卷煙主流煙氣仿生吸收裝置的研制及在卷煙感官舒適性研究中的應用

劉 欣，李雪梅，倪朝敏，伊奧爾，王燕梅，梁夢潔，楊葉昆，張 濤，米其利，楊光宇，李 晶

云南中煙工業有限責任公司技術中心，昆明市五華區科醫路41號 650106

消費者在抽吸卷煙時，十分關注卷煙煙氣所帶來的感官感受。因此，卷煙煙氣的抽吸感受，是評價卷煙產品的基本因素，也是消費者認可和接受卷煙產品的基礎。卷煙在抽吸時，由于燃燒溫度較高，煙絲、香料、輔材等會發生一系列復雜的變化。因而卷煙煙氣是非常復雜的體系，包含有多種不同類型的化合物，目前已經鑒定出來的成分超過5 000種［1］，這些成分直接影響著卷煙的感官質量。當煙氣暴露于人體上呼吸道中，與口腔及咽喉部黏膜短暫作用后，部分特征化學成分與唾液發生接觸、擴散、溶解、滲透等［2-5］，最終殘留在上呼吸道內，引起人體的感官感受。因此，主流煙氣中的化學成分對人體感官生理反應的影響一直是煙草行業研究的熱點與重點［6-9］。

目前，對于卷煙感官評價的研究，主要有人工評吸［10］、劍橋濾片捕集煙氣總粒相物進行評價［11-12］、溶劑吸收捕集煙氣進行評價［13-14］等方式。其中，人工評吸是最常用的評價方式，主要依靠有經驗的評吸者對卷煙產品進行評價，這種傳統的評價方式具有較大的主觀能動性，對于人的經驗性依賴較大，也易受到評吸者生理、心理等方面的影響，且在超出評吸者的耐受范圍時缺乏一定客觀性；劍橋濾片捕集煙氣總粒相物與溶劑吸收捕集煙氣的評價方式盡管為卷煙感官評價提供了不同的針對性方法，但是卻難以反映人體抽吸卷煙時的真實狀況，存在與人實際抽吸狀況差別較大的問題,而這些問題均制約了煙氣成分與感官生理感受的相關性研究。

因此，針對現有方法的不足，設計了一種新型的模擬主流煙氣暴露于口腔及上呼吸道的仿生吸收裝置，該裝置通過仿生模擬人體的口腔、咽喉以及相應的黏膜，經優化操作過程后，與人實際抽吸卷煙的狀況進行了對比驗證，并研究了煙氣仿生吸收液與劍橋濾片兩種捕集方式對主流煙氣中酚類及煙堿的捕集狀況及與抽吸舒適性的相關性，旨在為卷煙煙氣口感品質調控提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1材料、試劑和儀器

實驗用卷煙分別為編號 A#～E#（“玉溪 ”、“云煙”、“紅塔山”等）及1#～8#（“玉溪”、“七匹狼”、“雄獅”、“蘭州”、“紅旗渠”、“泰山”等）的市售卷煙。

NaCl、KCl、NaOH、CaCl2·2H2O、NaH2PO4·2H2O、Na2S·9H2O、KH2PO4、尿素（AR，西隴化工股份有限公司）；冰乙酸、磷酸、三乙胺（優級純），甲醇、乙腈（色譜純）（德國Merck公司）；實驗用水均為超純水；鄰苯二酚、間苯二酚、對苯二酚、苯酚、鄰甲酚、間甲酚、對甲酚（標準品，＞98%，美國Sigma-Aldrich公司）；煙堿（標準品，購自中國煙草總公司鄭州煙草研究院）。

人工唾液：人工唾液按照 ISO/TR 10271［15］的標準配制，具體配方：0.4 g/L NaCl，0.4 g/L KCl，0.795 g/L CaCl2·2H2O，0.005 g/L Na2S·9H2O，0.78 g/L NaH2PO4·2H2O，1 g/L尿素，用超純水配制，用一定濃度的NaOH溶液將pH調至6.8±0.5。

Waters AQUITY液相色譜儀，配置紫外檢測器和熒光檢測器（美國Waters公司）；色譜柱：Zorbax SB-C18柱（4.6 mm×150 mm,5 μm）（美國Agilent公司）；AE200電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；SK5200型超聲波振蕩器（上海科導超聲儀器有限公司）；SM450直線型吸煙機（英國Cerulean公司）；0.45 μm水相針式微孔過濾頭（上海安譜實驗科技股份有限公司）；Milli-Q超純水純化系統、3K離心超濾管（美國Millipore公司）。

主流煙氣仿生吸收裝置。煙氣吸收瓶，由模擬人體口腔的圓筒狀玻璃與模擬咽喉的管狀玻璃組成，設有進排煙口、吸煙機連接口等；模擬人工口腔仿生黏膜（長12.5 cm，寬8 cm，平均厚度180 μm）與咽喉仿生黏膜（長10 cm，寬3 cm，平均厚度180 μm），為實驗室自制；硅膠軟管（內徑6 mm，外徑10 mm）；手動氣管開關閥、Y形三通氣管接頭、十字形四通氣管接頭、五通氣管接頭（插管大小為6 mm，無錫杰安德氣動器材商行）；GAST DOA-P504-BN無油隔膜式真空泵（美國Idex公司）。

1.2方法

1.2.1 主流煙氣仿生吸收裝置的設計原理

本研究中基于吸煙者吸煙的過程，建立了用于模擬主流煙氣暴露于口腔及上呼吸道的仿生吸收裝置。設計的細節如表1所示。該裝置主要包括：卷煙夾持器，其通過閥門與煙氣進氣管連通；煙氣吸收瓶，整體為密封的圓筒狀，用于模擬人口腔，其一端筒底密封連通所述煙氣進氣管；管體,用于模擬人咽喉部，其一端與煙氣吸收瓶的另一端筒底密封連通，另一端密封連通吸煙機連接管，用于模擬人通過肺部進行抽吸卷煙，煙氣從口腔通過咽喉最后進入肺部的過程；人工口腔仿生黏膜通過浸潤人工唾液后黏附在煙氣吸收瓶內壁，人工喉部仿生黏膜通過浸潤人工唾液后粘附在管體內壁，分別用于模擬吸煙時人體口腔及咽喉部黏膜與主流煙氣相互作用的過程，裝置設計如圖1和圖2所示。

表1 仿生吸收裝置模擬人實際抽煙情況的設計方案Tab.1 Design scheme for simulating human smoking by a bionic absorption device

圖1 仿生吸收裝置抽煙過程示意圖Fig.1 A schematic illustration of smoking process by a bionic absorption device

圖2 仿生吸收裝置吐煙過程示意圖Fig.2 A schematic illustration of smoke exhaling process by a bionic absorption device

1.2.2 裝置的實際操作過程

模擬主流煙氣暴露的仿生吸收裝置的具體操作步驟為：①將卷煙煙支放入卷煙夾持器中，點燃煙支，吸煙機抽吸卷煙產生煙氣，進煙管閥門處于打開狀態，排煙管閥門與大氣連接管閥門處于關閉狀態，煙氣進氣管與吸煙機連接管暢通，煙氣通過進氣管流經瓶體進入到管體中，此步設計用于仿生模擬人體吸煙、煙氣進入口腔及上呼吸道的過程；②煙氣在管體中發生擴散，與浸潤了人工唾液的模擬人工口腔及喉部黏膜接觸，由其進行煙氣的溶解、滲透等過程，此步設計用于仿生模擬煙氣與人體口腔及上呼吸道發生相互作用，進行了連續的接觸、擴散、溶解及滲透等過程，整個過程持續10 s，煙氣仿生吸收液的體積為10 mL；③待煙氣在瓶體及玻璃管中短暫停留后，在卷煙抽吸間隔期內，關閉進煙管閥門，打開排煙管閥門，利用真空泵對瓶體及管體中的煙氣抽排，煙氣通過排氣管被排出，此步設計用于仿生模擬吸煙者吐煙的過程；④關閉真空泵，打開大氣連接管閥門，使瓶體與大氣連通，最后關閉排煙管閥門與大氣連接管閥門，打開進煙管閥門，再一次進行煙支抽吸。如此反復操作，直到卷煙抽吸過程結束。

操作過程中，模擬吸煙者抽吸卷煙的裝置為吸煙機，吸煙機抽吸條件優選的方案為抽吸頻率1口/min，抽吸持續時間2 s，間隔58 s，抽吸容量（35.0±0.2）mL/口，抽吸10支卷煙。

1.2.3 溶液的配制

利用色譜級甲醇分別配制鄰苯二酚、間苯二酚、對苯二酚、苯酚、鄰甲酚、間甲酚、對甲酚等濃度為1 000 mg/L的標準儲備溶液，置于4℃冰箱內保存；各級標準溶液通過標準儲備液混合配制，并用超純水稀釋至合適的濃度，現配現用。

1.2.4 樣品前處理及分析

（1）煙氣仿生吸收液：按照設置的模擬抽吸方式，抽吸數支卷煙后，將模擬人工口腔仿生黏膜與咽喉仿生黏膜取出，用配制的人工唾液多次潤洗煙氣吸收瓶及連接管道，最后將仿生黏膜與潤洗液合并，通過超聲波振蕩器對合并液進行超聲萃取30 min，收集萃取液并用人工唾液定容至20 mL，過0.45 μm水相濾膜。

（2）劍橋濾片：按照GB/T 16447—2004［17］的規定平衡煙支 48 h，按照 GB/T 19609—2004［16］的規定收集5支卷煙主流煙氣的總粒相物，抽吸結束后空吸3口，清空管道殘余煙氣。將劍橋濾片轉移至干凈的錐形瓶中，加入20 mL人工唾液，超聲萃取30 min，取萃取液過0.45μm水相濾膜，收集濾液。

（3）吸煙者唾液：隨機邀請4位具有抽煙習慣的吸煙者作為志愿者，并要求志愿者在抽吸卷煙前10 min用飲用水漱口，以避免口腔中食物殘渣及其他雜質的影響［18］。開始吸煙前，給每位志愿者發放1支唾液采集管，點燃卷煙后開始計時，要求志愿者按照個人習慣抽吸卷煙，且抽吸過程中不中途喝水，不吞咽唾液，需將唾液全部收集至超濾離心管中［19］，直至10 min（若10 min內已抽吸完卷煙，也需繼續進行唾液收集，直至10 min）；志愿者抽吸卷煙結束后，收集超濾離心管，記錄唾液體積，在3 000 r/min轉速下離心30 min后，過0.45 μm水相濾膜，將濾液轉移至色譜瓶中。

酚類化合物的色譜分離條件：

參照 YC/T 255—2008［20］的方法，采用 FLR 熒光檢測器（激發波長：284 nm，發射波長：332 nm）；色譜柱：Zorbax SB-C18柱（4.6 mm×150 mm，5 μm）；流動相：A 0.1%乙酸水溶液，B乙腈，梯度淋洗程序見表2；流速：0.8 mL/min；柱溫：30 ℃；進樣量：10 μL。在選定的實驗條件下，標準品和實際樣品的色譜圖如圖3所示。1

表2 液相色譜分析洗脫梯度程序Tab.2 Procedures of gradient elution by liquid chromatogram

圖3 酚類化合物標準品（a）和實際樣品（b）的色譜圖Fig.3 Chromatogram of phenols in standard(a)and real samples(b)

煙堿的色譜分離條件：

參照文獻［21］的方法，采用PDA紫外檢測器；色譜柱：Zorbax SB-C18柱（4.6 mm×150 mm，5 μm）；流動相：A 20 mmol/L KH2PO4溶液，含0.1%三乙胺（磷酸調節pH至3.0），B乙腈，流動相比例：95%A：5%B；流速：0.5 mL/min；柱溫：30 ℃；進樣量：10 μL；檢測波長：260 nm。在選定的實驗條件下，標準品和實際樣品的色譜圖如圖4所示。

圖4 煙堿的標準品色譜圖（a）和實際樣品色譜圖（b）Fig.4 Chromatogram of nicotine in standard(a)and real samples(b)

1.2.5 卷煙抽吸感官舒適性評價

參照 YC/T 497—2014［10］的方法，以影響抽吸舒適性的感官感受作為主要評價指標，包括口腔刺激、鼻腔刺激、喉部刺激、干凈度、濕潤度和回味（每項指標的評判分值均為0～9分，分值越高表示舒適性越好），組織10位具有省級及以上卷煙感官評吸資質的專家，對8種卷煙樣品進行抽吸舒適性評價。

2 結果與討論

2.1 仿生吸收裝置的優化結果

本研究中構建的仿生吸收裝置是基于模擬人抽吸卷煙的過程，因此在裝置的參數設置上需要盡可能地貼近實際情況，以實現對主流煙氣中影響抽吸舒適性的關鍵化學成分的仿生吸收。因此考察并優化了煙氣在仿生吸收裝置內的停駐時間、人工唾液的體積等影響因素。

2.1.1 煙氣停駐時間

主流煙氣在進入仿生吸收裝置后，會快速地擴散，并與裝置內粘附的人工口腔黏膜與咽喉黏膜發生作用，這是一個動態過程，煙氣的停駐時間直接影響煙氣中各化學成分向仿生吸收液中轉移的量。因此，考察了停駐時間為2、10、20 s 3種情況下主流煙氣中的酚類物質在煙氣仿生吸收液中的殘留量，結果如圖5所示。

由圖5可知：隨著煙氣在仿生吸收裝置內停駐時間的延長，煙氣仿生吸收液中的苯酚、對/間甲酚、鄰甲酚的量也隨之增加，當停駐時間超過10 s后，各酚類物質的量達到飽和。因此，優選10 s作為煙氣在裝置內的停駐時間。

圖5 煙氣停駐時間的優化實驗結果Fig.5 Results of optimization experiment of smoke retention time

2.1.2 人工唾液體積的優化

在消費者實際抽吸卷煙過程中，由于煙氣的刺激，導致分泌的唾液量不斷變化。但是由于本實驗裝置的局限性，煙氣仿生吸收液的體積是固定不變的，為了考察其對主流煙氣中各化學成分吸收的影響，分別考察了5、10、20 mL人工唾液的吸收效果（圖6）。可知：隨著煙氣仿生吸收液體積的增加，其中所含的各酚類物質的量也隨之增加，當唾液體積增加到10 mL后，苯酚、對/間甲酚、鄰甲酚的量分別呈現出不同程度的下降趨勢。根據實驗結果，采用10 mL人工唾液作為煙氣仿生吸收液的用量。

圖6 人工唾液體積的優化實驗結果Fig.6 Results of optimization experiment of artificial saliva volume

2.2 仿生吸收裝置的穩定性

為了考察構建的卷煙煙氣仿生吸收裝置的穩定性，本研究中選取了5種不同牌號的市售卷煙樣品，以仿生吸收裝置中煙氣吸收液內的6種酚類化合物及煙堿為檢測目標物，進行了5天的日間重復測定，結果如表3所示。可以看出，煙氣仿生吸收液中各目標成分的相對標準偏差均在2.8%～8.9%之間，表明該裝置的穩定性較好。

表3 仿生吸收裝置的穩定性結果（RSD）Tab.3 Stability of bionic absorption device （%）

2.3 仿生吸收裝置與人實際抽吸卷煙狀況的對比驗證

建立卷煙煙氣仿生吸收裝置的核心目的就是能夠模擬主流煙氣在人口腔及上呼吸道中的接觸、擴散、溶解、滲透等過程，而根據文獻報道，只有最終溶解于口腔唾液中的物質才是引發抽吸感官感受的關鍵組分［22］。因此，如若仿生吸收裝置中煙氣吸收液內捕集的相關物質的量與吸煙者實際抽吸過程中相關物質在口腔唾液中的保留量相匹配，才能說明該仿生吸收裝置在一定程度上可以模擬人實際抽吸卷煙的過程。因此，考察了仿生吸收裝置與人實際抽吸卷煙狀況的匹配度。

根據文獻報道，主流煙氣中的酚類化合物對呼吸黏膜有強烈的刺激作用［23-24］，煙堿［9,25］也是文獻中報道較多的影響卷煙抽吸舒適性的成分之一，且其釋放量相對較高，因此將上述兩類成分作為驗證實驗的檢測目標物。對比了志愿者抽吸卷煙時唾液中、仿生吸收裝置內煙氣吸收液中及劍橋濾片捕集的煙氣粒相物中的煙堿及酚類化合物的量，志愿者的相關情況見表4，結果見表5。

表4 志愿者的相關情況Tab.4 Information on human volunteers

從表5可以看出，志愿者口腔唾液中煙堿的殘留量與煙氣仿生吸收液中基本吻合。采用單樣本t檢驗后發現，在95%的置信概率下，兩種方式的測定結果沒有顯著性差異，說明該仿生吸收裝置在一定程度上可以模擬人實際抽吸卷煙的過程。同時，對比志愿者口腔唾液與煙氣仿生吸收液中煙堿及酚類化合物的量，由于各人抽吸習慣不同，其唾液中煙堿及酚類化合物的殘留量各有高低，但是經單樣本t檢驗后發現，除間苯二酚外，兩種方式對煙堿及其他5種酚類化合物的測定結果均無顯著性差異（P＞0.05）。綜上所述，該煙氣仿生吸收裝置在一定程度上可以模擬人實際抽吸卷煙的過程，具有較高的匹配度和準確性。

表5 志愿者唾液、煙氣吸收液及劍橋濾片中酚類化合物和煙堿質量分數對比Tab.5 Contents of phenols and nicotine in saliva of volunteers,smoke absorption liquid and Cambridge filter（μg·支-1）

2.4 仿生吸收裝置與劍橋濾片的對比

還分別考察了仿生吸收裝置與劍橋濾片兩種方式對主流煙氣中6種酚類化合物的捕集情況。選取了8種代表性卷煙樣品，分別通過劍橋濾片捕集和仿生吸收裝置吸收對煙氣中酚類化合物的釋放量進行定量分析，并將兩種捕集方式的實驗結果分別與卷煙的感官評分進行皮爾森相關性分析。如表6所示，當主流煙氣進入到仿生吸收裝置后，經過與模擬人工口腔黏膜及喉部黏膜進行相互作用后，煙氣仿生吸收液中最終殘留的酚類化合物僅為未進入口腔前的主流煙氣中對應成分釋放量的0.03%～23.75%，煙堿殘留量為未進入口腔的總量的3.03%～6.64%。由此說明：主流煙氣中的化學成分并非全部駐留在裝置內，只有部分（酚類：約0.03%～23.75%）殘留在裝置內，而這部分截留于煙氣仿生吸收液內的化學成分才是實際引發口腔體驗、影響卷煙煙氣抽吸舒適感的關鍵化學基礎［22］。這也在一定程度上說明劍橋濾片捕集方式與人實際抽吸狀況具有一定的差別。

表6 煙氣仿生吸收液及劍橋濾片中6種酚類化合物的量Tab.6 Contents of 6 phenols in smoke absorption liquid and Cambridge filter （μg·支-1）

對8種不同牌號代表性卷煙樣品的感官評價結果及酚類化合物的檢測結果分別見表7和表6，并將兩種捕集方式的實驗結果分別與卷煙的感官評分進行皮爾森相關性分析，結果見表8和表9。可知：煙氣仿生吸收液中各酚類化合物的量與刺激性之間基本呈負相關性，其中，對/間甲酚與鼻腔刺激、干凈度及感官評價總分顯著負相關，鄰甲酚與鼻腔刺激、喉部刺激、干凈度及感官評價總分顯著負相關，這些結果均與文獻［8-9］的報道一致。而通過劍橋濾片捕集的煙氣粒相物中各酚類化合物的量與感官指標之間不僅有負相關性結果，同時還存在正相關性結果與趨勢。其中，對苯二酚和間苯二酚均與口腔刺激、干凈度顯著正相關，與文獻［8-9］的報道不符。

表7 8種市售卷煙樣品的感官評分Tab.7 Sensory scores of 8 cigarette samples （分）

表8 煙氣吸收液中酚類化合物的量與感官評分的相關性分析結果Tab.8 Correlation between sensory scores and phenols contents in smoke absorption liquid

表9 劍橋濾片中酚類化合物的量與感官評分的相關性分析結果Tab.9 Correlation between sensory scores and phenols contents in Cambridge filter

3 結論

①基于吸煙者實際抽吸卷煙的過程，研究建立了一種新型的模擬主流煙氣暴露于口腔及上呼吸道的仿生吸收裝置。該裝置經優化后，與人實際抽吸卷煙的狀況進行了對比驗證，t檢驗結果顯示：通過該裝置測定的主流煙氣煙堿及5種酚類化合物的釋放量與志愿者口腔唾液中的殘留量無顯著性差異（P＞0.05），證明該裝置在一定程度上可以模擬人實際抽吸卷煙的過程。②相較于劍橋濾片捕集煙氣總粒相物的方式，該仿生吸收裝置反映的是主流煙氣被吸入后與口腔及上呼吸道發生作用的過程。該裝置捕集主流煙氣的情況與劍橋濾片存在一定差異，其與主流煙氣作用后的分析結果和人體感官生理反應的相關性更高，該方式也是對原有的劍橋濾片捕集分析主流煙氣研究的有效延伸與擴展，可為改善卷煙抽吸舒適性、提升卷煙產品品質的相關研究提供技術支持。