通風分配對卷煙主流煙氣酮類化合物釋放量的影響

王洪波，劉克建，朱先約，范 忠，譚 濤，彭 斌，秦亞瓊，劉惠民，翟玉俊*，蔡君蘭*

1.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

2.甘肅煙草工業有限責任公司技術中心，蘭州市濱河南路1111號 730050

3.廣西中煙工業有限責任公司技術中心，南寧市北湖南路28號 530001

卷煙通風設計是煙草行業最重要的降焦技術手段，通常包括濾嘴通風和卷煙紙通風兩種方式。通風改變了卷煙燃燒錐空氣的流態，從而影響了煙絲的裂解和蒸餾過程，造成煙氣成分稀釋、擴散與截留的改變，影響了煙氣成分的釋放，最終影響卷煙感官品質［1-7］。卷煙通風分配是指相同總通風率條件下的紙通風率和濾嘴通風率的組合搭配。以往有關通風分配對卷煙主流煙氣影響的研究更多關注于感官質量［1-2］，煙氣常規成分［3-4,8-9］，有害成分［4,6］，酸性、中性和堿性香味成分［9-16］等的影響，如：連芬燕等［6］研究認為隨濾嘴通風率增加，卷煙燃燒溫度的高溫區體積分布呈下降趨勢，有害成分釋放量也呈下降趨勢，但對7種代表性有害成分釋放量的影響程度存在差異；蔡君蘭等［9］研究了濾嘴通風度為0、10%、25%、40%、54%和64%下，卷煙主流煙氣常規成分和氣粒相中32種中性香味成分的釋放量，認為香味成分的總釋放量隨濾嘴通風率的增加而降低，濾嘴通風率影響酮類化合物在氣粒相的分布，香味成分降低速率高于煙堿降低速率。以上研究表明：濾嘴通風的增大，不僅改變了卷煙燃燒錐溫度，而且降低了香味成分釋放量，也改變了煙氣中香味成分的比例。酮類成分作為重要的一類中性香味成分，多為卷煙燃燒裂解產生，對提升煙氣感官質量有重要貢獻。由于卷煙通風影響卷煙燃燒過程，而濾嘴通風和卷煙紙通風是卷煙設計的重要環節，因此，有必要研究由濾嘴通風和卷煙紙通風引起的卷煙通風分配對煙氣中酮類香味成分釋放量的影響。

為此，設計了不同卷煙紙通風和濾嘴通風卷煙樣品，采用GC-MS法測定了主流煙氣中酮類化合物釋放量，研究了卷煙紙通風率、濾嘴通風率及卷煙總通風率對主流煙氣主要酮類化合物釋放量的影響規律，旨在為卷煙配方設計及卷煙加香加料提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

常規卷煙樣品由云南中煙工業有限責任公司技術中心提供，卷煙實測參數見表1。表1中，卷煙總通風率（V，%）為濾嘴通風率（VF，%）和紙通風率（CP，%）之和。

二氯甲烷（色譜純），內標：氘代苯（99.5%）、乙酸苯乙酯（99.8%，北京百靈威科技有限公司）。

7980型氣相色譜-6973型質譜聯用儀（美國Agilent公司）；SM450直線型吸煙機、?0.45μm有機微孔濾膜（英國Cerulean公司）；?44 mm劍橋濾片（英國Whatman公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙氣的捕集

將卷煙樣品在（22±1）℃、相對濕度（60±2）%的環境中平衡48 h，挑選平均質量±0.015 g和平均吸阻±49 Pa的煙支作為測試樣品。

用直線型吸煙機抽吸卷煙，每組抽吸10支，用劍橋濾片捕集卷煙主流煙氣粒相物，在捕集器后面連接兩個串聯的吸收瓶，在每個吸收瓶中加入10 mL甲醇，并在低溫冷卻（干冰-異丙醇）條件下捕集主流煙氣氣相成分。

1.2.2 主流煙氣粒相成分分析

收集捕集10支卷煙主流煙氣粒相物的劍橋濾片，折疊后放入4 mL樣品瓶中，加入3 mL二氯甲烷萃取劑，并準確加入100μL內標溶液（2 mg/mL）；用密封膜密封，超聲萃取30 min，取萃取液，用微孔濾膜過濾，濾液進行GC-MS分析，選擇離子監測（SIM）模式定量分析目標成分。

1.2.3 主流煙氣氣相成分分析

卷煙抽吸后，用洗耳球分別對捕集裝置兩個吸收瓶中的吸收管抽吸5次進行清洗，每個吸收瓶中準確加入100μL內標溶液，攪拌均勻后，各取兩個吸收瓶中1 mL溶液混勻進行GC-MS分析。取樣時，要盡快并蓋緊色譜瓶蓋以防止揮發性成分損失。

為實現高通量分析煙氣化學成分（如：中性、堿性成分，揮發性酸和酚類成分）釋放量，采用雙分析柱進行分析，其中DB-624色譜柱使用氘代苯為內標，DB-5MS色譜柱使用乙酸苯乙酯為內標，各酮類化合物均采用內標法相對定量。

1.2.4 GC-MS參數

GC-MS參數設置見表2。

表2 GC-MS分析參數Tab.2 Parameters for GC-MSanalysis

2 結果與討論

2.1 煙氣中酮類化合物釋放量

2.1.1 分析方法評價

由于涉及煙氣中56種酮類化合物，對于有標準樣品的化學成分采用外標法-內標校正標準曲線定量，并采用最低濃度標準溶液進行5次平行測定，以5次測定結果的3倍標準偏差作為該化合物的檢出限（表3）；同時進行低、中、高3水平加標回收率實驗；用實際樣品進行5次平行測定，考察方法的精密度（表3）。對于沒有標準樣品的化學成分采用內標校正定量，且沒有進行標準曲線和檢出限的測定。

表3 （續）

表3 方法的精密度和加標回收率①（n=5）Tab.3 Repeatabilities and spiked recoveries of this method（n=5）

從表3可以看出，采用DB-5MS色譜柱可定量分析37種酮類化合物，DB-624MS色譜柱可定量分析19種酮類化合物，RSD在2.5%~11.6%之間，樣品加標回收率在91.5%~112.1%之間，表明采用雙分析柱通過二次進樣，可定性鑒別出56種酮類化合物。

2.1.2 酮類化合物釋放量

卷煙樣品主流煙氣中酮類化合物釋放量的測定結果（表4）表明：有27種酮類化合物的釋放量＞1μg/支，如1-羥基-2-丙酮、甲基乙烯基酮、丁酮和香豆酮等，這些成分的釋放量之和占酮類化合物釋放總量的91%以上，表明這些成分是煙氣中重要的酮類化合物。

表4 （續）

表4 （續）

表4 實驗卷煙樣品煙氣酮類化合物的釋放量Tab.4 Ketone releases in mainstream smoke of experimental cigarette samples （μg·支-1）

2.2 卷煙紙通風率和濾嘴通風率對酮類化合物釋放量的影響

2.2.1 卷煙紙通風率和濾嘴通風率對煙氣中酮類化合物釋放總量的影響

卷煙紙通風率和濾嘴通風率對煙氣酮類化合物釋放總量的影響結果（圖1）表明：在卷煙紙通風率基本一致的條件下，隨濾嘴通風率的增加，酮類化合物釋放總量呈降低趨勢；在濾嘴通風率一致的條件下，隨卷煙紙通風率的增加，酮類化合物釋放總量整體上呈降低趨勢，但卷煙紙通風率對酮類化合物釋放總量的影響幅度遠小于濾嘴通風率。

圖1 濾嘴通風率和卷煙紙通風率對煙氣酮類化合物釋放總量的影響Fig.1 Effects of filter ventilation rate and cigarette paper ventilation rate on total ketone releases in mainstream cigarette smoke

2.2.2 卷煙紙通風率和濾嘴通風率對煙氣中各酮類化合物釋放量的影響

卷煙紙通風率和濾嘴通風率對煙氣中1-羥基-2-丙酮釋放量的影響結果（圖2）表明：①在卷煙紙通風率基本一致條件下，當卷煙紙通風率為0~4%時，隨濾嘴通風率的增加，1-羥基-2-丙酮釋放量呈降低趨勢；當卷煙紙通風率為8%~12%時，隨濾嘴通風率的增加，1-羥基-2-丙酮釋放量呈先降低后又升高趨勢；在濾嘴通風率一致條件下，隨卷煙紙通風率的增加，1-羥基-2-丙酮釋放量大致呈降低趨勢，但卷煙紙通風率對1-羥基-2-丙酮釋放量的影響幅度遠小于濾嘴通風率。卷煙紙通風率和濾嘴通風率對煙氣中其他酮類化合物也有同樣的影響規律。

圖2 濾嘴通風率和卷煙紙通風率對煙氣1-羥基-2-丙酮釋放量的影響Fig.2 Effects of filter ventilation rate and cigarette paper ventilation rate on release of 1-hydroxy-2-acetone

2.3 卷煙總通風率對酮類化合物釋放量的影響

2.3.1 卷煙總通風率對酮類化合物釋放總量的影響考察了卷煙總通風率對煙氣酮類化合物釋放總量的影響，結果（圖3）表明：隨卷煙紙通風率的增加，酮類化合物釋放總量呈線性（決定系數＞0.95）降低趨勢。

圖3 卷煙總通風率變化對煙氣酮類化合物釋放總量的影響Fig.3 Effect of total ventilation rate of cigarette on total ketone release in mainstream cigarette smoke

2.3.2 卷煙總通風率對煙氣中56種酮類化合物釋放量的影響

考察了卷煙總通風率對煙氣中1-羥基-2-丙酮釋放量的影響，結果（圖4）表明：隨卷煙紙通風率的增加，1-羥基-2-丙酮釋放量呈線性（決定系數＞0.95）降低趨勢。同理研究了卷煙總通風率對其他酮類化合物釋放量的影響，變化規律相似（表5），表明卷煙總通風率與煙氣中各酮類化合物釋放量呈線性負相關關系。

圖4 卷煙總通風率變化對煙氣1-羥基-2-丙酮釋放量的影響Fig.4 Effect of total ventilation rate of cigarette on release of 1-hydroxy-2-acetone in mainstream cigarette smoke

2.4 通風分配對酮類化合物釋放總量的影響

在V一致的情況下，考察通風分配對煙氣酮類化合物釋放總量的影響，建立了酮類化合物釋放總量與VF和CP的線性方程：Y=151.611 6-1.574 7VF-2.845 7CP。結果表明：卷煙煙氣中酮類化合物釋放總量與VF和CP二元線性模型的決定系數為0.985 9，RMSECV為2.452 0，表明模型預測能力較好；此外，表5方程中VF和CP對應的斜率分別為：-1.574 7和-2.845 7，表明酮類化合物釋放總量受卷煙紙通風率的影響大于濾嘴通風率。

表5 卷煙總通風率與煙氣中56種酮類化合物釋放量的關系Tab.5 Relationships between total ventilation rate of cigarette and 56 ketone compounds releases in mainstream smoke

在V=10%、20%、30%、40%條件下，根據V=VF+CP，將表5中常規卷煙的方程變換為酮類化合物釋放總量與VF的關系，結果見圖5。可知，在V一致的情況下，隨卷煙VF增加，酮類化合物釋放總量均升高。這是由于在總通風率不變前提下，酮類化合物釋放總量與V和VF的線性方程變為Y=151.611 6-2.845 7V+1.271 0VF，V保持不變的條件下，VF斜率變化為1.271 0，表明隨VF增加酮類化合物釋放總量呈增加趨勢，即：相同酮類化合物釋放總量，可采用不同的濾嘴通風率和卷煙紙通風率組合設計實現。總之，通過調節濾嘴通風率和卷煙紙通風率可實現煙氣中酮類化合物釋放總量的調控。

圖5 相同卷煙總通風率下濾嘴通風率對煙氣酮類化合物釋放總量的影響Fig.5 Effects of filter ventilation rate on total ketone release at the same total ventilation rate of cigarette

3 結論

①隨卷煙紙通風率和濾嘴通風率的增加，煙氣中56種酮類化合物釋放量及其釋放總量呈現降低趨勢；②卷煙總通風率與56種酮類化合物釋放量及其釋放總量呈負相關關系；③濾嘴通風率和卷煙紙通風率與酮類化合物釋放量呈負相關關系，濾嘴通風率對酮類化合物釋放總量的影響大于卷煙紙通風率；④通風分配影響煙氣中酮類化合物的釋放，且相同酮類化合物釋放總量可以采用不同卷煙紙通風率和濾嘴通風率的組合設計實現。