不同烟碱盐对电子烟烟碱释放行为的影响

各会杰，张 博，赵国玲，尹新强，李燕春，张峻松*

1. 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 2. 湖南中烟工业有限责任公司技术研发中心，长沙市雨花区劳动中路386 号 410007

电子烟（Electronic cigarette，简称E-cig）主要由电池、雾化器和烟弹等元器件组成，通过电加热方式雾化电子烟液而产生气溶胶，近年来受到科研人员的关注［1-4］。电子烟在抽吸过程中加热温度较低，气溶胶中有害成分的释放量低于传统卷烟烟气［5-7］。目前，电子烟已成为国际烟草企业的研发热点之一 。

烟碱是电子烟液的关键成分之一，可以给使用者提供生理满足感［12］，但长时间存储中烟碱易氧化生成烟酸、氧化烟碱、烟碱烯等成分，这会影响电子烟的抽吸品质［13］。同时，烟碱挥发性较强，会导致电子烟抽吸时前后感官品质差异较大［14］。烟碱盐的性质较稳定，可以作为烟碱的替代品。目前，国内关于烟碱盐的研究较少［15］，烟碱盐对电子烟气溶胶中烟碱释放行为的影响研究鲜见报道。据报道，使用烟碱盐调配电子烟液时，志愿者抽吸电子烟后血液中烟碱含量达到最大值所用的时间、心率升高的速率与抽吸传统卷烟相当或更优，而使用游离烟碱调配电子烟液时，志愿者抽吸电子烟后在0～5 min 内血液中烟碱的摄取率、心率升高的速率与抽吸卷烟存在明显的差异［16］。David 等［17］的研究表明，在电子烟抽吸过程中，含烟碱盐的电子烟液产生的气溶胶粒径更适于向肺部递送，可以降低气溶胶对咽喉部的刺激性，增强满足感。

不同烟碱盐释放行为存在差异，这可能与烟碱盐的微观结构及热释放温度有关［14］。Seeman等［18］的研究表明，乙酸烟碱盐释放烟碱峰值温度约110～120 ℃，酒石酸烟碱盐释放烟碱峰值温度约200 ℃。Riggs 等［19］利用热重分析法对烟碱盐进行了研究，结果表明，烟碱盐的热稳定性与其存在的形态有关，随着温度的升高，液体态烟碱盐稳定性最差，其次为结晶态烟碱盐，最后为无定形态烟碱盐。在本研究中，以酒石酸、苹果酸、苯甲酸和水杨酸的烟碱盐为研究对象，考察浓度及抽吸口数对电子烟气溶胶中烟碱释放行为的影响，旨在为烟碱盐在电子烟液中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

4 种烟碱盐（表1）、烟碱、EGO 电子烟（电池杆电池容量1 300 mA·h，充满电时可供应1 500 口抽吸，工作电压为4.2 V，发热元件为镍铬发热丝）（湖南中烟工业有限责任公司提供）。

1,2-丙二醇、丙三醇（AR，天津市富宇精细化工有限公司）；异丙醇（色谱纯，天津市大茂化学试剂厂）；正十七烷（≥98.5%，北京市百灵威科技有限公司）。

表1 4 种烟碱盐基本信息Tab.1 Basic information on four nicotine salts

RM20H 转盘型吸烟机（德国Borgwaldt 公司）；EL204 型电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；7890B 气相色谱仪（美国Agilent 公司）；HZQ-F160 型全温振荡培养箱（太仓市实验设备厂）。

1.2 方法

1.2.1 烟碱标准工作溶液的配制

内标储备液：准确称取正十七烷0.5 g，于1 L容量瓶中用异丙醇定容。标准储备液：准确称取烟碱0.01 g，于10 mL 棕色容量瓶中用内标储备液定容。分别移取不同体积标准储备液，于10 mL棕色容量瓶中用内标储备液定容，得到烟碱质量浓 度 分 别 为0.001、0.010、0.050、0.250、0.500、1.000 mg/mL 的系列标准工作溶液。

1.2.2 电子烟液的配制

据调查，目前市售各品牌烟液中雾化剂主要为1,2-丙二醇与丙三醇的混合液，因此本研究中选择1,2-丙二醇与丙三醇的质量比为2∶1［20］。分别称取不同质量的烟碱盐于25 mL 容量瓶中，用雾化剂定容至刻度，得到烟碱盐溶液中烟碱的质量浓度分别为3、6、12、25、35、60 mg/mL。准确移取1.6 mL 烟液于一次性烟弹中，每次抽吸前确保烟具电压保持在4.2 V。

1.2.3 电子烟气溶胶粒相物的捕集

采用转盘型吸烟机，参照CORESTA 电子烟特别小组提议的方法捕集电子烟气溶胶，即抽吸曲线为方波，抽吸容量为55.0 mL，抽吸持续时间为3 s，抽吸间隔30 s［21］。采用92 mm 的剑桥滤片捕集气溶胶粒相物。抽吸口数为50、100、150、200、250 口。

1.2.4 样品的制备与检测

将捕集粒相物的剑桥滤片置于150 mL 锥形瓶中，加入60 mL 内标储备液，室温下振荡30 min，取上清液过有机滤膜后进行GC 分析，采用内标工作曲线定量。GC 分析条件：

色谱柱：HP-5MS 毛细管色谱柱（30 m×0.32 mm×0.25 µm）；进样口温度：250 ℃；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；FID 检测器温度：270 ℃；升温程 序：110 ℃保 持2 min，以10 ℃/min 升 温 至250 ℃并保持10 min。

1.2.5 数据处理

采用Excel 软件对抽吸口数与烟碱释放量、烟碱盐浓度与烟碱释放量进行回归分析。采用SPSS 21.0 软件对分析数据进行三因素方差分析-效应估计，以了解烟碱盐种类、烟碱盐浓度及抽吸口数对气溶胶中烟碱释放量的影响。

2 结果与分析

2.1 样品处理条件的确定

2.1.1 萃取溶剂体积的选择

将60 mg/mL 苹果酸烟碱盐溶液加入到烟弹中进行抽吸，抽吸口数为250 口，比较萃取剂体积为30、40、50、60、70 mL 时烟碱的萃取效果。结果表明，萃取剂体积为60 mL 时烟碱已萃取完全，因此确定萃取剂体积为60 mL。

2.1.2 萃取时间的选择

将60 mg/mL 苹果酸烟碱盐溶液加入到烟弹中进行抽吸，抽吸口数为250 口，比较萃取时间为10、20、30、40 min 时烟碱的萃取效果。结果表明，当萃取剂时间为30 min 时，烟碱已萃取完全，因此确定萃取时间为30 min。

2.2 方法验证

2.2.1 工作曲线、检出限和定量限

以烟碱与内标的峰面积之比对其浓度之比进行线性回归分析，得到烟碱的工作曲线。采用最低浓度的标样重复进样10 次，以测定结果的3倍和10 倍标准偏差计算检出限和定量限。结果显示，烟碱的回归方程为y=1.406 3x-0.012 7，R2=0.999 8，检出限、定量限分别为0.276 6、0.922 0 μg/mL。这表明方法的灵敏度较好，适合于电子烟气溶胶中烟碱的定量分析。

2.2.2 精密度和回收率

将60 mg/mL 苹果酸烟碱盐溶液加入到烟弹中进行抽吸，抽吸口数为250 口，重复测定5 次，计算得到烟碱含量的相对标准偏差（RSD）为4.78%，表明方法的重复性较好。采用标样加入法进行回收率实验，在剑桥滤片上加入50%、100%、150%水平的标样。按照优化后的前处理条件处理样品，并根据测定量、加标量和原含量计算回收率。结果（表2）显示，加标回收率为92.50%～96.36%，表明方法准确性较高。

表2 方法回收率Tab.2 Precision of the method ［mg·（250口）-1］

2.3 不同烟碱盐浓度及抽吸口数对烟碱释放量的影响

将浓度为3、6、12、25、35、60 mg/mL 的烟碱盐溶液加入烟弹中进行抽吸，抽吸口数分别为50、100、150、200、250 口，为减少实验误差，均平行测定3次，结果取平均值，烟碱释放量测定结果见表3。

将浓度为60 mg/mL 的苹果酸烟碱盐溶液加入到烟弹中进行抽吸，抽吸口数分别为50、100、150、200、250 口，比较不同抽吸口数下气溶胶中烟碱和烟液中烟碱的质量分数。结果（表4）显示，随着抽吸口数的增加，气溶胶中烟碱的质量分数和抽吸前后烟液中烟碱的质量分数波动较小。气溶胶中烟碱的质量分数小于抽吸前后烟液中烟碱的质量分数，这可能是由于电子烟雾化温度低于苹果酸烟碱盐烟碱完全释放的温度所致。

表3 不同烟碱盐浓度及抽吸口数下烟碱的释放量①（n=3）Tab.3 Nicotine release at different nicotine salt concentrations and puff numbers（n=3） （mg）

表3（续） （mg）

2.3.1 烟碱盐浓度对烟碱释放量的影响

烟碱盐浓度与烟碱释放量的线性拟合结果见图1，回归方程参数见表5。可以看出，随着烟碱盐溶液浓度的增加，烟碱释放量呈现增加的趋势，这与文献［10］的结果一致。烟碱释放量与烟碱盐溶液浓度拟合方程的R2均大于0.9，表明该方程可以预测相同抽吸口数和不同浓度条件下含烟碱盐电子烟液的气溶胶中烟碱释放量。

表4 气溶胶中烟碱释放量和电子烟液中烟碱的质量分数Tab.4 Nicotine release in aerosol and nicotine content in e-liquid

图1 烟碱释放量与烟碱盐浓度的线性拟合图Fig.1 Linear fitting chart of nicotine release and nicotine salt concentration

表5 烟碱释放量与烟碱盐浓度的回归方程参数①Tab.5 Regression equation parameters of nicotine release and nicotine salt concentration

表5（续）

2.3.2 抽吸口数对烟碱释放量的影响

抽吸口数与烟碱释放量的线性拟合结果见图2，回归方程参数见表6。可以看出，随着抽吸口数的增加，烟碱释放量呈增加趋势，这与文献［1］中报道的结果一致。烟碱释放量与抽吸口数拟合方程的R2均大于0.9，表明该方程可以预测相同浓度和不同抽吸口数条件下含烟碱盐电子烟液的气溶胶中烟碱释放量。

图2 烟碱释放量与抽吸口数的线性拟合图Fig.2 Linear fitting chart of nicotine release and puff number

表6 烟碱释放量与抽吸口数的回归方程参数①Tab.6 Regression equation parameters of nicotine release and puff number

表6（续）

2.3.3 烟碱释放量的影响因素比较

烟碱盐浓度、抽吸口数及烟碱盐种类对烟碱释放量均有一定的影响，为进一步分析这3 种因素的影响程度，对表3 中数据进行了三因素方差分析-效应估计，结果见表7。可以看出，烟碱盐浓度、抽吸口数及烟碱盐种类对烟碱释放量均有显著影响。η2值可以直观反映每个因素对总体变异的贡献，偏η2值可以反映某个因素与误差的关系，因此选择偏η2值衡量3 种因素的影响程度［12］。由表7 可知，烟碱盐浓度、抽吸口数及烟碱盐种类的偏η2值分别为0.726、0.477、0.183，表明烟碱盐浓度对烟碱释放量的影响程度大于抽吸口数及烟碱盐种类。

表7 3 种烟碱释放量影响因素的方差分析及偏η2值Tab.7 Variance analysis and partial η2 value of three factors influencing nicotine release

2.4 烟碱盐烟碱释放量差异性比较

为更加直观地反映4 种烟碱盐烟碱释放量的差异，以每50 口抽吸为单位，比较相同抽吸口数下烟碱释放量的大小。结果（表8）表明，抽吸51～250 口时，苯甲酸烟碱盐烟碱释放量较大。原因可能是：①苯甲酸烟碱盐分子量较小，相同质量下物质的量较大，故在抽吸过程中烟碱释放量较大［22］；②苹果酸烟碱盐释放烟碱峰值温度约为165 ℃［18］，水杨酸烟碱盐释放烟碱峰值温度约为115 ℃［19］，酒石酸烟碱盐释放烟碱峰值温度约为200 ℃［18］，不同酸形成的烟碱盐的热稳定性及释放烟碱峰值温度存在差异［15］。

对于苹果酸烟碱盐，3 mg/mL 下抽吸50 口时烟碱释放量较大；6 mg/mL 下抽吸101～150 口烟碱释放量较大；12、25、35、60 mg/mL 下抽吸151～200口烟碱释放量较大。对于水杨酸烟碱盐，3、6、12、25 mg/mL 下抽吸51～100 口烟碱释放量较大；35、60 mg/mL 下抽吸151～200 口烟碱释放量较大。对于苯甲酸烟碱盐，3、6 mg/mL 下抽吸50 口烟碱释放量较大；12 mg/mL 下抽吸101～150 口烟碱释放量较大；25、35、60 mg/mL 下抽吸151～200 口烟碱释放量较大。对于酒石酸烟碱盐，3、6 mg/mL 下抽吸50 口烟碱释放量较大；12、25、35、60 mg/mL下抽吸151～200 口烟碱释放量较大。随着抽吸口数的增加，烟碱盐烟碱释放量存在明显波动。其中抽吸201～250 口，烟碱释放量呈下降趋势，原因可能是：①苹果酸烟碱盐释放烟碱峰值温度约为165 ℃［18］，水杨酸烟碱盐释放烟碱峰值温度约为115 ℃［19］，酒石酸烟碱盐释放烟碱峰值温度约为200 ℃［18］，不同酸形成的烟碱盐的热稳定性及释放烟碱峰值温度存在差异［15］；②随着抽吸口数的增加，电子烟电压衰减，导致烟碱释放量出现波动［23］；③烟碱盐受热分解过程中可能在加热丝上形成结焦，影响传热。可见，在电子烟液调配过程中应选择适宜比例的烟碱盐，使电子烟在抽吸过程中烟碱的释放量趋于稳定。

表8 电子烟每抽吸50 口时烟碱的释放量Tab.8 Nicotine release per 50 puffs of the test e-cigarette ［mg·（50 口）-1］

3 结论

①建立了检测电子烟气溶胶中烟碱的气相色谱方法，本方法前处理简单，重复性良好，回收率较高，适用于电子烟气溶胶中烟碱的定量分析。②优化后前处理条件为：萃取剂体积60 mL，萃取时间30 min。③随着烟碱盐浓度及抽吸口数的增加，烟碱释放量线性增加，R2＞0.9。④方差分析表明，烟碱盐浓度、抽吸口数及烟碱盐种类均对烟碱释放量有显著影响，其中烟碱盐浓度的影响程度大于抽吸口数及烟碱盐种类。⑤相同抽吸口数下，苯甲酸烟碱盐烟碱释放量较高。本研究结论可为电子烟液中烟碱盐的调配提供参考。