野,加熱煙草的特點(diǎn)使其在低溫(250~350 ℃)狀態(tài)下為消費(fèi)者提供一定的煙草特征感受[3]。加熱煙草由煙草基質(zhì)及輔料復(fù)合的煙支部分、提供外部熱源的煙具∕加熱棒加熱部分組成。根據(jù)加熱類(lèi)型可分為碳加熱和電加熱兩種類(lèi)型,其中市場(chǎng)主流加熱煙草產(chǎn)品以電加熱為主,根據(jù)電加熱部位不同又可分為中心(以IQOS 為代表)及周向(以glo 為代表)加熱兩種類(lèi)型,進(jìn)而衍生出不同的煙彈結(jié)構(gòu)及材料需求以配合煙具釋放具有煙草特征的氣溶膠[4]。
已有研究基于市場(chǎng)主流加熱煙草對(duì)煙彈部分進(jìn)行剖析,本研究對(duì)煙草基質(zhì)段所使用的再造煙葉進(jìn)行常規(guī)理化指標(biāo)、加熱煙草芯材關(guān)鍵指標(biāo)發(fā)煙劑含量、水分、熱失重檢測(cè)分析,并對(duì)比差異性,以期為加熱煙草芯材研發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
選取國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上主流加熱煙草煙彈和國(guó)內(nèi)中心加熱煙草煙彈為研究對(duì)象,對(duì)煙彈中負(fù)載發(fā)煙劑及揮發(fā)性致香成分的煙草基質(zhì)段進(jìn)行調(diào)研分析。主要儀器如表1 所示,主要試驗(yàn)材料如表2 所示。
表1 主要儀器
表2 主要試驗(yàn)材料
1.2.1 煙支填充密度檢測(cè) 采用游標(biāo)卡尺測(cè)量煙草基質(zhì)段長(zhǎng)度及直徑,采用電子天平稱(chēng)取煙草基質(zhì)段重量,根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)計(jì)算加熱煙草煙彈圓周長(zhǎng)、填充密度等指標(biāo)。
1.2.2 物理指標(biāo)檢測(cè) 待測(cè)樣品在溫度(20±2)℃、濕度60%±2% 下平衡48 h,分別按GB∕T 12914—2008《紙和紙板抗張強(qiáng)度的測(cè)定》[5]、GB∕T 458—2002《紙和紙板透氣度的測(cè)定(肖伯爾法)》[6]、GB∕T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測(cè)定》[7]和GB∕T 451.2—2002《紙和紙板定量的測(cè)定》[8]測(cè)定縱向抗張強(qiáng)度、拉伸率、透氣度、厚度和定量。
1.2.3 化學(xué)指標(biāo)檢測(cè) 參照YCT 159—2002《煙草及煙草制品水溶性糖的測(cè)定連續(xù)流動(dòng)法》[9]、YCT 161—2002《煙草及煙草制品總氮的測(cè)定連續(xù)流動(dòng)法》[10]、YCT 160—2002《煙草及煙草制品總植物堿的測(cè)定連續(xù)流動(dòng)法》[11]、YCT 296—2009《煙草及煙草制品硝酸鹽的測(cè)定連續(xù)流動(dòng)法》[12]、YCT 217—2007《煙草及煙草制品鉀的測(cè)定連續(xù)流動(dòng)法》[13]、YCT 162—2011《煙草及煙草制品氯的測(cè)定連續(xù)流動(dòng)法》[14]測(cè)定樣品化學(xué)指標(biāo)。
1.2.4 發(fā)煙劑含量檢測(cè) 參照云南中煙標(biāo)準(zhǔn)QYNZY.J07.632—2017《電加熱不燃燒卷煙及芯基材丙二醇、丙三醇的測(cè)定氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法》[15]測(cè)定加熱非燃燒型卷煙煙芯材料中甘油和丙二醇含量。按式(1)計(jì)算每根煙彈煙草基質(zhì)中丙二醇、煙堿和甘油含量。
式中,ω為煙草基質(zhì)中丙二醇(或煙堿、甘油)含量,mg∕cig;m為煙草基質(zhì)段質(zhì)量,g∕cig;ω1為基材含水率,%;ω2為煙草基質(zhì)中丙二醇(或煙堿、甘油)含量,%。
從圖1 可以看出,國(guó)際主流中心加熱煙草基質(zhì)段填充密度高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。從表3 可以看出,國(guó)際主流中心加熱型煙草中,Marlboro HeatSticks 煙草基質(zhì)段填充密度最高,為0.62 g∕cm3,其次是中心加熱型煙草Fiit,其煙草基質(zhì)段填充密度為0.54 g∕cm3。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草產(chǎn)品中,ETER-TS 煙草基質(zhì)段填充密度最高,為0.41 g∕cm3,其次是Kuanzhai 和MC,兩款加熱煙草基質(zhì)段填充密度基本一致。
圖1 國(guó)內(nèi)外主流加熱非燃燒型卷煙煙草基質(zhì)段填充密度對(duì)比
表3 國(guó)內(nèi)外主流加熱煙草煙彈物理指標(biāo)
由表4 可以看出,國(guó)際主流中心加熱型煙草Fiit煙草基質(zhì)含水率最高,為14.4%,其次是Marlboro HeatSticks,其煙草基質(zhì)含水率為12.3%。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草MC 和Kuanzhai 含水率基本一致,兩款中心加熱型煙草基質(zhì)含水率分別為12.2% 和12.4%,其次是ETER-TS,其煙草基質(zhì)含水率為10.8%。
表4 煙草基質(zhì)物理指標(biāo)
國(guó)際主流中心加熱型煙草Fiit 煙草基質(zhì)熱水可溶物含量最高,為67%,其次是Marlboro HeatSticks,其煙草基質(zhì)熱水可溶物含量為61%。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草ETER-TS 熱水可溶物含量為43%,較Fiit 煙草基質(zhì)降低了35.82%,較Marlboro HeatSticks 煙草基質(zhì)降低了29.51%。
從表5 可以看出,常規(guī)化學(xué)指標(biāo)方面,國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)總糖、還原糖、總植物堿含量高于國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)。
表5 煙草基質(zhì)段常規(guī)化學(xué)指標(biāo)(單位:%)
從表6 可以看出,國(guó)際主流中心加熱型煙草丙二醇含量為0.44~0.68 mg∕cig。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)中,Kuanzhai丙二醇含量最高,為5.08 mg∕cig,其次是ETER-TS,其丙二醇含量為1.35 mg∕cig,MC丙二醇含量最低,為0.33 mg∕cig。
國(guó)際主流中心加熱型產(chǎn)品煙草基質(zhì)中煙堿總量高于國(guó)內(nèi)中心加熱型產(chǎn)品。國(guó)際主流中心加熱型產(chǎn)品中,F(xiàn)iit 煙草基質(zhì)段煙堿總量最高,為2.12 mg∕cig,其次是Marlboro HeatSticks,其煙堿含量為1.97 mg∕cig。國(guó)內(nèi)中心加熱型產(chǎn)品中,Kuanzhai煙草基質(zhì)段煙堿總量最高,為1.73 mg∕cig,其次是ETER-TS,其煙草基質(zhì)段煙堿總量為0.88 mg∕cig,MC 煙草基質(zhì)段煙堿總量最低,為0.74 mg∕cig。
國(guó)際主流中心加熱型煙草Marlboro HeatSticks和Fiit 煙草基質(zhì)段甘油含量均在28.00 mg∕cig 以上,國(guó)內(nèi)中心加熱型產(chǎn)品中,ETER-TS 煙草基質(zhì)段甘油含量超過(guò)28.00 mg∕cig,Kuanzhai 和MC 煙草基質(zhì)段甘油含量低于28.00 mg∕cig。國(guó)際主流中心加熱型產(chǎn)品中,F(xiàn)iit煙草基質(zhì)段甘油含量最高,為37.33 mg∕cig,其次是Marlboro HeatSticks,甘油含量為28.25 mg∕cig。國(guó)內(nèi)中心加熱型產(chǎn)品中,ETER-TS 煙草基質(zhì)段甘油含量最高,為31.04 mg∕cig,其次是Kuanzhai,其煙草基質(zhì)段甘油含量為27.99 mg∕cig,MC 煙草基質(zhì)段甘油含量最低,為19.99 mg∕cig。
Marlboro HeatSticks、Fiit、KENT、MC、Kuanzhai和ETER-TS 煙草基質(zhì)熱重分析結(jié)果見(jiàn)圖2。
根據(jù)熱重分析結(jié)果,將Marlboro HeatSticks、Fiit、KENT、MC、Kuanzhai 和ETER-TS 煙草基質(zhì)熱重分析過(guò)程中加熱溫度和質(zhì)量變化結(jié)果進(jìn)行擬合制圖,得到圖3。
圖3 煙草基質(zhì)質(zhì)量與加熱溫度的關(guān)系
從圖2、圖3 中可以看出,加熱溫度升高至30 ℃左右時(shí),國(guó)內(nèi)外加熱煙草基質(zhì)質(zhì)量開(kāi)始出現(xiàn)下降,加熱溫度在30~150 ℃時(shí),煙草基質(zhì)質(zhì)量下降5%~15%,推測(cè)在該溫度范圍內(nèi)煙草基質(zhì)中水分開(kāi)始蒸發(fā),易揮發(fā)香料開(kāi)始揮發(fā)造成煙草基質(zhì)質(zhì)量變化。加熱溫度在150~200 ℃時(shí),煙草基質(zhì)質(zhì)量下降約10%,推測(cè)在該溫度范圍內(nèi)煙草基質(zhì)中水分蒸發(fā)、易揮發(fā)香料揮發(fā)、丙二醇開(kāi)始揮發(fā)造成煙草基質(zhì)質(zhì)量變化。加熱溫度在200~350 ℃時(shí),煙草基質(zhì)質(zhì)量下降約40%,推測(cè)在該溫度范圍內(nèi)丙二醇揮發(fā)、甘油揮發(fā)、纖維素開(kāi)始解離、版纖維素開(kāi)始分解造成煙草基質(zhì)質(zhì)量變化。加熱溫度在350~500 ℃時(shí),煙草基質(zhì)質(zhì)量下降約30%,推測(cè)在該溫度范圍內(nèi)纖維素開(kāi)始分解,碳開(kāi)始分解造成煙草基質(zhì)質(zhì)量變化。將煙草基質(zhì)熱裂解過(guò)程中溫度區(qū)間與質(zhì)量變化進(jìn)行制圖,詳見(jiàn)圖4。
圖4 煙草基質(zhì)質(zhì)量與加熱溫度區(qū)間的關(guān)系
由圖4 可知,在26~120 ℃加熱溫度內(nèi),國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)Marlboro HeatSticks 和Fiit質(zhì)量損失分別為5.00%和9.50%,國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)MC、Kuanzhai 和ETER-TS 質(zhì)量損失分別為12.10%、11.35%和7.06%。
在120~230 ℃加熱溫度內(nèi),國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)Marlboro HeatSticks 和Fiit 質(zhì)量損失分別為24.46%和27.32%,國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)MC、Kuanzhai 和ETER-TS 質(zhì)量損失分別為22.53%、22.80%和19.70%。
在230~380 ℃加熱溫度內(nèi),國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)Marlboro HeatSticks 和Fiit 質(zhì)量損失分別為32.69%和28.94%,國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)MC、Kuanzhai 和ETER-TS 質(zhì)量損失分別為32.05%、30.58%和41.96%。
在380~500 ℃加熱溫度內(nèi),國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)Marlboro HeatSticks 和Fiit 質(zhì)量損失分別為23.15%和23.72%,國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)MC、Kuanzhai 和ETER-TS 質(zhì)量損失分別為24.52%、24.94%和22.43%。
國(guó)際主流中心加熱型煙草配套加熱系統(tǒng)加熱溫度為300 ℃,抽吸過(guò)程中有熱量損失,加熱系統(tǒng)溫度會(huì)有一定程度下降,從加熱溫度區(qū)間國(guó)內(nèi)外加熱型煙草基質(zhì)質(zhì)量的變化來(lái)看,國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)在120~230 ℃內(nèi)質(zhì)量變化明顯高于國(guó)內(nèi)加熱型煙草基質(zhì),在230~380 ℃加熱溫度溫度內(nèi)國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)Marlboro HeatSticks、Fiit煙草基質(zhì)質(zhì)量損失和MC、Kuanzhai 煙草基質(zhì)質(zhì)量損失基本一致,但ETER-TS 煙草基質(zhì)質(zhì)量損失在230~380 ℃加熱溫度內(nèi)最高,達(dá)41.96%,與周向加熱型產(chǎn)品KENT 煙草基質(zhì)在該溫度范圍內(nèi)的質(zhì)量損失基本一致。
由圖5 可知,本次測(cè)試的樣品中,KENT、MC 和Kuanzhai 煙草基質(zhì)在熱重分析過(guò)程中出現(xiàn)5 個(gè)失重峰,Marlboro HeatSticks、Fiit 和ETER-TS 煙草基質(zhì)在熱重分析過(guò)程中出現(xiàn)4 個(gè)失重峰,其中第1 個(gè)失重峰峰值溫度約為68 ℃,第2 個(gè)失重峰峰值溫度約為200 ℃,第3 個(gè)失重峰峰值溫度為250~300 ℃,第4 個(gè)失重峰峰值溫度為300~450 ℃,第5 個(gè)失重峰峰值溫度約為420 ℃。
圖5 煙草基質(zhì)熱重失重峰與峰值溫度
煙草基質(zhì)在不同失重峰的失重速率,間接反映了水分、甘油、丙二醇和揮發(fā)性致香成分的揮發(fā)速率,因此將不同失重峰時(shí)煙草基質(zhì)的失重速率進(jìn)行繪圖對(duì)比,詳見(jiàn)圖6。
圖6 煙草基質(zhì)熱重失重峰與失重速率的關(guān)系
結(jié)合圖5 和圖6 可以看出,第1 個(gè)失重峰峰值溫度約為68 ℃,國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)Marlboro HeatSticks 失重速率為1.04 %∕min,F(xiàn)iit 失重速率為1.98%∕min。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)MC失重速率為3.21%∕min,Kuanzhai失重速率為2.71%∕min,ETER-TS 失重速率為1.80%∕min。
第2 個(gè)失重峰峰值溫度約為200 ℃,國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)Marlboro HeatSticks 失重速率為3.54 %∕min,F(xiàn)iit 失重速率為4.26 %∕min。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)MC 失重速率為3.78 %∕min,Kuanzhai 失重速率為3.45 %∕min,ETER-TS 失重速率為3.15%∕min。
第3 個(gè)失重峰峰值溫度為250~300 ℃,國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)Marlboro HeatSticks 失重速率為4.63 %∕min,F(xiàn)iit 失重速率為3.11 %∕min。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)MC 失重速率為2.05 %∕min,Kuanzhai 失重速率為3.59 %∕min,ETER-TS 失重速率為4.75%∕min。
第4 個(gè)失重峰峰值溫度為300~450 ℃,國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)Marlboro HeatSticks 失重速率為5.11 %∕min,F(xiàn)iit 失重速率為3.52 %∕min。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)MC 失重速率為3.51 %∕min,Kuanzhai 失重速率為7.00 %∕min,ETER-TS 失重速率為6.42%∕min。
第5 個(gè)失重峰峰值溫度約為420 ℃,國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)MC 失重速率為4.02 %∕min,Kuanzhai失重速率為3.65%∕min。
國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)在第2 個(gè)失重峰的失重速率基本接近國(guó)際主流中心加熱型煙草Marlboro HeatSticks 煙草基質(zhì)失重速率,國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草ETER-TS 煙草基質(zhì)在第3 個(gè)失重峰時(shí)與國(guó)際主流中心加熱型煙草Marlboro HeatSticks 煙草基質(zhì)失重速率基本一致,但MC 和Kuanzhai 煙草基質(zhì)失重速率明顯低于Marlboro HeatSticks。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草ETER-TS 煙草基質(zhì)在第3 個(gè)失重峰時(shí)失重速率稍高于國(guó)際主流中心加熱型煙草Marlboro Heat-Sticks 煙草基質(zhì),國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草MC 煙草基質(zhì)在第3 個(gè)失重峰時(shí)失重速率明顯低于國(guó)際主流中心加熱型煙草Marlboro HeatSticks 煙草基質(zhì)。
綜上所述,國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)在200~300 ℃加熱溫度條件下的失重速率略低于國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì),在300~350 ℃加熱溫度條件下失重速率優(yōu)于國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)。從不同加熱溫度條件下煙草基質(zhì)的失重速率來(lái)看,為保持氣溶膠和揮發(fā)性致香成分的遷移,國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)加熱溫度需比國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)高50 ℃左右。
Marlboro HeatSticks 煙草基質(zhì)段填充密度最高,為0.62 g∕cm3,其次是中心加熱型煙草Fiit,其煙草基質(zhì)段填充密度為0.54 g∕cm3。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草產(chǎn)品ETER-TS煙草基質(zhì)段填充密度最高,為0.41 g∕cm3,其次是Kuanzhai 和MC,兩款中心加熱型煙草基質(zhì)段填充密度基本一致,國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)段填充密度明顯高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。
國(guó)際主流中心加熱型煙草Fiit 煙草基質(zhì)熱水可溶物含量最高,為67%,其次是Marlboro HeatSticks,其煙草基質(zhì)熱水可溶物含量為61%。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草ETER-TS 熱水可溶物含量為43%,較國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)低約20 個(gè)百分點(diǎn)。
常規(guī)化學(xué)指標(biāo)方面,國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)總糖、還原糖、總植物堿含量高于國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)。
甘油和丙二醇加熱后形成氣溶膠,是加熱型煙草基質(zhì)中主要的發(fā)煙劑,本次分析試樣中,國(guó)際主流加熱煙草基質(zhì)丙二醇含量為0.44~0.68 mg∕cig,甘油含量為16.71~28.25 mg∕cig。國(guó)內(nèi)加熱型煙草Kuanzhai 和ETER-TS 煙草基質(zhì)中丙二醇和甘油含量高于國(guó)際主流加熱型產(chǎn)品丙二醇和甘油含量均值。
煙堿含量直接影響抽吸時(shí)生理滿足感,本次分析的試樣中,國(guó)際主流加熱型煙草基質(zhì)煙堿含量為0.51~2.12 mg∕cig,均值為1.53 mg∕cig。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草煙堿含量為0.74~1.73 mg∕cig,均值為1.12 mg∕cig。國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)煙堿含量均值低于國(guó)際主流加熱型煙草基質(zhì)。
國(guó)際主流中心加熱型煙草配套加熱系統(tǒng)加熱溫度為300 ℃,抽吸過(guò)程中有熱量損失,加熱系統(tǒng)溫度會(huì)有一定程度下降,從加熱溫度區(qū)間國(guó)內(nèi)外加熱型煙草基質(zhì)質(zhì)量的變化來(lái)看,國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)在120~230 ℃內(nèi)質(zhì)量變化明顯高于國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì),在230~380 ℃加熱溫度范圍內(nèi)國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)Marlboro HeatSticks、Fiit 煙草基質(zhì)質(zhì)量損失和MC、Kuanzhai 煙草基質(zhì)質(zhì)量損失基本一致,但ETER-TS 煙草基質(zhì)質(zhì)量損失在230~380 ℃加熱范圍內(nèi)最高,達(dá)41.96%,與周向加熱型產(chǎn)品KENT 煙草基質(zhì)在該溫度范圍內(nèi)的質(zhì)量損失基本一致。
國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)在200~300 ℃加熱溫度條件下的失重速率略低于國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì),在300~350 ℃加熱溫度條件下失重速率優(yōu)于國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)。
綜上所述,為了提升國(guó)內(nèi)加熱型煙草基質(zhì)品質(zhì)水平,對(duì)標(biāo)國(guó)際主流加熱型煙草基質(zhì)品質(zhì),本研究提出以下對(duì)策建議。一是提高填充密度和新材料導(dǎo)熱性能,從而提高120~230 ℃加熱溫度范圍內(nèi)氣溶膠、香氣物質(zhì)和煙堿的釋放量;二是提高熱水可溶物含量,增加煙草成分的含量,改善吸味;三是提高煙堿含量,增加抽吸時(shí)的滿足感;四是基于國(guó)內(nèi)加熱型煙草基材熱重特性,從不同加熱溫度條件下煙草基質(zhì)的失重速率來(lái)看,為保持氣溶膠和揮發(fā)性致香成分的遷移,國(guó)內(nèi)中心加熱型煙草基質(zhì)加熱溫度需比國(guó)際主流中心加熱型煙草基質(zhì)高50 ℃左右。