电加热卷烟烟气关键成分在滤嘴中的截留规律

王 乐，韩敬美，张明建，雷 萍，张 柯，尚善斋，汤建国*，李志强，黄 锋*，李 斌

1. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

2. 云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市五华区红锦路367 号 650231

电加热卷烟是加热卷烟的主要形式，在国际市场上发展迅速，针对电加热卷烟的研究已经成为烟草科技的热点问题［1］。研究重点主要集中于加热温度［2］、抽吸模式［3］及烟草材料对烟气气溶胶生成释放规律的整支/逐口检测方面［4-5］，而对电加热卷烟关键成分在滤嘴中的迁移与过滤规律研究鲜有报道。张丽等［6］研究了加热卷烟烟草材料、气溶胶及滤嘴中1，2-丙二醇、丙三醇、烟碱及部分香味成分的质量和转移情况，由于受到滤嘴结构、材质、长度及烟草材料等多种因素的综合影响，仅获得了转移率的大概范围，尚未定量揭示滤嘴材质与长度对烟气关键成分的影响规律。电加热卷烟中滤嘴对关键烟气成分截留规律是其结构设计与定量优化的关键，因此，考察了电加热卷烟中功能滤嘴结构特征对烟碱、丙三醇、1，2-丙二醇的截留率，获得了卷烟滤嘴对3 种关键成分的迁移规律，旨在为加热卷烟滤嘴段设计与优化提供基础支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

卷烟：采用9 种不同烟支设计参数规格的电加热卷烟烟支，编号1～9 号。烟支总长度均为45 mm［1～8 号（15+10+10+10） mm；9 号（13+7+17+8）mm］，其中1～8 号烟支样品的烟芯长度固定为15 mm，9 号烟支样品的烟芯长度为13 mm，所有烟支直径均为7.2 mm。滤嘴结构如图1 所示，由中空段、聚乳酸段以及醋纤段3 部分组成，滤嘴总长度为30～32 mm，各个部分的长度参数具体见表1。

试剂：1，2-丙二醇、甘油（纯度＞99.0%，国药集团化学试剂有限公司）；烟碱、1，3-丁二醇（纯度＞99.0%，加拿大TRC 公司）；2-甲基喹啉（纯度＞99.5%，南京化学试剂股份有限公司）；甲醇（色谱纯，上海赛默飞世尔科技有限公司）。

图1 电加热卷烟烟支结构示意图Fig.1 Structure of a commercial electrically heated tobacco product

表1 试验烟支设计参数表Tab.1 Design parameters of test tobacco stick samples

仪器：TRACE1310 气相色谱仪（配有氢火焰检测器，美国 Thermo 公司）；X500E-A 型电子烟吸烟机（上海帕夫曼自动化仪器有限公司）；8510E-MTH 超声波发生器（美国Branson 公司）；XP 204 电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；ELGA/MILLTI-Q 超纯水发生器（美国Millpore 公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 烟碱、甘油及1，2-丙二醇的测定

加热卷烟烟芯和滤嘴各段中烟碱、甘油及1，2-丙二醇的测定分别依据烟草行业标准YC/T 154—2001［7］、YC/T 246—2008［8］与 YC/T 243—2008［9］中的方法，样品平行测定 2 次。

1.2.2 主流烟气总粒相物的收集

为了降低烟支样品引起的随机误差与关键成分捕集装置引起的系统误差，针对1～9 号每个牌号的烟支样品，随机挑选12 支烟支同时进行抽吸。待抽吸结束后，将12 支卷烟滤嘴中的关键成分萃取出来并进行检测，对测得的关键成分取平均值即可获得单支样品滤嘴上的检测量。

卷烟抽吸前，将44 mm 剑桥滤片装入捕集器并称重，用X500E-A 自动吸烟机的逐口分析单元，在设定抽吸模式下（抽吸容量55 mL、抽吸持续时间2 s、抽吸间隔30 s，钟形曲线）捕集12 支加热卷烟的逐口烟气粒相成分（12 口）。卷烟抽吸结束后，取出捕集器及抽吸结束后的烟支，放置3 min，称取捕集器与抽吸结束后烟支质量，随后将截留主流烟气的剑桥滤片及抽吸结束后的烟支放入50 mL 锥形瓶中，加入20 mL 内标萃取液，超声10 min，再用0.45 μm 有机相滤膜过滤后装入色谱瓶，即得待测液。

色谱条件为：

色谱柱：DB-ALC-1（30 m×0.32 mm，1.8 μm）；程序升温：初温100 ℃（保持1 min），先以15℃/min 的速率升至130 ℃，后继续以20 ℃/min 的速率升至220 ℃，保持10 min；进样口温度：250 ℃；FID 检测器温度：275 ℃；载气为氦气（纯度≥0.999 99），载气流量：1.8 mL/min，恒流模式；空气流量：350 mL/min；氢气：35 mL/min；尾吹气氦气：5 mL/min；进样体积：1 µL，分流进样，分流比50∶1。

2 数学模型

当烟气通过烟支滤嘴时，部分烟气物质会被滤嘴截留吸收。过程机制主要为物理作用效应，包含有拦截效应、惯性效应、扩散效应和静电效应等。其中扩散与拦截是主要影响机制，占总效应的比例分别约为65%和30%～35%［10］。

通过测量1～9 号电加热卷烟烟支样品抽吸前后滤嘴与剑桥滤片上的烟碱、甘油以及1，2-丙二醇的质量变化，获得3 种关键烟气成分的卷烟滤嘴迁移率、穿透率和截留率。滤嘴对烟气关键成分的截留率定义为：

式中：η表示烟支滤嘴对烟气关键成分的截留率，%；Δmcig，f表示抽吸前后烟支滤嘴中关键成分质量的差值，mg；Δmcam，f表示抽吸前后剑桥滤片中关键成分质量的差值，mg。

迁移率和穿透率是相同的物理概念，迁移率是以关键成分为对象，穿透率则是以烟支滤嘴为对象。穿透率与截留率之和等于1，故下文中仅分析不同卷烟滤嘴结构对烟气关键成分截留率的影响。

为了深度研究不同卷烟滤嘴结构即各段长度变化对烟气关键成分截留率的影响规律，需要建立截留规律的数学模型，该数学模型能够预测滤嘴各段不同长度对烟气中烟碱、甘油以及丙二醇的截留情况。为此提出两点假设：①假设滤嘴的各个部分组成与截留能力均一稳定；②假设烟气温度对滤嘴截留能力的影响不显著。基于此，提出2 种简单的宏观滤嘴截留模型。

2.1 线性模型

根据上述假设，烟支滤嘴各段的截留率与其长度成正比，线性模型下滤嘴多段组合的截留率可以表示为滤嘴各段截留率的线性叠加。设中空段单位长度的截留率为k1，聚乳酸段单位长度的截留率为k2，醋纤段单位长度的截留率为k3，单位均为mm-1。因此，滤嘴各段对烟气关键成分的截留率可以表示为：

滤嘴对烟气中关键成分的截留率可以表示为：

式中：x1，x2，x3分别表示滤嘴中空段、聚乳酸段、醋纤段的长度，mm。

在线性模型框架下，多段复合滤嘴中各段截留率与总的截留率之间满足如下关系：

按照线性模型计算，在线性叠加下，当自变量x 取值较大时，烟支滤嘴的截留率计算值有可能会超过1，出现不符合常识的情况。根本原因在于，线性模型虽然简单可靠，但缺乏内在的物理意义，主要表现为数据规律的拟合。为此，本研究中同时提出滤嘴截留的指数模型。

2.2 指数模型

对于指数模型，同样假设烟支滤嘴各段单位长度上的截留能力相同，截留系数为k，这与线性模型相同，不同之处在于此时认为烟气关键成分的浓度与各段的长度之间满足指数函数关系，烟气浓度随着滤嘴长度不断变小，关系式如下：

式中：Cin表示烟气进入滤嘴各段的浓度，mg/mL；Cout表示烟气离开滤嘴各段的浓度，mg/mL。

由于卷烟烟气依次通过由中空段、聚乳酸段、醋纤段串联组成的复合滤嘴，烟气为连续性状态，因而其离开复合滤嘴上一段的出口浓度将是进入下一段的入口浓度，即：

结合式（5）和式（6），烟气离开整个复合滤嘴的浓度可以表示为：

式中：k1表示中空段单位长度的截留能力，k2表示聚乳酸段单位长度的截留能力，k3表示醋纤段单位长度的截留能力，单位均为mm-1；x1，x2，x3分别表示滤嘴中空段、聚乳酸段、醋纤段的长度，单位均为mm。

各段滤嘴对烟气关键成分的截留率可表示为：

多段串联组合的滤嘴对烟气关键成分的截留率可表示为：

在指数模型框架下，多段复合滤嘴中各段截留率与总的截留率之间满足如下关系：

比较线性模型与指数模型可以发现，线性模型满足线性叠加原理，指数模型满足指数乘法原理。同时，两个模型都满足交换率，即当滤嘴各个组成部分发现次序交换时，截留率不会发生变化。

2.3 模型评价

模型的拟合效果分别采用决定系数R2与均方根误差RMSE 进行评价［11］。具体表达式如下：

式中：Cov 表示数组的协方差运算，Var 表示数组的方差运算。

3 结果与讨论

3.1 不同滤嘴结构对烟气关键成分截留的影响

表2 为电加热卷烟不同参数规格的滤嘴对烟碱、甘油和丙二醇的截留结果。从不同物质截留率看，2 号样品对烟碱和甘油的截留率分别为39.83%和44.29%，在所有样品中都明显偏低，对丙二醇的截留率为63.11%，也为相对较低水平；8 号样品对烟碱、甘油和丙二醇的截留率分别为97.81%、93.31%和93.11%，在所有样品中都明显偏高。对照烟支滤嘴的设计参数，2 号样品滤嘴为全中空段，8 号样品为全醋纤段，而5 号样品为全聚乳酸段。为此，从总截留率看，中空材料最低，聚乳酸次之，醋纤段最大。

表2 不同规格的滤嘴对烟碱、甘油和丙二醇的截留测试结果Tab.2 Retention test results of nicotine，glycerin and propylene glycol by filters of different specifications

3.2 滤嘴截留规律分析

根据2.1 节、2.2 节可知，滤嘴材料对电加热卷烟烟气关键成分的截留可能符合线性模型或指数模型规律。为此，首先对1～8 号烟支样品检测结果进行分析。以表1 中卷烟滤嘴各段尺寸数据作为多元自变量，表2 中烟碱、甘油以及丙二醇的截留率分别作为函数值，分别代入线性模型和指数模型，采用非线性拟合求解模型参数，从而获得烟气各关键成分截留率的计算值。如图2 所示，对比试验值与计算值可以看出，线性模型和指数模型对烟气中烟碱、甘油及丙二醇的滤嘴截留率拟合效果均较好。

为进一步量化比较线性模型与指数模型的拟合效果，分别采用决定系数R2与均方根误差RMSE 作为评价指标［11］。以 9 号样品测试结果对模型进行验证，将该样品参数代入模型，计算得到烟碱、甘油以及丙二醇的截留率，并与实际值比较得到相对偏差。从表3 可以看出，各关键化学成分的线性模型和指数模型的决定系数均大于0.9，最高为烟碱滤嘴截留的线性模型，达0.993 1。综合对比R2与RMSE 值，线性模型对烟碱和丙二醇的拟合效果均好于指数模型，指数模型则对甘油的拟合效果好于线性模型。进一步对比测试样品的相对偏差，可以看出线性模型和指数模型的相对偏差最大为9.7%，最小为3.7%；指数模型对各成分的预测效果均好于线性模型。

图2 烟碱、甘油、丙二醇截留率实验值与计算值比较Fig.2 Comparison of test and calculated retention rates of nicotine，glycerol and propylene glycol

表3 线性模型与指数模型比较Tab.3 Comparison between linear model and exponential model

在线性模型下，滤嘴总的截留量等于各段截留量之和。图3 为不同滤嘴各段对于烟碱、甘油以及丙二醇的截留率计算值结果。从模型表达式和数据结果看均为简单线性叠加关系。

在指数模型下，滤嘴总的截留率与各段截留率之间存在较为复杂的指数函数相乘关系，如公式（10）所示，而不是各段截留率的简单叠加。图4 为指数模型下不同滤嘴各段对烟碱、甘油以及丙二醇的截留率。指数模型下，体现了烟气依次通过烟支不同结构与长度的滤嘴被截留过程，关键成分的浓度不断降低，对于烟气来说经历了一种路径的串联，这种串联关系更加符合真实物理情况。而线性模型下，并没有体现烟气依次通过的滤嘴截留关系，只是线性简单叠加，烟气相当于同时通过滤嘴各段。综合对比图3 与图4 可以看出，两种模型计算的烟气关键成分在滤嘴各段中的截留率数值结果较为接近但略有偏差，以1 号样品的丙二醇为例，针对中空段，线性模型预测值约为20%，而指数模型约为28%，指数模型预测值偏大。从滤嘴设计这一工程应用角度看，更关注不同滤嘴结构对关键成分的总截留率的影响，因此线性模型与指数模型均是适合的。

图3 线性模型下各段滤嘴对烟碱、甘油、丙二醇的截留率Fig.3 Retention rates of nicotine，glycerol and propylene glycol by each filter section in linear model

图4 指数模型下各段滤嘴对烟碱、甘油、丙二醇的截留率Fig.4 Retention rates of nicotine，glycerol and propylene glycol by each filter section in exponential model

3.3 不同滤嘴材料截留参数综合分析

表4 为线性模型和指数模型下的截留参数。对比各截留参数k 值可知，中空材料对烟碱截留能力低于甘油，对丙二醇的截留能力则更强；聚乳酸材料对丙二醇和烟碱的截留能力基本一致，对甘油的截留能力略强；醋纤材料对3 种关键烟气成分的截留能力基本一致，无选择性。在线性模型下，从单一物质看，烟碱在聚乳酸材料中的截留系数是中空材料的2 倍，在醋纤材料中的截留系数是中空材料的3 倍，3 种滤嘴材料的截留能力依次近似满足 1∶2∶3 的关系。从 3 种关键烟气成分整体截留率看，中空材料截留率最低，聚乳酸材料截留率居中，醋纤材料截留率最高，三者之间依次近似满足1∶2∶3 的关系。由表 2 的实际测试结果可知2 号、5 号和8 号样品滤嘴材料对烟碱的截留率分别是39.83%、65.00%、97.81%，对甘油的截留率分别是44.29%、85.61%、93.31%，对1，2-丙二醇的截留率分别是63.42%、61.09%、93.11%，其中烟碱截留率的近似比值接近1∶2∶3，甘油截留率的近似比值为 1∶2∶2.5，1，2-丙二醇截留率的近似比值为2∶2∶3。2 号、5 号与 8 号样品针对 3 种关键成分的截留率比值与表4 中的模型参数比较发现，烟碱的实际截留率与线性模型和指数模型下的截留参数预测值相同，甘油和丙二醇的实际截留率与线性模型和指数模型下的截留参数预测值略有差异。

表4 线性模型与指数模型截留参数比较Tab.4 Comparison of retention parameters between linear model and exponential model （mm-1）

4 结论

①检测了电加热卷烟烟气中烟碱、甘油以及1，2-丙二醇等关键成分通过滤嘴时的截留量，建立描述电加热卷烟复合滤嘴截留率的线性模型与指数模型，考察了不同长度滤嘴中空段、聚乳酸段及醋纤段对3 种烟气关键成分截留率的影响规律。②线性模型和指数模型均能描述和预测加热卷烟烟气关键成分在滤嘴中的迁移规律，线性模型的拟合效果更好，指数模型的预测能力更强。③中空材料对3 种烟气关键成分的截留率最低，聚乳酸材料截留率居中，醋维材料截留率最高，三者之间依次近似满足1∶2∶3 的关系。④中空材料对甘油和丙二醇的截留能力强于烟碱，聚乳酸材料对甘油的截留能力则相对更高，醋纤段对3 种关键烟气成分的截留能力基本一致。