烟叶类型、部位及生态区对总粒相物中主要有机酸释放量的影响

2020-05-18余晶晶蔡君兰郭吉兆刘克建赵晓东秦亚琼潘立宁王宜鹏杨松刘绍锋姬厚伟邹西梅刘剑张晓兵王冰

中国烟草学报 2020年2期

余晶晶，蔡君兰，郭吉兆，刘克建，赵晓东，秦亚琼，潘立宁，王宜鹏，杨松，刘绍锋，姬厚伟，邹西梅，刘剑，张晓兵，王冰

1 中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南郑州 450001；2 贵州中烟工业有限责任公司，贵州贵阳，550001

有机酸是烟草和烟草制品中香味成分的重要组成部分，其种类繁多，含量差异大，占烟叶干物质总含量的12%～16%。有机酸分为挥发性有机酸、半挥发性有机酸和非挥发性有机酸。其中，烟草和烟气中均有大量的挥发和半挥发有机酸，它们在烟气香、吃味中起着重要作用，如C4～C6脂肪酸能产生果味、奶油味等[1-3]。因此，卷烟烟气中的挥发半挥发有机酸对卷烟的吸味口感特性有重要的影响。

烟草及烟草制品中挥发半挥发有机酸的分析研究较为成熟，一般采用液相色谱法[4]、毛细管电泳法[5]、离子色谱法[6]、GC 法[7,8]、GC-MS法[9-13]、GC-MS/MS法[14]等。目前有关卷烟主流烟气中挥发半挥发有机酸的研究报道相对较少，主要采用GC法[15]、GC-MS法[16-19]和离子色谱法[20]等，同样也是以GC-MS法居多。这些方法通常需对样品采用甲酯化衍生[16,17]或硅烷化衍生[18]后进仪器分析，也有不采用衍生直接进样分析[19]。例如，陈章玉[16]等采用甲酯化法对卷烟烟气粒相物中有机酸进行衍生化反应，经固相微萃取后通过GC-MS分离鉴定，对9种有机酸进行了定量分析，该方法灵敏度高、快速简单。鲁喜梅等[18]采用剑桥滤片捕集烟气总粒相物，二氯甲烷萃取后，硅烷化衍生后采用GC-MS分析了卷烟主流烟气总粒相物中30种挥发性和半挥发性有机酸，方法稳定性好、回收率高，适合批量样品快速分析。姬厚伟等[19]采用甲醇振荡萃取剑桥滤片总粒相物，采用SIM-GC-MS直接分析了卷烟主流烟气总粒相物中14种挥发性有机酸；考察了不同部位烟叶单料烟烟气中挥发性有机酸含量，结果表明下部烟叶<中部烟叶<上部烟叶。

由于方法或仪器灵敏度的限制，目前卷烟烟气中挥发和半挥发有机酸的定量分析目标物不超过30种。另外，采用不同类型、部位及典型生态区的烟叶制作单料烟，研究所对应的烟气中有机酸释放量差异目前鲜见报道，仅姬厚伟等[20]采用不同部位烟叶单料烟分析了烟气中14种挥发性有机酸释放量随部位的变化。近年来，随着仪器科学技术的发展，GC-MS/MS法由于具有更高的灵敏度和选择性，得到了广泛的应用。本文采用溶剂萃取-硅烷化衍生-GC-MS/MS法分析了卷烟烟气中42种挥发性和半挥发性有机酸，对不同类型、部位及典型生态区单料烟烟气中挥发半挥发有机酸含量差异进行了比较。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

试剂：二氯甲烷（AR级，美国Acros Organics公司）；N,O-双（三甲硅基）三氟乙酰胺（BSTFA）（美国Fluka公司）。实验用水为GB/T 6682规定的一级水。

仪器：Cerulean SM450直线式吸烟机（英国Cerulean公司）；GC-MS/MS仪（美国Thermo Fisher scientific公司，Trace 1310 GC-TSQ Quantum XLS）；CP2245电子天平（感量0.0001 g，德国Sartorius公司）；KQ-700DE型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 标准工作溶液的配制

以二氯甲烷为溶剂配制标准工作溶液。采用反-2-己烯酸为内标，内标浓度为0.5 µg/mL。分别称取一定量标准品于10 mL容量瓶中，配制单标母液。将单标母液稀释，或直接取母液一定量，加入10 mL容量瓶中，配制最高浓度混标，通过逐级稀释制作标准曲线。

1.2.2 卷烟制备

选取代表性单料烟样品37个，使用相同辅材在同一卷烟机台完成所有样品卷烟卷制。单料烟烟叶信息及卷烟烟气常规指标（焦油、烟碱、CO）结果见表1。卷烟样品辅材参数为：丝束参数3.0 Y/32000；滤棒参数100 mm×24.1 mm，吸阻：2700 Pa；卷烟纸参数26.5 mm×29 g/m2，透气度：60CU；接装纸参数宽度：60 mm，透气度：0 CU。卷烟样品烟丝重量及燃烧烟丝重量见表1所示。卷烟物理指标统计见表2。

由于不同烟叶制成烟支后烟丝填充量不同，抽吸口数、焦油释放量差别也较大（表1），因此本文中采用单位燃烧烟丝重量考察烟叶类型、部位及生态区对总粒相物中主要有机酸释放量的影响。

1.3 卷烟抽吸

将样品卷烟在（22±1）℃、相对湿度（60±2）%的环境中平衡48 h，挑选（平均质量±0.015）g和（平均吸阻±49）Pa的烟支作为测试样品。用直线型吸烟机抽吸卷烟，每组抽吸5支，用直径为44 mm剑桥滤片捕集卷烟主流烟气总粒相物。

1.4 样品提取及衍生

将滤片放入4 mL样品瓶中，加入3 mL二氯甲烷萃取溶液（反-2-己烯酸内标含量为0.5 µg/mL），旋紧瓶盖密封，超声萃取30 min，取萃取液过0.45 μm滤膜，取过滤液500 µL，加入100 µLBSTFA，60℃水浴衍生40 min，放至室温后进GC-MS/MS仪器分析，多反应离子检测（MRM）定量分析检测目标成分。

1.5 仪器分析条件

挥发半挥发有机酸经硅烷化衍生后为非极性化合物，选择DB-5MS石英毛细管柱（60 m×0.25 mmi.d.×0.25 µm d.f.）；进样口 280℃；进样量 1 μL；分流比10:1；恒流模式，流速1 mL/min；载气：氦气；溶剂延迟:6 min;程序升温为：初温40℃保持3 min，以4 ℃/min升至280℃，保持20 min。离子源:电子轰击（EI）;扫描方式:全扫描加多反应离子检测；离子源温度:300℃；传输线温度：280℃；四级杆温度180℃。目标物为42种有机酸，包括短链脂肪酸（C1-C6，编号1-13）、中链脂肪酸（C7-C12，编号14-20）、长链脂肪酸（C14-C20，编号为21-30）、其他有机酸（编号为31-42）。各目标物的硅烷化衍生产物的保留时间及定性定量离子见附表1（仅见于电子版）所示。

2 结果与讨论

2.1 卷烟烟气中挥发半挥发有机酸释放量分析方法表征

卷烟烟气中挥发半挥发有机酸释放量分析方法在现有方法的基础上进行了改进：样品前处理采用鲁喜梅等[18]已建立的硅烷化衍生的方法；仪器分析采用实验室已建立的烟草及烟草制品中多种有机酸硅烷化衍生-GC-MS/MS方法[14]，对分析方法进行表征。

根据卷烟烟气总粒相物中挥发半挥发有机酸含量范围建立各种有机酸的标准工作曲线，计算线性方程，结果见附表2（仅见于电子版）。取最低浓度标准工作溶液，采用GC-MS/MS仪器进样10次，计算标准偏差，以3倍标准偏差为检测限，10倍标准偏差为定量限，结果如表3所示。其中，乙酸、十六酸、十七酸、亚油酸、油酸、亚麻酸、硬脂酸、十九酸、乳酸的检出限在14.44 ng/支～86.40 ng/支之间，其他有机酸检出限均低于10 ng/支。本方法挥发半挥发有机酸检出限远低于文献报道方法[18-19]（一般为µg/支）。

表1 样品信息表Tab.1 Sample information

表2 单料烟卷烟物理指标Tab.2 Physical parameters of unblended cigarette

表3 烤烟单料卷烟烟气样品中挥发半挥发有机酸平均含量及方法的回收率、检出限、定量限、日内及日间精密度Tab.3 Average contents of volatile and semi-volatileorganic acids in flue-cured tobacco type cigarette smoke, recovery, LOD, LOQ, intraday and inter-day precision of the method

选取典型烤烟型卷烟样品，进行方法日内及日间精密度实验。在同一天中，对所选样品一天内进行5次平行实验以考察方法日内精密度，对所选样品连续五天进行实验以考察方法日间精密度，以实际卷烟主流烟气样品中挥发半挥发有机酸释放量为参考，根据释放量0.5、1、2倍进行低、中、高加标回收率实验，结果见表3所示。结果表明，本方法日内、日间精密度均较好（日内RSD < 9.83%，日间RSD <11.6%），42种有机酸平均释放量在0.07～59.7 µg/支之间。

2.2 烟叶类型对总粒相物中挥发半挥发有机酸释放量的影响

对所有烤烟C3F、白肋烟、香料烟卷烟样品主流烟气总粒相物中单位燃烧烟丝量烟气有机酸释放量的测定结果求平均值，结果见附表3（仅见于电子版）。由于不同有机酸释放量差异很大，为了便于比较，在作图时对数据进行最大值归一化处理，结果如图1所示。香料烟卷烟样品烟气中短链和中链脂肪酸释放量最高，烤烟卷烟样品烟气中长链脂肪酸释放量最高，白肋烟卷烟样品烟气中短链、中链和长链脂肪酸释放量均不突出。

不同类型单料烟卷烟样品烟气中短链脂肪酸释放量比较见图1中1～13，烤烟烟气中甲酸、乙酸释放量最高；其他短链脂肪酸均为香料烟烟气中最高。中链脂肪酸释放量比较见图1中14～20，香料烟烟气所有中链脂肪酸释放量均为最高。长链脂肪酸释放量比较见图1中21～30，香料烟烟气中十四酸、12-甲基十四烷酸、十九酸、二十酸释放量最高；其他长链脂肪酸释放量均为烤烟烟气中最高。其他有机酸释放量比较见图1中31～42，不同类型烟叶对应的烟气释放量均有表现，例如白肋烟烟气中苯乙酸、2-甲氧基苯甲酸释放量为最高。

图1 烟叶类型对总粒相物中挥发半挥发有机酸释放量的影响Fig.1 Influence of tobacco type on volatile and semi-volatile organic acid release in total particulate matter

2.3 烟叶部位对总粒相物中挥发半挥发有机酸释放量的影响

选取贵州、河南、云南三个典型产区的烟叶制作成相应卷烟。按烟叶部位将烟叶样品分为3组（上部、中部和下部），每组样品3个。对所有上部、中部和下部烟叶卷烟烟气中挥发半挥发有机酸单位燃烧烟丝量释放量求平均值，结果见附表4（仅见于电子版），对数据进行归一化处理后作图进行比较研究（图2）。由图2可知，卷烟主流烟气总粒相物中大部分有机酸释放量随部位的降低（上、中、下）呈降低趋势，但是有一些有机酸的变化趋势不一致。例如，壬酸、月桂酸、亚麻酸、硬脂酸和二十酸为下部烟叶总粒相物中释放量最高；惕格酸、十七酸、十九酸和3-羟基丙酸为中部烟叶总粒相物中释放量最高。

图2 烟叶部位对总粒相物中挥发半挥发有机酸释放量的影响Fig.2 Influence of tobacco position on volatile and semi-volatile organic acid release in total particulate matter

2.4 不同生态区烟叶卷烟主流烟气总粒相物中有机酸释放量差异比较

按烟叶产地将卷烟样品分为八组，分别为云贵高原生态区、贵州山地生态区、武陵秦巴生态区、黄淮生态区、南岭生态区、武夷生态区、山东生态区和东北生态区。考察典型生态产区烟叶相应卷烟样品烟气中有机酸释放量差异时，对8个典型生态产区的卷烟烟气测定结果求平均值，结果见附表5（仅见于电子版），对结果归一化处理作图，结果如图3所示。总体来说，武夷生态区烟叶卷烟样品烟气中大部分挥发半挥发有机酸释放量均为最高。

图3 不同生态区烟叶卷烟总粒相物中有机酸释放量比较图Fig.3 Influence of tobacco ecology region on volatile and semi-volatile organic acid release in total particulate matter

不同生态区烟叶卷烟样品烟气中短链脂肪酸释放量比较见图3中1～13，武夷生态区烟叶烟气中除3-甲基戊酸、惕格酸、2-甲基丁酸外，其它短链脂肪酸释放量均为最高；贵州山地生态区烟叶烟气中3-甲基戊酸释放量远高于其他所有生态区；东北生态区烟叶烟气中大部分短链脂肪酸释放量均为最低。不同生态区烟叶卷烟样品烟气中中链脂肪酸释放量比较见图3中14～20，武夷生态区中链脂肪酸释放量均较突出，除2-辛烯酸外释放量均为最高；黄淮生态区2-辛烯酸释放量较为突出；贵州山地生态区2-辛烯酸释放量为最低。不同生态区烟叶卷烟样品烟气中长链脂肪酸释放量比较见图3中21～30，武夷生态区烟叶烟气中长链脂肪酸释放量均较突出，其中十六酸、十七酸、亚油酸、亚麻酸、硬脂酸、十九酸释放量最高；武陵秦巴生态区烟叶烟气中长链脂肪酸释放量均为较低，其中十六酸、十七酸、亚油酸、亚麻酸、硬脂酸、十九酸、二十酸释放量最低。不同生态区烟叶卷烟样品烟气中其他有机酸释放量比较见图3中31～42，武夷生态区肉桂酸、2-羟基苯甲酸、2-甲氧基苯甲酸、3-苯基丙酸、苯甲酸释放量最高；山东生态区2-羟基苯甲酸、2-甲氧基苯甲酸释放量最低；武夷生态区乳酸释放量最低。