滤嘴通风对卷烟主流烟气主要氮杂环类碱性香味成分释放量的影响

朱先约，崔 迟，谢玉龙，李星亮，蔡君兰，李怀奇，花 蕾，谭 涛，王洪波，张晓兵，翟玉俊*，彭桂新*

1. 甘肃烟草工业有限责任公司技术中心，兰州市南滨河中路1111 号 730050

2. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

3. 河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州经济技术开发区第三大街8 号 450000

氮杂环类碱性香味成分（以下简称碱性香味成分）是卷烟主流烟气（Mainstream cigarette smoke，MCS）中重要的香气成分，主要包括吡啶、吡嗪、吲哚、喹啉类化合物，这些成分不仅能较好地修饰烟草本香、改善香气品质，而且能抑制杂气、改善余味，对烟气感官特性和烟气酸碱平衡调节起着重要作用[1-4]。烟草中含有少量碱性香味成分[5-6]，而烟气中碱性香味成分的释放量远远高于烟草，由此可见，烟气中碱性香味成分大多数是通过卷烟抽吸过程的燃烧裂解形成的。

关于滤嘴通风对卷烟烟气的影响已有较多研究报道，主要集中在滤嘴通风对烟丝燃烧状态[7-9]、烟气感官质量[10]、烟气有害成分释放量和香味成分转移率[11-17]等方面。连芬燕等[7]、颜水明[8]和崔晓梦等[9]研究认为增加滤嘴通风度使卷烟燃烧温度的高温区体积分布呈下降趋势，造成烟气常规成分释放也呈降低趋势。于川芳等[10]认为卷烟通风稀释后与烟气成分相关的香气量、浓度指标呈明显的下降趋势。滤嘴通风对烟气有害成分释放量影响研究更全面[11-13]。关于滤嘴通风对烟气香味成分转移影响的研究[14-15]也较多，蔡君兰等[14]认为滤嘴通风对烟气香味成分气粒相分布的影响较大，烟气香味成分的总释放量随着滤嘴通风度的增加而降低；Adam 等[15]采用单光子电离飞行时间质谱法（SPI-TOFMS）研究了不同滤嘴通风度卷烟在ISO 抽吸模式和深度抽吸（HCI）模式下烟气化学成分的释放量，认为：不通风卷烟在HCI 模式下燃烧更彻底，且不同通风度下烟气化学成分的释放量存在较大差异。这些研究表明：滤嘴通风不仅仅影响烟丝的燃烧，而且也稀释了卷烟烟气及改变了烟气化学成分传输，改变了烟气化学成分释放量比例，最终影响了卷烟烟气感官品质。由于烟气中碱性香味成分主要是通过燃烧裂解形成的，所以研究滤嘴通风卷烟烟气碱性香味成分的释放规律对卷烟设计十分必要。因此，考察了滤嘴通风对卷烟烟气中16 种主要碱性香味成分释放的影响，旨在为卷烟产品设计和平衡卷烟烟气提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

采用同一烟丝配方，分别制备了滤嘴通风度为0.2%、7.7%、11.7%、14.5%和22.2%（实测值）的卷烟样品，烟支物理参数见表1。

吡啶、吡嗪、2-甲基吡啶、甲基吡嗪、2-乙基吡啶、3-甲基吡啶、4-甲基吡啶、2,5-二甲基吡啶、2,6-二甲基吡嗪、2,4-二甲基吡啶、3-乙烯基吡啶、喹啉、2-乙酰吡咯、异喹啉、2,3'-联吡啶、2-甲基吲哚和乙酸苯乙酯（内标）（色谱纯，＞99.5%，美国Acros 公司）；二氯甲烷（色谱纯，美国Sigma 公司）。

6890/5975 型气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent 公司）；SM450 直线型吸烟机（英国Cerulean公司）；KQ-700DB 超声波振荡器（昆山超声仪器公司）；CP2245 型电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius 公司）；有机相微孔滤膜（上海安谱实验科技股份有限公司）；R100 型旋转蒸发仪（瑞士hi公司）；XAD-2 吸附管（上海安谱科学仪器有限公司）。

表1 卷烟烟支物理参数Tab.1 Physical parameters of cigarette samples

1.2 方法

1.2.1 样品前处理

将实验卷烟样品在GB/T 16447—2004[16]规定的环境条件下平衡，按照（平均质量±200）mg、（平均吸阻±50）Pa 的标准分选样品，按照GB/T 16450—2004[17]规定的标准条件用直线型吸烟机抽吸5 支卷烟；用直径44 mm 的剑桥滤片捕集卷烟主流烟气粒相物，用一个串联吸附管捕集气相物。

粒相部分：将收集有5 支卷烟主流烟气TPM的剑桥滤片置于三角瓶中，加入20.0 mL 二氯甲烷（内含50乙酸苯乙酯内标），摇匀，水浴温度45 ℃、常压浓缩至2 mL，用微孔滤膜过滤，滤液转入色谱瓶中，进行GC-MS 分析。

气相部分：将吸附管中的吸附剂转移至10 mL棕色瓶中，加入5.0 mL 二氯甲烷（内含50 g/mL 乙酸苯乙酯内标），室温下超声萃取30 min，取2 mL萃取液，用微孔滤膜过滤，滤液进行GC-MS 分析。

1.2.2 样品分析

采用GC-MS 选择离子监测（SIM）定量分析其中16 种主要碱性香味成分的质量分数，GC-MS 分析条件为：

色谱柱：DB-WAXETR 石英毛细管柱（60 m ×0.25 mm i.d.×0.25d.f.）；进样口温度：270 ℃；程序升温：50 ℃（3 min）；进样量：载气：氦气（99.999%）；离子源温度：230 ℃；传输线温度：280 ℃；电离能量：70 eV；四极杆温度：150 ℃；载气流速：1.0 mL/min；电离方式：EI；分流比：10∶1；扫描方式：Scan（29～450 amu）和SIM 同时扫描。

2 结果与讨论

16 种烟气碱性香味成分的标准色谱图见图1。

2.1 方法评价

图1 16 种碱性香味成分的标准色谱图Fig.1 Standard chromatogram of 16 basic aroma components

采用实际卷烟样品考察了实验方法的重复性和加标回收率（表2）。可知，烟气中16 种碱性香味成分工作曲线的线性良好，定量限在0.003μg/支～0.017支之间，气相物和粒相物中16 种碱性香味成分的重复性（n=5）分别在3.50%～13.60%和3.15%～16.50%之间，不同添加水平下气相物和粒相物中16 种碱性香味成分的加标回收率分别在76.2%～107.0%和70.1%～107.0%之间，表明方法较为适合于卷烟烟气中16 种碱性香味成分释放量的测定。

2.2 16 种卷烟烟气碱性香味成分释放量分析

2.2.1 16 种卷烟烟气碱性香味成分释放量

采用GC-MS 法测定了实验卷烟烟气中16 种碱性香味成分的释放量（表3）。可知，在0.2%滤嘴通风度的卷烟烟气中2,3'-联吡啶、2-甲基吲哚、吡啶、3-乙烯基吡啶、3-甲基吡啶和甲基吡嗪的释放量相对较高，而异喹啉、2,5-二甲基吡啶、吡嗪、2,4-二甲基吡啶的释放量相对较低。

2.2.2 16 种碱性香味成分释放量占烟气碱性香味成分释放总量的比例

比较了不同滤嘴通风度卷烟烟气碱性香味成分分布情况（表4）。可知，烟气中16 种碱性香味成分主要为吡啶类、吡嗪类、喹啉类、吲哚类、吡咯类化合物，其释放量分别占烟气碱性香味成分释放总量的71.0%、6.1%、3.7%、17.1%和2.1%，其中吡啶类和吲哚类约占烟气碱性香味成分释放总量的90%；随滤嘴通风度增加，不同碱性香味成分占烟气碱性香味成分释放总量的比例有所不同，如3-乙烯基吡啶、4-甲基吡啶等的比例变化比较显著。此外，烟气中释放量最大的烟碱也是吡啶类碱性香味成分，因此烟气中吡啶类化合物主要作用是增加烟气香气品质，协调烟气酸碱平衡。吲哚类化合物是烟气中重要的一类香味成分，对烟气有重要的增香作用。除吡啶类和吲哚类外，其他碱性香味成分的释放量相对较小，主要作用为协调卷烟烟气的感官品质。

表2 烟气氮杂环类碱性香味成分定性定量离子及方法评价结果Tab.2 Qualitative and quantitative analysis of nitrogen-containing heterocyclic basic aroma components in mainstream cigarette smoke and evaluation results of the method

2.3 滤嘴通风对16 种烟气碱性香味成分释放总量的影响

随滤嘴通风度增加，卷烟烟气中16 种碱性香味成分释放总量呈线性降低趋势（图2），其决定系数（R2）为0.987 7。卷烟滤嘴通风度增加5%，烟气中16 种碱性香味成分释放总量降低约1.7支。这主要是因为随滤嘴通风度增加，进入卷烟主流烟气的稀释空气量增加，烟气总粒相物也随之降低。

2.4 滤嘴通风对烟气碱性香味成分释放量的影响

考察了滤嘴通风与烟气中16 种碱性香味成分释放量的关系，结果（表5）表明：随着滤嘴通风度增加，烟气中碱性香味成分释放量逐渐降低（线性相关斜率为负值）。比较了降低单位滤嘴通风度下卷烟烟气碱性香味成分释放量占不通风卷烟烟气碱性香味成分释放总量的比例，结果（表5）表明：滤嘴通风度增加1.0%，碱性香味成分释放量降低率范围在0.41%～1.49%之间，表明改变滤嘴通风度对烟气中各碱性香味成分释放量的影响有差异，其中对吡啶、吡嗪、2-甲基吡啶、甲基吡嗪、2,5-二甲基吡啶、2,4-二甲基吡啶、3-乙烯基吡啶、`喹啉、2-乙酰吡咯、异喹啉等释放量的影响较大，对2-乙基吡啶、3-甲基吡啶、4-甲基吡啶、2,6-二甲基吡嗪、2,3'-联吡啶和2-甲基吲哚释放量的影响相对较小。总之，16 种碱性香味成分释放量随卷烟滤嘴通风度的降低而降低，但各碱性香味成分受滤嘴通风度的影响程度存在差异。

表3 实验卷烟主流烟气氮杂环类碱性香味成分释放量测定结果Tab.3 Releases of nitrogen-containing heterocyclic basic aroma components in mainstream cigarette smoke (μg·支-1)

表4 滤嘴通风度为0.2%时16 种碱性香味成分释放量占烟气碱性香味成分释放总量的比例Tab.4 Proportions of 16 basic aroma components in total release of basic aroma components at filter ventilation rate of 0.2% （%）

图2 滤嘴通风度对烟气16 种碱性香味成分总释放量的影响Fig.2 Effects of filter ventilation rate on total release of 16 basic aroma components in mainstream cigarette smoke

2.5 滤嘴通风对烟气碱性香味成分释放量占碱性香味成分释放总量比例的影响

考察了滤嘴通风对16 种碱性香味成分释放量占烟气碱性香味成分释放总量比例的影响。结果（图3）表明：随滤嘴通风度增加，2,3'-联吡啶、3-甲基吡啶、4-甲基吡啶、2-乙基吡啶和2,6-二甲基吡嗪等成分占烟气碱性香味成分释放总量的比例呈逐渐增加趋势，吡啶、3-乙烯基吡啶、2-甲基吡啶、喹啉和异喹啉等占烟气碱性香味成分释放总量的比例呈降低趋势，吡嗪和2,5-二甲基吡啶等成分占烟气碱性香味成分释放总量的比例呈先增加后降低的趋势，2-乙酰基吡咯、2-甲基吲哚和2,4-二甲基吡啶的变化无规律。表明随着卷烟滤嘴通风度增加，烟气中16 种碱性香味成分释放量对碱性香味成分释放总量的贡献差异较大。

表5 滤嘴通风度与烟气16 种碱性香味成分释放量的相关关系Tab.5 Correlation between filter ventilation rate and releases of 16 basic aroma components in mainstream cigarette smoke

图3 滤嘴通风度对烟气中16 种碱性香味成分释放量占碱性香味成分释放总量比例的影响Fig.3 Effects of filter ventilation rate on proportions of releases of 16 basic aroma components in total release of basic aroma components in mainstream cigarette smoke

3 结论

（1）建立了一种剑桥滤片+吸附管捕集卷烟烟气碱性香味成分的GC-MS分析方法，方法评价结果表明本方法适合于烟气碱性香味成分释放量的测定。

（2）卷烟主流烟气中碱性香味成分主要为吡啶类和吲哚类化合物，两者约占碱性香味成分释放总量的90%。

（3）随卷烟滤嘴通风度增加，卷烟主流烟气中16 种碱性香味成分释放量及其总释放量呈逐渐降低趋势，且各碱性香味成分的降低幅度存在较大差异。

（4）随卷烟滤嘴通风度增加，烟气中16 种碱性香味成分释放量对碱性香味成分释放总量的贡献存在较大差异，有些碱性香味成分占释放总量的比例增加，有些占释放总量的比例降低，还有些基本保持不变。