卷烟主流烟气仿生吸收装置的研制及在卷烟感官舒适性研究中的应用

刘 欣，李雪梅，倪朝敏，伊奥尔，王燕梅，梁梦洁，杨叶昆，张 涛，米其利，杨光宇，李 晶

云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市五华区科医路41号 650106

消费者在抽吸卷烟时，十分关注卷烟烟气所带来的感官感受。因此，卷烟烟气的抽吸感受，是评价卷烟产品的基本因素，也是消费者认可和接受卷烟产品的基础。卷烟在抽吸时，由于燃烧温度较高，烟丝、香料、辅材等会发生一系列复杂的变化。因而卷烟烟气是非常复杂的体系，包含有多种不同类型的化合物，目前已经鉴定出来的成分超过5 000种［1］，这些成分直接影响着卷烟的感官质量。当烟气暴露于人体上呼吸道中，与口腔及咽喉部黏膜短暂作用后，部分特征化学成分与唾液发生接触、扩散、溶解、渗透等［2-5］，最终残留在上呼吸道内，引起人体的感官感受。因此，主流烟气中的化学成分对人体感官生理反应的影响一直是烟草行业研究的热点与重点［6-9］。

目前，对于卷烟感官评价的研究，主要有人工评吸［10］、剑桥滤片捕集烟气总粒相物进行评价［11-12］、溶剂吸收捕集烟气进行评价［13-14］等方式。其中，人工评吸是最常用的评价方式，主要依靠有经验的评吸者对卷烟产品进行评价，这种传统的评价方式具有较大的主观能动性，对于人的经验性依赖较大，也易受到评吸者生理、心理等方面的影响，且在超出评吸者的耐受范围时缺乏一定客观性；剑桥滤片捕集烟气总粒相物与溶剂吸收捕集烟气的评价方式尽管为卷烟感官评价提供了不同的针对性方法，但是却难以反映人体抽吸卷烟时的真实状况，存在与人实际抽吸状况差别较大的问题,而这些问题均制约了烟气成分与感官生理感受的相关性研究。

因此，针对现有方法的不足，设计了一种新型的模拟主流烟气暴露于口腔及上呼吸道的仿生吸收装置，该装置通过仿生模拟人体的口腔、咽喉以及相应的黏膜，经优化操作过程后，与人实际抽吸卷烟的状况进行了对比验证，并研究了烟气仿生吸收液与剑桥滤片两种捕集方式对主流烟气中酚类及烟碱的捕集状况及与抽吸舒适性的相关性，旨在为卷烟烟气口感品质调控提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1材料、试剂和仪器

实验用卷烟分别为编号 A#～E#（“玉溪 ”、“云烟”、“红塔山”等）及1#～8#（“玉溪”、“七匹狼”、“雄狮”、“兰州”、“红旗渠”、“泰山”等）的市售卷烟。

NaCl、KCl、NaOH、CaCl2·2H2O、NaH2PO4·2H2O、Na2S·9H2O、KH2PO4、尿素（AR，西陇化工股份有限公司）；冰乙酸、磷酸、三乙胺（优级纯），甲醇、乙腈（色谱纯）（德国Merck公司）；实验用水均为超纯水；邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚、苯酚、邻甲酚、间甲酚、对甲酚（标准品，＞98%，美国Sigma-Aldrich公司）；烟碱（标准品，购自中国烟草总公司郑州烟草研究院）。

人工唾液：人工唾液按照 ISO/TR 10271［15］的标准配制，具体配方：0.4 g/L NaCl，0.4 g/L KCl，0.795 g/L CaCl2·2H2O，0.005 g/L Na2S·9H2O，0.78 g/L NaH2PO4·2H2O，1 g/L尿素，用超纯水配制，用一定浓度的NaOH溶液将pH调至6.8±0.5。

Waters AQUITY液相色谱仪，配置紫外检测器和荧光检测器（美国Waters公司）；色谱柱：Zorbax SB-C18柱（4.6 mm×150 mm,5 μm）（美国Agilent公司）；AE200电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；SK5200型超声波振荡器（上海科导超声仪器有限公司）；SM450直线型吸烟机（英国Cerulean公司）；0.45 μm水相针式微孔过滤头（上海安谱实验科技股份有限公司）；Milli-Q超纯水纯化系统、3K离心超滤管（美国Millipore公司）。

主流烟气仿生吸收装置。烟气吸收瓶，由模拟人体口腔的圆筒状玻璃与模拟咽喉的管状玻璃组成，设有进排烟口、吸烟机连接口等；模拟人工口腔仿生黏膜（长12.5 cm，宽8 cm，平均厚度180 μm）与咽喉仿生黏膜（长10 cm，宽3 cm，平均厚度180 μm），为实验室自制；硅胶软管（内径6 mm，外径10 mm）；手动气管开关阀、Y形三通气管接头、十字形四通气管接头、五通气管接头（插管大小为6 mm，无锡杰安德气动器材商行）；GAST DOA-P504-BN无油隔膜式真空泵（美国Idex公司）。

1.2方法

1.2.1 主流烟气仿生吸收装置的设计原理

本研究中基于吸烟者吸烟的过程，建立了用于模拟主流烟气暴露于口腔及上呼吸道的仿生吸收装置。设计的细节如表1所示。该装置主要包括：卷烟夹持器，其通过阀门与烟气进气管连通；烟气吸收瓶，整体为密封的圆筒状，用于模拟人口腔，其一端筒底密封连通所述烟气进气管；管体,用于模拟人咽喉部，其一端与烟气吸收瓶的另一端筒底密封连通，另一端密封连通吸烟机连接管，用于模拟人通过肺部进行抽吸卷烟，烟气从口腔通过咽喉最后进入肺部的过程；人工口腔仿生黏膜通过浸润人工唾液后黏附在烟气吸收瓶内壁，人工喉部仿生黏膜通过浸润人工唾液后粘附在管体内壁，分别用于模拟吸烟时人体口腔及咽喉部黏膜与主流烟气相互作用的过程，装置设计如图1和图2所示。

表1 仿生吸收装置模拟人实际抽烟情况的设计方案Tab.1 Design scheme for simulating human smoking by a bionic absorption device

图1 仿生吸收装置抽烟过程示意图Fig.1 A schematic illustration of smoking process by a bionic absorption device

图2 仿生吸收装置吐烟过程示意图Fig.2 A schematic illustration of smoke exhaling process by a bionic absorption device

1.2.2 装置的实际操作过程

模拟主流烟气暴露的仿生吸收装置的具体操作步骤为：①将卷烟烟支放入卷烟夹持器中，点燃烟支，吸烟机抽吸卷烟产生烟气，进烟管阀门处于打开状态，排烟管阀门与大气连接管阀门处于关闭状态，烟气进气管与吸烟机连接管畅通，烟气通过进气管流经瓶体进入到管体中，此步设计用于仿生模拟人体吸烟、烟气进入口腔及上呼吸道的过程；②烟气在管体中发生扩散，与浸润了人工唾液的模拟人工口腔及喉部黏膜接触，由其进行烟气的溶解、渗透等过程，此步设计用于仿生模拟烟气与人体口腔及上呼吸道发生相互作用，进行了连续的接触、扩散、溶解及渗透等过程，整个过程持续10 s，烟气仿生吸收液的体积为10 mL；③待烟气在瓶体及玻璃管中短暂停留后，在卷烟抽吸间隔期内，关闭进烟管阀门，打开排烟管阀门，利用真空泵对瓶体及管体中的烟气抽排，烟气通过排气管被排出，此步设计用于仿生模拟吸烟者吐烟的过程；④关闭真空泵，打开大气连接管阀门，使瓶体与大气连通，最后关闭排烟管阀门与大气连接管阀门，打开进烟管阀门，再一次进行烟支抽吸。如此反复操作，直到卷烟抽吸过程结束。

操作过程中，模拟吸烟者抽吸卷烟的装置为吸烟机，吸烟机抽吸条件优选的方案为抽吸频率1口/min，抽吸持续时间2 s，间隔58 s，抽吸容量（35.0±0.2）mL/口，抽吸10支卷烟。

1.2.3 溶液的配制

利用色谱级甲醇分别配制邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚、苯酚、邻甲酚、间甲酚、对甲酚等浓度为1 000 mg/L的标准储备溶液，置于4℃冰箱内保存；各级标准溶液通过标准储备液混合配制，并用超纯水稀释至合适的浓度，现配现用。

1.2.4 样品前处理及分析

（1）烟气仿生吸收液：按照设置的模拟抽吸方式，抽吸数支卷烟后，将模拟人工口腔仿生黏膜与咽喉仿生黏膜取出，用配制的人工唾液多次润洗烟气吸收瓶及连接管道，最后将仿生黏膜与润洗液合并，通过超声波振荡器对合并液进行超声萃取30 min，收集萃取液并用人工唾液定容至20 mL，过0.45 μm水相滤膜。

（2）剑桥滤片：按照GB/T 16447—2004［17］的规定平衡烟支 48 h，按照 GB/T 19609—2004［16］的规定收集5支卷烟主流烟气的总粒相物，抽吸结束后空吸3口，清空管道残余烟气。将剑桥滤片转移至干净的锥形瓶中，加入20 mL人工唾液，超声萃取30 min，取萃取液过0.45µm水相滤膜，收集滤液。

（3）吸烟者唾液：随机邀请4位具有抽烟习惯的吸烟者作为志愿者，并要求志愿者在抽吸卷烟前10 min用饮用水漱口，以避免口腔中食物残渣及其他杂质的影响［18］。开始吸烟前，给每位志愿者发放1支唾液采集管，点燃卷烟后开始计时，要求志愿者按照个人习惯抽吸卷烟，且抽吸过程中不中途喝水，不吞咽唾液，需将唾液全部收集至超滤离心管中［19］，直至10 min（若10 min内已抽吸完卷烟，也需继续进行唾液收集，直至10 min）；志愿者抽吸卷烟结束后，收集超滤离心管，记录唾液体积，在3 000 r/min转速下离心30 min后，过0.45 μm水相滤膜，将滤液转移至色谱瓶中。

酚类化合物的色谱分离条件：

参照 YC/T 255—2008［20］的方法，采用 FLR 荧光检测器（激发波长：284 nm，发射波长：332 nm）；色谱柱：Zorbax SB-C18柱（4.6 mm×150 mm，5 μm）；流动相：A 0.1%乙酸水溶液，B乙腈，梯度淋洗程序见表2；流速：0.8 mL/min；柱温：30 ℃；进样量：10 μL。在选定的实验条件下，标准品和实际样品的色谱图如图3所示。1

表2 液相色谱分析洗脱梯度程序Tab.2 Procedures of gradient elution by liquid chromatogram

图3 酚类化合物标准品（a）和实际样品（b）的色谱图Fig.3 Chromatogram of phenols in standard(a)and real samples(b)

烟碱的色谱分离条件：

参照文献［21］的方法，采用PDA紫外检测器；色谱柱：Zorbax SB-C18柱（4.6 mm×150 mm，5 μm）；流动相：A 20 mmol/L KH2PO4溶液，含0.1%三乙胺（磷酸调节pH至3.0），B乙腈，流动相比例：95%A：5%B；流速：0.5 mL/min；柱温：30 ℃；进样量：10 μL；检测波长：260 nm。在选定的实验条件下，标准品和实际样品的色谱图如图4所示。

图4 烟碱的标准品色谱图（a）和实际样品色谱图（b）Fig.4 Chromatogram of nicotine in standard(a)and real samples(b)

1.2.5 卷烟抽吸感官舒适性评价

参照 YC/T 497—2014［10］的方法，以影响抽吸舒适性的感官感受作为主要评价指标，包括口腔刺激、鼻腔刺激、喉部刺激、干净度、湿润度和回味（每项指标的评判分值均为0～9分，分值越高表示舒适性越好），组织10位具有省级及以上卷烟感官评吸资质的专家，对8种卷烟样品进行抽吸舒适性评价。

2 结果与讨论

2.1 仿生吸收装置的优化结果

本研究中构建的仿生吸收装置是基于模拟人抽吸卷烟的过程，因此在装置的参数设置上需要尽可能地贴近实际情况，以实现对主流烟气中影响抽吸舒适性的关键化学成分的仿生吸收。因此考察并优化了烟气在仿生吸收装置内的停驻时间、人工唾液的体积等影响因素。

2.1.1 烟气停驻时间

主流烟气在进入仿生吸收装置后，会快速地扩散，并与装置内粘附的人工口腔黏膜与咽喉黏膜发生作用，这是一个动态过程，烟气的停驻时间直接影响烟气中各化学成分向仿生吸收液中转移的量。因此，考察了停驻时间为2、10、20 s 3种情况下主流烟气中的酚类物质在烟气仿生吸收液中的残留量，结果如图5所示。

由图5可知：随着烟气在仿生吸收装置内停驻时间的延长，烟气仿生吸收液中的苯酚、对/间甲酚、邻甲酚的量也随之增加，当停驻时间超过10 s后，各酚类物质的量达到饱和。因此，优选10 s作为烟气在装置内的停驻时间。

图5 烟气停驻时间的优化实验结果Fig.5 Results of optimization experiment of smoke retention time

2.1.2 人工唾液体积的优化

在消费者实际抽吸卷烟过程中，由于烟气的刺激，导致分泌的唾液量不断变化。但是由于本实验装置的局限性，烟气仿生吸收液的体积是固定不变的，为了考察其对主流烟气中各化学成分吸收的影响，分别考察了5、10、20 mL人工唾液的吸收效果（图6）。可知：随着烟气仿生吸收液体积的增加，其中所含的各酚类物质的量也随之增加，当唾液体积增加到10 mL后，苯酚、对/间甲酚、邻甲酚的量分别呈现出不同程度的下降趋势。根据实验结果，采用10 mL人工唾液作为烟气仿生吸收液的用量。

图6 人工唾液体积的优化实验结果Fig.6 Results of optimization experiment of artificial saliva volume

2.2 仿生吸收装置的稳定性

为了考察构建的卷烟烟气仿生吸收装置的稳定性，本研究中选取了5种不同牌号的市售卷烟样品，以仿生吸收装置中烟气吸收液内的6种酚类化合物及烟碱为检测目标物，进行了5天的日间重复测定，结果如表3所示。可以看出，烟气仿生吸收液中各目标成分的相对标准偏差均在2.8%～8.9%之间，表明该装置的稳定性较好。

表3 仿生吸收装置的稳定性结果（RSD）Tab.3 Stability of bionic absorption device （%）

2.3 仿生吸收装置与人实际抽吸卷烟状况的对比验证

建立卷烟烟气仿生吸收装置的核心目的就是能够模拟主流烟气在人口腔及上呼吸道中的接触、扩散、溶解、渗透等过程，而根据文献报道，只有最终溶解于口腔唾液中的物质才是引发抽吸感官感受的关键组分［22］。因此，如若仿生吸收装置中烟气吸收液内捕集的相关物质的量与吸烟者实际抽吸过程中相关物质在口腔唾液中的保留量相匹配，才能说明该仿生吸收装置在一定程度上可以模拟人实际抽吸卷烟的过程。因此，考察了仿生吸收装置与人实际抽吸卷烟状况的匹配度。

根据文献报道，主流烟气中的酚类化合物对呼吸黏膜有强烈的刺激作用［23-24］，烟碱［9,25］也是文献中报道较多的影响卷烟抽吸舒适性的成分之一，且其释放量相对较高，因此将上述两类成分作为验证实验的检测目标物。对比了志愿者抽吸卷烟时唾液中、仿生吸收装置内烟气吸收液中及剑桥滤片捕集的烟气粒相物中的烟碱及酚类化合物的量，志愿者的相关情况见表4，结果见表5。

表4 志愿者的相关情况Tab.4 Information on human volunteers

从表5可以看出，志愿者口腔唾液中烟碱的残留量与烟气仿生吸收液中基本吻合。采用单样本t检验后发现，在95%的置信概率下，两种方式的测定结果没有显著性差异，说明该仿生吸收装置在一定程度上可以模拟人实际抽吸卷烟的过程。同时，对比志愿者口腔唾液与烟气仿生吸收液中烟碱及酚类化合物的量，由于各人抽吸习惯不同，其唾液中烟碱及酚类化合物的残留量各有高低，但是经单样本t检验后发现，除间苯二酚外，两种方式对烟碱及其他5种酚类化合物的测定结果均无显著性差异（P＞0.05）。综上所述，该烟气仿生吸收装置在一定程度上可以模拟人实际抽吸卷烟的过程，具有较高的匹配度和准确性。

表5 志愿者唾液、烟气吸收液及剑桥滤片中酚类化合物和烟碱质量分数对比Tab.5 Contents of phenols and nicotine in saliva of volunteers,smoke absorption liquid and Cambridge filter（µg·支-1）

2.4 仿生吸收装置与剑桥滤片的对比

还分别考察了仿生吸收装置与剑桥滤片两种方式对主流烟气中6种酚类化合物的捕集情况。选取了8种代表性卷烟样品，分别通过剑桥滤片捕集和仿生吸收装置吸收对烟气中酚类化合物的释放量进行定量分析，并将两种捕集方式的实验结果分别与卷烟的感官评分进行皮尔森相关性分析。如表6所示，当主流烟气进入到仿生吸收装置后，经过与模拟人工口腔黏膜及喉部黏膜进行相互作用后，烟气仿生吸收液中最终残留的酚类化合物仅为未进入口腔前的主流烟气中对应成分释放量的0.03%～23.75%，烟碱残留量为未进入口腔的总量的3.03%～6.64%。由此说明：主流烟气中的化学成分并非全部驻留在装置内，只有部分（酚类：约0.03%～23.75%）残留在装置内，而这部分截留于烟气仿生吸收液内的化学成分才是实际引发口腔体验、影响卷烟烟气抽吸舒适感的关键化学基础［22］。这也在一定程度上说明剑桥滤片捕集方式与人实际抽吸状况具有一定的差别。

表6 烟气仿生吸收液及剑桥滤片中6种酚类化合物的量Tab.6 Contents of 6 phenols in smoke absorption liquid and Cambridge filter （µg·支-1）

对8种不同牌号代表性卷烟样品的感官评价结果及酚类化合物的检测结果分别见表7和表6，并将两种捕集方式的实验结果分别与卷烟的感官评分进行皮尔森相关性分析，结果见表8和表9。可知：烟气仿生吸收液中各酚类化合物的量与刺激性之间基本呈负相关性，其中，对/间甲酚与鼻腔刺激、干净度及感官评价总分显著负相关，邻甲酚与鼻腔刺激、喉部刺激、干净度及感官评价总分显著负相关，这些结果均与文献［8-9］的报道一致。而通过剑桥滤片捕集的烟气粒相物中各酚类化合物的量与感官指标之间不仅有负相关性结果，同时还存在正相关性结果与趋势。其中，对苯二酚和间苯二酚均与口腔刺激、干净度显著正相关，与文献［8-9］的报道不符。

表7 8种市售卷烟样品的感官评分Tab.7 Sensory scores of 8 cigarette samples （分）

表8 烟气吸收液中酚类化合物的量与感官评分的相关性分析结果Tab.8 Correlation between sensory scores and phenols contents in smoke absorption liquid

表9 剑桥滤片中酚类化合物的量与感官评分的相关性分析结果Tab.9 Correlation between sensory scores and phenols contents in Cambridge filter

3 结论

①基于吸烟者实际抽吸卷烟的过程，研究建立了一种新型的模拟主流烟气暴露于口腔及上呼吸道的仿生吸收装置。该装置经优化后，与人实际抽吸卷烟的状况进行了对比验证，t检验结果显示：通过该装置测定的主流烟气烟碱及5种酚类化合物的释放量与志愿者口腔唾液中的残留量无显著性差异（P＞0.05），证明该装置在一定程度上可以模拟人实际抽吸卷烟的过程。②相较于剑桥滤片捕集烟气总粒相物的方式，该仿生吸收装置反映的是主流烟气被吸入后与口腔及上呼吸道发生作用的过程。该装置捕集主流烟气的情况与剑桥滤片存在一定差异，其与主流烟气作用后的分析结果和人体感官生理反应的相关性更高，该方式也是对原有的剑桥滤片捕集分析主流烟气研究的有效延伸与扩展，可为改善卷烟抽吸舒适性、提升卷烟产品品质的相关研究提供技术支持。