濃香型煙葉浸膏微波裂解行為及裂解產(chǎn)物成分分析

袁岐山，李 皓，張東豫，張 博，朱 琦，屈 展，張峻松*

1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市隴海東路72號 450000

2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)科學(xué)大道136號 450002

3.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

為滿足卷煙消費(fèi)者的需求，近年國外市場上出現(xiàn)了一些新型煙草制品，其中電子煙占據(jù)大部分市場份額［1-3］。近些年，菲莫、雷諾、英美煙草等國際煙草公司也積極推進(jìn)新型煙草制品的研發(fā)和市場開發(fā)。由于電子煙抽吸過程中霧化溫度較低［4］，很難使外加的香精香料發(fā)生裂解反應(yīng)［5-6］，所以電子煙的吸食特性與傳統(tǒng)卷煙相比具有較大的差異，這就決定了電子煙研發(fā)與卷煙研發(fā)存在巨大的區(qū)別。

目前，模擬卷煙燃燒并分析裂解產(chǎn)物的相關(guān)研究主要采用熱裂解-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（Py-GC-MS）［7-13］。董寧寧［13］以煙堿及其裂解產(chǎn)物2-甲基-1，3-丁二烯和苯系物兩類組分作為檢測對象，分析了卷煙在無氧條件、不同溫度下的熱裂解情況，認(rèn)為熱裂解分析技術(shù)是一種預(yù)測卷煙尤其是卷煙添加劑燃燒產(chǎn)物的新方法。鐘洪祥［11］等為研究香蘭素在卷煙中的熱解情況，采用裂解儀在不同溫度下對香蘭素進(jìn)行裂解實(shí)驗(yàn)，并通過毛細(xì)管氣相色譜-質(zhì)譜法對裂解產(chǎn)物進(jìn)行了簡單定性。

Py-GC-MS技術(shù)僅限于實(shí)驗(yàn)室分析研究，無法用于制備，因此限制了該技術(shù)的應(yīng)用。而微波裂解技術(shù)是將材料中隨機(jī)分布的帶電粒子根據(jù)電場方向重新排序，使得這些粒子間相互劇烈地摩擦產(chǎn)生熱能，該技術(shù)具有加熱速度快、加熱均勻、能夠批量生產(chǎn)等特點(diǎn)［14-19］，已在生物質(zhì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［20-23］。郭維圖［18］報道了頻率為 2.45 GHz的微波光子的能量遠(yuǎn)不足以斷開分子中的共價鍵，也低于布朗運(yùn)動所需的能量，因此微波不破壞物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。微波加熱具有加熱迅速和均勻等特點(diǎn)，使加熱物本身成為加熱體，既縮短了加熱時間，同時也避免了常規(guī)加熱造成的外部焦煳、內(nèi)部未加熱的現(xiàn)象［19］。因此，本研究中以河南濃香型煙葉B011為原料，提取制備煙葉浸膏，經(jīng)冷凍干燥后進(jìn)行微波裂解，對不同裂解條件下的裂解成分進(jìn)行分析和感官評價，旨在明確濃香型煙葉浸膏的裂解規(guī)律，為開發(fā)具有煙草本香的新型煙草制品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

2016年河南許昌產(chǎn)B011煙葉，由河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供。

無水乙醇、1，2-丙二醇、丙三醇（AR），二氯甲烷（色譜純）（天津市富宇精細(xì)化工有限公司）；乙酸苯乙酯（≥98%，百靈威科技有限公司）。

RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）；FD-1A-50型冷凍干燥機(jī)（北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；CM-02S型微波裂解爐（南京策木微波科技有限公司）；7890B/5977A氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國Agilent公司）；EL204型電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙葉浸膏的制備

稱取50 g（精確至0.000 1 g）平衡水分后的許昌B011煙葉，將其切制成煙絲；轉(zhuǎn)移至1 000 mL圓底燒瓶中，加入350 mL 80%（體積比）乙醇水溶液，加熱回流3 h，過濾得到萃取液；再加入200 mL 80%（體積比）乙醇水溶液，加熱回流2 h。合并兩次萃取液，在體系壓力90 kPa、水浴45℃條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至干，持續(xù)約20 min，即得到煙葉浸膏。

1.2.2 冷凍干燥處理

稱取20 g（精確至0.000 1 g）煙葉浸膏于培養(yǎng)皿中，加入50 mL純凈水，攪拌均勻，冷凍24 h，將其置于冷凍干燥機(jī)中除去水分，得到干燥粉末狀煙葉浸膏。

1.2.3 微波裂解處理

稱取1.0 g（精確至0.000 1 g）粉末狀煙葉浸膏于50 mL三角瓶中，塞緊瓶塞，置于微波裂解爐中裂解；微波裂解后加入20 mL二氯甲烷，超聲萃取30 min后，過濾至濃縮瓶中；取少量二氯甲烷洗滌3次三角瓶，洗滌液轉(zhuǎn)移至濃縮瓶中。加入乙酸苯乙酯的二氯甲烷溶液（濃度為0.297 6 mg/mL），于60℃恒溫水浴條件下濃縮至1 mL，進(jìn)行GC-MS分析，按公式（1）計(jì)算裂解產(chǎn)物中各揮發(fā)性香味成分的量。分析條件：

色譜柱：HP-5MS（60 m×0.25 mm×0.25μm）；進(jìn)樣口溫度：280℃；載氣：氦氣（≥99.999%）；恒流模式流速：1.0 mL/min；進(jìn)樣量：1 μL；分流比：5∶1；升 溫 程 序 ：min）。離子源：EI；傳輸線溫度：280℃；離子源溫度：230℃；電子能量：70 eV；四極桿溫度：150℃；電子倍增器電壓：1 635 V；掃描方式：全掃描；質(zhì)量掃描范圍：35～550 amu；溶劑延遲：6.5 min。

定量方法：

式中：Xi—裂解產(chǎn)物揮發(fā)性香味成分的質(zhì)量，mg；Ai—裂解產(chǎn)物揮發(fā)性香味成分的峰面積；A—內(nèi)標(biāo)溶液（乙酸苯乙酯）的峰面積；C—內(nèi)標(biāo)溶液（乙酸苯乙酯）的濃度，mg/mL；V—濃縮溶液體積，mL。

1.2.4 感官評價

組織7名省級卷煙感官評吸委員，參照GB 5606.4—2005［24］的方法對電子煙進(jìn)行感官評價，主要考察香氣、滿足感、協(xié)調(diào)、煙霧量、干燥、甜膩、余味7個感官指標(biāo)，如表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波裂解時間對揮發(fā)性香味成分的影響

選擇微波裂解功率為900 W，微波裂解時間90、100、110、120、130、140 s，考察不同裂解時間對香味成分的影響，結(jié)果如圖1～圖3所示。

表1 電子煙感官評價方法Tab.1 Sensory evaluation method for electronic cigarettes

由圖1可見，隨裂解時間延長，煙葉浸膏微波裂解揮發(fā)性香味物質(zhì)的總數(shù)量及總質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，在120 s時最高。

由圖2可以看出，隨裂解時間延長，酮類香味成分?jǐn)?shù)量呈先增后減的趨勢，在120 s時數(shù)量最多；醇類香味成分?jǐn)?shù)量在110、120 s時數(shù)量最多；酸類香味成分?jǐn)?shù)量在140 s出現(xiàn)下降的趨勢；酚類、醛類、含氮雜環(huán)類、酯類、烴類香味成分的數(shù)量相對穩(wěn)定。

由圖3可知，隨裂解時間延長，醇類、酮類、酚類、酸類、含氮雜環(huán)類、酯類、烴類香味成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈先增后減的趨勢，在120 s時質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高；醛類香味成分隨裂解時間延長，質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，90 s時質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。因此綜合考慮，選擇微波裂解時間為120 s。

圖1 微波裂解時間對揮發(fā)性香味成分的影響Fig.1 Effect of microwave pyrolysis time on volatile aroma components

圖2 微波裂解時間對各類揮發(fā)性香味成分?jǐn)?shù)量的影響Fig.2 Effect of microwave pyrolysis time on quantity of various volatile aroma components

圖3 微波裂解時間對各類揮發(fā)性香味成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effect of microwave pyrolysis time on contents of various volatile aroma components

2.2 微波裂解功率對揮發(fā)性香味成分的影響

選擇微波裂解時間為120 s，微波裂解功率500、600、700、800、900、1 000 W，考察不同裂解功率對揮發(fā)性香味成分的影響，結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 微波裂解功率對揮發(fā)性香味成分的影響Fig.4 Effect of microwave pyrolysis power on volatile aroma components

圖5 微波裂解功率對各類揮發(fā)性香味成分?jǐn)?shù)量的影響Fig.5 Effect of microwave pyrolysis power on quantity of various volatile aroma components

圖6 微波裂解功率對各類揮發(fā)性香味成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.6 Effect of microwave pyrolysis power on contents of various volatile aroma components

由圖4可得，隨裂解功率增加，煙葉浸膏微波裂解揮發(fā)性香味成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在900 W時最高。煙葉浸膏微波裂解揮發(fā)性香味物質(zhì)的數(shù)量呈現(xiàn)逐漸增加并趨于穩(wěn)定的趨勢，在900 W時最高。

由圖5可以看出，隨裂解功率增加，醇類、酮類、醛類、含氮雜環(huán)類、烴類香味成分的數(shù)量呈現(xiàn)逐漸增多的趨勢，其中醇類、酮類香味成分在900 W時已達(dá)最多，醛類、烴類香味成分在600 W時已達(dá)最多，含氮雜環(huán)類香味成分在800 W時達(dá)最多；酸性香味成分?jǐn)?shù)量在600、700、900、1 000 W時最多；酚類、酯類香味成分的數(shù)量隨功率的變化沒有發(fā)生改變。

由圖6可以看出，隨裂解功率增加，醇類、酮類、酚類、含氮雜環(huán)類、烴類香味成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈先增后減的趨勢，在900 W時質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高；醛類香味成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1 000 W時最高；酸類香味成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在600 W時最高；酯類香味成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在900 W時最高。因此綜合考慮，選擇微波裂解功率為900 W。

2.3 濃香型煙葉浸膏微波裂解揮發(fā)性香味成分結(jié)果分析

選擇微波裂解功率900 W，裂解時間120 s，進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，揮發(fā)性香味成分分析結(jié)果如表2所示。可知，組分峰面積的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）平均值為2.52%。表明該方法重復(fù)性良好，可以用來分析濃香型煙葉浸膏微波裂解香味成分。

表2 微波裂解濃香型煙葉浸膏揮發(fā)性香味成分的分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of volatile aroma components in microwave pyrolysis robust flavor style tobacco extract

表2（續(xù)）

濃香型煙葉浸膏微波裂解產(chǎn)物中有許多揮發(fā)性香味成分，其中糠醛、5-羥基糠醛可以增強(qiáng)卷煙煙氣的焦甜香；2-乙酰基呋喃具有強(qiáng)烈的焦香，可以增強(qiáng)煙氣的烘烤香；苯甲醇具有水果味香氣，金合歡醇具有青草香氣，甲基環(huán)戊烯醇酮具有焦糖味香氣［25］。DDMP可能是煙氣中麥芽酚的前體物，具有一定的烘烤香味［26］。這些成分均是煙草重要的香味成分，對改善煙氣、減少刺激性具有重要作用。

2.4 電子煙感官評價結(jié)果

為模擬卷煙抽吸過程中的煙霧效果，通常以丙二醇、丙三醇作為霧化劑［27］。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)霧化劑中丙二醇與丙三醇的質(zhì)量比為5∶1時，煙霧量濃厚，甜潤度適中。以霧化劑與裂解產(chǎn)物的質(zhì)量比為15∶1配制煙油，攪拌均勻后，取0.5 g煙油加入電子煙中進(jìn)行感官評價。

2.4.1 不同裂解時間對感官評價結(jié)果的影響

取不同微波時間（90、100、110、120、130、140 s）的裂解產(chǎn)物，加入電子煙中，感官評價結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，感官評價總得分呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，與本研究中所測得的香味成分總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢一致。微波裂解時間為120 s時，對應(yīng)的感官評價效果較好。

表3 微波裂解時間對感官評價結(jié)果的影響Tab.3 Effect of microwave pyrolysis time on sensory evaluation results （分）

2.4.2 不同裂解功率對感官評價結(jié)果的影響

取不同微波功率（500、600、700、800、900、1 000 W）的裂解產(chǎn)物，加入電子煙中。感官評價結(jié)果如表4所示。

表4 微波裂解功率對感官評價結(jié)果的影響Tab.4 Effect of microwave pyrolysis power on sensory evaluation results （分）

由表4可以看出，感官評價總得分呈先增后降的趨勢，與本研究中所測得的香味成分總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢呈現(xiàn)一致性。裂解功率為900 W時，對應(yīng)的感官評價效果較好，當(dāng)裂解功率達(dá)到1 000 W時，有明顯的焦煳樣氣味。

3 結(jié)論

①微波裂解功率為900 W，裂解時間為120 s時，裂解產(chǎn)物中揮發(fā)性香味成分總數(shù)量較多，總質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大；各類揮發(fā)性香味成分的數(shù)量較多，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大；將裂解產(chǎn)物應(yīng)用于電子煙后，對應(yīng)的感官評價效果較好。②該方法前處理簡便快捷、重復(fù)性較好，可為開發(fā)具有煙草本香的新型煙草制品提供一定的參考。