加热不燃烧卷烟与传统卷烟热裂解指纹图谱分析评价

杨雪燕，段 勤，田飞宇，杨 屹，肯生叶

（云南养瑞科技集团有限公司，昆明 650217）

加热不燃烧卷烟（HNB）是利用特殊热源对烟草材料进行加热后释放烟气，烟草材料只受热并不燃烧的一种新型烟草制品［1，2］，相对于传统卷烟（TC）很大程度上降低了烟草制品对人体的危害［3］。由于HNB和TC的主体原料、生产工艺及烟用香精香料存在差异，从而导致不同烟草制品的化学组成存在一定差异［4］。化学成分分析已成为评价烟草材料的一种辅助手段，但烟草材料的成分复杂，单靠化学成分分析难以对其进行有效评价［5］。

指纹图谱是一种综合的、可量化的色谱鉴定手段，具有整体性和模糊性两大重要特征，能从宏观上整体反映表征样品所含化学成分的种类及数量［6］，并可通过主成分分析（PCA）、聚类分析（HCA）等统计学方法对数据进行挖掘，对其含有的大量复杂信息进行分析，得到一个客观、可定量的结果［7］。近年来指纹图谱技术在烟草行业及烟草制品品质分析领域得到了较广泛的应用，李军等［8］采用固相微萃取-气相色谱/质谱联用法建立了卷烟挥发性成分和半挥发性成分的特征指纹图谱，用于真假卷烟的鉴别；余苓等［9］采用烟丝硅烷化气相色谱指纹图谱对不同工艺制备的卷烟产品进行区分；曹建敏等［10］利用同时蒸馏萃取-GC/MS指纹图谱结合系统聚类法能准确识别出卷烟样品所属产区，并将不同产区的烤烟样品区分开来。前期报道主要以传统卷烟作为研究对象，采用常规提取技术对特征成分进行提取，很少借助热分析技术对卷烟样品进行研究。热裂解作为一种燃烧热解产物分析技术，具有操作简单、无需溶剂、样品用量少、分析速度快、重复性好等优点。由于加热时间短、二次反应少，裂解产物能够反映样品的初始组成及特征［11，12］。用热裂解技术对烟草材料进行分析，可以全面反映烟草材料的特征，并简化操作流程。

目前，鲜见将指纹图谱技术与裂解-气相/质谱法相结合用于HNB及TC烟草制品对比分析研究的报道。因此，建立了国内外HNB和TC烟草材料热裂解-气相色谱/质谱（Py-GC/MS）指纹图谱模型，并运用相似度计算、聚类分析法对HNB和TC烟草材料的组成差异进行评价，以期为不同烟草材料的区分提供判别依据。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

主要材料：9个国内外电加热型卷烟和国内传统卷烟产品。其中，HNB-A、HNB-B、HNB-C为国外稠浆法制备的不同品牌加热不燃烧卷烟制品，HNB-D为国外造纸法制备的加热不燃烧卷烟制品，HNB-E、HNB-F分别为国内干法和辊压法制备的加热不燃烧卷烟制品，TC-A、TC-B、TC-C为国内3家烟草公司生产的传统卷烟产品。

主要仪器：MS204S型电子天平，瑞士Mettler To⁃ledo公司；7890B-5977A型GC/MSD气相色谱-质谱联用仪，美国Agilent公司；Pyroprobe 5200型热裂解仪，美国CDS公司。

1.2 试验方法

1.2.1 样品Py-GC/MS分析 将卷烟样品中的烟草材料取出，剪碎为小于1 mm2的小碎片，称取（1.0±0.1）mg样品，置于热裂解仪专用石英管中，用石英棉塞住裂解管两端，然后将石英管转入热裂解仪中，按热裂解条件进行热裂解。裂解条件和GC/MS分析条件如下。

裂解温度：50℃，保持5 s，以20℃/s的升温速率升至350℃，保持5 s。裂解氛围：He气。色谱柱：VF-WAXms（30 m×0.25 mm×0.25μm）；载气为高纯氦气；进样口温度250℃；分流比为50∶1；色谱柱流量1.0 mL/min；升温程序：50℃，以4℃/min升至240℃，保持10 min；传输线温度250℃；电离方式：EI；电子能量70 eV；离子源温度230℃；四级杆温度：150℃；质量扫描范围35～550 amu。在裂解试验之间均穿插进行空白试验，以观察样品是否脱附完全。

1.2.2 数据处理 Py-GC/MS数据由NIST11数据库对照标准谱图检索定性，并采用色谱峰面积归一化法得到化合物的相对含量。将化合物的相对含量方差均一化处理，使所有化合物具有相同权重。采用“中药指纹图谱相似度评价系统”建立GC-MS指纹图谱进行相似度分析，并采用IBM SPSSStatistics软件进行系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 裂解条件的确定

传统卷烟的使用温度为600～950℃，烟支燃吸时会发生高温有氧裂解和燃烧反应，而HNB烟草制品的使用温度一般控制在250～350℃，主要发生挥发性物质的蒸馏和较低程度的裂解反应［13，14］。在无氧氛围中，较低温度条件下烟草材料成分主要通过蒸馏和弱的裂解反应释放出来［15，16］。由图1可知，HNB烟草材料在He氛围中4个温度段（250、280、310、350℃）的蒸馏裂解产物变化不大（各共有峰的相对保留时间和相对峰面积的RSD均小于3%，色谱图间的相似度大于0.95），证明在此温度梯度范围内烟草材料的蒸馏裂解基本达到平衡。为了综合考察HNB和TC烟草材料的初始组成成分特征，选择在350℃条件下进行无氧裂解。

图1 HNB烟草材料在不同温度下的裂解情况

2.2 色谱条件优化

现有文献对烟草材料的热裂解成分多采用弱极性的色谱柱（DB-5MS、Ultra 2）进行检测［17，18］，对于烟草材料体系中含量较大的多羟基醇溶剂（丙二醇、甘油）而言，弱极性的色谱柱易造成拖尾现象，且色谱峰重叠严重（图2a），不利于有效成分的分析及定量。本研究选用极性较强的VF-WAXms色谱柱进行分离，经优化升温条件和分流比后，待测成分能够得到较好分离（图2b）。

图2 HP-5MS和VF-WAXms色谱柱分离HNB裂解产物的色谱图

2.3 烟草材料的Py-GC/MS成分分析

经谱图解析发现，烟草材料的裂解产物主要有烟碱、醇类、醛类、酮类、酯类、酸类、苯系物和杂环化合物。筛选确定出分离度较好、质谱定性准确且样品中均可检出的共有峰32个，计算各峰的相对百分含量。对Py-GC/MS谱图的重复性进行了考察，32个共有峰相对峰面积的RSD（n=6）均小于3%，表明该方法重复性良好。

由表1可知，HNB卷烟中的乙酸甘油酯和甘油的相对含量明显高于TC卷烟；而TC卷烟中的乙酸、糠醛、过氧化乙酰丙酮、5-甲基呋喃醛、4-环戊烯-1，3-二酮、糠醇、呋喃酮、吡喃酮、5-羟甲基糠醛的相对含量较高，与其中含有丰富的糖类物质的裂解有关。

表1 HNB和TC烟草材料的热裂解成分

2.4 烟草材料裂解产物指纹图谱的建立及相似度计算

将9批烟草材料裂解产物的GC/MS色谱图及百分比数据导入“中药色谱指纹图谱相似度评价系统”，选择2～56 min内的色谱图进行分析，得到烟草材料裂解产物的指纹图谱（图3）。以HNB-A样品作为对照，经多点校正和色谱峰自动匹配后生成共有模式指纹图谱，并计算得出烟草材料裂解产物的相似度。由表2可知，HNB之间、TC之间的相似度较高，分别在0.878～0.999和0.986～0.998范围；且同由稠浆法制备的烟草材料HNB-A、HNB-B、HNB-C的相似度很高，均大于0.996；辊压法制备的烟草材料HNB-F与其余HNB烟草材料的相似度也较高，在0.962～0.990；而造纸法制备的烟草材料HNB-D与其余HNB烟草材料的相似度相对较低，在0.878～0.964。此外，HNB与TC之间的相似度低，在0.304～0.703。可见，同种工艺制备的烟草材料相似度偏高，不同工艺制备的烟草材料相似度偏低；且HNB与TC之间的相似度差异大，这种差异可能是造成产品风味特征（HNB产品烟熏香较弱）及有害成分差异（TC产品中苯系物含量更高）的重要原因。

表2 HNB和TC烟草材料的相似度

图3 9种烟草材料的裂解-气相色谱/质谱指纹图谱

2.5 烟草材料聚类分析（HCA）

采用IBM SPSSStatistics19.0软件，将9种烟草材料的量化指纹特征（色谱峰峰面积数据）作为变量进行“组间联接”系统聚类分析，以欧式距离平方为度量标准，获得烟草材料样品的聚类分析结果（图4），它直观地显示了样品逐步合并的过程，横坐标为临界值即为类间的距离，纵坐标为样品编号。临界值越小，表示谱图越相似。分析结果显示，当临界值为10时，样品分为两大类，HNB烟草材料聚为一类，TC烟草材料聚为一类；当临界值为5时，样品分为三类，HNB-A、HNB-B、HNB-C、HNB-F聚为一类，HNB-D、HNB-E聚为一类，TC单独聚为一类。

图4 9种烟草材料的系统聚类分析结果

进一步分析发现，辊压法制备的烟草材料HNB-F与稠浆法制备的烟草材料HNB-A、HNB-B、HNB-C聚为一类，这与指纹图谱相似度评价结果中HNB-F在与其他烟草材料的对比中，和HNB-A的相似度最高相互印证。造纸法制备的烟草材料HNB-D与干法制备的烟草材料HNB-E聚为一类，与指纹图谱相似度评价结果中，HNB-D和HNB-E间的相似度在与其他烟草材料对比中相似度最高结果相互印证。

2.6 HNB和TC烟草材料化学成分差异的原因分析

对烟草材料热裂解产物的指纹图谱分析及聚类分析评价表明，HNB与TC卷烟烟草材料区别明显，HNB之间不同制备工艺的烟草材料有一定区别。分析其主要原因为：①加热对象不同，TC卷烟的加热对象主要为切丝烟叶；而HNB卷烟的加热对象为烟草薄片，烟草薄片是利用烟梗、烟末等物料通过重组加工形成的产品［19］，其主要成分为烟粉、胶黏剂、保润剂（丙二醇和甘油）、增强剂、水、纤维和调配香精，本质上二者的化学成分差异明显。②制备工艺不同，TC卷烟材料是基于整个烟叶组织进行晾晒、烘烤、加料、加香等工艺环节制成；而HNB卷烟使用的烟草薄片，可以由辊压法、稠浆法、造纸法和干法等制作工艺制成，烟草原料的化学成分脱离了烟叶组织细胞的束缚。辊压法与稠浆法都是先将烟草原料预混后抄片，而造纸法与干法是先将烟草物质浸提后涂布、分散于纤维基片上，这也可能是造成辊压法与稠浆法裂解产物相似度高，造纸法与干法裂解产物相似度高的重要原因。③致香机理不同，TC卷烟燃吸可通过低温蒸馏、高温有氧裂解和燃烧等复杂反应使前体物质裂解产生上千种小分子物质，达到致香效果［20］；而HNB烟草材料需要在较低的加热温度下使有效成分迅速从基体中释放出来，以满足其特有的抽吸特征，其感官质量的提升主要是由保润剂携带出的添加剂赋予抽吸满足感［21］。以上这些因素造成了烟草材料在加热状态下的烟气组成、烟气状态、烟香特征不同，并对烟草材料的热裂解成分特征造成影响。

3 小结

由于HNB和TC卷烟烟草材料的加热对象、制备工艺及致香机理不同，导致其热裂解产物有较大差异。通过热裂解-气相色谱/质谱联用结合指纹图谱技术得到裂解指纹图谱，并筛选出32个共有峰。基于模式识别对样品进行判别分析，可以较好地区分HNB和TC卷烟及不同制备工艺的HNB卷烟。该方法能够简化大量复杂的成分信息，并为HNB及TC卷烟烟草材料区分及不同制备工艺的HNB卷烟材料的区分提供判别依据。本研究样本量相对较小，后期需要通过增加样本量，不断优化模型，以提高样本分析预判的准确性。