圆周及滤嘴通风对卷烟主流烟气碱性香味成分释放量的影响

楚文娟，王宏伟，田海英*，高明奇，刘 超，鲁 平，李国政，李耀光，赵永振，陈孟起，张 博，张峻松*

1. 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

2. 郑州轻工业大学食品与生物工程学院，郑州高新技术产业开发区科学大道136 号 450002

近年来，随着消费者生活水平和健康意识的提高，细支、中支卷烟日益受到消费者的青睐[1]。与常规烟相比，细支、中支卷烟的圆周减小、滤嘴通风率升高，这些因素的变化会影响抽吸时气流的流速和烟丝的燃烧状态[2-5]，进而影响主流烟气化学成分的释放量[6-8]。Schneider 等[9]的研究表明，保持烟丝填充密度不变的情况下，随着烟支圆周的减小，烟支吸阻呈上升趋势；Perfetti 等[10]研究发现，随着烟支圆周的减小，抽吸和阴燃期间烟柱长度的消耗速率（直线燃烧速率）上升，而烟柱质量的消耗速率（质量燃烧速率）下降。Irwin[11]的研究表明，随卷烟圆周的减小，单位质量烟丝与空气接触的面积增大，烟草燃烧更加充分，进而导致焦油、烟碱、CO 释放量呈降低的趋势，而甲醛、丙烯醛等羰基化合物释放量呈增加趋势；朱瑞芝等[12]研究表明，中支烟和细支烟的燃烧锥固相温度比常规烟平均高约100 ℃；葛畅等[13]发现烟支圆周、滤嘴通风等物理指标以及热解反应的不同，协同导致细支、常规卷烟常规烟气指标及中性致香成分的差异；Siu 等[14]研究发现细支烟大部分有害成分的释放量低于常规烟；戴莉等[15]研究表明，随滤嘴通风率增大，各类香气成分释放量均不同程度降低。谢玉龙等[16]、朱先约等[17]对常规烟的研究表明，滤嘴通风率从0.2%增加到22.2%，卷烟主流烟气中25 种酸性成分释放总量的降低率为20.0%；16种碱性成分释放总量的降低率为20.91%。以上研究均表明改变卷烟圆周及滤嘴通风率对卷烟主流烟气化学成分释放量有重要影响。

主流烟气中碱性香味成分尽管释放量较低，但因其具有很强的气味和较低的阈值，不仅可以较好地修饰烟草本香，而且能够掩盖杂气，改善余味，因此倍受关注[18-19]。以往研究主要集中在烟草或烟气中碱性香味成分的分析或卷烟材料参数对同规格卷烟影响方面[20-25]，而有关卷烟材料参数对不同规格卷烟主流烟气中碱性香味成分释放量的影响方面却鲜有报道。因此，本研究中以不同烟支规格的卷烟为对象，考察了圆周及滤嘴通风率对其主流烟气碱性香味成分释放量的影响，旨在为卷烟新产品的研发及香味补偿技术提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

叶组配方由河南中烟工业有限责任公司提供，采用同一叶组配方制作细支、中支和常规3 种规格、不同滤嘴通风的卷烟，共计13 个样品。

二氯甲烷（色谱纯，天津市富宇精细化工有限公司）；无水硫酸钠（AR，天津市德恩化学试剂有限公司）；盐酸（36.46%，上海振金化学试剂有限公司）；氢氧化钠（AR，天津市凯通化学试剂有限公司）；氯化钠（AR，天津市致远化学试剂有限公司）。标准样品：吡啶、2-甲基吡啶、甲基吡嗪、3-甲基吡啶、2,6-二甲基吡啶、2,6-二甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、3-乙基吡啶、3-乙烯基吡啶、3,5-二甲基吡啶、2,4,6-三甲基吡啶、3,4-二甲基吡啶、2-乙酰基吡啶、2,3,5-三甲基吡啶、2,3-环戊烯并吡啶、3-丁基吡啶、喹啉、2-甲基喹啉、2,6-二甲基喹啉、3-苯基吡啶、乙酸苯乙酯（AR，≥98%，北京百灵威科技有限公司）。

RM20H 转盘型吸烟机（德国Borgwaldt KC 公司）；EL204型电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；Agilent 7890B/5977A 气相色谱/质谱联用仪（美国Agilent 公司）；SB-3200DT 型超声波清洗机（宁波新芝生物科技股份有限公司）；Rotavapor R-210 旋转蒸发仪（瑞士Büchi 有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品制备及常规物理指标参数

以河南中烟工业有限责任公司在产规格卷烟为基础，采用同一批烟丝，卷接设计并制作13 个卷烟样品，并检测了其常规物理指标，结果见表1。

表1 卷烟样品设计及物理指标参数Tab.1 Design and physical index parameters of cigarette samples

表1（续）

1.2.2 样品的平衡与筛选

将卷烟样品置于（22±1）℃，相对湿度为（60±2）%的环境中平衡48 h，然后每个样品选取30 支，测其质量，求出平均值，然后按照样品质量为（平均值±0.02）g、滤嘴通风率为设计值±2%的标准对已制备卷烟样品进行筛选后作为待测样。

1.2.3 主流烟气总粒相物的捕集

参照GB/T 19609—2004[26]的规定，每个样品卷烟抽吸60 支，每张剑桥滤片捕集20 支卷烟的主流烟气总粒相物，进行3 次重复。卷烟抽吸结束后空吸5 口，取出剑桥滤片，用脱脂棉擦拭捕集器，一并转移至具塞玻璃瓶中。

1.2.4 碱性香味成分的测定

数学核心素养是基于数学知识和计算、测量、推理、分析、建模和统计等基本数学知识和技能形成的数学思维方法和态度.它也反映了学生在现实社会和生活中的数学，了解角色和价值. 数学核心素养与数学知识和技能，数学探究能力和问题解决能力密切相关，构成了学生的数学素养.

主流烟气中碱性香味成分的测定参照文献[26]进行。具体步骤为：①向1.2.3 节的具塞玻璃瓶中，加入60 mL CH2Cl2，超声萃取30 min。萃取结束后，转移至分液漏斗中；②加入20 mL 质量分数5%的HCl 水溶液进行萃取，重复3 次，合并水相并置于冰水浴中；③滴加质量分数为20%的NaOH 水溶液，调至pH 为14；④加入20 mL CH2Cl2进行萃取，重复3 次，合并有机相，即为碱性成分萃取液；⑤加入适量的无水硫酸钠，干燥过夜；⑥将CH2Cl2溶液转移至浓缩瓶中，加入1 mL 乙酸苯乙酯的CH2Cl2内标溶液（0.508 mg/mL），60 ℃水浴浓缩至1 mL，过0.22 μm 有机滤膜后进行GC-MS分析。分析条件：

色谱柱：HP-5MS 毛细管柱（60 m×0.25 mm i.d.×0.25 µm d.f.）；进样口温度：280 ℃；载气：氦气（≥99.999%）；恒流模式流速：1.0 mL/min；进样量：1 µL；分 流 比：5 ∶1；升 温 程 序：50 ℃（2 min）220 ℃。离子源：EI；传输线温度：280 ℃；离子源温度：230 ℃；电子能量：70 eV；四极杆温度：150 ℃；电子倍增器电压：1 635 V；质量扫描范围：35～550 amu；溶剂延迟：7 min；扫描方式：选择离子检测（SIM）。

2 结果与讨论

2.1 21 种香味成分的标准工作曲线、精密度、回收率和检测限

为考察圆周及滤嘴通风率对主流烟气碱性香味成分释放量的影响，选择对卷烟品质影响较大的21 种代表性碱性香味成分为研究对象，经GC-MS 分析，21 种碱性香味成分和内标物的保留时间、特征离子如表2 所示，对标准工作溶液和样品的测定结果见表3。

表2 碱性香味成分的特征选择离子Tab.2 Characteristic selected ions of alkaline aroma components

表3 21 种成分分析的标准工作曲线、相关系数、检出限及定量限（n=5）Tab.3 Regression equations, correlation coefficients, limits of detection and limits of quantitation of 21 components’analysis（n=5）

由表3 可知，21 种标样物质的工作曲线线性关系较好，相关系数均大于0.99，表明工作曲线的相关性良好；相对标准偏差（n=5）在0.83%～7.55%之间，加标回收率在74.46%～96.43%之间，方法的 检 出 限 为0.06～1.68 μ g/mL、定 量 限 为0.20～5.60 μg/mL。说明本方法对主流烟气21 种碱性香味成分萃取较为完全。

2.2 圆周对卷烟主流烟气碱性香味成分释放量的影响

为考察圆周对卷烟主流烟气碱性成分的影响，选取不同圆周烟支共有的20%、30%滤嘴通风率，测定结果见图1。

由图1 可知，每克烟丝释放的各类碱性香味成分以及碱性香味成分释放总量，随卷烟圆周的增大均呈增加的趋势。这与国外的研究结果[11,15]一致。原因可能是随圆周增大，燃烧锥固相温度降低[12]，且单位质量烟丝与空气的接触面积减小[11]，造成烟丝燃烧不充分；此外，卷烟抽吸时随圆周增大，烟气流速减慢，且烟气在烟支中的降温速率增加[12]，导致部分气相物质因冷却转移至粒相，使得截留的粒相成分呈增加趋势。

图1 20%、30%滤嘴通风率卷烟主流烟气碱性香味成分释放量随圆周变化情况Fig.1 Variations of releases of alkaline aroma components in mainstream smoke of cigarettes with filter ventilation rate of 20% or 30%

表4 不同圆周卷烟主流烟气碱性香味成分释放量的方差分析和多重比较①Tab.4 Variance analysis and multiple comparisons of releases of alkaline aroma components in mainstream smoke of cigarettes with different circumferences （μg·（g 烟丝）-1）

2.3 滤嘴通风率对卷烟主流烟气碱性香味成分释放量的影响

滤嘴通风率对不同圆周卷烟主流烟气碱性香味成分释放量的影响结果见图2。

由图2 可见，每克烟丝释放的各类碱性香味成分以及碱性香味成分释放总量，随滤嘴通风率的增大均呈降低趋势。这可能是因为增加滤嘴通风，主流烟气的横向扩散作用增强，同时烟气温度降低，使部分香味成分被烟丝吸附或滤嘴截留，导致滤片截留的香味成分降低[27-28]。此外，从回归方程斜率的绝对值来看，改变相同的滤嘴通风，不同圆周卷烟主流烟气吡啶类、吡嗪类、喹啉类香味成分释放量的变化幅度不同。这可能是由于圆周不同，单位质量烟丝与空气的接触面积不同，导致卷烟燃烧的机理和燃烧温度发生变化[12]，造成烟丝的热解程度不同[29]，此外，3 类物质的沸点不同，发生侧流逸散的程度也不同。

图2 碱性香味成分释放量随滤嘴通风率的变化情况Fig.2 Variations of releases of alkaline aroma components in mainstream cigarette smoke with filter ventilation rate

对不同滤嘴通风率卷烟主流烟气中碱性香味成分释放量的方差分析结果（表5）显示，主流烟气中各类碱性香味成分释放量以及碱性香味成分释放总量在不同滤嘴通风率间的差异均达到极显著水平；进一步的多重比较结果显示，对于细支烟，随滤嘴通风的增大，各类碱性香味成分释放量以及碱性香味成分释放总量均极显著降低。对于中支烟，吡嗪类、喹啉类香味成分释放量以及碱性香味成分释放总量在滤嘴通风率为10%～40%间均呈极显著降低趋势，吡啶类释放量在滤嘴通风率0～30%间的差异达到极显著水平，而在滤嘴通风率30%和40%间的差异不显著。对于常规烟，随滤嘴通风率增加，各类碱性香味成分释放量以及碱性香味成分释放总量均极显著降低。

表5 不同滤嘴通风率卷烟主流烟气中碱性香味成分释放量的方差分析和多重比较①Tab.5 Variance analysis and multiple comparisons of releases of alkaline aroma components in mainstream smoke of cigarettes with different filter ventilation rates （μg·（g 烟丝）-1）

为进一步了解滤嘴通风率对主流烟气中碱性成分释放量的影响，以每克烟丝计，计算出不同规格卷烟随滤嘴通风率增大，各类碱性香味成分在主流烟气中的降低率，结果见表6。

由表6 可知，以每克烟丝计，在所研究的滤嘴通风率范围内，滤嘴通风率每增加10%，释放量降幅最大的是吡嗪类香味成分，其次为吡啶类和喹啉类香味成分。这可能是因为，在滤嘴通风变化幅度一定的条件下，不同规格卷烟烟支吸阻的变化幅度不同[30-31]，卷烟内部空气流速的变化幅度也不同，烟丝的热解程度也不同。因此，设计和开发卷烟时，应根据不同的香味物质在不同圆周和滤嘴通风条件下的变化情况，合理调整叶组配方、加香加料以及辅材参数，达到增补烟香、突出特色的目的。

表6 碱性香味成分释放量随滤嘴通风率增加而减少的百分比Tab.6 Percentages of releases of alkaline aroma components decreased with increase of filter ventilation rate （%）

3 结论

①以每克烟丝计，主流烟气中各类碱性香味成分以及碱性香味成分释放总量随卷烟圆周增大均呈增加趋势，随卷烟滤嘴通风率的增大均呈降低趋势；②单因素方差分析显示，各类碱性香味成分释放量以及碱性香味成分释放总量在不同滤嘴通风率间的差异均达极显著水平；吡嗪类、喹啉类释放量在不同圆周间的差异均达极显著水平；③增加相同的滤嘴通风，吡嗪类香味成分降低幅度最大，其次为吡啶类和喹啉类成分。