加热卷烟气溶胶中香气成分的GC-MS/MS同时测定和比较

司晓喜 向本富 蒋 薇 刘志华 杨 晨 朱瑞芝 张凤梅 何 沛 蒋丽红

(1.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650231；2.云南省烟草化学重点实验室，云南 昆明 650231；3.昆明理工大学化学工程学院，云南 昆明 650500)

自从2006年Baker提出通过改变卷烟气溶胶产生方式以开发潜在危害较小的香烟[1]，加热卷烟已成为新型烟草制品研究的热门产品[2]。加热卷烟在较低温度下(一般不超过400 ℃)加热芯材，将其中的烟碱、挥发性香气成分等释放到烟气中[3]，减少了传统烟草高温燃烧裂解产生的有害成分的释放[4-5]。

各烟草公司和研究机构针对开发的加热卷烟开展了大量质量评价、烟气气溶胶成分测定、烟气安全性分析等工作，但主要集中于毒理评估[3,6-7]及潜在有害成分的系统评估[8-9]。而有关加热卷烟气溶胶中香气成分的研究较少，主要集中于对香气物质进行定性鉴定[10-13]。刘鸿等[10]利用中间切割—二维气质法对加热卷烟气溶胶成分进行了定性分析，王颖等[11]采用GC/MS法对3款加热卷烟产品烟气中香味成分进行了比较分析，张丽等[12]探讨了加热卷烟主要成分的迁移行为，但以上研究均未对香气成分进行定量分析。加热卷烟烟气中内源性香气成分较低，通常添加香精香料以改善烟气质和烟气量[13]。目前国际市场上加热卷烟产品的类型较多，不同品牌、类型、口味的加热卷烟其气溶胶特性差异明显，仍普遍存在烟雾量小、香气量小等不足。因此，建立快速、高通量的加热卷烟气溶胶香气成分定量测定方法，对现有产品气溶胶中香气成分进行深入剖析，对于加热卷烟产品开发具有重要意义。

加热卷烟气溶胶化学成分种类多、含量低[9,14]，而GC-MS/MS技术具有通量高、灵敏度高、线性范围广等优点[15-16]。试验拟利用超声萃取-GC-MS/MS定量测定加热卷烟气溶胶中的香气成分，并对典型加热卷烟气溶胶中香气成分进行测定和比较，旨在为加热卷烟新产品的研发提供依据。

1 材料与方法

1.1 仪器、试剂与材料

1.1.1 材料和试剂

麦芽酚、2,4-二叔丁基苯酚、2-甲基吡嗪、糠醛、糠醇等：纯度98.0%～99.9%，加拿大TRC 公司；

β-大马酮、α-紫罗兰酮、降烟碱、香叶醇、R-(+)-柠檬烯等：纯度98.0%～99.8%，美国Sigma-Aldrich公司；

乙酸异丁酯、丁酸乙酯、乳酸薄荷酯、茴香醛等：纯度98.0%～99.8%，北京百灵威科技有限公司；

乙酸苯乙酯、苯乙酸乙酯、茄尼酮等：纯度95.0%～99.5%，上海阿拉丁试剂有限公司；

萘、喹啉、正十七烷标准品(内标物)：纯度>99%，加拿大TRC 公司；

甲醇、二氯甲烷、无水乙醇、异丙醇、正己烷：色谱纯，美国Merck 公司；

K品牌加热卷烟：淡薄荷味、原味、香草薄荷味、新鲜薄荷味、柠檬薄荷味、李子薄荷味共6个口味烟支，编号为K1～K6，采用周向加热方式，市售；

F品牌加热卷烟：薄荷味(含酸奶味爆珠)、烟草/浆果味(含柠檬味爆珠)、薄荷/桃子味(含哈密瓜味爆珠)、薄荷/橙味(含西柚味爆珠)、薄荷/热带水果味共5个口味烟支，编号为F1～F5，采用内心加热方式，市售；

W品牌加热卷烟：浓原味、淡薄荷味、浓薄荷味、坚果味、蓝莓味、淡原味、青柠味共7个口味烟支，编号为W1～W7，采用内心加热方式，市售；

H品牌加热卷烟：原味、薄荷味、琥珀味、葡萄味、朗姆酒味、抹茶味共6个口味烟支，编号为H1～H6，采用内心加热方式，市售；

M品牌加热卷烟：原味、淡薄荷味、提拉米苏味、葡萄甜橙味共4个口味烟支，编号为M1～M4，采用内心加热方式，市售。

1.1.2 主要仪器

气相色谱—三重四极杆质谱联用仪：SCION 456 GC-TQ型，美国Bruker公司；

多功能进样器：Combi-PAL型，瑞士CTC公司；

直线型吸烟机：SM450型，英国Cerulean公司；

电子天平：BT 125D型，感量0.000 1 g，德国Sartorius公司；

数控超声波清洗器：KQ-700DB型，昆山市超声仪器有限公司；

有机相滤膜：0.22 μm，上海讯同机械有限公司；

剑桥滤片：44 mm，英国Whatman 公司。

1.2 试验方法

1.2.1 萃取条件优化

(1)萃取溶剂：采用超声萃取方式，萃取溶剂用量15 mL，萃取时间20 min，考察萃取溶剂(二氯甲烷、甲醇、乙醇、正己烷和异丙醇)对检测目标物个数和峰面积响应值总和的影响。

(2)萃取方式：采用二氯甲烷萃取溶剂，萃取溶剂用量15 mL，萃取时间20 min，考察萃取方式(超声萃取、涡旋萃取和振荡萃取)对检测目标物个数和峰面积响应值总和的影响。

(3)萃取溶剂用量：采用二氯甲烷萃取溶剂，超声萃取方式，萃取时间20 min，考察萃取溶剂用量(10，20，25，30，35 mL)对检测目标物个数和峰面积响应值总和的影响。

(4)萃取时间：采用二氯甲烷萃取溶剂，超声萃取方式，萃取溶剂用量15 mL，考察萃取时间(10，20，30，40，50 min)对检测目标物个数和峰面积响应值总和的影响。

1.2.2 方法评价 根据表1中各香气成分测定的浓度范围，采用二氯甲烷配制7级标准溶液，并加入质量浓度均为5 mg/L的喹啉、萘和正十七烷内标物。对系列标准工作溶液进行测定，以萘、喹啉和正十七烷分别作为5.5～20.4，20.4～27.8，27.8～52.0 min 3个时间段的内标物质，以标准工作溶液中各香气物质的定量离子峰面积与内标物定量离子峰面积的比值为纵坐标，各香气物质的质量浓度与内标物质量浓度的比值为横坐标，绘制标准工作曲线；选取各目标物最低质量浓度的标准溶液平行测定10次，以测定结果的3，10倍标准偏差分别作为方法检出限和定量限；选取空白剑桥滤片，按表1的质量浓度范围进行低、中、高3个水平加标，待充分静置吸收后，按1.2.3的方法处理后进行检测，每个浓度平行测定6 次，计算方法的回收率和相对标准偏差(RSD)。

1.2.3 样品检测方法 采用直线型吸烟机按加拿大深度抽吸模式(HCI)抽吸加热卷烟，抽吸容量55 mL，抽吸持续时间2 s，抽吸间隔30 s，抽吸口数均固定为8口，共抽吸3支烟，采用44 mm剑桥滤片捕集加热卷烟气溶胶。将捕集有气溶胶的剑桥滤片置于50 mL离心管中，加入15 mL含内标的二氯甲烷萃取溶液，室温下超声萃取30 min，过0.22 μm的有机滤膜，进行GC-MS/MS分析。对于超过标线质量浓度范围的样品，用含内标的样品萃取液稀释后再进行检测。

分析条件：色谱柱为DB-5MS弹性石英毛细管色谱柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)；进样口温度280 ℃；载气为氦气(≥99.999%)，恒流模式，流速1 mL/min；进样量1 μL；多级分流模式：0～1 min分流比为10∶1，1～5 min分流比为100∶1，5 min后分流比为20∶1。升温程序：初始温度50 ℃，保持2 min，以5 ℃/min升温至250 ℃，保持10 min。电子轰击源(EI)；电离能70 eV；离子源温度250 ℃；传输线温度280 ℃；CID碰撞气为氩气(≥99.999%)；溶剂延迟5.5 min；MRM多监测扫描模式。

1.2.4 数据处理 样品中各香气成分的浓度根据标准曲线计算得出，每支加热卷烟气溶胶样品中各香气成分的含量按式(1)计算：

(1)

式中：

X——各香气成分含量，μg/支；

C——由标准工作曲线得出的试样中各香气成分的浓度，μg/mL；

V——萃取液体积，mL；

n——抽吸加热卷烟支数，支。

试验中所有数据均采用平均值表示，所有指标均重复测定3次；采用Excel 2010软件进行试验数据处理和制表、采用Origin 2017软件绘图。

2 结果与讨论

2.1 分析条件优化

由图1可知，以二氯甲烷为萃取溶剂时，总出峰数最多、峰响应值最高；采用超声萃取目标物的萃取量显著优于涡旋萃取和振荡萃取；当萃取溶剂用量为15 mL时，目标物出峰个数和峰响应值均达到最大值，萃取溶剂用量>15 mL时，目标物稀释倍数增加，影响了低含量物质的检测；萃取时间>20 min时目标物出峰个数和峰面积响应值已达到较大值，>30 min后超声波水浴温度上升明显，可能影响挥发性较强物质的检测。综上，最终最佳萃取条件为：以二氯甲烷为萃取溶剂，采用超声萃取方式，萃取溶剂用量为15 mL，萃取时间为30 min。

图1 萃取条件对检出目标物个数和峰响应值总和的影响

2.2 方法评价

由表1可知，112种香气物质均具有良好的线性关系(R2>0.99)，回收率为75.2%～128.0%，RSD(n=5)<8.9%，方法的定量限为0.005～0.160 mg/L，表明试验方法检测结果稳定可靠，能满足加热卷烟气溶胶中香气物质的检测需求。

表1 方法评价结果

2.3 加热卷烟气溶胶中香味成分检出总量比较

由图2可知，不同品牌间、同品牌不同口味间香味成分均有明显差异。热化学分析结果表明加热卷烟气溶胶中的化学成分主要来自芯材及添加剂中化学成分的热解和挥发，烟碱和香味成分在挥发性成分析出阶段大量形成[17]，因此芯材和添加剂类型、加热温度均是影响不同加热卷烟气溶胶中香味成分差异的因素。

醇类成分中未包含L-薄荷醇

2.4 加热卷烟气溶胶中香味成分分类比较

2.4.1 酯类成分 由表2可知，所有样品气溶胶中均有检出的低级脂肪酸为乙酸己酯和乙酸异丁酯，高级脂肪酸为棕榈酸甲酯和棕榈酸乙酯，内酯为α-当归内酯和γ-癸内酯等。由于大部分酯类成分具有芳香性气味，不同品牌、口味样品气溶胶中具有显著差异的酯类可能来源于添加的香精，以提供其果香、酒香和花香等。如F品牌主要为果味型，其气溶胶中检出了含量较高的酯类成分，F1～F3中检出11.00～26.85 μg/支的乙酸己酯，F1、F2、F4和F5中检出2.86～10.92 μg/支的正己酸乙酯，F2、F3和F5中检出2.56～4.09 μg/支的癸酸乙酯，以及F1～F3中检出1.35～2.50 μg/支的乙酸异戊酯，均可带来水果香气；F3中检出8.23 μg/支的γ-癸内酯，是桃子香气的来源；F1中检出21.59 μg/支的L-乙酸薄荷酯，能提供柔和的薄荷和玫瑰香气；F5中检出4.26 的μg/支苯甲酸甲酯，具有冬青油和尤南迦油香气；F5中检出12.81 μg/支的乳酸乙酯，具有酒香气味；F2中检出6.22 μg/支的肉桂酸甲酯，具有可可香。其他品牌加热卷烟气溶胶中，M2中检出3.56 μg/支的十二酸乙酯，H4、H6、W5和W7中检出乙酸香茅基酯。

表2 加热卷烟气溶胶中酯类物质检测结果†

2.4.2 酮类成分 羰基是致香基团，具有不饱和结构的羰基化合物都具有优美的香气，是烟气中的主要致香成分。由表3可知，所有样品气溶胶中检出的酮类主要为茄尼酮、3-羟基-2-丁酮，以及呋喃酮和环戊烯酮。呋喃酮和环戊烯酮是半纤维素的热裂解产物，其含量高低受原料类型和温度等影响[12]，但F2、F3和F5中的4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮含量显著高于其他样品，F、K和M品牌中的甲基环戊烯醇酮含量高于其他品牌，可能是为增香而添加的。不同样品中具有显著差异的酮类成分还有F3、K3和K6中检出14.93～22.78 μg/支的左旋香芹酮，是留兰香味的来源；F中检出2.14 μg/支的苯乙酮，具有愉快的芳香气味；F2和H4中检出的β-紫罗兰酮含量高于其他样品，为1.01～1.13 μg/支，可提供木香和紫罗兰香气；在F、H品牌和W4中检出β-大马酮，可提供强烈的玫瑰花香。

表3 加热卷烟气溶胶中酮类物质检测结果†

2.4.3 醛类成分 糠醛类是糖类的低温裂解产物[18]，苯甲醛和苯乙醛是苯丙氨酸的代谢产物[19]。由表4可知，所有样品中均检出高含量的5-羟甲基糠醛、糠醛、5-甲基糠醛和苯乙醛。不同品牌、口味样品气溶胶中具有显著差异的醛类成分主要有：F2、F4、K4、M3中检出1.06～13.02 μg/支 的香兰素，F3、F4、K1、K3和K6检出1.72～4.36 μg/支的乙基香兰素，是增加香荚兰豆和奶香香气的主要成分；F3中检出6.02 μg/支的苯甲醛；F品牌中检出低含量的对茴香醛。

表4 加热卷烟气溶胶中醛类物质检测结果†

2.4.4 酚、醇类和烯烃成分 由表5可知，所有样品气溶胶中均有检出的酚类主要为2,4-二叔丁基苯酚、麦芽酚和愈创木酚，醇类为L-薄荷醇、糠醇、芳樟醇、苯甲醇，烯类为β-石竹烯和R-(+)-柠檬烯。不同品牌、口味样品气溶胶中具有差异性分类成分包括：M品牌中麦芽酚含量高于其他品牌，F3～F5中检出8.86～28.58 μg/支的乙基麦芽酚，可提供焦糖香味；F3中检出5.25 μg/支的4-乙基愈创木酚，具有木香。不同样品中主要差异性醇类成分为F、K和M品牌中糠醇含量高于其他品牌；F2、F5和K5中检出11.81～21.64 μg/支的芳樟醇，具有铃兰香气；F4中检出47.00 μg/支的苯甲醇，F3、F4中检出1.74～1.96 μg/支的苯乙醇，具有花样香气；F3、K3和K7中检出5.24～10.00 μg/支的香叶醇，是玫瑰香气的来源；部分样品中的α-松油醇含量也较高，可提供松针香气；薄荷口味样品中L-薄荷醇含量高于458.40 μg/支。此外F4和F5中检出44.27～64.75 μg/支的R-(+)-柠檬烯，可提供愉快新鲜橙子香气。

表5 加热卷烟气溶胶中酚类、醇类和烯类物质检测结果†

2.4.5 含氮成分 烟碱是加热卷烟气溶胶中主要的挥发碱。由表6可知，所有样品中均检测到高含量烟碱，是抽吸满足感的主要来源。吡啶、吡咯、吡嗪类衍生物来源于非酶棕化产物，所有样品中均检出2-甲基吡嗪、2-乙酰基吡咯和2,3,5-三甲基吡嗪，是烤香、甜香等的重要来源，其中M3中的2,3,5-三甲基吡嗪，以及F1、F3中的3-乙基吡啶含量明显高于其他样品。紫苏葶是一种甜味剂，在部分样品中有检出；WS-23和WS-3为凉味剂，M2中检出51.69 μg/支的WS-23，K1中检出123.19 μg/支的WS-3。

表6 加热卷烟气溶胶中含氮物质检测结果†

2.5 不同品牌同口味加热卷烟气溶胶中香味成分比较

选取不同品牌原味加热卷烟产品(H1、K2、W1、W6和M1)，比较并识别了不同品牌同口味样品气溶胶中主要差异的香气成分，其中均检出但含量差异较大(5个样品中含量的变异系数>50%)的香气成分见表7，这些成分可能是提供不同类型烟草原味的关键成分；部分或个别样品中检出的香气成分为乙基香兰素、乙基麦芽酚、4-乙基愈创木酚、α-松油醇、香叶醇、β-大马酮、左旋香芹酮、β-紫罗兰酮、二氢香豆素、2,6-二甲基吡啶、WS-3及多种酯类成分，这些成分可能是用于丰富烟草原味的特异性香气成分。

表7 原味加热卷烟气溶胶中主要差异的香气成分†

3 结论

采用超声萃取结合GC-MS/MS定量检测，建立了同时准确测定加热卷烟气溶胶中112种香气成分的方法，并成功用于28种加热卷烟气溶胶中香气成分的检测。同时识别了加热卷烟气溶胶中不同香气风格的物质基础，如高含量的关键香气成分有5-羟甲基糠醛、茄尼酮、麦芽酚、糠醇、β-石竹烯、乙酸己酯、乙酸异丁酯、α-当归内酯和2-甲基吡嗪等，差异性香味成分主要有L-薄荷醇、乙基麦芽酚、芳樟醇、香兰素、甲基环戊烯醇酮、3-羟基-2-丁酮、乙酸己酯、紫苏葶、WS-23等。后续可针对文中识别的加热卷烟的关键香气成分在加热条件下的释放迁移及利用效率进行研究。