卷烟主流烟气酸香特征成分组群的分布特征及感官贡献

范 武，张启东，刘俊辉，史清照，毛 健，席 辉，姬凌波，夏 倩，蔡兴华，宗永立，徐 建*，柴国璧*

1.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

2.浙江中烟工业有限责任公司技术中心，杭州市西湖区科海路118号 310024

有机酸是烟草及烟气中的重要化学成分，其种类和质量分数或烟气释放量对卷烟感官品质有重要影响［1-2］。在烟草及烟气有机酸成分研究和感官质量评价基础上，有机酸与卷烟感官品质之间的相关性也有了大量研究［3-9］。这类研究中所考虑的有机酸大多按照挥发性强弱进行分类，感官评吸指标主要涉及卷烟的品质指标如舒适感特性与烟气特性，较少关注卷烟的风格特征指标如味觉特征和香气特征。事实上，有机酸自身具有不同的香味特征，对卷烟烟气的风格特征也产生重要影响。卷烟烟气口味风格包括酸、甜、苦、凉等味觉特征［10］，有机酸如乙酸、乳酸、琥珀酸等均具有酸味，是卷烟烟气酸味的物质基础［11］。卷烟香气风格是烟气中烟熏香、焦甜香、果香、酸香等不同特征香气的综合效应，而每一种特征香气的形成均具有复杂的物质基础。一般认为卷烟烟气中产生酸香香韵的物质主要是有机酸［12］。然而并不是所有的有机酸均具有酸香，其香气特征往往随化学结构的不同而各有差异。目前，对赋予卷烟烟气酸香特征的有机酸构成及其在烟气中的分布特征、香气贡献尚不明确。鉴于此，本研究中系统筛选出既存在于卷烟烟气中同时也能够作为烟用香料使用的酸香特征成分组群，测定其在不同卷烟主流烟气粒相物中的分布，结合香气活性值（Odor activity value，OAV）确定对烟气酸香有重要贡献的有机酸成分，以期为卷烟调香提供基础支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

实验用卷烟样品为14个市售品牌成品卷烟，卷烟类型和盒标焦油量见表1。

表1 卷烟样品的类型和盒标焦油量Tab.1 Blend types and labeled tar levels of cigarette samples （mg·支-1）

乙酸（99%）、丙酸（99%）、丁酸（99.5%）、2-乙基丁酸（98%）、2-甲基丁酸（99.5%）、异戊酸（98%）、（E）-2-甲基-2-丁烯酸（99%）、3-甲基-2-丁烯酸（99%）、庚酸（98%）、己酸（98%）、2-甲基己酸（97%）、戊酸（99.5%）、2-甲基戊酸（99%）、3-甲基戊酸（97%）、4-甲基戊酸（97%）、2-甲基-2-戊烯酸（99%）、4-戊烯酸（97%）、异丁酸（98%）、2-氧代丙酸（97%）、3-苯基丙酸（98%）、3-甲氧基苯甲酸（98%）（美国Sigma Aldrich公司）；（E）-3-己烯酸（98%，内标）（美国Acros公司）；二氯甲烷（色谱纯，美国Cleman Chemical公司）；环己烷（色谱纯，美国Thermo Fisher公司）；N,O-双（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA，＞99%，美国Regis Technologies公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷烟主流烟气粒相物酸香成分定量分析

按 ISO 3308［13］和 GB/T 19609—2004［14］规定的方法抽吸烟支并收集制备主流烟气粒相物；有机酸质量分数测定参照文献［15］的报道，N,O-双（三甲基硅基）三氟乙酰胺衍生化后采用GC-MS法测定：取2片各收集有5支卷烟烟气粒相物的剑桥滤片置于50 mL具塞锥形瓶中，加入25 mL二氯甲烷以及内标，室温下超声萃取20 min，上清液用0.45 μm尼龙滤膜过滤。取约1.5 mL滤液于2 mL色谱瓶中，加入70 μL BSTFA，在60℃水浴中反应（衍生化）50 min，冷却至室温后进行GC-MS分析，每个样品测定2次，取平均值。GC-MS参数：

表2 21种待测化合物及内标的保留时间和选择离子Tab.2 Retention times，quantitative ions，and qualitative ions of 21 analytes

1.2.2 有机酸香气特征评价和酸香成分阈值测定

挑选12名长期从事卷烟调香、具有丰富感官分析经验的人员组成固定的感官评价小组。小组成员根据文献［16-17］报道收集有机酸香气特征的描述性术语，评价人员参考描述性术语结合自身经验和联想，使用嗅香纸对有机酸样品的嗅香特征进行感官描述。依据 GB/T 22366—2008［18］中针对最优估计阈值（Best estimate threshold，BET）法测定风味物质阈值的描述，采用三点选配法（Three-alternative forced-choice（3-AFC）method）测定酸香成分在乙醇中的嗅觉阈值。

2 结果与讨论

2.1 卷烟烟气酸香特征成分组群的确定

在烟气中存在：Rodgman等［19］的《The chemical components of tobacco and tobacco smoke》一书中列出了9 582种烟草和烟气成分，是迄今最权威、最完整的烟草和烟气化学成分信息的来源。一般认为卷烟酸香香韵主要由有机酸产生［12］，对照Rodgman等统计的烟草和烟气成分名单，初步筛查出存在于烟气中的部分有机酸作为卷烟烟气酸香特征来源。

具有香气贡献：为了能够与嗅觉受体相互作用产生香气，分子必须穿过黏膜层，要求其需要具备相当低的分子量［20］。绝大多数香气物质分子的质量数均低于300。Kraft［21］指出，目前发现分子量最大的香气分子是2-［1-（3，3-二甲基环己基）己氧基］-2-甲基环戊烷甲酸丙酯，其分子量为324.50。从进化角度看，人类通过鼻子在地面1.5～2.0 m的高度探测气味，人类嗅觉系统已经进化到能够检测出可以挥发到上述高度的物质，然而对于绝大多数不具备挥发性的物质，人类可能尚未进化出相应的嗅觉受体［22］，即使这些非挥发性物质可以通过其他途径进入鼻腔也不会产生香气。多元酸、氨基酸及羟基酸等由于分子间氢键作用较强等原因而挥发性很弱，一般不具有嗅觉特征。因此，对照烟气有机酸成分名单筛查出分子质量低于350的非多元羧酸和非氨基、非羟基类羧酸。

符合安全性要求：美国食品香料与萃取物制造者协会（Flavor and Extract Manufacturers Association，FEMA）不定期公布一般认为安全的（Generally Recognized As Safe，GRAS）食品香料名单，并给每一种香料相应的FEMA编号，其中有机酸类香料有128种［23-24］。结合有机酸成分在卷烟调香中的实际应用情况，筛选出具有FEMA编号的21种有机酸。

目前已有大量化合物的香味特征数据被报道，国内外最具代表性的是孙宝国等［16］在2004年撰 写的《食用香料手册》和 Burdock［17］在2010 年 撰 写 的《 Fenaroli’s handbook of flavor ingredients》两本书，其中介绍了数千种合成香料的感官特征，是香料感官特征描述的重要参考。结合文献记录，感官评价团队评价了候选有机酸样品的嗅香特征，最终确定了包括21种酸香特征化合物的卷烟烟气酸香特征成分组群，结果见表3。

表3 卷烟烟气酸香特征成分组群Tab.3 Component groups with acidic aroma characteristic in cigarette smoke

2.2 主流烟气酸香特征成分组群的分布

表4和表5分别为14个市售品牌成品卷烟主流烟气中酸香特征成分组群的单支卷烟释放量和在粒相物中质量分数。结果表明，相同类型卷烟主流烟气中酸香成分单支释放量的分布呈现一定的相似性。在烤烟型卷烟主流烟气中，单支释放量最高的酸香成分均为乙酸、丙酸和2-氧代丙酸等；在混合型卷烟主流烟气中，单支释放量最高的酸香成分则为乙酸、丙酸和3-甲基戊酸等；3种类型卷烟主流烟气中，单支释放量最低的成分均为2-乙基丁酸、2-甲基己酸、2-甲基戊酸和2-甲基-2-戊烯酸等。

表4 14个卷烟样品的主流烟气中酸香特征成分的释放量Tab.4 Releases of components with acidic aroma characteristic in mainstream smoke of 14 cigarette samples（μg·支-1）

表5（续）

对比不同类型卷烟主流烟气中酸香成分的释放量可以看出，常规焦油烤烟主流烟气中，各酸香成分的单支释放量普遍高于低焦油烤烟。混合型卷烟主流烟气中，酸香成分单支释放总量比常规焦油烤烟高得多，尤其是3-甲基戊酸，其单支释放量是常规烤烟的15～27倍，这些差异主要是由卷烟叶组配方和加香加料造成的。Heckman等［25］对比了香料烟燃烧前后烟叶及烟气中的部分有机酸质量分数或烟气释放量，发现3-甲基戊酸、异戊酸、2-甲基丁酸、丁酸、丙酸等的烟气释放量是烟叶中质量分数的3～5倍，表明其烟气中酸香成分主要产生于燃烧过程。例如，文献［26］报道，香料烟、白肋烟烟叶中蔗糖四酯的质量分数远高于烤烟，蔗糖四酯热解可释放出大量C5、C6等低级有机酸。

对比常规焦油和低焦油烤烟主流气粒相物中酸香成分的质量分数则可以看出，7#和8#低焦油卷烟主流烟气粒相物中，各酸香成分质量分数并未随其单支释放量及焦油量的下降而出现明显减少，部分酸香成分及总酸香成分的质量分数还略高于一些常规焦油烤烟；9#～12#低焦油卷烟主流烟气粒相物中，酸香成分总质量分数随其单支释放量和焦油量下降而明显减少，但减少的幅度比单支释放量及焦油量下降的幅度小。

2.3 酸香特征成分组群对卷烟烟气酸香的贡献度

食品风味分析中常用香气或味觉活性值（Odor/Taste activity value，OAV/TAV）判定化合物对食品香味的贡献大小［27］。OAV（TAV）是指风味体系内香气（味觉）物质的浓度与其嗅觉（味觉）阈值的比值。因此可以粗略地认为，OAV（TAV）大于1的成分对体系具有香味贡献，其值越高，贡献度越大；而OAV（TAV）小于1的成分对体系香味的贡献则可以忽略［28］。就卷烟烟气而言，利用OAV可以评估不同香气物质对卷烟香气特征的贡献程度，筛选出对卷烟香气特征起关键作用的物质［29］。基于此，测定了21种酸香成分在乙醇中的嗅觉阈值，结合各成分在14种卷烟主流烟气粒相物中的质量分数，计算了相应的OAV，结果见表6。根据OAV的高低判定21种酸香成分对卷烟烟气酸香的贡献度大小。

综合来看，14个卷烟样品烟气中大部分酸香成分的OAV均大于1，对卷烟烟气酸香具有贡献。其中，OAV超过100的均是异戊酸、乙酸、丁酸、戊酸、3-甲基戊酸和4-甲基戊酸，是烟气中的关键酸香成分；OAV为1～50的均是3-苯基丙酸、丙酸、己酸、4-戊烯酸、2-甲基丁酸、2-氧代丙酸、异丁酸、庚酸和（E）-2-甲基-2-丁烯酸等，其对烟气酸香具有比较显著的贡献；OAV小于1的均是2-乙基丁酸、2-甲基戊酸、2-甲基己酸、2-甲基-2-戊烯酸和3-甲氧基苯甲酸等，其对烟气酸香的贡献几乎可以忽略。实验结果中，丙酸和2-氧代丙酸的质量分数较高且其嗅觉阈值也较高，而其OAV不高，对酸香的贡献并不是最突出；相反，异戊酸的质量分数较低且其嗅觉阈值也较低，而其OAV较高，对酸香的贡献非常明显。

对比不同类型的卷烟发现，对烤烟型卷烟烟气酸香贡献最大的化合物是异戊酸和乙酸，二者OAV加和占21种酸香成分OAV加和的75%；对混合型卷烟烟气酸香贡献最大的则是异戊酸、3-甲基戊酸和乙酸，3种酸香成分OAV加和占21种酸香成分OAV加和的90%。混合型卷烟烟气中OAV明显高于烤烟型卷烟的酸香成分为3-甲基戊酸和异戊酸等，尤其是3-甲基戊酸，其在混合型卷烟烟气中的OAV是烤烟型卷烟的16～24倍。香料烟是混合型卷烟产品中调香和增香的重要原料，据Kalianos［30］报道，3-甲基戊酸和异戊酸在香料烟中的质量分数比烤烟高得多，其赋予了香料烟的特征香气。有专利［31］报道加入3-甲基戊酸和异戊酸混合物的烤烟可以代替香料烟在混合型卷烟中使用。在相同焦油量的情况下，混合型卷烟烟气中各酸香成分的OAV加和是烤烟型卷烟的2～3倍，表明混合型卷烟比烤烟型卷烟的酸香特征更加明显，这可能是导致混合型卷烟烟气呈晾晒烟香，而烤烟型卷烟烟气呈烤烟烟香的重要原因之一。

表6 酸香特征成分的嗅觉阈值及其在14个卷烟样品主流烟中的香气活性值Tab.6 Olfactory thresholds of components with acidic aroma characteristic and their OAVs in mainstream smoke of 14 cigarette samples

2.4 重要酸香成分的嗅觉与味觉贡献比较

乙酸、丁酸、异戊酸和戊酸等除了具有酸香特征外，也具有一定的酸味特征，文献［11］报道，上述4种有机酸是烤烟主流烟气中的关键酸味物质。然而这些成分在烟气粒相物中究竟以何种感官贡献为主，目前尚鲜见对比研究。本研究中，由同一感官评价小组测定了乙酸、丁酸、异戊酸和戊酸在水中的味觉阈值，分别为60.11、5.20、1.21和0.78 μg/g。计算14个卷烟样品主流烟气中4种有机酸的TAV值，经对比发现，这些成分的OAV均比其TAV高2～13倍（图1）。这在一定程度上表明，乙酸、丁酸、异戊酸和戊酸对卷烟烟气的感官贡献以酸香为主。

图1 4种酸香特征成分的香气活性值与味觉活性值之比Fig.1 Ratios of OAVs to TAVs of four components with acidic aroma characteristics

3 结论

①依据2013年Rodgman统计的烟草烟气化学成分名单，经多步筛查及嗅香特征评价获得了卷烟烟气中酸香特征成分组群，共包含21种酸香特征化合物。②烤烟型卷烟主流烟气中，释放量较大的酸香成分均为乙酸、丙酸和2-氧代丙酸，混合型卷烟均是乙酸、丙酸和3-甲基戊酸。③从酸香成分的单支卷烟释放量来看，常规焦油混合型卷烟最高，常规焦油烤烟型卷烟次之，低焦油烤烟型卷烟最低。④通过OAV反映出所考察酸香成分大多均对卷烟烟气酸香有贡献，异戊酸、乙酸、丁酸、戊酸、3-甲基戊酸和4-甲基戊酸等6种有机酸是卷烟烟气中的关键酸香成分，其中异戊酸和乙酸对烤烟型卷烟酸香香韵贡献最大，而异戊酸、3-甲基戊酸和乙酸对混合型卷烟酸香香韵贡献最大。