滤嘴参数对细支烟主流烟气中代表性香味成分释放量的影响

2020-04-01楚文娟胡少东田海英孟祥士高明奇付瑜锋席高磊郝辉鲁平冯晓民崔春马宇平聂聪彭桂新

中国烟草学报 2020年1期

楚文娟，胡少东，田海英*，孟祥士，高明奇，付瑜锋，席高磊，郝辉，鲁平，冯晓民，崔春，马宇平，聂聪，彭桂新*

1 河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州市经开第三大街8号 450000；2 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州市枫杨街2号 450001

随着民众对“吸烟与健康”问题的日益重视，烟草工作者致力于通过卷烟辅材参数的合理搭配以达到卷烟“降焦减害”目的，但是辅材参数的改变在实现卷烟“减害降焦”效果的同时，也不可避免地影响到主流烟气香味物质释放量，进而影响卷烟的吸食品质[1-4]。卷烟主流烟气香味成分释放量是评价烟草及卷烟质量的重要指标，因此，系统开展卷烟辅材参数对主流烟气中香味成分释放量的影响研究具有十分重要的意义。

目前，烟草工作者在“三纸一棒”设计参数对常规烟的常规化学成分、主流烟气7 种有害成分及香味成分释放量的影响方面已做了大量的工作[5-14]。近期，张亚平[15]、葛畅[16]、李海峰[17]、董艳娟等[18]对卷烟纸特性对细支烟烟气指标、感官质量、中性致香成分的影响进行了研究；高明奇等[19-20]研究了滤嘴参数对细支烟烟支吸阻、烟碱过滤效率的影响；周全等[21]考察了卷烟纸参数对细支烟主流烟气常规成分和对感官影响较大15 种代表性香味成分释放量的影响；杨松等[22]考察了卷烟纸透气度、卷烟纸定量、丝束规格、接装纸透气度对细支烟感官质量以及主流烟气常规成分的影响，但是关于滤嘴参数对细支烟烟气中香气成分释放量的相关研究鲜有报道。

本研究以细支烟为对象，系统考察了滤嘴参数（滤棒压降、滤嘴通风率）对细支烟主流烟气中代表性香味成分释放量的影响，旨在为细支烟滤嘴参数的优化选择和香味成分补偿技术研究提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

滤嘴通风为0、20%、40%和60%，滤棒压降为2400、2800、3200、3500、4000、4400、4800 和5200 Pa，6.0Y/17000、6.7Y/17000 的丝束（南通醋酸纤维有限公司），8.0Y/15000 的丝束（德国Rhodia Acetow 公司），9.5Y/12000、11.0Y/15000 的丝束（美国Celanese 公司）；其余卷烟材料、烟丝均相同。

二氯甲烷（色谱纯，北京百灵威）；N,O-双（三甲基硅烷基）三氟乙酰胺（BSTFA）(色谱纯，瑞士Fluka)；反-2-己烯酸（纯度≥98%）（美国百灵威公司）；乙酸苯乙酯（纯度≥98%）（美国百灵威公司）；超纯水（＞18 MΩ·cm）。

SM450 直线型吸烟机（英国Cerulean 公司）；HP6890N/5975 气相色谱/质谱联用仪（美国Agilent公司）；KQ-700DE 数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；HH-S6/ZK6 水浴锅（温控精度±1℃，巩义市予华仪器有限责任公司）；AL-204-IC电子天平（感量0.0001 g，瑞士METTLER TOLEDO公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品设计与制备

以河南中烟某一在产规格细支烟为研究对象（烟支长度97 mm，圆周17 mm，滤嘴长度30 mm），卷烟辅材：卷烟纸定量28 g/m2，卷烟纸透气度50 CU，选取国内外适宜成型细支滤棒的5 种丝束规格，在其适宜的成型区间内选取3 个滤棒压降梯度，制备15 个滤棒样品。通过调整在线打孔时间、打孔排数、孔数，实现不同的滤嘴通风。按照表1 的设计参数，在同一机台卷接60 个卷烟样品。

表1 不同滤嘴参数细支烟样品设计Tab.1 Slim cigarette samples with different filter design parameters

1.2.2 样品的平衡与筛选

将卷烟样品在GB/T 16447-2004[23]规定的条件进行平衡，然后按照平均吸阻±30 Pa、平均质量±0.02 g、滤嘴通风设计值±2%的标准对卷烟样品进行筛选后作为待测样。

1.2.3 香味成分的测定

按GB/T 19609-2004[24]规定的方法抽吸卷烟。每种卷烟取10 支，分为2 组，每张剑桥滤片收集5 支卷烟的主流烟气TPM，卷烟抽吸完毕后，空吸5 口，使主流烟气自由沉积30 s，取出剑桥滤片，放入具塞三角瓶中。

（1）主流烟气中酸性香味成分的测定参照文献[25]进行，具体步骤为：往装有滤片的具塞三角瓶中准确加入10.0 mL 二氯甲烷及100 µL 内标溶液（反-2-己烯酸内标含量为2.0 mg/mL），超声萃取30 min，加入500 μL BSTFA，60℃水浴衍生50 min，冷却室温后过0.45 µm 微孔滤膜，滤液进行GC-MS 分析。分析条件：色谱柱：DB-5MS 弹性石英毛细管柱（60 m×0.25 mm，0.25 μm）；进样量：1.0 μL；进样口温度：250℃；升温程序：初始温度40℃，保持3 min，4℃/min 升至280℃保持20 min；载气：氦气（99.999%）；载气控制模式：恒流模式；分流比：10 : 1；流速：1.0 mL/min；传输线温度：280℃；离子源温度：230℃；四极杆温度：150℃；电离方式：EI；电子能量：70 eV；扫描方式：SIM；扫描范围：35～550 amu，溶剂延迟：4 min。

（2）主流烟气中碱性及中性香味成分的测定参照文献[21]进行，具体步骤为：往装有滤片的具塞三角瓶中准确加入10.0 mL 二氯甲烷及100 µL 内标溶液（乙酸苯乙酯含量为2.0 mg/mL），超声萃取30 min，冷却至室温后，取萃取液，过0.45µm 微孔滤膜，滤液进行GC-MS 分析。分析条件：色谱柱：DB-5MS 弹性石英毛细管柱（60 m×0.25 mm，1.0 µm）；进样量：1.0 μL；进样口温度：290℃；升温程序：初始温度60℃，2℃/min 升至250℃，5℃/min 升至290℃,保持20min；载气：氦气（99.999%）；载气控制模式：恒流模式；分流比：10:1；流速：1.5 mL/min；传输线温度：290℃；离子源温度：230℃；四极杆温度：150℃；电离方式：EI；电子能量：70 eV；扫描方式：SIM；扫描范围：26～400 amu，溶剂延迟：4 min。

1.2.4 香味成分的定性与定量

碱性香味成分（主要为吡啶类、吡嗪类物质[9,11,26]，共22 种）、中性香味成分（主要为酮类、酯类物质[7,13,16]，共46 种）、酸性香味成分（主要为有机酸类、酚类物质[14,25]，共35 种），在全扫描模式下，经NIST 标准质谱库进行检索定性，定量分析在SIM扫描方式下进行，内标法定量。

1.2.5 方法的重复性考察

同一样品进行5 次重复实验，设定所有香味成分的校正因子为1.00 后进行定量分析，计算相对标准偏差（Relative standard deviation，RSD）。

2 结果与讨论

2.1 方法的重复性

经统计，在主流烟气103 种代表性香味成分中，95.15%的香味物质RSD 在10%以内，说明本实验采用的检测方法重复性较好。

2.2 滤嘴参数对细支烟主流烟气中代表香味成分释放量的影响

2.2.1 滤棒压降

细支烟主流烟气中碱性、中性、酸性以及香味成分释放总量随滤棒压降变化情况见图1（以0 通风为例）。由图1 可知，主流烟气中香味成分释放量与滤棒压降显著负相关。该趋势与于川芳等[5-6]，潘立宁等[14]对常规烟的研究结论相同。而对于细支烟，以丝束规格8.0Y/15000，滤棒压降为3325 Pa 为例，滤棒压降增加400 Pa，亚油酸释放量降低4.52%，硬脂酸释放量降低4.40%，碱性、中性、酸性以及香味成分释放量分别下降7.37%、7.61%、8.64%和8.22%。

不同丝束规格的细支烟，随着单旦增加，滤棒压降对细支烟主流烟气中碱性、中性、酸性和香味成分释放总量的影响没有明显的规律性。

图1 滤棒压降对香味成分释放量的影响(滤嘴通风率为0)Fig. 1 Effect of filter rod pressure drop on the release of various aroma components (Filter ventilation rate = 0)

2.2.2 滤嘴通风

细支烟主流烟气中碱性、中性、酸性以及香味成分释放总量随滤嘴通风变化情况见图2（以丝束规格8.0Y/15000、滤棒压降3200 Pa为例）。从图2中可看出，主流烟气中香味成分释放量与滤嘴通风显著负相关。该趋势与谢玉龙等人对常规烟的研究结论相同[25-26]。

前人对常规烟的研究结果与本文的研究结果对比见表2。可以看出，细支烟主流烟气中单组分香味物质的随滤嘴通风增加降低的幅度均小于常规烟。这可能是因为细支烟的圆周相对较小，单位烟丝与空气的接触面积较大，烟丝燃烧相对充分，因此滤片截留的香味成分变化幅度较小，这与Irwin[27]的研究结果基本一致。

图2 滤嘴通风率对香味成分释放量的影响Fig. 2 Effect of filter ventilation rate on release of aroma components

表2 常规烟和细支烟中滤嘴通风率对香味成分释放量影响对比Tab. 2 Comparison of effect of filter ventilation rate on release of aroma components in conventional cigarettes and slim cigarettes

2.3 滤棒压降及滤嘴通风率对主流烟气香味成分释放量影响的预测模型

采用线性回归和逐步回归法建立了滤棒压降X1、滤嘴通风率X2对主流烟气中碱性、中性、酸性及香味成分释放总量的预测模型，预测模型采用不同丝束规格、不同滤棒压降、不同滤嘴通风搭配的60 个细支烟样品主流烟气中各香味成分释放量的实测值计算。

以细支烟主流烟气中酸性香味成分释放量为例，建立了双因素线性模型、双因素二次多项式模型、双因素及互作项模型（表3）。对所建模型进行95%置信水平的P 检验，并依据留一交叉验证法计算交叉验证标准差（RMSECV）（公式1），评价模型的预测能力。RMSECV 越小，模型预测能力越好；将模型的预测值和实测值进行线性相关，对所建模型进行验证，二者线性相关斜率、R2越接近1，则预测值与实测值吻合度越高，模型预测能力越好。计算实测值与模型预测值之间的差异，对所建模型进行验证，二者差异越小，模型预测能力越好。

表3 细支烟主流烟气中酸性香味成分释放量预测模型Tab. 3 Prediction model of acid aroma components in mainstream smoke of slim cigarettes

式中：Ci是标准方法实际测定值；是模型预测值；n 是校正集样品数。

由表3 可知，所建立的3 种预测模型的P 值均远小于0.05，说明所建模型具有一定的统计学意义；R2均大于0.93，说明所建模型具备一定的预测能力。其中，模型2 的R2较大且交叉验证标准差RMSECV 值最小，且模型2 拟合值与实测值的线性相关性最强（见图3），线性斜率为0.9410，R2为0.9414，说明相比之下，模型2 的预测值与实测值吻合度较高，计算值与实测值之间的误差大多分布在±80 µg/cig 这个范围内，且随机分布，因此选择模型2 作为酸性香味成分释放量的最优预测模型。

此外，基于滤嘴通风率X1和滤棒压降X2建立了主流烟气中碱性、中性、及香味成分释放总量的预测模型，结果见表4。

图3 酸性香味成分释放量预测模型内部验证图及残差图Fig. 3 Internal validation plot and residual graph for the prediction model of the release of acidic aroma components

表4 主流烟气中各香味成分释放量的最优预测模型Tab. 4 Optimal prediction model of release of various aroma components released from mainstream smoke

2.4 模型预测能力验证

为了验证预测模型的预测能力，通过改变滤嘴通风以及滤棒压降这两个参数，制备了10 个验证样品并测定了其主流烟气中的103 种香味成分的释放量。验证样品的预测结果由表4 中的模型计算得出。计算验证样品的平均预测相对偏差（Relative deviation of average prediction, RDAP）（公式2）来考察模型的预测能力。

式中Ci是标准方法实际测定值；是模型预测值；m 为预测集样品数。

经验证，验证样品的预测结果与实测结果较为一致，预测偏差均在±10% 以内，其中，碱性、中性、酸性以及总量的预测偏差范围分别为-9.61%～-3.60%、-6.77%～7.41%、-6.56%～7.03%、-6.43%～6.63%。平均相对标准偏差分别为：碱性：5.95%；中性：4.76%；酸性：4.28%；总量：4.23%，验证结果表明4 个预测模型预测精度良好，具有一定的适用性。