雜環類單體香料在電加熱卷煙中的轉移行為

朱夢薇，胡志忠，務文濤，胡 超，宋凌勇，梁 淼，李瑞麗，張峻松*

1.鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，鄭州市中原區科學大道136號 450001

2.廣西中煙工業有限責任公司，南寧市西鄉塘區北湖南路28號 530000

加熱卷煙是通過外界熱源在加熱非燃燒的條件下對再造煙葉、煙絲和煙草顆粒等不同形式的煙芯進行加熱，從而釋放出香味成分和煙堿的一類新型煙草制品，通常加熱溫度約為350 ℃，能夠顯著降低煙草材料因高溫燃燒裂解產生的有害成分［1-5］。但由于原料受熱條件和煙氣生成方式的不同，加熱卷煙存在一定程度的香味不足和生理強度滿足感不強的特點［6-8］。加熱卷煙加香技術是彌補香氣特征和修飾煙氣及口感的重要手段［9］，而單體香料作為加熱卷煙調香的物質基礎，其向加熱卷煙煙支不同部分及煙氣中的轉移行為會直接影響應用效果。目前，國內外有關加熱卷煙化學成分的研究主要集中于芯材原料的香味成分釋放和轉移分析［10］、毒理學評價［11-12］及氣溶膠中有害成分研究［13-14］等方面，圍繞單體香原料在加熱卷煙中的轉移釋放行為研究較少，限制了加熱卷煙調香技術的快速發展。

卷煙煙氣中存在多種呋喃類、吡啶類和吡嗪類等雜環化合物，主要來源于原料中氨基酸、蛋白質和煙堿的熱解反應以及糖與氨基酸發生的棕色化反應，大多數雜環化合物有較強的氣味和較低的香味閾值［15］。其中，含氧雜環化合物具有焦甜香、楓槭香和烘烤香特征香味，為卷煙煙氣中重要的香氣成分，可以顯著提高卷煙感官品質［16-17］；含氮雜環物質具有突出的堅果香、可可香和玉米香等香氣特征，可為煙氣增添濃烈的烤香，提高和改善卷煙的香味［18-19］。由于加熱卷煙的芯材原料主要為再造煙葉，且抽吸時原料受熱溫度低，缺少生成雜環類香味成分的前體物和溫度條件，使得加熱卷煙煙氣中雜環類香味成分的釋放量不足，限制了雜環類香味成分對加熱卷煙香氣特征的彰顯［20-22］。向煙芯中施加雜環類單體香料，利用其在抽吸時的釋放轉移行為可賦予加熱卷煙產品特征香韻。因此，本研究中以8種代表性雜環類單體香料為研究對象，利用超聲輔助萃取結合氣相色譜分析法，研究了加熱卷煙貯存及抽吸后單體香料在煙芯、降溫段、濾棒和主流煙氣粒相物中的分布，旨在闡明雜環類單體香料的轉移規律，為加熱卷煙調香用雜環類單體香料的應用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

空白加熱卷煙［（12 mm煙支段+8 mm中空段＋15 mm 降溫材料段＋10 mm 醋纖濾棒）×圓周22 mm］（廣西中煙工業有限責任公司提供）；iQOS3 MULTI 中心片式電加熱煙具（美國Philip Morris International公司）。

2-甲基吡嗪、2-甲氧基吡嗪、2-乙酰基呋喃、2，3-二甲基吡嗪、2-乙酰基吡嗪和2-乙酰基吡啶（≥98%），2,6-二甲基-3-乙基吡嗪（99%），2,5-二甲基-3-乙基吡嗪（97%）和苯乙酸苯乙酯（內標，≥99%）（北京百靈威科技有限公司）；二氯甲烷（色譜純，北京迪馬科技有限公司）；無水乙醇、正己烷和異丙醇（色譜純，天津大茂化工試劑廠）。

RM20H 型轉盤式吸煙機（德國Borgwalt K C 公司）；7890B型氣相色譜儀、5181-3360型微量進樣器（10 μL）、PTEE 型有機相微孔濾膜（0.45 μm，美國Agilent 公司）；SB-3200DT 型恒溫恒濕箱（德國Franz Binder 有限公司）；SB-3200DT 型超聲波清洗機（寧波新芝生物科技股份有限公司）；EL204 型電子天平［感量0.000 1 g，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司］；劍橋濾片（ 44 mm，英國Whatman 公司）。

1.2 方法

1.2.1 標準溶液的配制

配制以異丙醇為溶劑、苯乙酸苯乙酯的濃度為31.6 μg/mL的內標溶液。精確稱取一定量的各雜環類香料標準品于同一容量瓶中，用內標溶液逐級稀釋，得到濃度分別為1.30、2.59、5.18、10.4、17.3、28.8、48.0、80.0 μg/mL的系列混合標準工作溶液。

1.2.2 加香加熱卷煙的制備

參考徐如彥等［8］的方法，制備雜環類香料的添加量為煙絲質量0.1%的加香卷煙，然后置于密封袋內于（22±2）℃、相對濕度60%±5%的恒溫恒濕箱中平衡48 h以上。

1.2.3 樣品前處理

1.2.3.1 加香加熱卷煙貯存期間雜環類單體香料分析

取8 支加熱卷煙為一組，迅速將其分為煙芯段、降溫段（包括中空和降溫材料）和濾棒段。將這3段剪碎后分別轉移至50 mL 錐形瓶中，各加入12 mL內標溶液，分別超聲萃取20 min。取1 mL 萃取液，過有機相微孔濾膜后裝入色譜瓶中進行GC 分析。分析條件：

色譜柱：HP-5MS 毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；進樣口溫度：250 ℃；檢測器（FID）溫度：280 ℃；載氣：氦氣（≥99.999%）；載氣流速：1.0 mL/min；尾吹氣：25 mL/min；空氣：450 mL/min；氫氣：40 mL/min；分流比：15∶1；進樣量：1 μL；升溫程序：

1.2.3.2 加香加熱卷煙抽吸后雜環類單體香料分析

采用轉盤式吸煙機并參考加拿大深度抽吸模式（HCI）的標準要求［23］抽吸加熱卷煙。抽吸參數：抽吸容量55 mL、持續時間3 s、抽吸間隔30 s、抽吸11口，抽吸曲線為鐘形。采用劍橋濾片捕集8支加熱卷煙氣溶膠中的粒相物，保留煙支。抽吸結束后，分別將劍橋濾片、濾棒和煙芯轉移至不同的50 mL 錐形瓶中，分別加入10、12、12 mL 內標溶液，超聲萃取20 min，取1 mL萃取液，過有機相微孔濾膜后裝入色譜瓶中，同1.2.3.1節中的條件進行GC分析。

1.2.3.3 加香加熱卷煙雜環類單體香料的逐口釋放分析

采用配備逐口抽吸裝置的轉盤式吸煙機進行逐口抽吸，抽吸參數同1.2.3.2節，用11張劍橋濾片分別捕集對應于50 支加熱卷煙11個抽吸口數序號的逐口氣溶膠中的粒相物。抽吸結束后，將11 張劍橋濾片分別置于50 mL 的錐形瓶中，各加入10 mL 內標溶液，超聲萃取20 min。取1 mL 萃取液，過有機相微孔濾膜后裝入色譜瓶中，同1.2.3.1 節中的條件進行GC分析。

1.2.4 持留率、遷移率、散失率、轉移率和截留率的測定

參考文獻［8］的方法計算煙芯持留率、濾棒截留率、降溫段遷移率、空氣散失率、煙氣轉移率、濾棒截留率以及煙芯殘留率。計算通式見公式（1）：

式中：T—某部位持留率（遷移率、殘留率、轉移率、截留率），%；D—某部位檢出量，μg/支；A—外加香料量，μg/支。

1.2.5 數據分析

使用GraphPad Prism 8 計算轉移行為指標間的線性相關方程，使用SPSS 21 軟件通過皮爾遜相關系數法對香料沸點和轉移行為指標進行相關性分析。

2 結果與討論

2.1 劍橋濾片、煙芯和濾棒前處理條件優化

2.1.1 萃取溶劑的選擇

改變萃取溶劑的種類，分別考察4種不同溶劑對劍橋濾片、煙芯和濾棒中雜環類單體香料萃取量的影響，結果見圖1。可知，異丙醇對劍橋濾片、煙芯和濾棒中各雜環類化合物均具有較高的萃取效率。這可能由于雜環類化合物與異丙醇的極性更接近，根據相似相溶原理，物質與其極性相近的溶劑互溶度大。因此，萃取溶劑選定為異丙醇。

圖1 萃取溶劑對劍橋濾片（a）、煙芯（b）和濾棒（c）中雜環類單體香料萃取量的影響Fig.1 Effects of extraction solvents on extracted amounts of single heterocyclic flavors in Cambridge filter（a），tobacco section（b）and filter（c）

2.1.2 萃取方式的選擇

不同萃取方式對劍橋濾片、煙芯和濾棒中香料萃取效果的影響結果見圖2。可知，超聲萃取對不同雜環類香味成分的萃取效果均具有明顯優勢。這可能是由于超聲波能夠對劍橋濾片的玻璃纖維結構進行破壞，且能夠提升溶液溫度，導致較多的雜環類化合物被釋放到萃取溶劑中［24］。因此，萃取方式均選定為超聲萃取。

圖2 萃取方式對劍橋濾片（a）、煙芯（b）和濾棒（c）中雜環類單體香料萃取量的影響Fig.2 Effects of extraction modes on extracted amounts of single heterocyclic flavors in Cambridge filter（a），tobacco section（b）and filter（c）

2.1.3 萃取時間的選擇

不同萃取時間（5，10，15，20，25 min）對劍橋濾片、煙芯和濾棒中雜環類香料萃取量的影響結果見圖3。可知，20 min時各雜環類化合物的萃取量均最大，繼續延長萃取時間，萃取出的雜環類化合物的量反而略有減小。原因可能為超聲過程會發生空化效應，使得萃取溫度不斷升高，部分雜環類化合物會有少量的逸散。因此，均選擇20 min作為萃取時間。

圖3 萃取時間對劍橋濾片（a）、煙芯（b）和濾棒（c）中雜環類單體香料萃取量的影響Fig.3 Effects of extraction time on extracted amounts of single heterocyclic flavors in Cambridge filter（a），tobacco section（b）and filter（c）

2.1.4 萃取液體積的選擇

不同萃取液體積（6，8，10，12，14 mL）對劍橋濾片、煙芯和濾棒中雜環類香料萃取量的影響結果見圖4。可知，當萃取液體積為10 mL 時，劍橋濾片中的香料萃取效果最佳；當萃取液體積為12 mL時，煙芯和濾棒中的香料萃取量為最大值。這可能是由于當萃取液為10、12 mL時已經能夠將劍橋濾片、煙芯和濾棒中的雜環類化合物萃取完全，繼續增大萃取液體積會起到稀釋作用。因此，選擇10 mL 作為劍橋濾片的萃取液體積，選擇12 mL 作為煙芯和濾棒的萃取液體積。

圖4 萃取液體積對劍橋濾片（a）、煙芯（b）和濾棒（c）中雜環類單體香料萃取量的影響Fig.4 Effects of solution volume on extracted amounts of single heterocyclic flavors in Cambridge filter（a），tobacco section（b）and filter（c）

2.2 方法學驗證

2.2.1 工作曲線、精密度、檢出限和定量限

取標準工作溶液進行GC分析，以各雜環類單體香料標樣與內標物質的峰面積比為橫坐標，其濃度比為縱坐標，計算各雜環類單體香料的工作曲線。采用一致的前處理條件和GC條件重復實驗5次，計算相對標準偏差（RSD）。結果（表1）顯示，8 種雜環類單體香料在1.30～80.0 μg/mL 濃度范圍內線性良好（R2≥0.999 2），檢出限在0.008 9～0.234 9 μg/mL之間，定量限在0.029 6～0.782 9 μg/mL之間，RSD值在0.182 8%～3.051 2%之間。表明該方法重復性較好。

表1 單體香料標樣的線性方程、RSD、檢出限和定量限①Tab.1 Linear equations,RSDs,LODs and LOQs of standard samples of single flavors

2.2.2 加標回收率

選擇標樣加入法測定加標回收率，以8支加香加熱卷煙樣品為一組。取一組加香加熱卷煙將煙芯和濾棒剝離，取另一組加香加熱卷煙進行吸煙機抽吸；在煙芯、濾棒和抽吸后的劍橋濾片中分別加入低、中、高3個不同水平濃度的混標溶液，按照1.2.3節的方法進行分析（n=3），測定不同加標水平下劍橋濾片、煙芯和濾棒中8種雜環類單體香料的回收率，結果見表2。8 種雜環類單體香料的平均回收率在91.03%～109.12%之間。表明該方法回收率較高，適用于加熱卷煙主流煙氣、煙芯和濾棒中雜環類香料的測定。

2.2.3 溶液穩定性

采用內標溶液稀釋加香溶液制備混合香料溶液（各單體香料的濃度均為50 μg/mL），在室溫條件下放置0、2、5、9、12、24 h 后，根據1.2.3 節的方法進樣測定，計算各雜環類單體香料與內標物的峰面積比值（表3）。由表3可知，8 種雜環類香料單體的RSD在0.552 9%～3.994 3%之間（n=3）。表明樣品溶液在24 h內穩定。

表3 混合香料溶液的穩定性①Tab.3 Stabilities of mixed flavors solution

2.3 貯存期間雜環類單體香料的轉移行為分析

按照1.2.3.1 節的方法，測定了各雜環類單體香料向煙支不同部位的轉移率（表4）。結果表明：①8種雜環類單體香料的煙芯持留率在8.68%～69.30%之間，其中，2-乙酰基吡嗪的煙芯持留率最高，其次是2-乙酰基吡啶和2-乙酰基呋喃；②降溫段和濾棒遷移率分別在1.12%～5.65%和4.58%～16.42%之間。8 種雜環類單體香料向濾棒的遷移率明顯高于降溫段，這可能是由于降溫段由中空管及降溫材料組成，吸附香料的能力比由醋酸纖維制成的濾棒差導致；③空氣散失率在24.96%～71.50%之間，其中，2-乙酰基吡嗪的散失率最低，其次是2-乙酰基吡啶和2-乙酰基呋喃。整體而言，香料在煙芯中的持留率越高，其空氣散失率、濾棒遷移率以及降溫段遷移率越低。線性擬合后發現三者均與煙芯持留率存在不同程度的負相關關系（圖5），其中，散失率與煙芯持留率的負相關關系最為顯著。

圖5 煙芯持留率與濾棒截留率、降溫段遷移率和散失率間的相關性Fig.5 Correlations between retention rates by tobacco section and retention rates by filters，transfer rates to cooling section and loss rates to air

表4 8種雜環類單體香料在加熱卷煙貯存期間的轉移行為分析Tab.4 Analysis of transfer behaviors of eight single heterocyclic flavors in heated tobacco products during storing

2.4 抽吸后雜環類單體香料的轉移行為分析

抽吸后雜環類香料的煙絲殘留率、濾棒截留率和煙氣轉移率結果見表5。可知：①8種雜環類單體香料的煙芯殘留率在5.21%～27.13%之間，其中，2-甲基吡嗪的煙芯殘留率最低，其次是2-甲氧基吡嗪和2，3-二甲基吡嗪；②濾棒截留率在8.27%～22.72%之間，其中，2-甲基吡嗪的濾棒截留率最低，其次為2，3-二甲基吡嗪和2-甲氧基吡嗪；③向主流煙氣粒相物的轉移率在6.16%～28.49%之間，其中，2-乙酰基吡嗪的轉移率最高，其次是2-乙酰基吡啶和2，6-二甲基-3-乙基吡嗪。

表5 8種雜環類單體香料在加熱卷煙抽吸期間的轉移行為分析Tab.5 Analysis of transfer behaviors of eight single heterocyclic flavors in heated tobacco products during smoking

由表5還可知，2-甲基吡嗪的煙芯殘留率、濾棒截留率和煙氣轉移率均小于10%，可能與其貯存期間較大的散失率有關。2-乙酰基吡嗪和2-乙酰基吡啶向煙氣的轉移率≥26.49%，其中，2-乙酰基吡啶具有煙草特征香氣，可用于煙草加香以增濃煙味，增強堅果、烘烤香韻；2-乙酰基吡嗪具有爆玉米花的香氣，類似堅果的、面包皮的味道，可用于煙草加香以增強煙草的烘烤香、顯示煙葉的自然風味［25］。兩者在作為電加熱卷煙煙芯加香的原料時，具有較高的香料有效利用率，可作為電加熱卷煙香精調配中雜環類單體香料的優選。

2.5 相關性分析

利用皮爾遜相關系數法檢驗了沸點與各轉移行為指標之間的相關性。由表6可知，沸點、煙芯持留率、煙芯殘留率、濾棒截留率和煙氣轉移率兩兩之間存在極顯著正相關關系（P＜0.01），相關系數在0.875～0.992 之間；沸點與濾棒遷移率、降溫段遷移率、散失率之間存在不同程度的負相關關系，相關系數在0.783～0.900 之間。表明香料的揮發性和各轉移行為指標之間密切相關，原因可能是香料的沸點越高，穩定性越好，在貯存期間的空氣散失率以及轉移率越小，煙絲持留率越高，進一步影響抽吸期間向煙氣以及濾棒的轉移率。此外，煙芯持留率與貯存期間其他轉移指標間均顯著負相關，并與抽吸期間各轉移指標間均顯著正相關，相關系數分別在-0.988～-0.733和0.928～0.972之間；貯存期間的散失率對抽吸時香料的轉移指標有極顯著影響；抽吸后的煙氣轉移率與貯存期間的煙芯持留率正相關，而與濾棒和降溫段的遷移率負相關。

表6 沸點與香料單體轉移行為指標的相關性分析結果①Tab.6 Correlation analysis between boiling points and transfer behavior indexes of single heterocyclic flavors

2.6 雜環類單體香料向主流煙氣的逐口轉移行為分析

各雜環類單體香料的逐口轉移率結果見表7。可知，雜環類單體香料第1 口至第11 口的轉移率介于0.32%～3.07%之間，其中，2-乙酰基吡嗪對應各抽吸口數序號的釋放量均為最大，與2.4節所測主流煙氣總粒相物轉移率所得結果一致。另外，各雜環類單體香料的逐口轉移率均隨抽吸口數序號的增加呈現先增大后減小的趨勢，當抽吸至第6口～第8口時，8種雜環類香料的逐口轉移率最高。原因可能是iQOS煙具的加熱方式為中心加熱，隨加熱卷煙抽吸口數序號的增大，煙草材料的受熱面積逐漸擴大，提高了雜環類單體香料向主流煙氣的轉移率；隨抽吸口數序號的繼續增大，雜環類單體香料不斷受熱蒸發，煙芯中持留逐漸減少，故而向主流煙氣的轉移率隨之減小。

表7 加熱卷煙氣溶膠中8種雜環類單體香料的逐口轉移行為分析Tab.7 Puff-by-puff releases of 8 single heterocyclic flavors in aerosol of heated tobacco product

2.7 互為同系物以及不同環結構的雜環類香料的轉移行為

為研究互為同系物以及不同環結構的雜環類單體香料在加熱卷煙中轉移行為的差異性，對2-甲基吡嗪、2，3-二甲基吡嗪、2，6-二甲基-3-乙基吡嗪、2-乙酰基呋喃、2-乙酰基吡啶和2-乙酰基吡嗪的轉移行為進一步分析，由圖6可見，隨單體香料的沸點升高，互為同系物以及不同環結構的雜環類單體香料的濾棒截留率、煙芯持留率、煙芯殘留率、主流煙氣粒相物轉移率和逐口轉移率逐漸增大；遷移率和散失率逐漸減小。說明由于同系物香料的吡嗪環上側鏈依次增多，分子質量增加、分子結構變密集、沸點逐漸升高；3 種不同環結構的雜環類香料中，由于五元雜環分子內應力相比于六元雜環更大，性質更活潑，導致2-乙酰基呋喃穩定性最差；2-乙酰基吡嗪中含有兩個氮原子，其分子對稱性最好。因此，三者的穩定性為2-乙酰基吡嗪＞2-乙酰基吡啶＞2-乙酰基呋喃。2-甲基吡嗪、2，3-二甲基吡嗪、2，6-二甲基-3-乙基吡嗪、2-乙酰基呋喃、2-乙酰基吡啶和2-乙酰基吡嗪的逐口轉移率的RSD 分別為33.25、29.36、16.87、10.96、14.78 和9.82，表明2，6-二甲基-3-乙基吡嗪、2-乙酰基吡嗪的逐口轉移率曲線變化較為平緩。

圖6 互為同系物以及不同環結構的雜環類單體香料的轉移行為Fig.6 Transfer behaviors of homologues single heterocyclic flavors with different ring structures

3 結論

（1）8種雜環類香料單體的煙芯持留率在8.68%～69.30%之間，降溫段遷移率為1.12%～5.65%，濾棒遷移率為4.58%～16.42%，散失率為24.96%～71.50%，煙芯殘留率為5.21%～27.13%，濾棒截留率為8.27%～22.72%，向主流煙氣粒相物的轉移率為6.16%～28.49%，逐口轉移率均隨抽吸口數序號的增大呈現先增大后減小的趨勢。

（2）香料單體的轉移行為與其揮發性密切相關，香料的沸點、煙芯持留率、煙芯殘留率、濾棒截留率和煙氣轉移率兩兩之間存在極顯著正相關關系，香料的沸點與濾棒遷移率、降溫段遷移率、散失率之間存在負相關關系。

（3）互為同系物以及不同環結構的雜環類香料，隨側鏈數量依次增多、沸點升高，其濾棒截留率、煙芯持留率、煙芯殘留率、主流煙氣粒相物轉移率和逐口轉移率逐漸增大，遷移率和散失率逐漸減小。

（4）2-乙酰基吡嗪和2-乙酰基吡啶的煙芯持留率、主流煙氣粒相物轉移率、逐口轉移率較高，散失率較低，可為電加熱卷煙煙芯加香時雜環類單體香料的選擇提供參考。