卷煙煙氣總粒相物pH與酸性成分和堿性成分釋放量的相關性

鄧其馨，謝 衛*，劉澤春，黃延俊，張廷貴，孫培健，王曉瑜，顏權平，聶 聰，劉惠民，謝劍平

1.福建中煙工業有限責任公司技術中心，福建省廈門市濱水路298號361021

2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號450001

近50年來，卷煙煙氣pH一直是國內外煙草研究者關注的熱點之一［1-8］。煙氣pH不僅與卷煙的感官質量有關，還與人體對煙氣的吸收有關［9］。加拿大衛生部制定的標準中規定用逐口直接測定法［10］分析煙氣的pH，得到的是一組數據，其準確測定和比較有一定難度，而其他研究機構大多采用的是煙氣溶液pH測定法［2-3，8］。研究表明，卷煙煙氣在溶液中形成的是一種類似緩沖溶液的狀態［11］。萃取溶液的體積對煙氣pH的影響不大，抽吸支數對煙氣pH的影響也較小［12］。還有研究者發現不同抽吸口數煙氣pH的波動也不明顯，其均值與整支煙的煙氣pH基本一致［13］。林文強等［14］也通過響應面法優化，將煙氣溶液pH測試的RSD降到了0.4%以下。這說明煙氣溶液pH雖然受不同測試方法的影響，但是其具有實際意義，可為不同卷煙樣品的比較和卷煙產品的開發提供信息。

為比較卷煙煙氣pH的差異，并找出其影響因素，國內外已有大量研究報道。Baker［15］考察了烤煙型和混合型卷煙、晾曬煙、雪茄煙，以及側流煙氣的pH，結果分別在5.0~6.0、5.5~6.5、7.0~7.5、8.0~8.5、6.5~8.0之間。Braumann等［16］研究了煙氣pH與煙氣成分的相關性，結果表明，煙氣pH與總粒相物的相關性良好，與煙氣酸性成分總釋放量和煙堿釋放量的比值也有良好的相關性，但其結果對于中式烤煙型卷煙是否適合仍有待驗證。劉百戰等［17］采用去CO2的蒸餾水作為萃取劑，考察了不同煙葉類型和外加成分對煙氣pH的影響。劉靜等［18］研究了國內外混合型卷煙主流煙氣pH與總粒相物和CO釋放量的相關性。盧斌斌等［19］以異丙醇水溶液作為總粒相物的萃取劑，可提高有機物的萃取效率，并考察成品卷煙煙氣總粒相物pH與游離煙堿占總煙堿比例的關系。彭斌等［20］研究了煙絲中碳酸鉀的添加對煙氣pH的影響。近年來，賴燕華等［21］采用遺傳算法研究了主流煙氣粒相物pH的影響因素。李青青等［22］研究了煙氣pH與煙絲常規化學成分的相關性。楚文娟等［23］也研究了卷煙濾嘴通風對煙氣pH的影響。上述研究表明煙氣溶液pH的干擾因素眾多，影響因素復雜。此外，煙氣溶液pH的物質基礎，與總粒相物和焦油等成分的相關性，以及能否反映卷煙煙氣的酸堿平衡均有待驗證。為此，本研究中驗證了煙氣總粒相物溶液pH（簡稱總粒相物pH）的測試方法，測定了不同烤煙煙葉原料和成品卷煙煙氣總粒相物的pH值，主流煙氣常規化學成分、30種主要酸性成分、40種主要堿性成分（氨除外）和氨的釋放量并研究其相關性，考察外加酸堿成分對總粒相物pH的影響，旨在為煙氣pH的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

將云南、福建、貴州以及巴西、津巴布韋5個產地、不同部位的36個煙葉原料樣品，采用相同的輔材和工藝，制備成常規卷煙樣品，同時控制煙支硬度，作為單料煙煙氣分析樣品，樣品信息見表1。14種市售烤煙型卷煙，焦油釋放量在7.72~12.30 mg/支之間。

表1 單料煙樣品信息Tab.1 Information of cigarette samples made of single-grade tobacco

pH值標準緩沖溶液：pH為4.0的0.05 mol/L鄰苯二甲酸氫鉀水溶液、pH為6.86的0.025 mol/L磷酸二氫鉀和磷酸氫二鈉混合磷酸鹽溶液、pH為9.18的0.01 mol/L四硼酸鈉溶液（上海雷磁創益儀器儀表有限公司）；異丙醇、二氯甲烷、甲醇（色譜純，北京百靈威科技有限公司）；30種酸性成分標樣、40種堿性成分標樣及內標反-2-己烯酸和乙酸苯乙酯（AR），N，O-雙（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA，AR）（美國AccuStandard公司）；氨水（25%）、乙醇（AR，國藥集團化學試劑有限公司），蒸餾水（自制，電阻率＞18 MΩ·cm）。

7890/5975氣相色譜-質譜聯用儀（美國Agilent公司）；ICS-5000離子色譜儀、MaxQ 3000搖床（美國Thermo Fisher公司）；SM450直線型吸煙機（英國Cerulean公司）；AG104型電子天平（感量0.000 1 g）、S-400 pH計（瑞士Mettler Toledo公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品準備

將單料煙樣品和市售成品卷煙從盒包中取出，置于溫度（20±1）℃、相對濕度（60±2）%的環境中平衡48 h以上。

1.2.2 卷煙煙氣pH的測定

1.2.2.1 總粒相物pH

按照標準條件在吸煙機上抽吸4支卷煙，并用劍橋濾片收集粒相物，將收集有煙氣粒相物的濾片轉移至50 mL具塞錐形瓶中，用玻璃棉將捕集器擦拭2遍，置于錐形瓶中。準確加入20 mL含有1%（質量百分比）NaCl的50%（體積百分比）異丙醇水溶液作為萃取劑，將塞子蓋好并在搖床上振蕩30 min進行萃取，靜置30 min后，利用pH計測定其pH值。

1.2.2.2 氣相物pH

將裝有20 mL萃取劑的玻璃吸收瓶接于捕集器后，待抽吸完成并靜置30 min后，用pH計測定其pH值。

1.2.2.3 總煙氣pH

各取10 mL粒相物萃取液和氣相物吸收液，混勻，用pH計測定其pH值。

1.2.3 煙氣常規成分、酸性成分、堿性成分和氨的分析

參 照GB/T 19609—2004［24］、GB/T 23356—2009［25］和GB/T 23355—2009［26］的方法進行煙氣常規成分分析。分別參考文獻［27-28］中的方法進行卷煙煙氣中主要酸性成分和堿性成分的分析。采用YC/T 377—2017［29］的方法進行主流煙氣氨釋放量分析。

1.2.4 煙絲中外加成分對煙氣pH的影響

參考文獻［17］的方法，稱取0.1 g外加成分（甲酸或乳酸等），溶于1 mL乙醇或水（根據溶解性選擇溶劑）中，用微量注射器吸取100 μL，均勻注入同一規格卷煙煙支中。對照樣為注入100 μL乙醇或蒸餾水的煙支。按照1.2.1節的條件平衡72 h以上。

2 結果與討論

2.1 煙氣不同部分水溶液的pH

分別測定了不同單料煙樣品煙氣總粒相物pH、氣相物pH和總煙氣pH，結果見表2。結果表明，氣相物pH略低于總粒相物pH和總煙氣pH。這可能是由于氣相物易受CO2等干擾，總煙氣pH值與粒相物pH值差異不大，這些結果與之前的報道［30］類似。考慮到煙氣中絕大部分酸性成分和堿性成分均集中于劍橋濾片捕集的總粒相物［27-28］，因此主要考察煙氣總粒相物pH與酸性、堿性成分的相關性。

表2 單料煙樣品煙氣不同部分溶液的pHTab.2 The pH values of different parts of mainstream smoke of cigarette samples made of single-grade tobacco

2.2 不同萃取劑對總粒相物pH測定值的影響

為提高萃取劑對總粒相物中有機物的萃取效率，多采用異丙醇水溶液作為萃取劑。但添加異丙醇也會降低氫離子活度，導致pH測定值偏大，同時不同樣品間的差異度降低［3］。為了增加樣品間的差異度，使總粒相物pH更具比較意義，考察了采用50%異丙醇水溶液與添加1% NaCl的50%異丙醇水溶液作為萃取劑對煙氣總粒相物pH測定結果的影響，結果分別見表3和表4。結果表明，由于添加NaCl能提高萃取劑的電導率，采用1% NaCl的50%異丙醇水溶液作為萃取劑的總粒相物pH的測定值明顯降低，不同樣品間的差異度增加。如采用50%異丙醇水溶液作為萃取劑，單料煙27#樣品與19#樣品總粒相物pH的差異為0.56；采用含有1% NaCl的50%異丙醇水溶液作為萃取劑，二者的差異為0.90。這有利于不同樣品間的比較分析；此外，測試的相對標準偏差也降低。

表3 采用50%異丙醇水溶液作為萃取劑測定總粒相物pH的精密度Tab.3 Detection precision of TPM pH by using 50% isopropanol aqueous solution as extraction solvent

表4 采用含有1% NaCl的50%異丙醇水溶液作為萃取劑測定總粒相物pH的精密度Tab.4 Measurement precisions of TPM pH by using 50% isopropanol aqueous solution containing 1% NaCl as extraction solvent

2.3 煙氣常規化學成分和總粒相物pH

36種煙葉原料的煙氣常規化學成分和總粒相物pH測定結果見表5。可知，不同產地、不同部位煙葉原料煙氣中總粒相物以及水分、焦油、煙堿和CO釋放量的范圍分別為10.1~23.33、1.54~3.69、8.08~17.69、0.48~2.22和9.3~13.9 mg/支，總粒相物pH的范圍在5.29~6.19之間，這些指標的差異均較為明顯。其中總粒相物、水分、焦油和CO釋放量的最大值均為福建尤溪的上部煙，煙堿釋放量的最大值為福建政和的上部煙；總粒相物、水分、焦油、煙堿和CO釋放量的最小值均為貴州銅仁的下部煙。總粒相物pH的最大值為津巴布韋的中上部煙，最小值為云南祥云的中部煙。不同產地煙葉煙氣總粒相物的pH均值：津巴布韋＞巴西＞福建＞云南＞貴州，但國內不同產地的差異不大。不同部位煙葉煙氣總粒相物的pH均值：上部煙＞中部煙＞下部煙；但由于多數樣品是混打煙葉，部位的區分不是很清晰。

表5 單料煙煙氣常規化學成分釋放量和總粒相物pH分析結果Tab.5 Releases of routine chemical components and TPM pH of mainstream smoke of cigarette samples made of single-grade tobacco

不同煙葉原料煙氣的常規化學成分與總粒相物pH的相關性分析結果（圖1）表明，煙氣總粒相物、水分、焦油和CO的釋放量與總粒相物pH之間的相關性不明顯。這說明煙氣溶液呈現的是一種類似緩沖溶液的狀態，雖然煙氣總粒相物呈酸性，但并不是總粒相物質量越大，煙氣溶液pH就越小。此外，不同煙葉原料煙氣的煙堿釋放量與總粒相物pH之間有一定的相關性，線性相關系數為0.601。

圖1 單料煙煙氣常規化學成分釋放量與總粒相物pH的相關性Fig.1 Correlations between routine chemical component releases and TPM pH of mainstream smoke of cigarette samples made of single-grade tobacco

市售成品卷煙煙氣常規化學成分和總粒相物pH的分析結果見表6。可知，由于不同牌號卷煙的煙葉原料、輔材參數等差異較大，煙氣總粒相物、水分、焦油和煙堿的釋放量差異也較大；總粒相物pH在5.44~6.13之間，差異明顯。

表6 市售成品卷煙煙氣常規化學成分釋放量和總粒相物pH分析結果Tab.6 Releases of routine chemical components and TPM pH of mainstream smoke of commercial cigarette samples

14種市售成品卷煙煙氣常規化學成分與總粒相物pH的相關性分析結果見圖2。可知，總粒相物、水分、焦油與煙氣pH存在一定的負相關。這一結果與之前的報道類似［18，20］，由于與不同煙葉原料分析結果的規律不一致，因此，推測可能是由于經過煙葉原料及添加劑的調整后煙氣pH穩定在一定范圍，輔材參數的改變造成煙氣pH呈現一定規律性的變化。煙堿與總粒相物pH之間的相關性不明顯，說明不同煙葉原料中得出的煙堿與總粒相物pH之間相關性的規律無法在成品卷煙中得到驗證。

圖2 市售成品卷煙煙氣常規化學成分與總粒相物pH的相關性Fig.2 Correlations between routine chemical components and TPM pH of mainstream smoke of commercial cigarette samples

2.4 主流煙氣主要酸性成分分析

36種不同煙葉原料單料煙煙氣中30種主要酸性成分的釋放量結果表明，不同產地和部位煙葉原料煙氣酸性成分的釋放量范圍在641.78~1 603.06 μg/支之間，差異明顯。最大的是福建政和上部煙，最小的是貴州銅仁下部煙。不同產地原料煙氣酸性成分釋放量均值：福建＞巴西＞云南＞津巴布韋＞貴州。不同部位原料煙氣酸性成分釋放量均值：上部煙＞中部煙＞下部煙。1#單料煙樣品煙氣主要酸性成分釋放量分析結果見表7。可知，不同酸性成分釋放量：乙酸＞甲酸＞羥基乙酸＞乳酸＞十六酸＞丙烯酸＞間羥基苯甲酸＞丙酸＞2-呋喃甲酸＞苯甲酸＞硬脂酸，這11種酸占酸性成分總釋放量的80%以上，其中，某些高級脂肪酸的釋放量較高，如十六酸和硬脂酸等，不同產地和部位的單料煙樣品基本上呈現相似的規律。羧基單元釋放量（μmol·支-1）和氫離子釋放量（μmol·支-1）也與pH有關［31］。羧基單元釋放量按照公式（1）計算：

表7 1#單料煙樣品煙氣主要酸性成分分析結果Tab.7 Analysis results of main acidic components in smoke of cigarette sample No.1#（made of single-grade tobacco）

當從酸性成分含有的羧基單元釋放量方面比較時，乙酸＞甲酸＞羥基乙酸＞乳酸，這4種酸含有的羧基單元占羧基單元總釋放量的86%以上。此外，有機酸大部分為弱酸，其解離出的氫離子越多，酸性越強。當從氫離子釋放量方面比較時，甲酸＞羥基乙酸＞2-呋喃甲酸＞乳酸，這4種酸占氫離子總釋放量的86%以上。14種市售成品卷煙酸性成分釋放量范圍在483.02~933.60 μg/支之間，釋放量較高的酸性成分所占比例與單料煙類似。

2.5 主流煙氣主要堿性成分分析

考察了不同單料煙和成品卷煙主流煙氣40種主要堿性成分（除煙堿外）的釋放量。36種單料煙煙氣主要堿性成分（除煙堿外）釋放量的范圍為19.73~72.78 μg/支，最大的是云南沾益上部煙，最小的是貴州銅仁下部煙，兩者差異明顯。主要堿性成分（除煙堿外）的總釋放量僅占煙堿釋放量的5%左右。1#單料煙樣品的分析結果見表8，其中，3-羥基吡啶、2，3'-聯吡啶、4-甲基-1H-吲哚、吲哚和2-甲基-1H-吲哚的釋放量較高，在不同樣品中呈現類似規律。14種市售成品卷煙主要堿性成分（除煙堿外）釋放量的范圍在26.89~60.71 μg/支之間。

表8 1#單料煙樣品煙氣主要堿性成分（除煙堿外）的釋放量Tab.8 Releases of main alkaline components（except for nicotine）in mainstream smoke of cigarette sample No.1#（made of single-grade tobacco） （μg·支-1）

2.6 主流煙氣主要酸性、堿性成分的釋放量與總粒相物pH的相關性分析

單料煙煙氣總粒相物pH與主要酸性成分和煙堿釋放量的相關性分析結果（圖3）表明，不同煙葉原料煙氣主要酸性成分釋放量與總粒相物pH之間的相關性不明顯。煙堿/酸性成分總釋放量與總粒相物pH之間呈現較強的相關性，線性相關系數為0.752 2，煙堿/氫離子總釋放量與總粒相物pH之間的相關性更強，線性相關系數為0.799 3。

圖3 單料煙煙氣總粒相物pH與主要酸性成分和煙堿釋放量的相關性Fig.3 Correlations between TPM pH and releases of main acidic components and nicotine in mainstream smoke of cigarette samples made of single-grade tobacco

市售成品卷煙煙氣總粒相物pH與主要酸性成分和煙堿釋放量的相關性分析結果見圖4。主要酸性成分總釋放量與總粒相物pH之間呈一定的負相關關系，這可能和主要酸性成分主要集中于粒相物有關［29］，總粒相物的量降低導致主要酸性成分的釋放量也降低，但該規律無法在煙葉原料上驗證。煙堿/酸性成分總釋放量、煙堿/羧基單元總釋放量、煙堿/氫離子總釋放量與總粒相物pH之間相關性均較強，這一規律與煙葉原料上呈現的規律一致，可以相互驗證。由于查詢到的酸性成分的pKa值是在20℃水溶液中的測定值或推測值，與焦油體系及生成溫度差異較大，因此只能部分推測其相關性。市售成品卷煙的輔材參數存在差異，焦油的生成溫度也存在差異，這也可能是市售成品卷煙煙堿/氫離子總釋放量與總粒相物pH之間的相關性略低于煙堿/羧基單元總釋放量與總粒相物pH間相關性的原因。

圖4 市售成品卷煙煙氣總粒相物pH與主要酸性成分和煙堿釋放量的相關性Fig.4 Correlations between TPM pH and releases of main acidic components and nicotine in mainstream smoke of commercial cigarette samples

考察了主流煙氣主要堿性成分（除煙堿外）釋放量與總粒相物pH的相關性（圖5）。結果表明，不同單料煙和市售成品卷煙主流煙氣中主要堿性成分（除煙堿外）與總粒相物pH之間不存在可驗證的相關性。這可能與這些堿性成分釋放量較小且堿性較弱有關。

圖5 主流煙氣中主要堿性成分（除煙堿外）總釋放量與總粒相物pH的相關性Fig.5 Correlations between releases of main alkaline components（except for nicotine）in mainstream smoke and TPM pH of commercial and single-grade cigarette samples

由于氨的堿性較強，單獨考察了主流煙氣中氨的釋放量與總粒相物pH的相關性（圖6）。結果表明，不同單料煙和市售成品卷煙主流煙氣中氨釋放量與總粒相物pH之間也不存在可驗證的相關性。這可能與卷煙燃燒裂解生成的氨或銨鹽在焦油中的存在狀態有關［3］。

圖6 主流煙氣中的氨釋放量與總粒相物pH的相關性Fig.6 Correlations between releases of ammonia in mainstream smoke and TPM pH of commercial and single-grade cigarette samples

采用Pearson簡單相關分析和雙側t檢驗分析煙氣總粒相物pH與主流煙氣化學成分之間的相關性。結果（表9）表明，總粒相物pH與煙堿/酸性成分總釋放量、煙堿/羧基單元總釋放量、煙堿/氫離子總釋放量之間的相關系數均大于0.82，呈現顯著正相關，且可在不同單料煙與市售成品卷煙上相互驗證。說明總粒相物pH可以一定程度反映煙氣的酸堿平衡，是一項獨立于總粒相物、焦油、煙堿和水分等指標，可表征煙氣特征的變量。

表9 總粒相物pH與煙氣化學成分釋放量的相關性①Tab.9 Correlations between TPM pH and releases of chemical components of mainstream cigarette smoke

2.7 外加成分對煙氣總粒相物pH的影響

外加成分對卷煙主流煙氣總粒相物pH的影響見表10。結果表明，由于2-呋喃甲酸、甲酸、羥基乙酸和乳酸的pKa和分子量均較小，當外加成分的加入量約為1%時，總粒相物pH分別降低0.59、0.53、0.50和0.48，高于其他酸性成分，對總粒相物pH的影響較大。外加煙堿和氨水均會使總粒相物pH增加，當加入量約為1%時，總粒相物pH值分別增加了0.29和0.64。可能是由于相同濃度下氨水的堿性比煙堿強，且外加的氨直接遷移進入主流煙氣，導致總粒相物pH顯著改變。

表10 外加成分對卷煙主流煙氣總粒相物pH的影響Tab.10 Effects of additional components on TPM pH of mainstream cigarette smoke

3 結論

①在異丙醇水溶液中添加1% NaCl，可增加不同樣品間總粒相物pH測定的差異度，降低測定結果的相對標準偏差。②主流煙氣常規成分、主要酸性成分、主要堿性成分、氨與總粒相物pH之間相關性無法在不同單料煙和市售成品卷煙上驗證。說明總粒相物pH是一項煙氣總粒相物和焦油量等指標無法替代的、可反映煙氣特征的化學指標。③主流煙氣煙堿/酸性成分總釋放量、煙堿/羧基單元總釋放量、煙堿/氫離子總釋放量與總粒相物pH之間相關性顯著，且可在不同單料煙與成品煙上互相驗證。說明總粒相物pH可以反映煙氣的酸堿平衡。④2-呋喃甲酸、甲酸、羥基乙酸和乳酸對煙氣氫離子總釋放量貢獻的比例較高，當外加質量相同時，對總粒相物pH影響較大；外加氨水對總粒相物pH的影響超過煙堿。