烟草燃烧、抽烟品质及烟斗构造

摇头

最近终于有空可以思考烟草那档子事。

一直关注村里的几个热议话题，比如：手工斗和机制斗、国产斗和国外大师斗、入门斗和高端斗等，其中的焦点之一就是“什么是好烟斗”？俺粗浅的认为烟斗好坏应该大致从两个方面来看。

一个是硬性的指标，如木料（产地、年份、纹路、密度等），处理（提高耐用度和吸湿性、减少重量、避免变形开裂等），外形（设计美观、创新有个性、表面处理、抛光上色、特殊材质等）、加工（尺寸精准、匹配良好、细节处理等），气道和烟嘴设计（吸食顺畅、不易积水、特殊功能等），使用（平衡良好、咬合舒服、易端就手、容易打理等）。

另一个就是软性指标――吸食品质，这也是最个人、最飘忽、最不好说也最说不清楚的东西，也只有通过反复比较才能感知的“东西”或者那么一点点“差别”。有人说大师斗就是有这么一点点“魔法”，俺虽然没用过大师斗还是比较愿意相信这种“魔法”。相信的理由就是很多人都会有的体验：同样的烟草用不同的斗吸食可能会有不一样的感受，俺有几把斗看着外观挺不错，可抽起来就是别扭得很，这些斗大部分是入门斗、小斗钵的老海泡和形状奇异的斗。

既然这个软性指标及其主观又那么的飘忽不定，是否就无法涉足至少从定性甚至定量上加以探讨？俺觉得未必，尤其对于某些明显存在的共性俺还是坚持因果论的态度。所以不妨用经验论的调调试着来探讨这个吸食品质，毕竟我们必须承认这种品质之间的主观感受差异是客观存在的，并且带有一定的普遍性，有果必定有因（虽然也有心理的成分并也可能是一种因，但这不作为本贴探讨的重点）。

所谓的经验论就是国内外专家对于卷烟中的烟草的成分、燃烧状态、燃烧中成分的变化所做的大量研究和试验，毕竟卷烟中的烟草和烟斗中的烟草在本质上是一样的。抽烟和抽斗的基本功用除为摄入一定量尼古丁引起神经系统的亢奋外，还有一个作用就是为了感受烟气的芬芳，相信抽斗对于后者的需求更甚。

俺先假设、且抛砖引玉地武断定义这个软性指标为：最大限度地释放烟草中我们所希望得到且能感受得到的芬芳气味。下这个定义很重要，至少能让我们就某些可能的“因”做有意义的探讨，否则又回到了流变论，况且在卷烟研究中也提到芬芳物质的释放过程而且是非常重要的指标。

沿着这个思路，既然烟草释放芬芳物质是我们要关心的，而燃烧又是促使芬芳物质释放的外因，那么就要研究烟草在不同燃烧状态下各化学物质的释放过程，弄明白什么是最佳的燃烧状态以利于最大限度释放烟草芬芳物质，并接着进一步探讨烟斗的结构可能对燃烧状态产生的影响，找到一些线索尝试在实践中发现一些可能的规律或找出问题所在。

好在网络上有不少卷烟的研究资料，俺只是做些拼凑工作把相关的试验数据和结论搬上来，并结合自己的理解提出一些不成熟的看法，供大家批判和进一步探讨。

摇头

烟草成分及其在然烧时的成分变化
烟草制品在燃吸过程中，靠近火中心的温度可高达800～900℃（需要补充的是，实际最高温度应该超过1100℃，原来的测量数据偏低是因为受到当时仪器灵敏度的限制）。由于燃烧而发生干馏作用和氧化分解等化学作用，使烟草中的各种化学成分都发生了不同程度的变化。有的成分被破坏，有的则又合成了新物质。其中各主要成分的变化大致如下：
1.烟草生物碱：它在燃烧过程中除了一部分经干馏作用进入烟气之外，其中大部分（60%以上）则受氧化分解为亚硝胺、菸酸、吡啶、吡啉、吡咯、胺以及二氧化碳等物质。
2.蛋白质：高分子含氮化合物经燃烧产生强烈氧化作用后，分解为一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氰氢酸、氨、简单胺化物和脂肪等化合物。糖和植物酸：糖和有机酸经氧化作用生成一氧化碳、二氧化碳、挥发酸、酚的衍生物、烯烃、醇、醛和酮等物质。
3.树脂物、多酚和苷类：经氧化后生成挥发性芳香油、醛、酮、醇和酸类物质。

烟气的成分组成
以上物质均进入烟气中，故烟草制品经燃烧后所产生的烟气，化学成分更为复杂。据检测，一支香烟燃烧后可产生4000多种化学成分，可分类为气相物质、粒相物质：
1.其中气相物质占烟气总量的92%，通常人们把在室温下能通过剑桥滤片(一种玻璃纤维制成的滤片，它能滤除直径大于0.2μm的微粒，过滤效率可达99%)的烟气部分称为气相物质。主要是氮气（58%）和氧气（12%），其余为一氧化碳（3.5%）、二氧化碳（13%）、一氧化氮、二氧化氮、氨、挥发性N-亚硝胺、氰化氢、挥发性碳水化合物以及挥发性烯烃、醇、醛、酮和烟碱等类物质。
2.粒相物质约占烟气总量的不到8%，包括烟草生物碱、焦油和水分以及70多种金属和放射性元素。焦油是不挥发性N-亚硝胺、芳香族胺、链烯、苯、萘、多环芳烃、N-杂环烃、酚、羧酸等物质总的浓缩物。

烟气中除了粒相和气相成分以外，还有一种经常提到的所谓半挥发性成分。半挥发性成分通常是指在室温下能保留在剑桥滤片上，但在一定的温度下(一般在100℃～200℃之间)能从滤片上挥发出而不分解的物质。完整的讲，半挥发性物质是由沸点在70℃～300℃范围内的约300种物质组成，他们中包括了大部分对烟气吸味和香气有贡献的成分。

[ 本帖最后由 摇头 于 2011-12-4 19:37 编辑 ]

摇头

烟草在不同温度下的裂解研究
在研究烟草燃烧过程及其烟气释放规律之前，有必要对烟草在不同温度下的裂解作个概述，方便对于后续烟草燃烧过程中烟气的释放规律进行探讨。

烟气成分是烟丝通过燃烧、裂解、降解、蒸馏等复杂的过程形成的, 且裂解是一个相当重要的环节。这是研究了在200～ 900 ℃温度热裂解条件下, GC/M S 定性和半定量测定的裂解产物, 发现了一些产物的变化情况：



不同温度下卷烟的裂解色谱图可以发现, 裂解温度对裂解产物的变化影响十分明显, 在700 ℃以下温度时, 随着裂解温度的上升, 从烟丝中蒸馏出的尼古丁的总量呈现增加趋势。色谱图初期的轻烯烃, 其峰数量随温度上升显现增加且强度逐渐增强, 说明裂解程度随温度的上升而加剧, 产物也相当复杂。温度达到500 ℃以上时, 检测出的产物明显增加, 主要产物为烯烃、醇、酮、醛、酯、苯及其同系物、杂环化合物。

由此我们可以大致推断，要获得烟草最佳风味的燃烧温度应不高于500℃－600℃，但这并不等于说500℃－600℃是最佳温度，应该理解为理想燃烧的上限。因为一定量的烟草在容器中燃烧过程是不均匀的，对卷烟来说前段温度高后段温度低，对烟斗来说上部温度高下部温度低，而且不同温度下烟草所释放的产物不同。我们吸食的是一定温度范围内一定量烟草同时释放的烟气混合物，俺认为最佳温度应该是沿烟草燃烧方向分布的温度范围，要结合具体燃烧过程来分析。


[ 本帖最后由 摇头 于 2011-12-4 19:38 编辑 ]

摇头

烟草燃烧过程、温度及其物质释放
据研究发现，在烟支点燃的过程中，当温度上升到300℃时，烟丝中的挥发性成分开始挥发而形成烟气;上升到450℃时，烟丝开始焦化;温度上升到600℃时，烟支被点燃而开始燃烧。



上图是卷烟燃烧时的红外图，烟头在左侧向右燃烧。通过红外图可以清晰地看到一段烟草燃烧时的温度区域，可见燃烧时的烟草受环境影响其温度变化是非线性的，存在着某些位置瞬间降温和一段位置保温，形成3个区域可分为高温燃烧区A、热解蒸馏区B和低温冷凝区C，如下图所示：



燃烧区位于烟支的前部，主要由炭化体组成，抽吸时，中心温度最高约825℃～850℃。而卷烟纸燃烧线前方0.2～1.0mm处温度最高可达910℃，这里也是空气进入燃烧区最多的地方。燃烧区的气相温度相对较低，抽吸过程中的温度变化在600℃～700℃之间，抽吸结束后，燃烧区的固相温度在1秒钟内，从900℃以上急剧冷却至600℃。一般情况下，燃烧锥表面氧气供应充足，这里发生碳的氧化放热反应，产生的热量被热气流带走，进入热解蒸馏区B。高温燃烧区生成的产物主要是气相物质，如二氧化碳、一氧化碳、水、氢、甲烷等低级烃类化合物和一些自由基，其中一部分产物穿过燃烧的碳扩散到侧流烟气中。

燃烧锥后面是热解蒸馏区B，燃烧锥中心的热解蒸馏区氧气供应不足，反应是在缺氧状态下进行的。来自高温燃烧区的热气流提供能源，导致了热解蒸馏区的复杂化学变化。烟丝中的许多物质在此进行剧烈复杂的化学反应，烟气中的绝大多数化合物都是在这里形成的。同时，在热气流的作用下，烟丝中的挥发性物质挥发进入烟气流(其中的半挥发性5元和6元环的氮-杂环化合物对卷烟的香味有显着的贡献)。热解蒸馏区进行的化学反应大多是吸热反应，烟气流在此被迅速冷却，该区的热气流的温度从800℃降至100℃。烟草中的萜烯类、植物甾醇类如豆甾醇、石蜡类、糖类、氨基酸类、纤维素类和许多其他成分通过热分解，热合成、干馏、聚合、缩合、自由基等反应形成了挥发性、半挥发性气体，以及液体和固体物质(如焦油)等。

从热解蒸馏区到烟支的末端称为冷凝过滤区C。在此，烟气的温度由100℃降至室温。烟气中的低挥发性成分随着温度的急剧下降而达到饱和点开始冷凝。这些低挥发性成分除了遇到烟丝后凝聚到烟丝上以外，在气流流动过程中烟气中的低挥发性物质，以碳质燃烧时形成的微小碳粒、有机物的微小碎片、灰分、离子化的分子组成的离子为冷凝核，凝结成更大的颗粒。这些颗粒在随烟气流前行的过程中，一部分被烟丝和滤嘴截留，其他的随主流烟气进入人的口腔。

摇头

可能的最佳温度及关键温度
由此我们可以大概推测一段烟草燃烧的最佳位置应该在热解蒸馏区B区，最佳温度范围是100℃－600℃，鉴于半挥发性物质是由沸点在70℃～300℃范围内的约300种物质组成，他们中包括了大部分对烟气香味有贡献的成分(其中的半挥发性5元和6元环的氮-杂环化合物对卷烟的香味有显着的贡献)，所以最大可能获得芳香物质的关键温度可能在100℃～300℃。

与烟斗相关的探讨
如果以上结论是正确的话，怎样使得烟斗内的烟草尽可能多且长时间的处于100℃～300℃就成了关键，因为它影响着吸食品质。

俺对烟斗制作没太多研究，但从经验得知烟斗的构造、材料、厚薄、大小对于烟斗内燃烧着的烟草温度有着直接影响。所以借此先意淫一番，目的是为了提供一个靶子供大家批判和探讨，试着弄清楚影响抽烟品质的那么“一点点魔法”或“一点点区别”：

1.小口径的斗钵容易造成烟草温度过高，所以应该考虑适当的降温方法和增加足够的100℃～300℃区域：表面喷砂增加散热面积，减薄斗壁加速散热，加深斗钵容纳更多烟草，底部平坦避免V底等。
2.大口径的斗钵容易散热造成冷却过快导致烟草温度过低，所以应该考虑适当的保温方法以确保100℃～300℃时间：加厚斗壁保温，光面斗减少散热，底部收紧或V底等。

(完)

[ 本帖最后由 摇头 于 2011-12-4 19:35 编辑 ]

fukuro

敢问摇头兄,这个课题是否申报自然基金,抑或是十二五攻关项目......

村中有我

摇头兄的文章太好啦！（已私自收藏，据为己有.... )

摘录下面这段文字：
    燃烧锥后面是热解蒸馏区B，燃烧锥中心的热解蒸馏区氧气供应不足，反应是在缺氧状态下进行的。来自高温燃烧区的热气流提供能源，导致了热解蒸馏区的复杂化学变化。烟丝中的许多物质在此进行剧烈复杂的化学反应，烟气中的绝大多数化合物都是在这里形成的。同时，在热气流的作用下，烟丝中的挥发性物质挥发进入烟气流(其中的半挥发性5元和6元环的氮-杂环化合物对卷烟的香味有显着的贡献)。...........

  我好想明白了为什么闷烧时味道醇厚的原因，看来除了硬件（烟斗）因素外、抽斗的技巧还要潜心体会和掌握；

  谢谢楼主的好文章！！

三味斋

摇头兄提供了许多烟草燃烧方面基础的科学结论，这个话题可以作为一个基础研究课题了，必将对烟斗的使用方面提供有力的科学支持！
期待继续。

摇头

原帖由 fukuro 于 2011-12-5 00:14 发表

                               
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敢问摇头兄,这个课题是否申报自然基金,抑或是十二五攻关项目......

你说呢？

摇头

原帖由 三味斋 于 2011-12-5 03:14 发表

                               
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摇头兄提供了许多烟草燃烧方面基础的科学结论，这个话题可以作为一个基础研究课题了，必将对烟斗的使用方面提供有力的科学支持！
期待继续。

多谢三味兄，俺只是个信息收集器