溫度對加熱卷煙酸性成分釋放的影響

鄧其馨，陳 輝，林 艷，張廷貴，鄭泉興，賴煒揚，馬鵬飛，藍洪橋，劉澤春，謝 衛

福建中煙工業有限責任公司技術中心，福建省廈門市集美區濱水路298號 361021

近年來，加熱卷煙在國外市場快速發展，菲莫國際等國外煙草巨頭對其研發投入不遺余力，國內卷煙工業企業也加大了對加熱卷煙產品的研發力度［1-6］。加熱卷煙與傳統卷煙的顯著差異是加熱溫度不同，傳統卷煙的燃燒錐溫度在950℃左右，卷煙煙絲發生了蒸餾、裂解、燃燒等復雜的化學反應［7-9］，而加熱卷煙的加熱溫度大多在400℃以下［10-12］，這也導致兩種卷煙產品的感官特征及煙氣組成存在明顯差異。酸性成分是卷煙，特別是中式烤煙型卷煙煙氣中一類重要的香味成分［13-16］，不僅與煙氣pH有關，而且能改善煙氣的吃味，增加舒適性和醇和度，減少刺激性，改善香味品質［17-19］；此外，在電子煙中還有調控煙堿形態，降低嗆刺感，平順煙氣等作用［20］。因酸性成分的沸點大多低于400℃，且煙葉中的有機酸有游離態和結合態兩種形態［21］，加熱溫度可能對不同形態有機酸的釋放影響較大。目前關于加熱卷煙酸性成分釋放的研究鮮見報道。鑒于此，本研究中主要考察加熱卷煙酸性成分釋放特征及加熱溫度對其的影響，旨在為加熱卷煙產品設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

3種加熱卷煙樣品A、B、C均為商品化加熱卷煙成品，A、C自身配套的加熱煙具是中心針式加熱，B自身配套的加熱煙具是中心片式加熱，A、C的程序升溫范圍為350～400℃，B的程序升溫范圍為360～400℃。1種市售烤煙型傳統卷煙成品（由福建中煙工業有限責任公司提供，盒標焦油量為10 mg/支、煙氣煙堿釋放量為1 mg/支、煙氣CO釋放量為11 mg/支）。

N，O-雙（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA，AR）（美國AccuStandard公司）；異丙醇、二氯甲烷（色譜純）、乙酸苯乙酯（AR）以及酸性成分標樣甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、2-甲基丁酸、3-甲基丁酸、戊酸、3-甲基戊酸、4-甲基戊酸、乳酸、己酸、2-呋喃甲酸、庚酸、苯甲酸、辛酸、壬酸、癸酸、棕櫚酸、亞油酸、油酸、亞麻酸、硬脂酸和反-2-己烯酸（內標）（色譜純，北京百靈威科技有限公司）。

7890/5975氣相色譜-質譜聯用儀（美國Agilent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，瑞士Mettler Toledo公司）。

1.2 方法

1.2.1 傳統卷煙和加熱卷煙主流煙氣粒相物中酸性成分的定量分析

將3種加熱卷煙產品在溫度（22±1）℃和相對濕度（60±2）%的環境中平衡48 h，分別利用各產品自帶的加熱裝置收集煙氣粒相物，具體參數：抽吸容量35 mL，抽吸持續時間2 s，抽吸間隔30 s，每支抽吸10口，每個劍橋濾片收集5支加熱卷煙的主流煙氣粒相物。傳統卷煙采用ISO抽吸模式，具體參數：抽吸容量35 mL，抽吸持續時間2 s，抽吸間隔60 s，每支抽吸6口，每個劍橋濾片收集5支卷煙的主流煙氣粒相物。參考前期研究所報道的方法［22-24］分析主流煙氣中22種酸性成分。

1.2.2 加熱卷煙煙草材料的酸性成分釋放與加熱溫度的關系

參考文獻［5］中報道的方法，利用實驗室加熱裝置和煙氣捕集裝置分別在200、250、300、350、400℃下加熱3種加熱卷煙產品的煙草材料并收集煙氣粒相物，抽吸參數與1.2.1節一致；利用前期研究中所建立的酸性成分定量分析方法［22-24］，分別測定各加熱溫度下粒相物中酸性成分的釋放量。

1.2.3 加熱卷煙酸性成分的遷移實驗

將甲酸、乙酸、乳酸分別配制成10%（質量分數）水溶液，棕櫚酸配制成1%（質量分數）乙醇溶液，分別利用微量注射器按照10μL/支的量注入3種加熱卷煙中，即甲酸、乙酸、乳酸添加量為1 000μg/支，棕櫚酸添加量為100μg/支。按照1.2.1節中的條件平衡48 h，采用1.2.2節的實驗方法考察不同加熱溫度下加熱卷煙酸性成分的釋放量和遷移量。由于添加的酸性成分均為游離態有機酸，因此，本研究中主要考察游離態有機酸的遷移情況。

2 結果與討論

2.1 傳統卷煙與加熱卷煙主流煙氣粒相物酸性成分分析

傳統卷煙和3種加熱卷煙煙氣中酸性成分的釋放量見表1。從酸性成分的種類上看，在傳統卷煙煙氣中檢出22種酸性成分，而在加熱卷煙樣品A、B中只檢出15種，樣品C中檢出16種。從酸性成分的釋放總量看，樣品A、B、C分別為43.03、230.26、215.66 μg/支，明顯低于傳統卷煙酸性成分釋放總量（392.36μg/支）。此外，由于加熱卷煙的抽吸口數為10口，大于傳統卷煙，因此單口酸性成分的釋放量顯著低于傳統卷煙。

傳統卷煙主流煙氣中釋放量較高的酸性成分為乙酸、亞麻酸、棕櫚酸、甲酸、亞油酸和乳酸，加熱卷煙主流煙氣中釋放量較高的酸性成分為乙酸、甲酸、乳酸和丙酸等小分子有機酸，以及高級脂肪酸棕櫚酸。出現上述差異可能是與高級脂肪酸（如硬脂酸、油酸等）沸點較高，在溫度較低時較難遷移進入主流煙氣有關。這也說明在加熱溫度低于400℃時，通過向加熱卷煙中添加香精香料等方式模擬傳統卷煙的感官風格特征存在難度。

3種加熱卷煙煙氣中酸性成分釋放量也存在明顯差異。樣品A的酸性成分釋放總量明顯低于樣品B和C，其中，乙酸、甲酸、乳酸和棕櫚酸的差異較為明顯，戊酸、己酸、壬酸和癸酸的差異較小。說明可以通過向煙草薄片中添加酸性成分，或改變原料比例等方式調整加熱卷煙主流煙氣中酸性成分的釋放量，進而影響煙氣的感官質量及煙氣pH等。

2.2 加熱卷煙煙草材料的酸性成分釋放隨溫度的變化規律

不同加熱溫度下3種加熱卷煙煙氣中酸性成分的釋放量分別見表2～表4。可見，隨加熱溫度的升高，主流煙氣中22種酸性成分的釋放總量明顯增加，如樣品C，當加熱溫度為400℃時，酸性成分釋放量總量相較于200℃時增幅接近14倍。當加熱溫度不超過250℃時，樣品A和B的煙氣中未檢出丙酸、2-甲基丁酸、3-甲基丁酸和3-甲基戊酸等。此外，加熱溫度對不同樣品同一酸性成分釋放量的影響也不相同，見圖1。對于甲酸和乙酸，在相同溫度下樣品B和樣品C的釋放量差異不大，但在350℃和400℃時樣品B和樣品C的釋放量明顯高于樣品A；對于乳酸，在相同溫度下樣品C的釋放量大于樣品A和樣品B；對于棕櫚酸，在350℃和400℃時樣品C的釋放量明顯大于樣品B，樣品B的釋放量明顯大于樣品A。原因可能是3種加熱卷煙的再造煙葉原料不同，有機酸的質量分數也不同。

圖1 不同加熱溫度下3種加熱卷煙主流煙氣中4種酸性成分的釋放量Fig.1 Releases of four acidic components in mainstream aerosol of three heated tobacco products at different heating temperatures

表2 不同加熱溫度下加熱卷煙樣品A的主流煙氣中酸性成分的釋放量①Tab.2 Releases of acidic components in mainstream aerosol of heated tobacco product sample A at different heating temperatures （μg·支-1）

表4 不同加熱溫度下加熱卷煙樣品C的主流煙氣中酸性成分的釋放量Tab.4 Releases of acidic components in mainstream aerosol of heated tobacco product sample C at different heating temperatures （μg·支-1）

表3 不同加熱溫度下加熱卷煙樣品B的主流煙氣中酸性成分的釋放量Tab.3 Releases of acidic components in mainstream aerosol of heated tobacco product sample B at different heating temperatures （μg·支-1）

隨著加熱溫度的升高，加熱卷煙煙氣中不同酸性成分的釋放量增長率存在差異，如圖2所示。酸性成分釋放量增長率的計算方法見公式（1）。由圖2可知，3種樣品煙氣中甲酸、乙酸釋放量的增長率在250～300℃溫度段最大，均超過150%。樣品A和樣品B中棕櫚酸釋放量的增長率均在300～350℃溫度段出現了峰值，樣品C中棕櫚酸釋放量的增長率在250～300℃和300～350℃溫度段相差不大，但均顯著高于200～250℃和350～400℃。原因可能是棕櫚酸的沸點為352℃，在沸點附近加熱溫度的變化對其釋放量影響較大。樣品B和樣品C的乳酸釋放量增長率在250～300℃溫度段達到最大值，而樣品A的乳酸釋放量增長率則隨著加熱溫度的升高持續增大。

圖2 3種加熱卷煙煙氣中4種酸性成分釋放量的增長率隨加熱溫度的變化Fig.2 Increasing rates of releases of four acidic components in mainstream aerosol of three heated tobacco products at different heating temperatures

2.3 不同加熱溫度下加熱卷煙酸性成分遷移規律

向3種加熱卷煙中添加甲酸、乙酸、乳酸和棕櫚酸（甲酸、乙酸和乳酸的添加量均為1 000μg/支，棕櫚酸的添加量為100μg/支）后，考察不同加熱溫度下煙氣中4種酸性成分的釋放量和遷移量，結果見表5～表7。可能由于3種樣品均為由混合后煙粉（復配煙粉，基質較為均勻，不同樣品間的基質差異不明顯）制備的加熱卷煙再造煙葉，添加4種酸性成分后，在不同溫度下的遷移量差異并不明顯。當加熱溫度為200～300℃時，加熱卷煙煙氣中甲酸、乙酸和乳酸的釋放量和遷移量快速增加，在300℃之后變化不明顯。在200～350℃時，加熱卷煙煙氣中棕櫚酸的釋放量和遷移量快速增加，在350℃之后變化不明顯。由于煙葉原料中的有機酸存在游離態和結合態兩種形態，因此，300～400℃之間加熱卷煙煙氣中甲酸、乙酸和乳酸的釋放量增加以及350～400℃之間棕櫚酸的釋放量增加可能大部分來自結合態有機酸的裂解釋放［25-26］。

表5 不同加熱溫度下樣品A添加酸性成分后主流煙氣中酸性成分的釋放量及遷移量①Tab.5 Release and migration amounts of acidic components in mainstream aerosol at different heating temperatures after adding acidic components to sample A （μg·支-1）

表7 不同加熱溫度下樣品C添加酸性成分后主流煙氣中酸性成分的釋放量及遷移量Tab.7 Release and migration amounts of acidic components in mainstream aerosol at different heating temperatures after adding acidic components to sample C （μg·支-1）

圖3為不同加熱溫度下3種加熱卷煙中4種酸性成分的遷移率，遷移率的計算方法見公式（2）。由于甲酸、乙酸和乳酸的沸點較低，在加熱溫度為200～300℃時，加熱卷煙煙氣中甲酸、乙酸和乳酸的遷移率快速增加，在300℃之后變化不明顯。棕櫚酸沸點較高，當加熱溫度為200～350℃時，加熱卷煙煙氣中棕櫚酸的遷移率快速增加，在350℃之后變化不明顯。加熱卷煙煙具的加熱溫度約在350～400℃之間，添加的游離態甲酸和乙酸的遷移率約為40%，乳酸的遷移率約為8%，棕櫚酸的遷移率約為0.80%。加熱卷煙有機酸的遷移率與其沸點相關，沸點越高，添加的游離態有機酸的遷移率越低。

圖3 不同加熱溫度下3種加熱卷煙中4種酸性成分的遷移率Fig.3 Migration rates of four acidic components in three heated tobacco products at different heating temperatures

表6 不同加熱溫度下樣品B添加酸性成分后主流煙氣中酸性成分的釋放量及遷移量Tab.6 Release and migration amounts of acidic components in mainstream aerosol at different heating temperatures after adding acidic components to sample B （μg·支-1）

3 結論

①加熱卷煙主流煙氣中酸性成分的釋放量和種類均低于傳統卷煙，不同加熱卷煙酸性成分的釋放量也存在明顯差異。②甲酸、乙酸和乳酸的釋放量在加熱卷煙主流煙氣酸性成分中所占比例較大，當加熱溫度為200～300℃時，其釋放量和遷移量快速增加，在300℃之后增幅減緩。在200～350℃時，棕櫚酸的釋放量和遷移量快速增加，在350℃之后增幅減緩。③加熱卷煙游離態有機酸的遷移率與其沸點相關，沸點越高，遷移率越低。