电加热不燃烧烟弹及烟芯材料产品开发综述

傅源锋，马早兵，袁岐山，夏启东，靖德军，刘 刚

(1.湖南农业大学 烟草研究院，湖南 长沙 410011；2.广东省金叶科技开发有限公司 工艺部，广东 汕头 515100；3.河南中烟工业有限责任公司技术中心，河南 郑州 450000)

加热不燃烧烟草制品是利用特殊热源对由烟丝或其它烟草材料制备的烟芯进行加热(150～500℃)、烟芯只加热而不燃烧的新型烟草制品[1]，特点是有害成分释放量较传统卷烟低[2-3]且能给消费者带来一定的烟草特征感受。加热不燃烧烟草制品按照热源加热方式的不同，主要分为电加热型、碳加热型、理化反应加热型、其它热源型等。目前，在加热不燃烧烟草制品中，电加热型是市面上主流的产品，其产品开发和技术研究最为广泛，菲莫国际、英美烟草和日本烟草均有其代表产品出售，国内中烟也有相应的技术研究和储备，且有部分产品在海外试销。电加热不燃烧烟草制品作为一种新型的烟草制品，本文从产品类型、烟芯材料、烟支结构等方面对电加热不燃烧型烟草制品的产品开发动态进行综述，旨在为我国电加热不燃烧烟草制品的技术开发提供参考。

1 产品类型分析

加热不燃烧烟草制品的主要特点是利用外部热源加热烟草而不是点燃烟草，这种模式既不同于传统卷烟，也不同于电子烟，其中，传统卷烟需要点燃烟草才能抽吸，而电子烟则是将含有尼古丁的液体雾化从而形成气状物吸入[4]。电加热不燃烧烟草制品作为加热不燃烧烟草制品的主要类型，其加热模式主要是利用电能对烟草制品进行加热，使烟草材料在加热状态下产生气雾从而被吸入，满足消费者需求，就其加热原理而言，包括有电阻、电磁感应、微波、激光和红外等多种加热方式，其中电阻加热是目前的技术主流[5]。

电加热不燃烧烟草制品按其加热结构模式主要分为三种，一种是中心加热结构，一种是外围加热结构，第三种是中心与外围结合加热的结构[4]。另外，还有一种则是将烟草材料与电子雾化液相结合加热的模式，一般将这种模式的产品归入电子烟系列，但本文也将其列入电加热不燃烧烟草制品中作为参考。

1.1 中心加热结构产品

作为加热不燃烧烟草制品的市场鼻祖，菲莫国际的IQOS系列产品采用的便是中心加热的结构模式，如图1所示，该产品包括烟弹和加热棒两部分，使用时需将烟弹插入加热棒中进行加热抽吸。IQOS加热棒中心加热片的工作温度不超过350℃，而烟弹烟芯材料的加热温度不高于300℃[6-8]。该产品自2014年在日本首发后取得较大成功，并呈爆发式增长，2017年全年IQOS烟弹销量达72.5万箱，销售额36.4亿美元，是目前电加热不燃烧烟草制品中销售最好的一款产品。除IQOS产品以外，韩国KTnG生产的lil加热装置(图1)也属于中心加热结构模式，其烟弹可与IQOS万宝路烟弹通用。

图1 菲莫国际IQOS系列产品和韩国KTnG的lil产品

1.2 外围加热结构产品

相较于菲莫国际，英美烟草在加热不燃烧烟草制品的产品开发要晚一些，其代表性产品GLO于2016年12月才在日本仙台上市，10周的销量就占据了当地市场的5.4%，可谓表现优异。如图2所示，该产品同样包括烟弹和加热装置两部分，使用时将超细烟弹插入加热装置中进行加热抽吸。GLO加热装置采用独特的分段动态加热方式，属于外围加热结构模式，工作温度范围在240～350℃[9-10]，设定加热温度低于250℃。

图2 英美烟草GLO系列产品

1.3 烟草与电子雾化液相结合的产品

该类型产品目前在售的主要有两款，一是英美烟草的iFuse产品，二是日本烟草的Ploom Tech产品。如图3所示，iFuse是在电子烟液仓上部增设了可容纳烟草材料的腔室[11]，该产品在使用时，含有丙二醇、甘油、尼古丁等成分的电子烟液通过多孔陶瓷片向雾化器输送并加热，产生的气体流经烟草腔带出烟草材料的挥发性香味成分，以满足消费者感官需求。

图3 英美烟草iFuse产品[11]

而日本烟草的Ploom Tech产品使用原理与iFuse产品类似，其产品结构如图4所示[12]，包括供电单元、含加热元件和雾化液(丙二醇、甘油等)的加热筒以及烟草胶囊三个部分，但与iFuse产品不同的是，其雾化液不含香味物质和尼古丁，烟草胶囊中的材料为经过处理的烟草颗粒。该产品使用时，通过电加热气化雾化液成分，产生的气体流经烟草胶囊，携带出烟草材料的挥发性香味成分供消费者吸食，每个胶囊可抽吸50口，所含烟碱含量为1.10 mg[13]。目前，该产品在日本市场也有较好表现，相较于传统卷烟，其烟气释放降幅在99%左右[14]。

图4 日本烟草Ploom Tech产品[12]

2 烟弹结构分析

电加热不燃烧烟草制品包括烟弹和加热装置两部分，其中加热装置决定了产品加热结构模式，而烟弹则是电加热不燃烧烟草制品的核心部分。目前，市面上主要的烟弹类型为菲莫国际IQOS的万宝路烟支、英美烟草GLO的KENT烟支以及日本烟草Ploom Tech的MEVIUS烟草胶囊，同时，国内部分中烟也有相应的烟弹产品推出。

2.1 万宝路烟支

万宝路烟支是菲莫国际IQOS产品专用烟弹，如图5所示[15-16]，该烟支由四个部分复合而成，包括烟草加热段、中空支撑段、降温冷却段和过滤吸嘴段。该烟支整体为四元结构，总长度为45 mm，圆周为22.5 mm，其中，加热段长度为12 mm，由均质化烟草薄片有序构成；中空段长度为8 mm，由中空醋纤棒构成；降温段长度为18 mm，由聚乳酸膜棒构成；过滤段长度为7 mm，由常规醋酸纤维棒构成。使用时，将烟弹插入加热装置中，通过加热均质化烟草薄片产生气体，该气体通过中空段进入降温段降低烟气温度后，再经过滤段被消费者吸食。目前，万宝路烟支烟弹通用于市面上大多数加热装置，而多数市售产品均以万宝路烟弹尺寸为主，例如四川中烟“宽窄”二代、云南中烟“MC”、广东中烟“ING”等烟弹产品。

图5 万宝路烟支结构图[15-16]

2.2 KENT烟支

KENT烟支是英美烟草GLO产品专用烟弹，如图6所示[17]，该烟支由四个部分复合而成，包括烟草加热区、冷却区、过滤区和吸食区。该烟支整体仍未四元结构，总长度为82 mm，圆周为16.9 mm，其中，加热区长度为42 mm，由烟草薄片无序构成；冷却区长度为25 mm，由中空纸管构成；过滤区长度为8 mm，由醋酸纤维棒构成；吸食区长度为7 mm，由中空纸管构成。使用时，将烟弹插入加热装置中，通过加热烟草薄片产生气体，该气体通过冷却区降低烟气温度后，再经过滤区、吸食区后被消费者吸食。目前，KENT烟支烟弹适用于市面上部分加热装置，而有一部分市售产品则以KENT烟支烟弹尺寸为主，例如广东中烟“MU+”(超细支)烟弹产品。

图6 KENT烟支结构图[17]

2.3 MEVIUS烟草胶囊

MEVIUS烟草胶囊是日本烟草Ploom Tech产品专用烟弹，如图4所示[12]，其烟草材料装在一个长度为23 mm，靠近加热筒端直径为25 mm，靠近唇端直径为29 mm的胶囊中，其中，胶囊靠近加热筒端为网状密封，靠近唇端填充有长度为5 mm、直径为25 mm的醋酸纤维棒。使用时，将胶囊插入到Ploom Tech配套加热筒中，通过加热筒中雾化液产生的气体流经胶囊，可携带出胶囊中烟草材料的挥发性香味成分供消费者吸食。

2.4 国内研发

国内中烟近几年加大了对加热不燃烧烟草制品尤其是电加热不燃烧烟草制品的研发力度，并取得一定成果，众多电加热不燃烧烟支产品纷纷涌现。四川中烟的赵维一等[18]提供了一种加热不燃烧卷烟，如图7所示[18]，包括发烟段、降温段和过滤段，其中，发烟段由成形载体包括纸张、薄片等卷制而成，可产生香气；降温段内包覆有烟丝，既能起到降温作用、又能调香增香；过滤段结构可调，可以是一元的常规醋纤棒，也可以是二元的醋纤棒加中空棒；降温段和过滤段之间有连接件，可以拆卸；该加热不燃烧卷烟具备良好的降温调香效果，且具有过滤棒方便拆卸的优点。

发烟段110、降温段120、连接件122和132、过滤棒130

芯材套1、隔套2、滤嘴套3、隔层4、气孔5

云南中烟的陈剑等[19]设计了一种加热不燃烧卷烟套，如图8所示[19]，芯材套、隔套和滤嘴套，芯材套和滤嘴套活动连接在隔套两端，隔套中设有隔层，隔层上开有若干通气孔，芯材和滤嘴分别插入到芯材套和滤嘴套中使用；该设计可以任意更换不同口味芯材和不同功能滤棒，满足消费者多种需求。

湖北中烟的潘曦等[20]提供了一种含有加香型纤维毡的新型加热不燃烧卷烟，如图9所示[20]，包括烟草材料段、烟丝端中空段、降温段、醋纤丝束过滤段和中空段和设置在降温段的含香纤维毡，其中烟草材料段由烟草薄片构成；中空段由为中空滤棒构成；降温段由纸筒和聚乳酸薄片材料制成；丝束过滤段为醋纤滤棒；含香纤维毡为含香微胶囊制备的纤维毡，所述含香纤维毡设置于降温段聚乳酸膜与纸筒的夹层中。

烟草材料段1、烟丝端中空段2、降温段3、聚乳酸膜3-1、纸筒3-2、醋酸纤维段4、中空段5、含香纤维毡6

图9 含有加香型纤维毡的新型加热不燃烧卷烟[20]

广西中烟的李典等[21]提供了一种具有3D打印滤棒结构的加热不燃烧烟支，如图10所示[21]，包括烟叶段和滤棒段；其中，烟叶段主要是由烟丝、烟草薄片、烟梗等烟草物质混合而成；滤棒段中含有运用3D打印制备得到的塑料段材料及醋酸纤维等传统滤棒材料组成。同时，3D打印段的内在结构可以变化，气道的气程可以改变；根据不同打印的材料，可以改变3D打印段的相变温度，改变不同温度下的吸热效率；根据不同厚度的控制，可以改变3D打印段的柔软度和气泡率，改变对有害物质的吸附能力。该发明将滤棒段中间的塑料段用3D打印的方式进行处理，可以精确的控制塑料段的结构，提高滤棒的降温和减害的效果。

烟叶段1、滤棒段2、滤棒段21和23、3D打印段22、空洞结构221、外壁222

图10 具有3D打印滤棒结构的加热不燃烧烟支[21]

3 烟芯材料分析

目前，国际烟草公司如菲莫烟草公司[22-24]、雷诺烟草公司[25]及英美烟草公司[26-28]对烟弹加热段烟芯材料的研究主要集中在再造烟叶方面，而国内近几年对加热不燃烧烟芯材料的研究开发则是以再造烟叶为主，同时涉及烟丝、梗丝、颗粒等多种形式的烟芯材料。国外烟草公司对加热不燃烧烟草制品的研究大多集中在烟气成分、毒理研究等方面[29-32]；国内赵龙等[33]研究了甘油对烟丝加热状态下烟气中挥发性和半挥发性成分的影响；刘达岸等[34]对不同加热非燃烧再造烟叶的特性进行了研究，收集了造纸法、辊压法、稠浆法3 种工艺制造的加热非燃烧再造烟叶烟草材料,从微观结构、纤维形态、抗张性能、再造烟叶化学成分、烟气化学成分、感官质量等方面进行了系统研究；杨继等[35]利用热重/差示扫描量热法和热裂解分析研究了空气氛围下典型电加热和炭加热新型卷烟烟草材料的热行为；刘珊等[36]研究了加热状态下烤烟、白肋烟、香料烟3种不同类型烟叶的烟气释放特征；王亦等[37]研究了温度对烟丝、再造烟叶、膨胀烟丝和梗丝等烟草基体在加热不燃烧状态下烟气释放量的影响。

3.1 再造烟叶

再造烟叶是绝大部分加热非燃烧卷烟的发烟材料,再造烟叶的制造工艺主要有造纸法、干法、辊压法和稠浆法4种[38]。目前，菲莫国际IQOS烟弹的烟芯材料采用的是稠浆法再造烟叶[39-40]，英美烟草GLO烟弹的烟芯材料采用的是造纸法再造烟叶[41]。湖北中烟的刘达岸等[34]通过分析比较造纸法、稠浆法和辊压法再造烟叶的加热非燃烧特性，得出结论：(1)造纸法加热非燃烧再造烟叶的微观结构及纤维形态与辊压法及稠浆法的截然不同,造纸法再造烟叶抗张强度最高；(2)辊压法和稠浆法加热非燃烧再造烟叶的综合感官质量接近,均优于造纸法加热非燃烧再造烟叶。广东金叶的刘刚等[42]提供了一种加热不燃烧卷烟的加工方法，该方法可将片状再造烟叶(包括干法、造纸法、稠浆法、辊压法等)沿一个方向切成多根长条烟丝，再将烟丝包裹成圆柱形的烟条作为加热不燃烧卷烟烟芯使用，其中烟条内的烟丝呈规则有序排列，该方法实现了加热不燃烧卷烟产业化生产的重要一环。

3.1.1 造纸法再造烟叶

河南中烟的张东豫等[43]发明了一种造纸法再造烟叶及利用其所制备的加热不燃烧卷烟，该发明优化了再造烟叶配方，在再造烟叶产品中去除了外加纤维对产品品质的影响，同时添加多元醇/多元醇酯等雾化剂以保证产品在加热不燃烧状态下的烟雾释放量，同时，利用该再造烟叶所制备的加热不燃烧卷烟可适用于中心加热或外围加热等不同加热方式的加热装置，广普性好。上海烟草的严新龙等[44]提供了一种造纸法加热不燃烧薄片及其涂布液、涂布方法和制备方法，赋予了造纸法烟草薄片高比例添加甘油的特性，且具有较低的表面粘附力和摩擦力，降粘剂的使用克服了传统烟草薄片产品结块影响加工性的问题，利于后续切丝或卷接处理，该方法能够在传统造纸法烟草薄片生产线上进行大规模复制，加快了我国加热不燃烧烟草制品的研究开发。

3.1.2 干法再造烟叶

广东金叶的靖德军等[45]发明一种加热不燃烧卷烟烟芯材料，该烟芯材料采用的是干法再造烟叶，这种借鉴干法气流成型技术成形的加热不燃烧卷烟烟芯材料具备了高负载性能，同时结合干法再造烟叶所具备的烟草有效成分的高还原性和疏松多孔的物理结构，在保证产品感官质量的同时具备高发烟量，具有良好的用户体验感。云南中烟的韩敬美等[46]在传统干法再造烟叶生产工艺基础上，通过优化涂布料配方和改进加工工艺，实现了一种干法再造烟叶在加热不燃烧卷烟产品上的应用。广东中烟的曾健等[47]针对加热不燃烧烟草制品的原料技术不足，提供了一种适用于干法再造烟叶涂布液的烟叶组合物，可作为加热不燃烧卷烟良好的原料选择。

3.1.3 稠浆法再造烟叶

湖北中烟的罗诚浩等[48]提供了一种改进稠浆法加热不燃烧再造烟叶品质的工艺方法及应用，通过该方法制备的加热不燃烧再造烟叶，烟香丰富，木质气息低，刺激性降低和辛辣味减少；在加热不燃烧卷烟中应用，香气协调优美，提调香气，吸味改善，口感舒适。

3.1.4 辊压法再造烟叶

湖北中烟的罗诚浩等[49-50]在辊压法工艺基础上，改进了工艺方法，制备加热不燃烧再造烟叶，解决了大比例添加雾化剂的问题，同时该工艺条件温和，可直接使用现有生产设备，无需改造，具有较大的工业应用前景。

3.2 烟草颗粒

目前，日本烟草Ploom Tech烟弹的烟草材料采用的是烟草颗粒[13]。国内包括安徽中烟、云南中烟等都在以烟草颗粒为基础的加热不燃烧烟芯材料上进行了较多研究。云南中烟的张强等[51]基于烟草膨胀颗粒制备的加热不燃烧抽吸材料，该抽吸材料由烟草原料经初步粉碎后的粉末，经微波膨胀造粒得到烟草膨胀颗粒，再与香料植物颗粒、烟用香精、淀粉胶粘剂、丙二醇及烟用淀粉保润剂充分混匀后得到抽吸材料半成品，通过模具压制成型(棒、片等)得到。安徽中烟的周顺等[52]用烟草超微粉末和其他生物粉末为原料，制备出加热不燃烧释烟颗粒材料，该材料颗粒度均匀，嗅香愉悦，所释放的烟气烟雾量大，在加热不燃烧状态下能够提供消费者类似吸烟的满足感。安徽中烟的何庆等[53]公开了一种包含烟草颗粒的加热不燃烧卷烟，该产品包括外部套筒、依次设置在套筒内的过滤部和颗粒部，其中颗粒部的烟草颗粒密封填装在套管内的顶盖和底座之间的空间内。

3.3 烟丝、梗丝及其它

日本烟草的石川信幸等[54]提供了一种包含烟丝和产生气溶胶的液体的非燃烧型加热吸烟物品用的烟草填充物，该发明对包含烟丝的填充物在加热时能够抑制香吸味成分的蒸发量的降低，并且能够抑制“香吸味阻碍感”，使抽吸更为顺畅。上海聚华科技的潘雪松等[55]发明了一种用于电加热不燃烧的香烟气雾产生载体，包括再造梗丝，该再造梗丝是烟草梗丝经过萃取降低或去除其中的蛋白、多糖、硝酸盐物质后，再向烟草梗丝中回填致香物质、气雾剂等成分而形成的。云南中烟的王乃定等[56-58]基于成形纸涂布设备，发明了一种可用于加热不燃烧卷烟烟芯材料的成形纸，该烟芯材料是通过在成形纸上多次涂布烟草原料、烟草提取物、雾化剂等有效成分制备而成，采用该发明烟芯制成的加热不燃烧卷烟抽吸时烟气饱满、香气丰富、劲头适中，抽吸品质显著提升。

4 总结

目前，菲莫国际、英美烟草、日本烟草等主要的跨国烟草公司均在电加热不燃烧烟草制品上有较大技术优势，并且有相关产品上市销售，随着技术的进步，电加热不燃烧烟草制品的更新换代越来越频繁，菲莫国际的IQOS已经发展到第三代产品，烟弹的抽吸口感也越来越好。而国内烟草企业在电加热不燃烧烟草制品的开发上也已经有较大进步，产品开发日新月异，部分烟芯材料的产品如干法再造烟叶烟芯材料[42]、造纸法再造烟叶烟芯材料[44]已具备工业化生产能力。本文通过分析主要跨国烟草公司的电加热不燃烧卷烟产品特点，以及近几年国内烟草企业在电加热不燃烧烟草制品的产品开发介绍，为我国烟草行业在电加热不燃烧制品的持续开发和规模化生产提供一个有益的参考，以期掌握技术优势，加快中式特色的电加热不燃烧制品的开发进度，形成有效的技术壁垒，占据市场主导权，提升市场竞争力。