加热非燃烧状态下再造烟叶颗粒香味成分的释放行为

周慧明，华 青，陶立奇，郑赛晶*

1. 上海新型烟草制品研究院，上海杨浦区大连路789 号 200082

2. 上海烟草集团有限责任公司技术中心，上海市杨浦区长阳路717 号 200082

加热非燃烧（Heat-not-burn，HNB）烟草制品是一种加热由烟草原料制成的烟棒以释放含有烟碱的气溶胶而非直接燃烧烟草原料的烟草制品[1-2]。传统卷烟的燃烧锥可以达到甚至超过900 ℃，而HNB 烟草制品的加热温度通常不超过300 ℃[1-3]。HNB 加热温度较低，有害和潜在有害成分的释放量较低，且不产生侧流烟气。近年来，随着对环境和健康问题越来越重视，全球控烟力度持续增大，HNB 制品逐渐成为研发热点。烟草制品的品质是由其烟气释放特征所决定的，烟气中的香味成分是影响烟气感官品质的重要组成部分。因此，研究烟气中香味成分的释放规律及其影响因素对于HNB 烟草制品的发展和品质优化具有重要意义。迄今为止，已有一些与加热烟草原料或HNB 制品香味物质释放行为有关的报道。例如Forster 等[4]研究了将烟草混合物在100～200 ℃加热产生的释放物，结果表明在该温度段，烟碱和一些烟气物质的释放是源于烟草混合物的蒸发转移或初始热分解；霍现宽等[5]研究了7 种不同类型烟叶原料在200～500 ℃加热状态下的烟气香味成分释放特征，结果表明不同类型烟叶原料受热时烟气香味成分的释放特征存在明显差异，烟叶原料部位间的差异不明显；朱浩等[6]研究了3 种HNB 制品的26 种烟熏香成分释放情况，重点关注了与传统卷烟的对比。然而，目前尚未有针对再造烟叶作为HNB 烟草原料在加热时释放香味成分的研究报道。HNB 烟草原料通常含有一定比例的甘油，可以作为主要的气溶胶剂，提升气溶胶总粒相物的释放量，并可在气溶胶中帮助携带烟碱和香味物质[3,7]。此外，甘油还可能与烟草原料相互作用，影响气溶胶的成分[8]。

为了探索HNB 烟气粒相物中香味成分的释放行为，采用气相色谱的柱温箱提供热源，吸烟机提供抽吸引擎，使用自主设计的石英管模拟HNB 卷烟的加热管，开发了一个模拟HNB 的装置，在不同甘油质量分数和加热温度条件下加热HNB 烟草原料，利用中心切割二维气相色谱-质谱分析HNB 烟草原料释放的气溶胶中粒相物所含的香味成分和烟碱，并对其释放行为进行研究，旨在考察加热非燃烧状态下再造烟叶颗粒（Reconstituted tobacco particles，RTPs）香味成分的释放规律。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

再造烟叶颗粒的含水率为7%，粒径为1～2 mm（由上海烟草集团有限责任公司提供）。

甘油（AR，阿拉丁试剂公司）；甲基叔丁基醚（99.8%，美国Anaqua 公司）；戊酸甲酯（98%）、庚酸甲酯（98.2%）、壬酸甲酯（98%）、十三酸甲酯（98.1%）、十五酸甲酯（98%）（中心切割二维气相色谱-质谱法检测香味物质时使用的混合内标物，美国ChemService 公司）。

SM400 20 孔道吸烟机（英国Filtrona 公司）；7890B/5977A 气质联用仪、DB-5MS 色谱柱（30 m×0.32 mm i.d.×0.25 μm d.f.）、DB-WAX 色谱柱（60 m×0.32 mm i.d.×0.25 μ m d.f.）（美 国Agilent 公司）。自主设计的石英管结构如图1 所示，石英管主体部分为两端开口、外径8 mm、内径6 mm 的石英管，下部侧面连接一根弯折的外径6 mm、内径2 mm 的细管，细管另外一端连接一段外径8 mm、内径6 mm 的石英管。主体石英管与细管组件的最大直径为1.6 cm。主体石英管内部上端有卡口，可以固定内部的填充物。主体石英管上方连接装有剑桥滤片的捕集器和吸烟机的抽吸引擎。

1.2 方法

1.2.1 再造烟叶颗粒样品制备

将适量的水与甘油混匀，加入到适量的预先测得含水率为7%、不含甘油的再造烟叶颗粒样品中，搅拌均匀，并在恒温恒湿箱中放置72 h。用该方法分别制备了含水率16%、甘油质量分数为0、10%、30%的再造烟叶颗粒样品，分别标记为样品A、B、C。由于在搅拌过程中，水与甘油会发生少量挥发，因此利用色谱法测定了最终样品的甘油质量分数和含水率，结果见表1 所示。

图1 石英管（左）和石英管填充（右）示意图Fig.1 Schematic diagram of quartz tube（L）and quartz tube filled with samples（R）

表1 再造烟叶颗粒样品中含水率和甘油质量分数的实测值Tab.1 Moisture and glycerol contents in prepared samples of reconstituted tobacco particles （%）

1.2.2 粒相物捕集方法

向石英管中先填充少量石英棉，然后加入适量颗粒样品、末端填入少量石英棉，最后在尾部塞上耐高温的密封垫，如图1 所示。

加热源采用安捷伦公司6890N 气相色谱的柱温箱，柱温箱上方开3 个直径为2 cm 的孔，可以将石英管顺利地放入和取出，结构如图2 所示。经测试，改造后的柱温箱可以提供温度稳定的热源。

图2 安捷伦6890N 气相色谱柱温箱改造示意图Fig.2 Schematic diagram of modified Agilent 6890N GC oven

将气相色谱柱温箱的温度设置为目标温度，温度达到目标温度并稳定5 min 后，将装有待测样品的石英管置于箱体上方的孔内，进行加热与抽吸。本实验中采用ISO 4387—2000[9]的抽吸方法，具体参数为抽吸容量35 mL、每口抽吸时间2 s、抽吸间隔30 s、抽吸20 口。

1.2.3 中心切割二维气相色谱-质谱法测定香味成分

剑桥滤片捕集粒相物后，滤片置于锥形瓶中，加入20 mL 甲基叔丁基醚，400 μL 脂肪酸甲酯混标溶液（戊酸甲酯、庚酸甲酯、壬酸甲酯、十三酸甲酯、十五酸甲酯），振荡45 min 后，取样进行中心切割二维气相色谱-质谱分析，分析条件参照文献[10]。

2 结果与讨论

HNB 烟草制品的加热温度通常在200～300 ℃，甘油是HNB 烟草原料中常用的添加剂。因此，本研究中分别分析了3 种甘油质量分数的HNB 烟草原料在150、180、210、240、300、350 ℃释放的粒相物中的香味成分。

2.1 香味成分释放种类和释放总量

将检测到的香味成分分为烟草生物碱、酚类、醛酮类、非烟草生物碱的氮杂环类（以下简称氮杂环类）、有机酸、呋喃类、烯类、醇类和酯类等9 类，见表2。从表2 可知，在不同加热温度下，3 种甘油质量分数的HNB 原料的受热释放产物中，香味成分的种类各有差异。300 ℃以下时，随着加热温度的升高，A～C 3 种再造烟叶颗粒样品释放的粒相物中各种香味组分的种类数呈现增加趋势，尤其是酚类、醛酮类、氮杂环类物质种类数较为显著。超过300 ℃之后，香味组分种类数的增加趋势并不明显。加热温度＜240 ℃时，同一加热温度下，粒相物中检出的香味组分种类数依次为A＜B≤C，且A 与B 之间的差距远大于B 与C 之间的差距，3 种样品之间的差异主要表现为酚类、氮杂环类、呋喃类物质的释放差异。因此可推测，甘油的加入可以降低一些香味物质释放所需的温度。

表2 不同加热温度下再造烟叶颗粒样品烟气粒相物中香味成分的数量Tab.2 Total numbers of aroma components in aerosol collected matter（ACM）of reconstituted tobacco particle samples at different heating temperatures

图3 不同加热温度下3 种样品烟气粒相物中香味成分释放总量（a）、单位干质量原料烟气粒相物释放量（b）、单位质量粒相物中香味物质释放量（c）Fig.3 Total release of aroma components in ACM (a),ACM release from per unit mass of dry RTP materials (b) and aroma component releases per unit mass of ACM (c) of three samples at different heating temperatures

加热状态下，3 种甘油质量分数不同的原料在不同温度加热后释放的香味成分总量见图3a，单位干质量原料的烟气粒相物释放量见图3b。从图3a 可知，在该研究的温度段，3 种原料的香味物质释放总量均随温度的升高而持续增加。此外，当加热温度在300 ℃以下时，粒相物中检出的香味成分总量依次为A＜B＜C，且样品A 与B 之间的差异比B 与C 之间的差异更为显著；加热温度逐渐提高后，3 种样品之间的差距逐步减小；当温度达到350 ℃时，3 种样品的烟气香味成分总释放量已非常接近，样品A 和C 的香味物质释放总量略低于样品B。因此，提高加热温度和加入甘油均有利于香味物质的产生和释放。加热温度低于300 ℃时，样品中的甘油起主导作用，超过300 ℃后，甘油对香味成分释放的促进作用明显减弱，而升温的促进作用相对显著。由图3b 可见，单位干质量原料的烟气粒相物释放量随加热温度的升高不断增加，同一温度下，样品B 的粒相物释放量高于样品A，样品C 的粒相物释放量显著高于B 和A。烟气中香味成分浓度对烟气感官质量有重要影响，由图3c 可见，样品C 的气溶胶中香味物质浓度相对较低，样品A 和B 相对较高，超过210 ℃样品A 的最高。因此，提高加热温度可以增加单位干质量原料的粒相物释放量，甘油的加入可显著增加气溶胶的释放量。甘油是气溶胶的重要组成部分，但原料中大量的甘油也会导致香味成分的浓度下降。

为了深入了解加热温度和原料中甘油质量分数对各类香味成分释放行为的影响，对9 类香味成分（表3）的检测结果分别进行释放量及影响因素分析，结果见图3。图3 中与香味成分相关的数据均为香味成分峰面积与内标峰面积的比值除以原料干质量后的数值。

表3 所分析香味成分的分类Tab.3 Classification of analyzed aroma components

2.2 各类香味成分的释放

2.2.1 烟草生物碱释放

A、B、C 3 种样品在不同加热温度下的烟草生物碱释放行为如图4 所示。可见，240 ℃以下，样品A 的烟草生物碱释放量显著低于B 和C；随着加热温度的升高，样品A 的释放量显著增长，但始终低于B 和C。样品B 和C 烟草生物碱的释放量随温度的变化并不明显。因此，升高加热温度对无甘油样品烟草生物碱释放的促进作用明显大于含甘油样品；甘油的加入促进了烟草生物碱释放。甘油在烟草颗粒中起到了传热媒介的作用，使烟草颗粒体系的温度传热快且稳定。此外，甘油的存在可能引起溶剂化效应和扩散效应，使样品在低温下即能充分释放烟草生物碱。

图4 不同加热温度下3 种样品烟气粒相物中烟草生物碱的释放量Fig.4 Releases of tobacco alkaloids in ACM of three RTP samples at different temperatures

2.2.2 酚类物质释放

A、B、C 3 种样品在不同加热温度下的酚类物质释放行为如图5 所示。可见，酚类物质释放量均随加热温度升高呈显著增大趋势。当加热温度＜300 ℃时，酚类物质释放量较低，且三者的差别较为明显；当温度提高到300 ℃以上后，酚类物质释放量显著提高，且三者之间的差别不大。因此，加热温度可显著影响酚类的释放行为，高温有利于酚类的产生和释放；300 ℃以下甘油对酚类释放行为的影响相对明显，加热温度升高后，甘油的影响则相对较弱。HNB 烟草原料受热释放的酚类主要来源于原料中的绿原酸、奎尼酸、芸香苷、芦丁、氨基酸以及一些大分子物质如纤维素、木质素等的热解[11-15]。低温下前体物质的分解程度有限，温度升高后，加热体系内的反应变得剧烈复杂，分解反应加剧，因此酚类的释放量和种类随温度升高显著增加。由于样品B 和C 含有甘油，因此相应的酚类释放量高于样品A。当温度达到350 ℃时，样品C 体系内的反应更为剧烈，部分酚类物质可能进一步分解成为小分子化合物，因此检测到的酚类释放量低于A 和B。

图5 不同加热温度下3 种样品烟气粒相物中酚类物质的释放量Fig.5 Releases of phenolic compounds in ACM of three RTP samples at different heating temperatures

2.2.3 醛酮类物质释放

A、B、C 3 种样品在不同加热温度下醛酮类物质的释放行为如图6 所示。可见，烟气醛酮类物质的释放行为与酚类物质较为相似。醛酮类主要源于烟草中的糖类物质如葡萄糖、果糖、蔗糖、纤维素、淀粉、果胶等的热裂解和西柏烯类、胡萝卜素等的降解，以及还原糖与胺类物质的美拉德反应等[16-19]。低温下，此类反应的进行程度有限；随反应温度的逐渐升高，醛酮类的释放量持续增长；甘油的存在同样促进了含甘油样品体系内的反应，因此样品B 和C 烟气醛酮类物质的释放量高于样品A，且在300 ℃以下释放差距尤为明显。

图6 不同加热温度下3 种样品烟气粒相物中醛酮类物质的释放量Fig.6 Releases of carbonyl compounds in ACM of three RTP samples at different heating temperatures

2.2.4 氮杂环类物质释放

由图7 可知，氮杂环类物质释放量均随加热温度升高呈增大趋势，加热温度＜300 ℃时，3 种样品的氮杂环类物质释放量大小顺序为A＜B＜C，样品A 与B 之间的差距比样品B 与C 之间的差距更为明显。在本研究中，样品A 的氮杂环类物质释放增长趋势较为显著，特别在300～350 ℃温度段。HNB 原料受热产生的烟气粒相物中的小分子氮杂环化合物主要源于烟草原料中的氨基酸、蛋白质等的热解和美拉德反应等[18，20]，随加热温度的不断升高，相关的反应逐渐加剧，因此氮杂环类物质释放量不断增长。当加热温度达到350 ℃时，样品C 氮杂环类物质的释放量明显更低，主要由吲哚类物质的释放量下降导致。烟气中的吲哚已被证明是氨基酸尤其是色氨酸的热解产物；同时，氨基酸类物质也是多环芳烃如菲、荧蒽、芘等的前体物，且高温有利于多环芳烃的生成[21-22]。当温度升高到350 ℃时，甘油质量分数较高的样品C 因甘油的导热作用，体系内的温度相对较高，因此部分相关前体物生成多环芳烃，吲哚的生成量减少，导致氮杂环类物质释放量减少。

图7 不同加热温度下3 种样品烟气粒相物中氮杂环类物质的释放量Fig.7 Releases of nitrogen-containing compounds in ACM of three RTP samples at different heating temperatures

2.2.5 有机酸释放

由图8 可知，有机酸类物质释放行为的变化趋势与氮杂环类物质较为类似。烟气中有机酸主要源于烟草中糖类物质如蔗糖酯和非挥发性有机酸的热裂解，以及挥发性有机酸的转移[16-17,23]。随加热温度的升高，加热体系内的反应程度逐渐提高，有机酸类产物的释放量也随之增加。此外，300 ℃以下，样品A 有机酸的释放量显著低于B 和C，而B 和C 之间的差别较小；温度升到300 ℃以后，三者之间的差异不明显，因此300 ℃以下甘油的存在可以有效促进有机酸的产生和释放。当温度达到350 ℃后，样品C 释放的酸类物质少于样品A 和B，可能主要是因乙酸和丙酸的释放量较少引起的。样品C 中含有较多的甘油，温度较高时，可能由于甘油与有机酸发生了酯化反应，消耗了一部分小分子酸。

图8 不同加热温度下3 种样品烟气粒相物中有机酸的释放量Fig.8 Releases of organic acids in ACM of three RTP samples at different heating temperatures

2.2.6 呋喃类物质释放

由图9 可知，在同一加热温度下（除150 ℃以外），样品C 的呋喃类物质释放量最高，其次为样品B，而样品A 最低，表明甘油有助于呋喃类物质的释放。在150～350 ℃范围内，呋喃类物质的释放量均为先逐渐增加，达到释放量最高值后又逐渐减少。呋喃类物质主要源于烟草原料中糖类物质低温阶段的热解以及还原糖与含氨基物质的美拉德反应[16,18-19]。随温度逐渐升高，反应程度逐渐增大，因此呋喃类物质释放量随温度升高而增加；随加热温度的持续升高，部分呋喃类物质将发生进一步转化，生成酚类和芳烃类物质[5]。甘油的存在有利于反应体系内的导热，因此呋喃类物质的释放量呈现C＞B＞A 的趋势。3 种样品对应的呋喃类物质释放最高值出现的顺序依次为C（240 ℃）、B（300 ℃）、A（300 ℃），据此推断，甘油可使呋喃类物质在相对较低的加热温度下充分释放。

图9 不同加热温度下3 种样品烟气粒相物中呋喃类物质的释放量Fig.9 Releases of furan compounds in ACM of three RTP samples at different heating temperatures

2.2.7 烯类物质释放

由图10 可知，在检测到的烯类物质中，新植二烯的比例最高，除个别情况外，几乎均超过了70%。新植二烯主要源于调制HNB 原料过程中叶绿素降解生成的叶绿醇脱水，在加热时直接转移进入气溶胶，这种来源与烟草生物碱类似，因此呈现了与烟草生物碱相似的释放规律。当温度达到350 ℃后，体系内的反应变得更为复杂，尤其是含甘油的样品B 和C，柠檬烯和新植二烯可能发生进一步热解，呈现释放量略有下降的现象。

图10 不同加热温度下3 种样品烟气粒相物中烯类物质的释放量Fig.10 Releases of alkene compounds in ACM of three RTP samples at different heating temperatures

2.2.8 醇类物质释放

由图11 可知，醇类物质的释放行为与氮杂环物质、有机酸类物质相似。醇类物质如苯甲醇、苯乙醇、紫罗兰醇等有相当一部分是以不挥发的糖苷形式存在的，在抽吸时裂解成香味物质。此外，苯甲醇和苯乙醇可由原料中苯丙氨酸降解产生。因此，随温度的升高，醇类产物释放量逐渐增加，苯甲醇和苯乙醇的增幅尤为显著，同时，样品C 和B 中的甘油使加热体系内的反应发生了不同程度的加剧。

图11 不同加热温度下3 种样品烟气粒相物中醇类物质的释放量Fig.11 Releases of alcohol compounds in ACM of three RTP samples at different heating temperatures

2.2.9 酯类物质释放

由图12 可知，当加热温度＜300 ℃时，酯类物质的释放量随温度的升高不断增加，含甘油样品B 和C 的酯类物质多于无甘油的样品A，三者释放量均较低；当温度≥300 ℃后，酯类物质释放量激增，且3 种样品之间并无显著差异。酯类物质中二氢猕猴桃内酯为胡萝卜素的降解产物之一，一些内酯类物质可由糖热解产生，苯丙氨酸通过高温热解等反应也可生成酯类物质。300 ℃以下反应较为温和，温度升高到300 ℃后，反应剧烈程度迅速提升，酯类产物显著增加。因此，300 ℃以下时甘油对酯类物质的释放行为有影响，300 ℃以上时甘油的影响可忽略；提升加热温度是增加酯类物质释放量的关键因素。

图12 不同加热温度下3 种样品烟气粒相物中酯类物质的释放量Fig.12 Releases of ester compounds in ACM of three RTP samples at different heating temperatures

2.3 各类香味成分的比例

加热状态下，释放的各类香味物质占香味成分总释放量的比值如图13 所示。香味成分的总释放量经归一化处理，其中，每类香味物质在香味成分总释放量中所占比例分别按照加热温度从低温至高温的顺序列在图13 中。

图13 不同加热温度下3 种样品粒相物中各类香味物质所占比例Fig.13 Ratios of aroma components in ACMs of three RTP samples at different heating temperatures

随加热温度的升高，3 种样品释放的各类物质在香味成分总释放量中所占比例的变化呈现相似趋势：烟草生物碱、烯类、醇类物质，逐渐下降；酚类、氮杂环类、醛酮类物质，逐渐上升；呋喃类物质随温度的升高先上升后下降；有机酸类和酯类物质的变化则不明显。此外，在加热温度低于180 ℃时，烟草生物碱是最主要的成分；温度逐渐升高后，烟草生物碱、有机酸、呋喃类为主要成分；300 ℃以上，烟草生物碱、酚类、有机酸、醛酮类物质是构成香味成分的主要物质；在各加热温度下，氮杂环类、烯类、酯类、醇类物质的比例始终较小，酯类物质最低。3 种样品的各香味物质的比例之间也存在一定的差别，样品B 和C 在烟草生物碱、烯类、呋喃类释放量比例变化上的表现更为类似，与样品A 相比则有明显的差异。因此，通过原料中甘油的添加和加热温度的选择，可以改变粒相物中香味成分之间的比例，使烟气的香味品质发生变化。

3 结论

①共鉴定出74 种香味成分。②加热温度和原料中甘油质量分数均可影响香味物质的释放量。300 ℃以下甘油是主要影响因素，超过300 ℃后温度是主要影响因素。升高温度和加入甘油均会不同程度地提高各类香味物质的释放量，呋喃类和烯类物质释放量随加热温度的升高先增加后降低；③加热温度和甘油质量分数影响各类香味物质在香味成分总释放量中所占比例，温度的影响更为显著：低于180 ℃时，烟草生物碱是最主要成分；温度逐渐升高后，烟草生物碱、有机酸、呋喃类为其中主要成分；300 ℃以上，烟草生物碱、酚类、有机酸、醛酮类物质为主要成分；氮杂环类、烯类、酯类、醇类物质的比例始终较少，酯类物质最少。因此，改变HNB 卷烟制品的器具加热温度和烟棒中甘油的质量分数，将改变烟气的香味品质；本研究结果对于HNB 烟草制品研发中的温度控制、原料选择、品质改善等具有一定的指导意义。