琥珀酸對卷煙壓香影響的研究

陳耀歧 洪 源 謝雯燕

印黔黔1曾令杰2羅昌榮1，2

（1.上海牡丹香精香料有限公司，上海 201200；2.上海煙草集團有限責任公司，上海 200082）

琥珀酸在煙葉中的含量大約在0.05%～0.20%，是煙葉中一種含量相對較少的二元有機酸。但是琥珀酸是一種揮發性的有機酸，并且具有較強的酸性，因此，它又被經常應用于卷煙以改善卷煙品質。Carrol G Tompson［1］選擇30個固態有機酸作為添加劑對白肋煙進行改性，用于降低白肋煙的粗糙性，研究發現琥珀酸可以非常顯著地降低白肋煙的粗燥性，且不會給白肋煙帶來異味。有機酸也經常用于高尼古丁含量的煙葉，以降低煙氣中尼古丁的含量［2］。但是，在卷煙中添加琥珀酸等有機酸會降低卷煙的香氣，導致卷煙煙香不足，因此，琥珀酸等有機酸在卷煙中的應用受到了很大的限制。雖然在感觀認識方面，卷煙中添加琥珀酸等有機酸會導致卷煙煙香下降（也就是在卷煙調香上所認識到的酸會壓香）的事實已經非常清楚，但是，琥珀酸等有機酸是如何降低或壓制卷煙煙香方面的機理研究還完全處于真空狀態。鑒于此，本試驗擬采用卷煙煙粉為對照體系，在卷煙煙粉中添加不同比例的琥珀酸，利用裂解—氣相色譜/質譜技術，研究不同的琥珀酸添加量對卷煙煙粉裂解所形成的揮發性化合物的影響，對揭示琥珀酸等有機酸對卷煙壓香影響機理研究具有一定的借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

琥珀酸：純度99%，Dr.Ehrenstorfer GmbH；

某品牌卷煙煙粉：上海煙草集團有限責任公司；

石英棉：農殘級，CDS Analytical，LLC.。

1.2 設備與儀器

熱裂解儀：CDS5250T型，美國CDS Analytical公司；氣相色譜—質譜聯用儀：Agilent 7890/5975C型，美國Agilent公司；

分析天平：XP603S型，瑞士Mettler Toledo公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品制備

（1）不同濃度琥珀酸乙醇溶液配制：分別準確稱取0.05，0.10，0.15g的琥珀酸，各用5mL無水乙醇溶解后轉移至10mL容量瓶中，用無水乙醇定容至10mL，即得到濃度為5，10，15mg/mL的琥珀酸乙醇溶液。

（2）裂解管的準備：取20根裂解管，各插入一根石英桿，裝填石英棉，并壓實至2mm，在900℃下烘30min后，冷卻備用。

（3）琥珀酸乙醇溶液的裂解樣品制備：取上述準備好的裂解管兩根，使用5μL進樣針分別取2μL的15mg/mL的琥珀酸溶液，用鑷子將裂解管放入裂解儀上，待裂解。

（4）卷煙煙粉和琥珀酸共裂解樣品制備：分別準確稱取1mg的卷煙煙粉于裂解管中的石英棉上，使用5μL進樣針取2μL的0，5，10，15mg/mL的琥珀酸乙醇溶液置于裂解管中的煙粉上，然后再裝填2mm石英棉并壓實，用鑷子將裂解管放入裂解儀上，待裂解。每個樣品做兩個平行，相鄰兩個樣品之間用乙醇做一個空白。

1.3.2 裂解方法、氣相色譜及質譜條件 參照文獻［3～5］。

1.3.3 裂解產物定性和分析 熱裂解產物采用RTE積分方式，峰面積大于最大峰峰面積0.1%的予以積分，并應用質譜譜庫進行檢索定性。產物含量采用峰面積歸一化進行計算，以2次平行測定的平均值為測定結果，具體參見文獻［3］、［4］。

2 結果與討論

2.1 琥珀酸單獨裂解所形成的揮發性化合物

琥珀酸的沸點為235℃，是一種具有揮發性的二元有機酸，因此，它在卷煙主流煙氣中的含量較高，每支卷煙的琥珀酸釋放量大約為110～140μg［6］。由表1可知，琥珀酸在裂解時，大約會有33.7%的產物原型轉移，一部分琥珀酸會脫水形成琥珀酸酐，琥珀酸酐占裂解產物的比例為43.6%，另外由于試驗中采用琥珀酸乙醇溶液進行裂解，在裂解過程中琥珀酸和乙醇形成了琥珀酸單乙醇酯，比例大約為21.7%。另外，琥珀酸在裂解過程中還形成了少量的2－丙烯酸和2，5-呋喃二酮。

表1 琥珀酸裂解所形成的揮發性化合物Table 1 The volatile substances formed in the process of pyrolysis of succinic acid

2.2 琥珀酸用量對卷煙裂解所形成的揮發性化合物的影響

2.2.1 對卷煙裂解所形成的總揮發性化合物的影響 圖1為添加不同比例琥珀酸的卷煙裂解產物總粒子流圖。從圖1可以獲得不同的琥珀酸添加量對卷煙裂解總揮發性化合物形成量的影響見表2。由表2可知：隨著琥珀酸的加入，卷煙煙粉裂解所形成的揮發性產物總量會隨之下降，下降的幅度為23%左右。但是，在試驗范圍內，琥珀酸的添加量對卷煙煙粉裂解所形成的揮發性化合物總量（扣除了琥珀酸的裂解產物峰面積）沒有明顯影響。

圖1 添加不同比例琥珀酸的卷煙裂解產物總粒子流圖Figure 1 Total ion chromatography of pyrolysates of cigarettes with different succinic acid dosage

表2 琥珀酸添加量對卷煙裂解總揮發性化合物形成量的影響Table 2 Effect of different succinic acid dosage on the pyrolyzed total volatiles of cigarettes

2.2.2 對卷煙裂解所形成尼古丁的影響 2.1中琥珀酸的單獨裂解研究表明，它在裂解時，大約會有33.76%的琥珀酸進行原型轉移。因此，在卷煙燃燒時，它會出現在煙氣中，并影響煙氣的pH，而煙氣pH則會影響煙氣中尼古丁和其它揮發堿的比例，同時煙氣pH決定了煙氣中游離尼古丁和質子化尼古丁的比率。James F Pankow 等［7，8］的研究表明，煙氣粒相物中的游離尼古丁比例范圍為0.01～0.36，煙氣粒相物的有效pH范圍為6.0～7.8。由圖2可知，卷煙在裂解過程中形成了游離的尼古丁，并且尼古丁的峰型非常好，但是琥珀酸對煙草中尼古丁的釋放具有非常重要的影響，隨著琥珀酸的加入，游離尼古丁的峰后面開始出現兩個拖尾，添加的琥珀酸含量越高，則拖尾越嚴重，兩拖尾峰的面積逐漸增大。這可能是隨著裂解產物中揮發性琥珀酸含量的提高，煙氣中游離的尼古丁峰含量逐漸減少，而質子化的尼古丁含量越來越高，兩個拖尾峰可能為單質子化和雙質子化尼古丁的峰。因此，隨著煙氣游離尼古丁含量的降低，卷煙的勁頭和感官品質也會隨之降低。

圖2 琥珀酸添加量對煙絲裂解所形成的尼古丁的影響Figure 2 Effect of different ratio of succinic acid to cigarettes on the released nicotine

2.2.3 對主要含氮化合物釋放量的影響 由表3可知，琥珀酸對煙草中主要含氮化合物的釋放量具有重要影響，隨著琥珀酸的加入，主要含氮化合物的形成總量隨著琥珀酸添加量的增加而減少。當琥珀酸的添加量分別為1%，2%，3%時，卷煙裂解所形成的主要含氮化合物的釋放量分別下降了33.1%，28.8%，27.3%。2-甲基吡咯、3-甲基吡咯、2-乙基-4-甲基吡咯和4－羥基吡啶也呈現類似的遞減趨勢。吡咯烷也隨著琥珀酸添加量的增加而迅速下降，在琥珀酸的添加量分別為1%，2%，3%時，其分別下降了63.8%，73.7%，77.6%。但丁二酰亞胺（2，5-Pyrrolidinedione）則呈現相反的趨勢，其隨著琥珀酸的增加，其形成量迅速增加，分別增加了228.0%，541.2%，890.5%。這可能是由于所加入的琥珀酸和卷煙裂解形成的亞胺相互作用而形成的產物。由于溶劑延遲和掃描范圍設定原因，未能檢測到氨氣。

2.2.4 對小分子醛、酮和呋喃類物質釋放量的影響 由表3可知，琥珀酸對小分子醛、酮和呋喃類物質的釋放具有明顯的影響。琥珀酸的添加可以降低小分子醛類、酮類以及呋喃類物質的釋放量，其釋放量大約會下降26%～30%。小分子醛類物質釋放量的下降可以降低卷煙的刺激性，而小分子酮類物質釋放量的下降則可以減少煙氣的粗糙感。卷煙中添加琥珀酸，可以降低卷煙的刺激性和粗燥感，使煙氣柔和細膩。這一方面可能是因為琥珀酸是一種燃燒阻滯劑［9］，它可以減慢卷煙燃燒速率和降低卷煙基質內部裂解的溫度，燃燒速率的下降可以讓燃燒更充分，小分子醛酮類物質的生成量下降；反應溫度的降低也可以降低小分子醛、酮和呋喃類化合物的形成；另一方面，由于琥珀酸具有較強的酸性，它可以降低卷煙基質的pH，因此可以降低美拉德反應的速率，進而減少醛、酮類和呋喃類化合物的形成。但是，在試驗范圍內，琥珀酸添加量對小分子醛類、酮類以及呋喃類物質的釋放影響不大，其釋放量基本保持不變。

2.2.5 對卷煙基質中碳水化合物裂解或美拉德反應的影響

從表3可以看出，琥珀酸對卷煙碳水化合物的裂解或美拉德反應影響非常明顯。由于琥珀酸的加入，卷煙中碳水化合物裂解或美拉德反應所形成的主要揮發性化合物總量迅速下降，下降幅度為30%左右。這可能是由于卷煙中琥珀酸的加入，卷煙基質的pH下降，游離的氨、氨基酸會和琥珀酸或其它酸結合成鹽，從而導致游離的氨、氨基酸的含量下降，而結合的銨鹽含量增加，因而減慢了基質中美拉德反應的進行，碳水化合物的降解速率變慢，因此裂解所產生的揮發性化合物總量下降。但是，在試驗范圍內，琥珀酸添加量對碳水化合物裂解所形成的主要揮發性化合物總量影響不大，但對具體的裂解產物影響情況則各不相同。

2，3-二 氫-3，5-二 羥 基-6-甲 基-4H-吡 喃-4-酮 （簡 稱DDMP）是最主要的碳水化合物裂解產物，在卷煙裂解所形成的總揮發性化合物中占3.6%，隨著琥珀酸的加入，DDMP的釋放量迅速下降，當琥珀酸添加量為1%時，DDMP的釋放量下降了45.6%；當添加量為2%時，其釋放量下降了73.6%；而當琥珀酸添加量上升到3%時，其釋放量下降了84.1%。5-羥甲基糠醛的變化趨勢與DDMP相似，它的釋放量也是隨著琥珀酸加入量的增加而呈現明顯的下降趨勢，當琥珀酸添加量分別為1%，2%，3%時，5-羥甲基糠醛的形成量分別下降了39.5%，57.6%，75.6%。與 DDMP以及5-羥甲基糠醛的變化趨勢正好相反，5-甲基糠醛的釋放量隨琥珀酸的加入量的增加呈現遞增趨勢，當琥珀酸添加量分別為1%，2%，3%時，5-甲基糠醛分別增加了1.0%，11.8%，31.6%。糠醛的釋放量則隨著琥珀酸添加量的增加呈現先迅速下降，然后再開始增加，到琥珀酸的添加量為3%時，其釋放量與未添加琥珀酸的卷煙基本上達到一致。甲基環戊烯醇酮、乙基環戊烯醇酮以及2，5-二甲基-4-羥基-3（2H）-呋喃酮的釋放量變化趨勢與5－羥甲基糠醛非常相似。

2.2.6 琥珀酸添加量對卷煙裂解所形成酚類物質的影響

琥珀酸對卷煙裂解所產生的酚類物質的形成具有非常重要的影響。隨著琥珀酸添加量的增加，裂解所產生的酚類物質總量隨之迅速下降，當琥珀酸的添加量為1%，2%，3%時，卷煙裂解所形成的總酚物質下降量分別為29.5%，37.0%，37.3%。酚類物質是卷煙燃吸時所產生煙味或煙感的主要物質之一，它們含量的顯著下降，可能會導致卷煙煙味下降，煙味會比較平淡。酚類物質釋放量的減少，有可能是由于體系的美拉德反應變慢以及碳水化合物的降解減弱所致。

但是，琥珀酸的加入對卷煙裂解所形成的具體酚類物質的影響又各不相同。在甲酚的形成方面，對甲酚的形成量最大，并隨著琥珀酸的添加量的增大而減少，鄰甲酚也呈現同樣的趨勢，但間甲酚的釋放量則與對甲酚和鄰甲酚的釋放量呈現相反的趨勢，它隨著琥珀酸添加量的增加而增加。3-乙酚和4－乙酚都隨著琥珀酸添加量的增加而急劇下降，當琥珀酸的添加量為3%時，裂解所形成的3-乙酚和4-乙酚分別是卷煙單獨裂解時的45%和33%。琥珀酸的添加對鄰苯二酚和對苯二酚的形成具有明顯的影響，隨著琥珀酸的添加，鄰苯二酚和對苯二酚的釋放量顯著下降，下降幅度為30%左右，但琥珀酸的添加量對鄰苯二酚和對苯二酚的釋放量沒有明顯的影響。對于4-乙烯基苯酚、2-乙基-5-甲基苯酚以及4-甲基-1，2-苯二酚而言，由于琥珀酸的加入，其釋放量呈明顯下降趨勢，并隨著琥珀酸添加量的增加，呈現迅速下降趨勢。對于5-甲基-1，3-苯二酚和4-乙基-1，2-苯二酚而言，琥珀酸的添加也造成了它們釋放量的迅速降低，但琥珀酸添加量對它們影響不大。

2.2.7 對卷煙裂解所形成烯烴類物質的影響 由表3可知，與小分子醛類、酮類和呋喃類物質一樣，琥珀酸對卷煙裂解所形成烯烴類物質具有相似的影響，琥珀酸可以減少卷煙烯烴類物質的釋放，減少量約為23%～26%。但添加量為1%～3%時，琥珀酸對卷煙裂解所產生的烯烴類物質總量影響不大。dl-檸檬烯和新植二烯是裂解所產生的兩種主要的烯烴類物質，琥珀酸的添加會降低它們的釋放量，但在試驗范圍內，它們的釋放量隨琥珀酸的添加量變化不大。

2.2.8 對卷煙裂解所形成長鏈脂肪酸及其酯類物質的影響

由表3可知，琥珀酸對卷煙裂解所釋放的長鏈脂肪酸及其酯類物質存在很大的影響，當琥珀酸的添加量分別為1%，2%，3%時，裂解所形成長鏈脂肪酸及其酯類物質分別下降了27.7%，19.0%，12.1%。隨著琥珀酸添加量的增大，各長鏈脂肪酸及其酯類的釋放量有一定程度的增加。

2.2.9 對卷煙裂解所形成一些重要致香物質的影響 由表3可知，琥珀酸對卷煙裂解所形成的巨豆三烯酮、茄酮等一些重要致香物質具有非常重要的影響。隨著琥珀酸在卷煙中添加量的增加，其裂解所形成的關鍵致香物質的量也隨之減少。當添加1%，2%，3%的琥珀酸時，卷煙裂解所形成的關鍵致香物質的量下降了31.4%，36.8%，36.8%。

2.2.10 對卷煙裂解所形成的有害或潛在有害物質的影響

由表3可知，琥珀酸對卷煙裂解所釋放的有害或潛在有害物質也存在明顯的影響，在試驗范圍內，有害或潛在有害物質的量下降了25.3%～28.0%。這有可能是由于琥珀酸降低了基質內部的溫度，減慢了燃燒的速率所致，琥珀酸可以作為燃燒速率阻滯劑用于卷煙紙。

表3 琥珀酸添加量對卷煙裂解所形成的主要揮發性化合物的影響Table 3 Effect of succinic acid on the main volatiles produced in the process of smoking

續表3

續表3

續表3

續表3

2.3 琥珀酸壓香機理推測

根據琥珀酸對上述卷煙在裂解過程中所釋放的各類揮發性物質的影響變化規律，筆者認為琥珀酸對卷煙香氣的主要影響是緣于它的酸性和它的揮發性，另外，可能還與琥珀酸的阻燃性能有關。現對琥珀酸的卷煙壓香機理進行了以下推測：

2.3.1 琥珀酸的揮發性導致煙氣pH下降 煙氣pH的下降，導致煙氣中游離的尼古丁含量減少，質子化的尼古丁增加；隨著琥珀酸添加量的增加，煙氣中的尼古丁質子化越嚴重，單質子化和雙質子化尼古丁含量隨之增加，煙氣中的游離尼古丁，尤其是氣相中（vapor phase）的游離尼古丁是煙香的重要組成部分，游離尼古丁含量的下降導致卷煙香氣的降低。另外，煙氣pH的下降，會導致卷煙中所釋放的游離氨、胺變成結合的銨鹽，而氨和其它含氮類化合物是卷煙香氣的重要貢獻體，因此它們的釋放量下降，可能會導致卷煙香氣的降低。

2.3.2 琥珀酸的酸性導致卷煙基質pH下降 卷煙基質pH下降，影響了基質中的美拉德反應，pH的下降，會降低基質美拉德反應的活性，從而降低反應總揮發性化合物的形成量。美拉德反應體系的pH越高，越有利于美拉德反應的進行，尤其是有利于吡啶、吡嗪和吡咯類化合物的形成。

2.3.3 琥珀酸是一種燃燒阻滯劑 作為燃燒阻滯劑，它可以減慢卷煙燃燒的速率和降低了卷煙燃燒的溫度，從而導致抽吸時所形成的揮發性化合物總量下降。

3 結論

（1）琥珀酸在單獨裂解時，大約會有33.76%的產物原型轉移。因此，在卷煙中添加琥珀酸，會造成煙氣中游離的尼古丁含量下降，單質子化和雙質子化的尼古丁含量升高。由于尼古丁的質子化，會導致卷煙煙香的下降。

（2）在卷煙中添加琥珀酸，會降低卷煙基質和卷煙燃吸時煙氣的pH，從而影響卷煙燃吸時的美拉德反應，導致碳水化合物裂解或美拉德反應所形成的主要揮發性化合物總量下降，進而導致卷煙煙香下降。下降幅度最大的化合物為DDMP和5-羥甲基糠醛，當琥珀酸添加量分別為1%，2%，3%時，DDMP的釋放量分別下降了45.6%，73.6%，84.1%，而5－羥甲基糠醛的形成量分別下降了39.5%，57.6% ，75.6%。

（3）隨著琥珀酸的加入，小分子醛類、酮類以及呋喃類物質的釋放量下降26%～30%，因此琥珀酸的加入可以降低煙氣的刺激性，柔和細膩煙氣。

（4）卷煙中加酸會導致卷煙香氣下降是煙草行業所達成的普遍共識，但是其影響機理尚不清楚，理論研究匱乏，研究琥珀酸對卷煙香氣的影響規律和機理可以起到拋磚引玉的作用。關于有機酸對卷煙香氣的影響機理還需要大量的研究去揭示和證實。

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