卷煙主流煙氣主要揮發性羰基物的模擬口腔沉積

曾世通，王丁眾，劉 珊，李 鵬，席 輝，付英杰，盧斌斌，孫世豪

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

為了闡釋卷煙煙氣感官感受的物質基礎，近年來國內外圍繞卷煙煙氣化學成分分析開展了大量研究［1-10］，但是迄今為止依然無法建立煙氣化學成分與感官感受之間的直接聯系。究其原因，一方面主要是煙氣的復雜性，另一方面可能與化學分析中煙氣的捕集方式有關。煙氣捕集是分析煙氣化學成分的首要步驟，目前普遍采用劍橋濾片捕集和溶劑吸收兩種方式。采用這兩種方式捕集煙氣，能夠實現主流煙氣化學成分釋放量的準確分析，但是不能真實反映抽吸卷煙時化學成分在口腔、鼻腔、喉部等感官部位的沉積情況。煙氣感官感受主要取決于化學成分在感官部位的沉積，掌握煙氣化學成分的沉積行為，更有利于解析煙氣感官感受的物質基礎。莊亞東等［11-12］設計了一種用于卷煙煙氣刺激性成分評價的口腔模擬器及方法，分析了卷煙煙氣中8種羰基物對口腔的刺激作用。劉欣等［13-14］研制了一種卷煙主流煙氣仿生吸收裝置，分析了煙氣仿生吸收液與劍橋濾片對主流煙氣中酚類和煙堿的捕集情況及與抽吸舒適性的相關性。李軍等［15］設計了一種模擬人體感覺器官吸收卷煙主流煙氣的裝置，應用于主流煙氣中香味成分的測定以及卷煙感官質量指標預測模型的構建。這些以模擬裝置為基礎的研究為分析煙氣化學成分在感官部位的沉積行為提供了新的思路。鑒于此，圍繞主流煙氣在口腔中的沉積行為，以煙氣口腔沉積模擬裝置為基礎，建立了揮發性羰基物的模擬口腔沉積分析方法，考察了25種市售烤煙型卷煙主流煙氣揮發性羰基物的模擬口腔沉積情況，分析了口腔刺激與揮發性羰基物模擬口腔沉積的相關性，旨在為煙氣口腔沉積行為及口腔生理感受的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

涵蓋不同價類、不同焦油釋放量的25種市售國產烤煙型卷煙，具體如表1所示。

甲醇、乙腈（色譜純，德國Merck公司）；吡啶、2,4-二硝基苯肼（DNPH，AR，美國CNW公司）；高氯酸（AR，國藥集團化學試劑有限公司）；甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛、巴豆醛、2-丁酮和丁醛的2,4-二硝基苯腙標準品（東京化成工業株式會社）；人工唾液（pH 7.0，上海遠慕生物科技有限公司）；有機相濾膜（0.45 μm，天津津騰公司）。

Agilent 1200高效液相色譜儀（配DAD檢測器，美國Agilent公司）；AL-204-IC電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；HY-5型振蕩器（金壇中大儀器廠）；JJD200型單孔道吸煙機（鄭州嘉德機電科技有限公司）；卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置（自制）。

表1 25種市售國產烤煙型卷煙樣品信息Tab.1 Information of 25 commercially available domestic Virginia type cigarettes

1.2 方法

1.2.1 卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置設計

卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置示意圖見圖1。主要包括煙氣吸入部件、煙氣沉積模擬腔體、煙氣捕集部件和抽吸部件。煙氣吸入部件由三通閥和吸入管構成。三通閥的一端插入煙支，另一個與之水平的端口與吸入管連接，第3個端口為空氣進口。抽吸煙支時，吸入管端口和煙支端口連通，空氣端口關閉；空吸時，吸入管端口與空氣進口連通，煙支端口關閉，從而實現抽吸煙支與空吸的切換。吸入管連接腔體的一端呈封閉狀，但封閉端部的端面和側面上打有若干氣孔。氣孔設計的主要目的是避免煙氣由于抽吸慣性在腔體中直線通過，并使煙氣在腔體中均勻擴散。煙氣沉積模擬腔體內腔容積為40 cm3，并且在其內壁放置涂布了人工唾液的濾紙（10 cm×4 cm）作為煙氣的沉積載體。恒溫回流腔可連接恒溫循環水，實現內腔的溫度控制。模擬腔體的出氣端與夾持了劍橋濾片的煙氣捕集器相連。煙氣捕集器的另一端與單孔道吸煙機相連。抽吸煙支時，煙氣先進入腔體并擴散沉積，然后切換成空吸，使腔體內的煙氣排出，并通過捕集器捕集煙氣沉積后的粒相物。

圖1 卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram for an oral deposition simulator of cigarette smoke

1.2.2 抽吸方法

將卷煙樣品置于溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%的恒溫恒濕環境平衡48 h后，按平均質量±0.015 g、平均吸阻±30 Pa的標準進行篩選。在卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置上抽吸經篩選后的樣品。消費者吸煙時包括抽吸、煙氣進入口腔、煙氣在口腔短暫停留、煙氣吞咽、煙氣呼出、下一口抽吸等過程，因此在儀器抽吸時需要盡量模擬消費者抽吸的真實過程。采用模擬裝置抽吸卷煙樣品時，先連通三通閥的煙支端和吸入端，抽吸容量50 mL，抽吸2 s，抽吸結束后停留8 s；然后連通三通閥的空氣端和吸入端，再次抽吸，將腔體中的煙氣抽出并通過捕集器捕集，如此完成1口煙氣的抽吸、沉積和吞咽3個過程。下一口抽吸與前一口抽吸間隔20 s，抽吸前將三通閥的煙支端和吸入端再次連通。對每個卷煙樣品抽吸5口，收集4支卷煙的濾紙沉積樣和濾片捕集樣，做2次平行樣。抽吸容量、抽吸時間采用的是接近深度抽吸的參數標準；設置煙氣停留時間的目的是模擬煙氣在口腔中的停留與沉積。

1.2.3 揮發性羰基物分析

參考YC/T 254—2008［16］中的方法，先移取2 mL衍生化試劑DNPH均勻浸潤沉積用的濾紙和捕集用的劍橋濾片，然后將濾紙和劍橋濾片于真空干燥器中晾干。抽吸前，再次移取1 mL DNPH浸潤濾紙和劍橋濾片，其中，濾紙需要再次晾干后，均勻浸潤0.5 mL人工唾液，然后按照1.2.2節的方法抽吸卷煙樣品。抽吸結束后，取出濾紙和劍橋濾片，分別轉移至100 mL錐形瓶中，準確加入50 mL吡啶-乙腈萃取液，機械振蕩10 min，靜置2 min。萃取液經有機相濾膜過濾后，按照YC/T 254—2008中的方法進行HPLC分析。

1.2.4 卷煙樣品口腔刺激感官評價及相關性分析

將卷煙樣品置于溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%的恒溫恒濕環境平衡48 h后，按照GB 5606.4—2005［17］中的方法，由7位卷煙感官評價技術人員對25種卷煙的口腔刺激進行感官評價。口腔刺激越小，得分越高，最高得分20分，其中，得分小于15的樣品為刺激較大，得分15（含）～17的樣品為刺激中等，得分17（含）～20的樣品為刺激較小。采用SPSS數據統計分析軟件進行煙氣口腔刺激與揮發性羰基物模擬口腔沉積之間的相關性分析。

2 結果與討論

2.1 模擬裝置穩定性評價

采用卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置，以1#卷煙樣品為分析對象，按照所確定的方法進行了揮發性羰基物模擬口腔沉積分析的重復性實驗，結果見表2。可知，只有個別揮發性羰基物的濾紙沉積量和濾片捕集量的日內、日間相對標準偏差大于10%，但小于15%；其余均小于10%。說明方法具有良好的精密度和重復性，卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置對揮發性羰基物模擬分析具有良好的穩定性。

表2 揮發性羰基物模擬口腔沉積分析的重復性實驗結果（n=5）Tab.2 Results of repeated tests of simulated volatile carbonyl oral deposition（n=5） （%）

2.2 揮發性羰基物模擬口腔沉積分析

采用卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置對25種市售中式烤煙型卷煙主流煙氣主要揮發性羰基物的口腔沉積情況進行了分析，結果見表3。可以看出，同一種揮發性羰基物在不同卷煙樣品中所表現出的沉積情況基本一致，沉積量、截留量在一定范圍內波動，沉積比例高度接近，例如，甲醛沉積量的平均值為48.1 μg·支-1，STD（Standard deviation，標準差）為16.7 μg·支-1；截留量的平均值為63.4 μg·支-1，STD為18.8 μg·支-1；沉積比例的平均值為0.43，STD為0.05。不同揮發性羰基物的沉積量差異明顯，由大到小依次為乙醛、甲醛、丙酮、丙醛、丙烯醛、丁醛、巴豆醛和2-丁酮，其中，甲醛和乙醛的沉積量顯著高于其他羰基物。根據截留量和沉積比例的分析結果可以發現，沉積量主要取決于化合物總的釋放量和沉積比例。盡管乙醛的沉積比例并非最高，但總釋放量遠高于其他羰基物，所以沉積量最大；甲醛的總釋放量低于丙酮，但沉積比例明顯高于丙酮，所以沉積量相對較大。不同揮發性羰基物的沉積比例存在明顯差異，由高到低依次為甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、巴豆醛、丙烯醛、丙酮和2-丁酮。可以看出，揮發性羰基物的沉積比例可能主要受化合物的揮發性影響。化合物沸點越低，飽和蒸汽壓越高，揮發性越強，在煙氣氣相中的分布越多，使化合物在煙氣擴散過程中更容易被涂布了人工唾液的濾紙吸收。因此，羰基物的揮發性越強，沉積比例越高。在8種揮發性羰基物同為高極性分子的情況下，各化合物分子極性的差異并未對其沉積比例產生明顯影響。丙酮和2-丁酮的沉積比例最低，可能還與衍生化反應活性相對較低有關。

表3 25種卷煙樣品主要揮發性羰基物沉積模擬分析結果Tab.3 Analytical results of simulated deposition of main volatile carbonyls in mainstream smoke of 25 cigarette samples

表3 （續）

2.3 口腔沉積與口腔刺激的相關性分析

采用國標方法對25種卷煙樣品口腔刺激性的感官評價結果見表4。由于揮發性羰基物的沉積量受焦油釋放量影響明顯，選擇同等焦油釋放水平的1#～18#卷煙樣品作為樣本，分析了煙氣口腔刺激與揮發性羰基物口腔沉積量的相關性，結果見表5。可以看出，煙氣口腔刺激與甲醛、乙醛的模擬口腔沉積量之間的相關系數分別為-0.916、-0.934，并且P值均小于0.01，說明煙氣口腔刺激與甲醛、乙醛的模擬口腔沉積量顯著負相關；煙氣口腔刺激與其他6種揮發性羰基物未呈現出顯著的相關性。根據化學物質毒性數據庫［18］中8種揮發性羰基物的刺激性毒理學數據，甲醛、乙醛和丙烯醛具有重度刺激性，丙酮、丙醛、巴豆醛和丁醛具有中度刺激性，2-丁酮具有輕度刺激性。甲醛和乙醛在8種羰基物中刺激性相對更大，并且二者的沉積量也遠高于其他羰基物，因此，其對煙氣口腔刺激的貢獻應明顯高于其他6種羰基物。該結果與相關性分析結果一致。

表4 25種卷煙樣品煙氣口腔刺激的感官評價結果Tab.4 Results of sensory evaluation on oral irritation of mainstream smoke of 25 cigarette samples

表5 煙氣口腔刺激與揮發性羰基物口腔沉積量的相關性Tab.5 Correlation between oral irritation of smoke and deposition amounts of volatile carbonyls

3 結論

①采用卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置，分析8種揮發性羰基物的口腔沉積量和截留量，大多數日內、日間相對標準偏差均小于10%，方法具有良好的精密度和重復性，模擬裝置對揮發性羰基物的口腔沉積分析的穩定性良好。②不同揮發性羰基物的口腔沉積量由大到小依次為乙醛、甲醛、丙酮、丙醛、丙烯醛、丁醛、巴豆醛和2-丁酮，其中，甲醛和乙醛的沉積量顯著高于其他揮發性羰基物；沉積比例由高到低依次為甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、巴豆醛、丙烯醛、丙酮和2-丁酮。③煙氣口腔刺激與甲醛和乙醛的模擬口腔沉積量顯著負相關，相關系數分別為-0.916和-0.934，P值均小于0.01。