6种香料在加热条件下的释放迁移及对气溶胶理化特性的影响

司晓喜，张凤梅，朱瑞芝，唐石云，杨继，刘春波，刘绍锋，崔华鹏

1.云南中烟工业有限责任公司 技术中心/云南省烟草化学重点实验室, 云南 昆明 650031；2.中国烟草总公司郑州烟草研究院, 河南 郑州 450001

0 引言

加热卷烟(Heated Tobacco Product，HTP)是指利用加热技术将烟草加热到200～350 ℃释放含烟碱气溶胶的一种新型烟草制品[1-2]. 由于HTP在热解过程中产生的香味成分明显减少，因此通常在HTP中添加适量的香料，以改善烟气质和烟气量[3].

传统燃吸型卷烟研究领域已广泛开展了烟用添加剂对烟气的影响研究，如烟用添加剂燃烧时向烟气的转移、裂解[4-6]，以及对烟气化学的影响等[7-9]，并着重关注了烟气有害成分的变化以评价烟用添加剂的安全性[10]. 与传统燃吸型卷烟相比，HTP具有加热速率慢、加热温度低、加热时间长等特点，因此,其中添加的香料在受到烟具加热时可能会表现出不同的热解和受热迁移行为. 目前，研究者只针对个别种类香料开展了加热条件下的释放分析，如Z.Czégény等[11]评估了5种香料(愈创木酚、香茅醇、肉桂酸、薄荷醇、酒石酸)在300 ℃低温加热条件下的化学稳定性,发现愈创木酚最稳定，香茅醇和肉桂酸产生了约1.5%的分解产物，薄荷醇产生了0.8%的分解产物，酒石酸生成了碳氧化物、水和环状化合物；M.Blazs等[12]研究发现，芳香族化合物在受热或氧化条件下的化学稳定性高度依赖分子的组成和结构，苯环上含有1～3个取代基(如甲基、甲酰基、乙酰基、羟基和甲氧基)的芳香族化合物较稳定，而其他芳香族化合物均发生了相对温和的氧化和热分解反应，产物占比约为10%. 张丽等[13]研究了HTP中烟草内源性物质或热解香气成分的转移情况，香味成分释放效率为13.2%～5 403.6%，即香味成分来源于原型迁移和受热转化过程. 王紫燕等[14]测定了HTP中9种凉味剂向烟气的释放情况，转移率为4.68%～42.53%. 然而，关于香料在加热条件下的热解反应和对烟气化学成分的影响，以及潜在生物效应评价研究还较为缺乏[15]，有必要进一步了解香料在HTP温度范围内的热稳定性、向烟气气溶胶的转移释放行为、对烟气气溶胶性质的影响等.

基于此，本文选取了6种代表性的香料，即凉味剂L-薄荷醇，N,2,3-三甲基-2-异丙基丁酰胺(WS-23)，具有花香、果香和烤香的代表性物质香叶醇，异戊酸异戊酯，2,3,5-三甲基吡嗪和2-乙酰基吡咯，通过研究这6种香料在加热条件下的释放迁移、对烟气气溶胶主要化学成分释放量和气溶胶粒径分布的影响，以期为HTP香料的选用提供理论基础和数据参考.

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

主要材料：空白HTP，不加香，烟支规格为长度45 mm(13 mm烟草材料段+6 mm中空支撑段+18 mm聚乳酸降温段+8 mm醋酸纤维过滤段)、圆周22.60 mm、单支质量(0.75±0.01) g，云南中烟工业有限责任公司提供.

主要试剂：无水乙醇(食品级，纯度≥99.99%)，禹城市创兴化工有限公司产；二氯甲烷、甲醇(色谱纯)，美国Merck公司产；丙二醇、丙三醇、1,4-丁二醇、2-甲基喹啉、萘标准品(纯度≥99%)，德国Dr. Ehrenstorfer公司产；烟碱标准品(纯度≥99.5%)，国家烟草质量监督检验中心提供.6种香料标准品相关信息见表1.

表1 6种香料标准品相关信息Table 1 Information of six flavor components

1.2 主要仪器与设备

Clarus 600型气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)，美国Perkin Elmer公司产;5250T型热裂解仪，美国CDS公司产；SM450直线型吸烟机，英国Cerulean 公司产；SCION456 GC-TQ型气相色谱-三重四极杆质谱联用仪(GC-MS/MS)，美国 Bruker 公司产；5977B型气相色谱-氢火焰离子化检测器(GC-FID)，美国Agilent公司产；SCS型模拟循环吸烟机、DMS500型快速粒径谱仪，英国Cambustion公司产.

1.3 实验方法

1.3.1 卷烟样品的制备选取空白HTP，在相对湿度45%、温度22 ℃的调节大气中平衡24 h后，用于制备添加不同香料的样品. 将HTP中6种香料的常用添加量设置为低水平添加量，同时制备低水平、高水平(高于常用添加量)添加量样品，具体添加情况见表2. 样品制备的具体步骤如下：采用无水乙醇配制一定质量浓度的香料溶液，吸取40 μL香料溶液，采用微量注射器按照少量多次的方式均匀注射于空白HTP的烟草材料段(简称芯材). 同时制备空白对照样品，即吸取40 μL无水乙醇，采用上述方法注射于空白HTP的芯材中. 将上述样品于相对湿度45%、温度22 ℃条件下平衡4 h以上，待香料充分吸收后进行后续检测.

表2 6种香料的添加情况Table 2 Additive amount of six flavourings

1.3.2 热解实验用无水乙醇将6种香料配制成一定质量浓度的溶液，分别移取1 μL上述溶液于样品管中，将样品管置于已调好预定温度的热解炉中，在设定的条件下进行热解反应，热解产物由载气直接导入GC-MS中进行分离和鉴定.

热解条件：氛围为空气，热解初始温度为30 ℃，保持5 s, 以10 ℃/s的升温速率升至350 ℃，保持5 s；吸附阱的吸附温度-50 ℃，脱附温度280 ℃，脱附时间2 min，传输线温度220 ℃.

GC测试条件：毛细管色谱柱DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，进样口温度250 ℃，载气为He(99.999%)，流速1 mL/min，分流比40∶1，升温程序为50 ℃，保持5 min，以3 ℃/min的升温速率升至100 ℃，再以5 ℃/min的升温速率升至260 ℃，保持10 min.MS测试条件：电子轰击离子源EI，离子源温度250 ℃，传输线温度280 ℃，质量扫描范围40～400 amu.

采用同样的GC-MS分析条件，将6种香料标准品溶液直接进样分析和鉴定，进样量1 μL，作为对照比较热解后的产物情况. 用NIST和WILEY标准质谱库，对检测到的物质进行定性和半定量分析.

1.3.3 烟气气溶胶和抽吸后烟支各部位香料的测定采用标准加热烟具, 按照加拿大深度抽吸模式(HCI)抽吸烟支，烟具加热温度为350 ℃，每支烟抽吸8口. 粒相物由剑桥滤片捕集，气相部分由串接于剑桥滤片之后的打孔吸收瓶(装有15 mL含内标物萘的CH2Cl2溶液)捕集，将吸收瓶置于含有异丙醇-干冰混合物的冷阱中. 抽吸完成后，将截留气溶胶粒相物的剑桥滤片、烟支芯材段、中空支撑段、聚乳酸降温段、醋酸纤维降温段分别放入锥形瓶中，分别加入15 mL含内标物萘的CH2Cl2溶液，超声萃取20 min后进样进行GC-MS/MS测定；捕集液混匀后取出，直接进样进行GC-MS/MS测定.

参照司晓喜等[16]报道的方法，优化并建立GC-MS/MS分析条件：色谱柱为DB-17柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)，进样口温度280 ℃，载气He，恒流流速1.0 mL/min，进样量1 μL，采用多级分流模式进样，分流比分别为10∶1(0～1 min)、100∶1(1～5 min)、20∶1(5 min后)，升温程序为初始温度50 ℃，保持2 min，以5 ℃/min的升温速率升至250 ℃保持10 min. MS检测采用MRM多监测扫描模式，2,3,5-三甲基吡嗪、2-乙酰基吡咯、异戊酸异戊酯、L-薄荷醇、香叶醇、WS-23的定量离子对(m/z)分别为122.1/81.0、109.1/94.0、85.1/57.0、95.2/67.1、123.0/81.0、129.2/114.1，内标物萘的定量离子对为128.0/101.9，其中异戊酸异戊酯为3个异构体的总和.

1.3.4 烟气气溶胶和抽吸后烟支各部位主要化学成分的测定按照1.3.3中的抽吸方式抽吸HTP，气相物采用含质量浓度均为2 mg/mL的1,4-丁二醇、2-甲基喹啉内标物的甲醇溶液捕集. 抽吸完成后，将截留气溶胶粒相物的剑桥滤片、烟支中空支撑段、聚乳酸降温段、醋酸纤维过滤段分别放入锥形瓶中，加入15 mL含质量浓度均为2 mg/mL的1,4-丁二醇、2-甲基喹啉内标物的甲醇溶液，超声萃取20 min后进行GC-FID测定；捕集液混匀后取出，直接进行GC-FID测定，测定条件参照蔡君兰等[17]的方法.

1.3.5 烟气气溶胶的粒径分布和烟雾量测定参照司晓喜等[18]的方法，采用模拟循环吸烟机和快速粒径谱仪在线分析系统，按照HCI抽吸模式抽吸1支卷烟，烟气气溶胶经二级稀释系统进行稀释，设置采样流量为15.0 L/min，二级体积稀释比为 200∶1，每类样品进行3次平行测定. 基于不同大小气溶胶颗粒电迁移率的差异进行粒径分级和检测，获得逐口烟气气溶胶的粒数粒径分布谱图、体积粒径分布谱图，进一步计算可得全部口数烟气气溶胶粒数浓度平均值、粒数中值直径平均值、体积浓度(烟雾量)平均值.

2 结果与讨论

2.1 6种香料的低温热解实验结果分析

为了解6种香料在低温加热条件下的释放行为，比较了6种香料直接进样(a1、b1、c1、d1、e1和f1)和热裂解进样(a2、b2、c2、d2、e2和f2)的总离子流色谱图(见图1). 由图1可以看出，6种香料在350 ℃以下、空气氛围中均以蒸发原型转移为主，L-薄荷醇、WS-23、异戊酸异戊酯、2,3,5-三甲基吡嗪和2-乙酰基吡咯均未检测到挥发性热解产物，其中异戊酸异戊酯为3个异构体的混合物，色谱图中出现3个峰，在直接进样和热裂解进样色谱图中3个色谱峰的峰面积比例未发生变化；香叶醇产生约3.3%的热解产物，在低温350 ℃下发生了较弱的脱氢、重排和氧化过程[19]，产生了少量的柠檬醛、β-香叶烯、顺式-β-罗勒烯等.

图1 6种香料直接进样和热裂解进样总离子流色谱图比较Fig.1 Comparison of total ion chromatograms of six flavourings by direct injection and pyrolytic injection

2.2 6种香料在加热抽吸条件下的释放迁移情况

HTP进行抽吸时，芯材中香料向烟气气溶胶的迁移除了与化合物的沸点、结构、稳定性、添加量等有关，还受滤嘴段(包括中空支撑段、聚乳酸降温段和醋酸纤维过滤段)对香料截留的影响. 在加热抽吸条件下，不同香料向烟气气溶胶和烟支部位的迁移情况见图2. 从图2可以看出，6种香料在加热条件下均容易从芯材中释放，最终在芯材中的残留率均低于7%. 6种香料在滤嘴段均有较大的截留率(即滤嘴段3个部位中检测到的香料总质量与添加量的比值)，为22.1%～83.3%，但不同香料的截留率差异较大，这影响了其向烟气气溶胶的迁移. 从向气溶胶的总迁移量(即在气溶胶粒相物和气相物中检测到的香料总质量与添加量的比值)来看，香叶醇和2-乙酰基吡咯向烟气气溶胶的总迁移率较低，为2.8%～8.1%，其他4种香料向烟气气溶胶的总迁移率为17.6%～54.4%；从向气溶胶粒相物与气相物的迁移情况来看，异戊酸异戊酯和2,3,5-三甲基吡嗪向烟气气溶胶气相物的迁移率分别为21.3%～24.3%、2.0%～2.8%，而其他4种香料均只向气溶胶粒相物中迁移. 这可能是因为中空段和滤嘴段材料为醋酸纤维，孔隙小，表面富含乙酰基、羟基基团，对含亲核基团物质结合作用较强；聚乳酸纤维孔隙稍大，亲水性差，对气溶胶中物质的截留可能主要依靠物质降温冷凝及聚乳酸本身受热变形后的包裹作用；香叶醇含有羟基，而2-乙酰基吡咯分子结构中含有乙酰基和仲胺，二者在滤嘴段会发生强吸附作用，因此向烟气气溶胶的迁移率最低. L-薄荷醇含有羟基，而WS-23含有酰胺基，二者在滤嘴段也有较强的吸附作用，但由于添加量较高，可能受吸附容量及烟气流洗脱作用的影响，因此向气溶胶的迁移率高于前二者；异戊酸异戊酯和2,3,5-三甲基吡嗪比其他4种香料沸点低，且其分子结构中含有的酯基、叔胺基的极性低于羟基、乙酰基等，受滤嘴段的截留作用相对较弱，一部分未冷凝形成气溶胶粒相物，存在于气相物中. 此外，还可以看出,2,3,5-三甲基吡嗪的回收率(即向烟气的迁移率、滤嘴段的截留率、芯材中残留率的总和)最低，可能是其沸点较低而容易损失所致.

图2 加热抽吸条件下6种香料向烟气气溶胶的迁移率、在滤嘴段的截留率和在芯材中的残留率Fig.2 The migration rate of six flavourings to smoke aerosol, the interception rate in the filter section and the residue rate in the tobacco material under heating and suction conditions

2.3 6种香料对加热卷烟气溶胶中主要化学成分释放的影响

丙三醇、丙二醇和烟碱是HTP气溶胶中的主要成分，其中丙三醇和丙二醇是主要发烟剂[20-21]，而烟碱是抽吸满足感的主要来源. 当HTP中加入一定量的香料后，由于香料的蒸发和/或热解作用，可能会影响烟碱和发烟剂的蒸发效率及其在烟支中的迁移传递. 图3为不同香料对HTP烟气气溶胶中主要化学成分释放的影响. 其中所检测样品的气溶胶气相物中丙二醇、丙三醇和烟碱含量均低于检出限，未能检出，即均分布于气溶胶粒相物中. 从图3可以看出，与不添加香料的空白样品相比，HTP中添加5%的L-薄荷醇、1%和2%的WS-23后，加热抽吸条件下烟碱、丙二醇和丙三醇向烟气气溶胶中的释放量均降低了20%以上，在滤嘴段的截留量也降低了10%以上，即从芯材中的释放总量降低；其他4种香料也使烟碱、丙二醇和丙三醇向烟气气溶胶中的释放量有所降低，但当添加0.08%的香叶醇、0.02%的2-乙酰基吡咯时，释放量均降低了10%以上，此外在所研究添加量范围下使烟碱、丙二醇和丙三醇在滤嘴段的截留量均降低了10%以下. 由于L-薄荷醇、WS-23、香叶醇和2-乙酰基吡咯的沸点均在212～233 ℃间，在350 ℃加热条件下均容易挥发释放，当添加量较高时，在一定程度上限制了芯材中其他化学成分的挥发释放，此外,添加的香料在滤嘴段的吸附也可能影响其他化学成分的吸附，从而降低其他化学成分的截留量.

2.4 6种香料对加热卷烟气溶胶粒径分布和烟雾量的影响

加热卷烟的芯材在加热条件下经过蒸馏、热解等作用会产生气-汽混合物，这些混合物随抽吸进入烟气流中，经成核、冷凝增长形成气溶胶. 芯材中添加的香料经挥发直接参与气溶胶的形成，同时会影响发烟剂等成分的蒸发，从而影响烟气气溶胶的形成和物理特性. 图4比较了6种香料对加热卷烟气溶胶粒数浓度、粒数中值直径(CMD)和烟雾量的影响. 从图4a)和b)可以看出，与不添加香料的对照样相比，当L-薄荷醇添加量达到5%时，气溶胶粒数浓度降低了28%、CMD增加了8%；当WS-23添加量分别为1%和2%时，粒数浓度分别降低了12%和14%，但对CMD的影响不大(变化量小于6%)；其他4种香料在所研究的添加量下对气溶胶的粒子浓度、CMD均无明显影响，与空白对照样相比,变化量均小于6%. 烟雾量受气溶胶粒数浓度和粒径大小共同影响，从图4c)可以看出，添加6种香料对烟气气溶胶的烟雾量影响不大，与空白对照样相比,变化量均小于5%. 结合以上结果分析，添加较高比例的L-薄荷醇，由于薄荷醇向烟气气溶胶迁移率高，减少了发烟剂及其他成分的递送(见图3)，但会增加粒子的团聚作用，因而明显改变了气溶胶的粒数浓度和粒径，进而可能影响烟气的感官品质.添加WS-23也会减少发烟剂及其他成分的递送(见图3)，从而使气溶胶粒数浓度降低，但对粒径影响不明显.

图3 6种香料对加热卷烟烟气气溶胶中主要化学成分释放的影响Fig.3 Effects of six flavourings on the release of major components in the HTP smoke aerosol

图4 6种香料对加热卷烟烟气气溶胶粒数浓度、粒数中值直径和烟雾量的影响Fig.4 Effects of six flavourings on particle number concentration, count median diameter (CMD) and smoke amount of HTP smoke aerosol

3 结论

本文采用模拟抽吸结合GC-MS/MS和快速粒径仪检测，研究了6种香料在加热卷烟产品中的受热迁移行为及对气溶胶理化特性的影响发现，6种香料在350 ℃加热条件下以原型蒸发转移为主，但受化合物本身性质和滤嘴材料截留作用等的影响，呈现不同的释放迁移特征，其中香叶醇和2-乙酰基吡咯向烟气气溶胶迁移率较低，为2.8%～8.1%，其余4种香料为17.6%～54.4%，此外只有异戊酸异戊酯和2,3,5-三甲基吡嗪向烟气气溶胶气相物转移. 当香料添加量较高时，会影响烟气气溶胶的理化特性，如L-薄荷醇添加比例达5%时，会使加热抽吸时丙二醇、丙三醇和烟碱释放量减小，气溶胶粒数浓度降低、CMD变大；WS-23添加量为1%、2%时也会使丙二醇、丙三醇和烟碱的释放量减少，气溶胶粒数浓度降低. 综上可知，香料在低温加热条件下的释放迁移行为及对烟气的影响，需结合香料本身的热化学性质、热解模式、添加量、滤嘴截留作用等进行综合评估，以便更全面地了解其在最终产品中的可能行为.