电子烟风味化合物化学类别与雾化条件对有毒羰基排放的影响机制研究

《Chemical Research in Toxicology》：Flavoring Compound Chemical Class and Vaping Conditions Determine Toxic Carbonyl Emissions from E-Cigarettes

本研究发现电子烟风味添加剂会显著增加有毒羰基化合物（如甲醛、丙烯醛）的排放，其中萜烯类风味物质在高温（90 W）和高植物甘油（VG）含量条件下可使丙烯醛排放量提升8倍。研究通过系统分析四类风味化合物（酯类、醇类、芳香醛类、萜烯类）在不同功率（50/90 W）和PG/VG比例（80:20至20:80）下的热解行为，揭示了风味化学类别与雾化参数的交互作用对有害物质生成的调控机制，为电子烟安全性评估和监管政策提供了关键实验依据。

　　

引言

电子烟（e-cigarettes）的快速普及引发了对其潜在健康风险的关注。电子烟气溶胶中含有多种有害及潜在有害成分（HPHCs），其中羰基化合物如甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛和苯甲醛尤为突出，其浓度常超过职业暴露限值。这些化合物具有肺部毒性，并可能产生血管活性和支气管反应效应。

影响电子烟使用过程中羰基生成的因素包括设备构造（如顶圈/底圈线圈、改装/豆荚设备等）、功率设置、线圈材料、电子液体制剂（即风味成分与浓度、基础液组成）以及抽吸模式（如抽吸持续时间和流速）。这些因素可大致分为两类：一是涉及风味化合物热解及其与基础液成分（丙二醇PG和植物甘油VG）和电子烟线圈材料相互作用的"化学反应驱动因素"；二是影响设备内传质传热的"传递基础因素"（如电子烟构造、功率设置、电子液体粘度和抽吸模式）。

材料与方法

本研究采用沙漠研究所（DRI）自定义构建的抽吸机器，系统测试了八种代表性风味化合物（来自酯类、醇类、芳香醛类和萜烯类四大类别）在不同功率输出（50和90 W）、基础液组成（PG/VG比例为80:20、50:50和20:80）和风味浓度（1和5 mg/mL）下的羰基排放。通过高效液相色谱-光电二极管阵列检测（HPLC-PDA）分析DNPH吸附管采集的羰基衍生物，并采用线性回归模型和多元方差分析（MANOVA）评估各参数对甲醛、乙醛和丙烯醛排放的显著性影响。

结果

在所有测试条件下，风味电子液的羰基排放量均高于无风味对照液。萜烯类风味（柠檬烯和芳樟醇）的影响最为显著，其甲醛排放量最高增加2倍，丙烯醛排放量最高增加8倍，且常超过短期暴露限值。芳香醛类和醇类也会增加排放，但程度较轻，而酯类的影响较小或不一致。风味的影响还受其浓度、PG/VG比例和设备功率的调节，高浓度、高VG含量和高功率会放大排放效应。

线性回归模型显示，设备功率对所有三种醛类的排放均有显著预测作用（p < 0.001）。功率从50 W增至90 W时，甲醛排放量增加1.93倍（95% CI: 1.88–1.98）。PG含量对三种醛类均有强烈的减排效应（p < 0.001），PG比例从20%增至80%时，甲醛排放减少45.8%（95% CI: 43.2–48.1%）。风味浓度每增加1 mg/mL，甲醛排放增加约5.9%，乙醛增加约12%，丙烯醛增加约0.7%。萜烯类风味相对于无风味基线的影响最为显著（p < 0.001），而其他风味类别的影响相对不显著。

讨论

本研究结果强调了风味在电子烟使用过程中羰基化合物生成中的重要作用。风味化合物的添加倾向于增加羰基排放，且该增加程度取决于风味类别，其中萜烯类化合物（柠檬烯和芳樟醇）的影响最强。不同化合物对羰基排放的贡献还受PG/VG比例和功率设置的影响，表明电子烟使用过程中的羰基生成是受风味化合物、电子液体基础组成和电子烟功率设置共同调控的复杂过程。

功率和PG/VG比例对羰基排放的影响已有多项研究报道。较高功率导致较高温度，引发基础液成分和风味化合物的热解，产生更高水平的羰基和其他降解产物。较高VG含量（或较低PG）会增加电子液体粘度，减缓液体向加热元件（线圈）的传输，导致温度升高和排放增加。

萜烯类对排放的影响最强，可能与其化学结构有关。萜烯是含有多个C=C双键的异戊二烯单元寡聚体，在雾化条件（热线圈、O₂及PG和VG衍生的自由基）下，萜烯可通过其C=C骨架的自由基和氧化裂解（特别是在烯丙基和叔位点）形成甲醛和其他羰基化合物，随后发生β-断裂和C=C裂解释放如甲醛之类的小分子羰基片段。

羰基排放因风味化合物的添加而显著增加，这一点值得注意。例如，萜烯化合物导致甲醛排放量最高增加2倍，丙烯醛排放量最高增加8倍。考虑到本实验中风味浓度约为重量的0.5%，而市售电子液体中的总风味浓度可能达到10–20%，其他风味化合物的累积贡献也可能相当大。

在所研究的羰基化合物中，甲醛和丙烯醛因其低阈值限值（TLVs）而备受关注。根据美国政府工业卫生学家会议（ACGIH）设定的TLV-C（上限值）或TLV-STEL（短期暴露限值），丙烯醛的TLV-C为0.11 mg/m³，甲醛的TLV-STEL为0.37 mg/m³（15分钟时间加权平均值，不得超出）。鉴于健康成人的平均潮气量约为500 mL，这些限值对应的丙烯醛和甲醛的每口排放限值分别为约0.055 μg/口和0.185 μg/口。本研究发现，在所有测试的实验设置下，无风味及所有风味电子液的甲醛排放均超过其阈值，引发了对此排放相关潜在健康风险的担忧。就丙烯醛而言，结果表明排放超过阈值主要发生在高VG比例的条件下。数据显示，在此电子液体基础配置下，某些风味（特别是萜烯和芳香醛类）的丙烯醛排放常超过TLV-C。

虽然乙醛和丙酮也具有危害性，且其排放量仅次于甲醛，但它们的TLV（分别为45 mg/m³和594 mg/m³，对应22.5 μg/口和297 μg/口）显著高于本研究检测到的水平，使其不那么令人担忧。然而，即使个别水平较低，多种羰基化合物的累积暴露可能构成组合风险，不容忽视。苯甲醛主要在苯甲醛风味电子液中检测到，其水平约为其他风味的千倍，这表明该化合物大部分蒸发而非经历热解。

结论

我们对电子烟风味、基础组成和功率设置在羰基排放中作用的调查揭示了这些因素对有害化合物（如羰基化合物）排放的重要影响。添加风味化合物倾向于增加羰基排放，且该增加程度取决于风味类别，其中萜烯类风味（如柠檬烯和芳樟醇）被确定为羰基排放增加的最强贡献者，特别是在高VG含量电子液和高功率输出条件下使用。不同风味对个别羰基化合物排放的影响不同，有些化合物影响所有主要羰基，而有些仅影响部分羰基。不同化合物对羰基排放的贡献还受PG/VG比例和功率设置的影响。

我们的结果表明，谨慎选择风味化合物、降低风味浓度和VG含量以及使用较低功率设置可以减轻与羰基排放相关的健康风险，特别是对于甲醛和丙烯醛，在本实验的特定条件下，它们的排放超过了短期暴露限值。虽然乙醛和丙酮的排放低于即时关注水平，但多种羰基化合物累积暴露的潜力值得进一步研究。这些见解强调需要更严格的法规和消费者指南，以确保电子烟的安全使用，特别关注风味组成、设备设置和电子液体配方。