香煙燃燒的秘密

  　卷煙是一種特殊的消費品，其消費形式不是吃，也不是喝，而是通過燃吸來享受其煙氣。卷煙的燃燒是一個非常復雜的物理、化學變化過程。

  　煙氣的形成

  　燃燒的煙支是一個復雜的化學體系。據科學研究發現，在煙支點燃的過程中，當溫度上升到300℃時，煙絲中的揮發性成分開始揮發而形成煙氣；上升到450℃時，煙絲開始焦化；溫度上升到600℃時，煙支被點燃而開始燃燒。

  　煙支燃燒有兩種形式：一種是抽吸時的燃燒，稱為吸燃；另一種是抽吸間隙的燃燒，稱為陰燃（亦稱為靜燃）。抽吸時從卷煙的濾嘴端吸出的煙氣稱為主流煙氣（MainstreamSmoke,簡稱MS），抽吸間隙從燃燒端釋放出來和透過卷煙紙擴散直接進入環境的煙氣稱為側流煙氣（SidestreamSmoke，簡稱SS）。

  　煙支燃燒的3個區域

  　煙支燃燒時，燃燒的一端呈錐體狀。抽吸時，大部分空氣從燃燒錐與卷煙紙相接處進入，而錐體的中部則形成一個致密的碳化體，氣流不容易通過，錐體中心含氧量很低，以至于燃燒受到限制，造成不完全燃燒。燃燒的煙支根據其溫度變化和化學反應不同，可劃分成三個不同的區域，即高溫燃燒區A（如圖）、熱解蒸餾區B和低溫冷凝區C。 　　燃燒區位于煙支的前部，主要由炭化體組成，抽吸時，中心溫度最高約825℃～850℃。而卷煙紙燃燒線前方0.2～1.0mm處溫度最高可達910℃，這里也是空氣進入燃燒區最多的地方。燃燒區的氣相溫度相對較低，抽吸過程中的溫度變化在600℃～700℃之間，抽吸結束后，燃燒區的固相溫度在1秒鐘內，從900℃以上急劇冷卻至600℃。一般情況下，燃燒錐表面氧氣供應充足，這里發生碳的氧化放熱反應，產生的熱量被熱氣流帶走，進入熱解蒸餾區C。高溫燃燒區生成的產物主要是氣相物質，如二氧化碳、一氧化碳、水、氫、甲烷等低級烴類化合物和一些自由基，其中一部分產物穿過燃燒的碳擴散到側流煙氣中。

  　燃燒錐后面是熱解蒸餾區B，燃燒錐中心的熱解蒸餾區氧氣供應不足，反應是在缺氧狀態下進行的。來自高溫燃燒區的熱氣流提供能源，導致了熱解蒸餾區的復雜化學變化。煙絲中的許多物質在此進行劇烈復雜的化學反應，煙氣中的絕大多數化合物都是在這里形成的。同時，在熱氣流的作用下，煙絲中的揮發性物質揮發進入煙氣流（其中的半揮發性5元和6元環的氮-雜環化合物對卷煙的香味有顯著的貢獻）。熱解蒸餾區進行的化學反應大多是吸熱反應，煙氣流在此被迅速冷卻，該區的熱氣流的溫度從800℃降至100℃。 　　煙草中的萜烯類、植物甾醇類如豆甾醇、石蠟類、糖類、氨基酸類、纖維素類和許多其他成分通過熱分解，熱合成、干餾、聚合、縮合、自由基等反應形成了揮發性、半揮發性氣體，以及液體和固體物質（如焦油）等。

  　從熱解蒸餾區到煙支的末端稱為冷凝過濾區C。在此，煙氣的溫度由100℃降至室溫。煙氣中的低揮發性成分隨著溫度的急劇下降而達到飽和點開始冷凝。這些低揮發性成分除了遇到煙絲后凝聚到煙絲上以外，在氣流流動過程中煙氣中的低揮發性物質，以碳質燃燒時形成的微小碳粒、有機物的微小碎片、灰分、離子化的分子組成的離子為冷凝核，凝結成更大的顆粒。這些顆粒在隨煙氣流前行的過程中，一部分被煙絲和濾嘴截留，其他的隨主流煙氣進入人的口腔。 側流煙氣的形成過程 　　在抽吸間隙的陰燃階段，卷煙燃燒區附近自然對流的空氣向上流動，支持卷煙的燃燒，在煙支內部的熱解蒸餾區，形成高濃度的有機蒸氣。由于缺少抽吸力的拉動，大部分有機蒸氣透過部分降解的卷煙紙迅速擴散到大氣中形成了側流煙氣。側流煙氣經卷煙紙擴散進入大氣以后，溫度突然下降，又經過空氣稀釋后，形成了比主流煙氣顆粒更小的氣溶膠顆粒。側流煙氣和吸煙者呼出的煙氣擴散到空氣中，經陳化和稀釋后形成了環境煙草煙氣（EnvironmentalTobaccoSmoke，簡稱ETS）。

  　煙氣的特性

  　煙氣的粒子特性新產生的主流煙氣氣溶膠，每立方厘米含有109～1010個顆粒，粒子的初始直徑在0.01～1.0μm之間分布，隨著時間的延長，粒子直徑不斷增大，煙氣在吸煙者口腔內保留10秒后，粒子直徑增大至0.1～46μm，平均直徑為0.2μm。側流煙氣的粒子分布與主流煙氣有所差別，其分布為0.08～1.0μm，平均直徑為0.15μm。煙支靜燃時每秒鐘產生6.3×109個粒子。 　　煙氣的帶電特性由于高溫化學電離作用，卷煙煙氣是一種帶有微電荷的氣溶膠，其中約1/3的粒子帶正電荷，1/3的粒子帶負電荷，另外1/3為中性粒子，正負電荷數相等。因此，從整體上講，煙氣在電學上是中性的。 　　煙氣的酸堿性煙支由于燃燒方式不同，產生的主流煙氣和側流煙氣的酸堿性也不同。一般來說，由陰燃產生的側流煙氣基本上呈堿性，由吸燃產生的主流煙氣因煙草原料的不同，有的呈酸性，有的呈堿性，有的呈中性，主要是因原料不同，生成的堿性成分與酸性成分的量也不同。對于各種卷煙類型來說，主流煙氣的酸堿度（即pH值）為5.6～6.5，而雪茄煙的主流煙氣的pH值為7.5～10.0。

  　煙氣的動態性質卷煙煙氣并不穩定，由于煙氣的濃度非常高，其中的顆粒在短時間內會迅速凝聚，新生煙氣在半秒鐘內顆粒的數量會降至其初始值的四分之一。由于凝聚作用，煙氣顆粒迅速增大，除了煙氣物理性質迅速發生變化以外，煙氣中化合物的濃度也發生變化，如主流煙氣中的亞硝酸甲酯，實際上是在新生煙氣陳化10秒鐘后才出現的。煙氣的組成

  　卷煙煙氣是由氣相物質和粒相物質兩部分組成的。

  　煙氣中的氣相物質和粒相物質通常人們把在室溫下能通過劍橋濾片（一種玻璃纖維制成的濾片，它能濾除直徑大于0.2μm的微粒，過濾效率可達99%）的煙氣部分稱為氣相物質。氣相物質約占煙氣總量的92%左右，其中包括空氣（約占58%）、過量的氮氣（約占15%）、碳氫化合物、有機物的蒸汽、氮氧化合物和一些生物活性物質等。能夠被劍橋濾片截流的部分稱為粒相物質。粒相物質約占煙氣總量的不到8%，主要有水、煙堿和焦油。當然，這不是一個能清楚劃分的定義，因為一些成分在氣相和粒相中都有發現，而且不同的分離技術，得出的結論也不同，如水、亞硝胺等，在氣相和粒相物質中都存在。

  　煙氣中的焦油卷煙煙氣粒相物中除水分和煙堿以外所剩下的部分，稱之為焦油。焦油是卷煙煙絲中的有機物質在缺氧條件下不完全燃燒產生的，是由多種烴類及烴的氧化物、硫化物和氮化物等組成的復雜化合物。目前一般認為卷煙煙氣中的有害成分主要集中在焦油中。據報道，卷煙焦油中99.4%的成分對人體是無害的（這其中又有相當一部分低揮發性成分是卷煙特有香味的來源），僅有0.6%的成分有害人體健康，而在這些有害成分中，0.2%的成分為誘發和可能致癌的成分，0.4%為輔助致癌成分，如3,4-苯并[a]芘等稠環芳烴、芳香胺和亞硝胺等。

  　煙氣中的半揮發性成分煙氣中除了粒相和氣相成分以外，還有一種經常提到的所謂半揮發性成分。半揮發性成分通常是指在室溫下能保留在劍橋濾片上，但在一定的溫度下（一般在100℃～200℃之間）能從濾片上揮發出而不分解的物質。完整的講，半揮發性物質是由沸點在70℃～300℃范圍內的約300種物質組成，他們中包括了大部分對煙氣吸味和香氣有貢獻的成分。