自制裝置加熱下不同煙葉原料香味成分釋放差異

趙國(guó)豪，郭國(guó)寧，黃 龍，崔華鵬，劉紹鋒，郭吉兆，王曉瑜，秦亞瓊，王 冰，陳 黎，樊美娟*

1. 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，武漢市東西湖區(qū)金山大道1355 號(hào) 430040 2. 中國(guó)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(hào) 450001

近年來，隨著控?zé)熈Χ炔粩嗉哟螅瑖?guó)外煙草公司將加熱卷煙作為卷煙類產(chǎn)品的替代品，不斷加大研發(fā)力度，菲莫國(guó)際、英美煙草、帝國(guó)煙草、日本煙草、韓國(guó)煙草人參公司等煙草公司均推出市售加熱卷煙［1-4］，且銷量迅速增長(zhǎng)，2018 年全球加熱卷煙的零售額為118.9 億美元。日本是全球最大的消費(fèi)市場(chǎng)，2018 年零售額為77.0 億美元［5-6］，其中最早進(jìn)入市場(chǎng)的菲莫國(guó)際市場(chǎng)占有率達(dá)78.8%［6］。2020 年菲莫國(guó)際的iQOS 加熱卷煙已經(jīng)通過美國(guó)食品與藥品管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）風(fēng)險(xiǎn)改良煙草制品（Modified risk tobacco product，MRTP）的暴露改良評(píng)估［7-8］，其市場(chǎng)占有率將會(huì)持續(xù)增加。我國(guó)煙草行業(yè)也將該類產(chǎn)品視為煙草制品發(fā)展的重要方向之一，加熱卷煙成為國(guó)內(nèi)各煙草企業(yè)的研究熱點(diǎn)。

煙氣釋放特征決定了煙草制品的品質(zhì)，且加熱卷煙煙氣的產(chǎn)生與傳統(tǒng)卷煙不同［9-10］。目前不同煙葉類型在加熱非燃燒狀態(tài)下香味成分釋放的差異研究鮮見報(bào)道。因此，為全面了解煙葉原料對(duì)加熱卷煙煙氣香味成分釋放的影響規(guī)律，比較了不同類型、不同產(chǎn)地、不同部位煙葉在加熱狀態(tài)下煙氣香味成分釋放量的差異，旨在為開發(fā)加熱卷煙提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

收集18 種不同類型、不同產(chǎn)地以及不同部位的煙葉（表1）。

表1 煙葉樣品信息Tab.1 Information of tobacco samples

乙酸苯乙酯（99%）（美國(guó)Sigma Aldrich 公司）；反 式-3- 己 烯 酸（99% ，日 本Tokyo Chemical Industry 公司）；N，O-雙（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA，＞99%，美國(guó)Regis Technologies 公司）；二氯甲烷（色譜純，德國(guó)Merck 公司）。

SM450 型20 孔道吸煙機(jī)（英國(guó)Cerulean 公司）；44 mm 劍橋?yàn)V片（英國(guó)Whatman 公司）；7890B/5977A 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國(guó)Agilent 公司）；CP225D型電子天平（感量0.000 1 g，德國(guó)Sartorius公司）；0.45 μm濾膜（上海安普科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)用煙支和加熱裝置研制

以iQOS 煙支設(shè)計(jì)為參考［11-12］，設(shè)計(jì)本研究中所用煙支，具體包括：醋纖濾嘴段、聚乳酸薄膜段、醋纖中空段和煙支段，如圖1所示。醋纖濾嘴段、聚乳酸薄膜段和醋纖中空段的長(zhǎng)度分別為7、20 和7 mm，煙支段的長(zhǎng)度為30 mm，煙支直徑為7.6 mm。卷煙紙定量為28 g/m2，透氣度為30 CU。在煙絲中添加18%的甘油作為霧化劑，并根據(jù)卷制要求調(diào)控含水率。在同一卷煙機(jī)臺(tái)完成所有樣品的卷制，控制各樣品煙支的硬度為70%、煙支質(zhì)量為250 mg/支、吸阻為606 Pa。

圖1 自制加熱卷煙的實(shí)物圖及示意圖Fig.1 Picture and schematic diagram of self-made tobacco rods

參考iQOS 產(chǎn)品的電加熱設(shè)計(jì)［11-12］，研制了基于電熱陶瓷的加熱裝置，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包括外筒和加熱芯兩部分。外筒由陶瓷材料制成，其內(nèi)徑為7.8 mm，可與設(shè)計(jì)的煙支匹配。加熱芯由電熱陶瓷材料卷制，其外徑為1.8 mm、長(zhǎng)度為28 mm，設(shè)有尖端以方便煙支插入；加熱芯的電阻為1.60 Ω（精度為±3%），通過導(dǎo)線與外部電源相連，使加熱溫度保持在370 ℃。外部電源控制軟件可實(shí)時(shí)顯示輸入電壓數(shù)值，并顯示加熱裝置是否處于正常工作狀態(tài)。

圖2 加熱卷煙煙具示意圖Fig.2 Schematic diagram of tobacco heating device

1.2.2 煙氣粒相物和焦油釋放量測(cè)定

參照GB/T 19609—2004［13］的方法測(cè)定加熱卷煙煙氣粒相物和焦油釋放量。

1.2.3 煙氣香味成分分析

1.2.3.1 加熱卷煙抽吸

用直線型吸煙機(jī)抽吸，每組抽吸4支，用劍橋?yàn)V片捕集主流煙氣粒相物；參考加拿大深度（Health Canada Intense，HCI）抽吸方法［14］，結(jié)合加熱卷煙實(shí)際情況，提出加熱卷煙抽吸方法：抽吸容量55 mL，抽吸頻率30 s，抽吸持續(xù)時(shí)間2 s，每支煙抽吸10口。

1.2.3.2 樣品處理與分析

因中性、堿性香味成分和酸性香味成分的前處理方法不同，分別進(jìn)行前處理。

（1）中性、堿性成分

將劍橋?yàn)V片放入4 mL 樣品瓶中，加入3 mL二氯甲烷萃取劑，并準(zhǔn)確加入100 μL 內(nèi)標(biāo)溶液（2 mg/mL 乙酸苯乙酯），用密封膜密封；超聲萃取30 min，將萃取液用濾膜過濾，將濾液進(jìn)行GC/MS分析。分析條件：

色譜柱：DB-5MS 毛細(xì)管柱（60 m×0.25 mm×1.0 μm）；進(jìn)樣口溫度：290 ℃；升溫程序：60 ℃290 ℃（20 min）；分流比：10 ∶1，進(jìn)樣量：1 μL；載氣：He氣；載氣流速：1.5 mL/min；傳輸線溫度：290 ℃；電離方式：EI；離子源溫度：230 ℃；電離能量：70 eV；四極桿溫度：150 ℃；質(zhì)量掃描范圍：26～400 amu；監(jiān)測(cè)模式：全掃描模式和選擇離子掃描模式。香味成分及內(nèi)標(biāo)的保留時(shí)間和質(zhì)譜參數(shù)見表2。

表2 中性、堿性成分及內(nèi)標(biāo)的保留時(shí)間和質(zhì)譜參數(shù)Tab.2 Retention time, quantitative ions, and qualitative ions of neutral and alkaline aroma components

（2）酸性成分

將濾片放入4 mL 樣品瓶中，加入3 mL 二氯甲烷萃取劑（內(nèi)標(biāo)：反式-3-己烯酸，濃度：50 μg/mL），旋緊瓶蓋密封，超聲萃取30 min。取500 μL 萃取液，加入100 μL BSTFA，60 ℃水浴衍生40 min，冷卻至室溫后進(jìn)行GC/MS 分析。分析條件：

色譜柱：DB-5MS（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；升溫程序：40 ℃（3 min）4℃/min280 ℃（20 min）；分流比：10∶1；進(jìn)樣量：1 μL；傳輸線溫度：280 ℃；離子源溫度：280 ℃；電離方式：EI；電離能量：70 eV；質(zhì)譜掃描范圍：35～450 amu；監(jiān)測(cè)模式：全掃描模式和選擇離子掃描模式。香味成分及內(nèi)標(biāo)的保留時(shí)間和質(zhì)譜參數(shù)見表3。

1.2.3.3 定量方法

香味成分的定量采用內(nèi)標(biāo)校正法，即目標(biāo)化合物的量=（目標(biāo)化合物的峰面積/內(nèi)標(biāo)峰面積）×（內(nèi)標(biāo)的質(zhì)量/煙支數(shù)量）。

2 結(jié)果與討論

2.1 加熱卷煙煙具穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1.1 加熱器具的加熱溫度

采用熱電偶法測(cè)定加熱筒內(nèi)壁的溫度變化。由圖3 可知：通過調(diào)節(jié)加熱器具的功率，升溫至設(shè)定的370 ℃僅需要30 s，并獲得恒定的加熱溫度。該加熱裝置可實(shí)現(xiàn)加熱卷煙實(shí)驗(yàn)的需求，以考察煙氣釋放特征。

圖3 內(nèi)加熱370 ℃條件下加熱筒內(nèi)壁的溫度變化Fig.3 Temperature variation of inner wall of heating cylinder under internal heating at 370 ℃

2.1.2 加熱煙具的一致性

采用直線式吸煙機(jī)抽吸加熱卷煙。煙支樣品插入煙具單元后，將煙支濾嘴段與吸煙機(jī)捕集器相連接；卷煙加熱1 min 后，在HCI 模式下抽吸煙支，每支煙抽吸10 口，以劍橋?yàn)V片捕集煙氣粒相物。采用5 個(gè)煙具單元加熱煙支，考察煙具單元的一致性，結(jié)果見表4。可知：煙氣粒相物和焦油釋放量的變異系數(shù)（CV）均不大于7.0%，能夠滿足加熱卷煙香味成分釋放量的分析研究。

表4 加熱卷煙煙氣粒相物和焦油的釋放量Tab.4 Releases of dry particulate matters and tar in aerosols of heated tobacco （mg·支－1）

2.2 方法表征

各化合物的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差見表5 和表6。由表5 可知：中性、堿性香味成分的釋放量為0.05～32.9 μg/支，方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）在2.3%～9.0%之間。由表6 可知：酸性香味成分的釋放量為0.30～119 μg/支，方法的RSD 在2.5%～7.6%之間。由此可見，建立的方法具有較好的精密度，適用于加熱卷煙煙氣中香味成分的測(cè)定。

表5 中性、堿性香味成分分析方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=5）Tab.5 Repeatability on neutral and alkaline aroma components（n=5）

表6 酸性香味成分分析方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=5）Tab.6 Repeatability on acidic aroma components（n=5）

2.3 不同煙葉原料

煙氣中揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分的釋放量和相對(duì)比例決定了其香氣量和香氣風(fēng)格［15-16］。在加熱卷煙煙氣中共檢測(cè)到32 種香味成分，且其釋放量較低。為便于討論，按照不同結(jié)構(gòu)或官能團(tuán)將其分為6 類：呋喃吡喃類8 種，醛酮類6 種，含氮化合物3 種，低級(jí)脂肪酸類6 種，高級(jí)脂肪酸類5 種，其他類4 種（新植二烯、2-羰基丙酸甲酯、γ-丁內(nèi)酯、2-甲氧基苯酚）。

2.3.1 不同煙葉類型

不同類型煙葉樣品（烤煙、白肋煙、香料煙、曬紅煙、曬黃煙和毛煙）加熱卷煙在加熱時(shí)香味成分的釋放量見表7。不同類型煙葉樣品的加熱卷煙煙氣醛酮類、低級(jí)脂肪酸、高級(jí)脂肪酸、呋喃吡喃類等的釋放量差異較大（CV＞20%），而含氮化合物釋放量的差異較小（CV＜20%）。

表7 不同類型加熱卷煙煙葉樣品煙氣香味成分釋放量Tab.7 Releases of aroma components in aerosols of heatedcigarettes with different tobacco types（μg·支-1）

醛酮類、低級(jí)脂肪酸、高級(jí)脂肪酸、呋喃吡喃類香味成分的釋放量表現(xiàn)為烤煙、香料煙和曬黃煙3 種類型煙葉存在一定相似性，釋放量均較高；白肋煙、曬紅煙和毛煙的釋放量較低，僅為烤煙的20%～60%。醛酮類成分和呋喃吡喃類成分主要源于糖類的熱裂解及還原糖和含氨基化合物的美拉德反應(yīng)，低級(jí)脂肪酸、高級(jí)脂肪酸也很大一部分源于糖類物質(zhì)的熱解，而白肋煙、曬紅煙和毛煙中糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于烤煙［10，17］，因此白肋煙、曬紅煙和毛煙煙氣中的醛酮類、呋喃吡喃類、低級(jí)脂肪酸、高級(jí)脂肪酸的釋放量較烤煙低。盡管含氮化合物總量在不同類型煙葉之間差異較小，但白肋煙、曬紅煙和毛煙的煙氣中甲基吡嗪、3-羥基吡啶的釋放量明顯較高，可達(dá)烤煙的2～6 倍；含氮化合物主要源自煙葉中的氨基酸、蛋白質(zhì)及其他含氮物質(zhì)的熱解和美拉德反應(yīng)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移，而烤煙的總氮、蛋白質(zhì)的量低于白肋煙、曬紅煙和毛煙［17］。

2.3.2 烤煙產(chǎn)地差異

不同產(chǎn)地烤煙樣品（津巴布韋、美國(guó)、巴西、許昌、遵義、曲靖）的香味成分釋放量見表8。不同產(chǎn)地烤煙樣品香味成分釋放量有一定差異，主要表現(xiàn)在低級(jí)脂肪酸和呋喃吡喃類成分釋放量的差異（CV＞20%），而醛酮類成分、高級(jí)脂肪酸、含氮化合物的釋放量差異相對(duì)較小（CV＜20%）。

許昌煙葉煙氣低級(jí)脂肪酸和呋喃吡喃類香味成分的釋放量明顯低于其他5 個(gè)產(chǎn)地，約為其他產(chǎn)地的60%，可能因?yàn)樵S昌煙葉中糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較其他地區(qū)低［17］；津巴布韋、美國(guó)、巴西、遵義等產(chǎn)地烤煙煙氣香味成分釋放量之間差異相對(duì)較小。

表8 不同產(chǎn)地烤煙樣品加熱卷煙煙氣香味成分釋放量Tab.8 Releases of aroma components in aerosols of heated cigarettes with flue-cured tobacco from different planting areas （μg·支-1）

2.3.3 烤煙部位差異

不同部位烤煙樣品（B2F、C3F、X2F）香味成分的釋放量見表9。可以看出，不同部位烤煙樣品的醛酮類、低級(jí)脂肪酸、高級(jí)脂肪酸、呋喃吡喃類成分釋放量的差異相對(duì)較小（CV＜20%），而含氮化合物釋放量的差異相對(duì)較大。

醛酮類、低級(jí)脂肪酸和呋喃吡喃類成分的釋放量表現(xiàn)為中、下部煙葉較高，上部煙葉較低。醛酮類成分主要是1-羥基-2-丙酮、羥基麥芽酚，呋喃吡喃類成分主要是糠醛、5-甲基-2-糠醛，低級(jí)脂肪酸主要是乙酸、甲酸，這些成分可能主要來自糖類物質(zhì)的熱解［18］；不同部位煙葉中糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也表現(xiàn)為中部最高，下部次之，上部最低［19］，醛酮類、呋喃吡喃類成分和低級(jí)脂肪酸在煙氣中的釋放量規(guī)律與不同部位煙葉中糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一致。高級(jí)脂肪酸的煙氣釋放量呈下部＞中部＞上部，與不同部位煙葉脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的規(guī)律一致［20-21］，表明加熱卷煙煙氣中脂肪酸可能主要來自煙葉中脂肪酸的直接轉(zhuǎn)移。上部煙葉煙氣含氮化合物的釋放量高于中、下部煙葉，這類化合物主要來自煙葉中含氮物質(zhì)的熱裂解和美拉德反應(yīng)，煙氣中含氮化合物的釋放規(guī)律與煙葉中含氮物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相一致［18］。

表9 不同部位烤煙樣品煙氣香味成分釋放量①Tab.9 Releases of aroma components in aerosols of flue-cured tobacco leaves from different stalk positions（μg·支-1）

3 結(jié)論

①建立了加熱卷煙煙氣中性、堿性和酸性香味成分的分析方法。②煙氣香味成分釋放量在不同類型煙葉樣品間差異顯著，不同產(chǎn)地烤煙間存在一定差異，烤煙不同部位間差異較小。③不同類型煙葉煙氣香味成分釋放量的差異主要表現(xiàn)在醛酮類、低級(jí)脂肪酸、高級(jí)脂肪酸、呋喃吡喃類成分的差異，烤煙、曬黃煙、香料煙釋放量均較高，而毛煙、白肋煙和曬紅煙釋放量均較低。④不同產(chǎn)地烤煙煙氣香味成分釋放量的差異主要表現(xiàn)在低級(jí)脂肪酸和呋喃吡喃類成分，許昌烤煙明顯低于其余五產(chǎn)地。