杂环类单体香料在电加热卷烟中的转移行为

朱梦薇，胡志忠，务文涛，胡 超，宋凌勇，梁 淼，李瑞丽，张峻松*

1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，郑州市中原区科学大道136号 450001

2.广西中烟工业有限责任公司，南宁市西乡塘区北湖南路28号 530000

加热卷烟是通过外界热源在加热非燃烧的条件下对再造烟叶、烟丝和烟草颗粒等不同形式的烟芯进行加热，从而释放出香味成分和烟碱的一类新型烟草制品，通常加热温度约为350 ℃，能够显著降低烟草材料因高温燃烧裂解产生的有害成分［1-5］。但由于原料受热条件和烟气生成方式的不同，加热卷烟存在一定程度的香味不足和生理强度满足感不强的特点［6-8］。加热卷烟加香技术是弥补香气特征和修饰烟气及口感的重要手段［9］，而单体香料作为加热卷烟调香的物质基础，其向加热卷烟烟支不同部分及烟气中的转移行为会直接影响应用效果。目前，国内外有关加热卷烟化学成分的研究主要集中于芯材原料的香味成分释放和转移分析［10］、毒理学评价［11-12］及气溶胶中有害成分研究［13-14］等方面，围绕单体香原料在加热卷烟中的转移释放行为研究较少，限制了加热卷烟调香技术的快速发展。

卷烟烟气中存在多种呋喃类、吡啶类和吡嗪类等杂环化合物，主要来源于原料中氨基酸、蛋白质和烟碱的热解反应以及糖与氨基酸发生的棕色化反应，大多数杂环化合物有较强的气味和较低的香味阈值［15］。其中，含氧杂环化合物具有焦甜香、枫槭香和烘烤香特征香味，为卷烟烟气中重要的香气成分，可以显著提高卷烟感官品质［16-17］；含氮杂环物质具有突出的坚果香、可可香和玉米香等香气特征，可为烟气增添浓烈的烤香，提高和改善卷烟的香味［18-19］。由于加热卷烟的芯材原料主要为再造烟叶，且抽吸时原料受热温度低，缺少生成杂环类香味成分的前体物和温度条件，使得加热卷烟烟气中杂环类香味成分的释放量不足，限制了杂环类香味成分对加热卷烟香气特征的彰显［20-22］。向烟芯中施加杂环类单体香料，利用其在抽吸时的释放转移行为可赋予加热卷烟产品特征香韵。因此，本研究中以8种代表性杂环类单体香料为研究对象，利用超声辅助萃取结合气相色谱分析法，研究了加热卷烟贮存及抽吸后单体香料在烟芯、降温段、滤棒和主流烟气粒相物中的分布，旨在阐明杂环类单体香料的转移规律，为加热卷烟调香用杂环类单体香料的应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

空白加热卷烟［（12 mm烟支段+8 mm中空段＋15 mm 降温材料段＋10 mm 醋纤滤棒）×圆周22 mm］（广西中烟工业有限责任公司提供）；iQOS3 MULTI 中心片式电加热烟具（美国Philip Morris International公司）。

2-甲基吡嗪、2-甲氧基吡嗪、2-乙酰基呋喃、2，3-二甲基吡嗪、2-乙酰基吡嗪和2-乙酰基吡啶（≥98%），2,6-二甲基-3-乙基吡嗪（99%），2,5-二甲基-3-乙基吡嗪（97%）和苯乙酸苯乙酯（内标，≥99%）（北京百灵威科技有限公司）；二氯甲烷（色谱纯，北京迪马科技有限公司）；无水乙醇、正己烷和异丙醇（色谱纯，天津大茂化工试剂厂）。

RM20H 型转盘式吸烟机（德国Borgwalt K C 公司）；7890B型气相色谱仪、5181-3360型微量进样器（10 μL）、PTEE 型有机相微孔滤膜（0.45 µm，美国Agilent 公司）；SB-3200DT 型恒温恒湿箱（德国Franz Binder 有限公司）；SB-3200DT 型超声波清洗机（宁波新芝生物科技股份有限公司）；EL204 型电子天平［感量0.000 1 g，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司］；剑桥滤片（ 44 mm，英国Whatman 公司）。

1.2 方法

1.2.1 标准溶液的配制

配制以异丙醇为溶剂、苯乙酸苯乙酯的浓度为31.6 μg/mL的内标溶液。精确称取一定量的各杂环类香料标准品于同一容量瓶中，用内标溶液逐级稀释，得到浓度分别为1.30、2.59、5.18、10.4、17.3、28.8、48.0、80.0 µg/mL的系列混合标准工作溶液。

1.2.2 加香加热卷烟的制备

参考徐如彦等［8］的方法，制备杂环类香料的添加量为烟丝质量0.1%的加香卷烟，然后置于密封袋内于（22±2）℃、相对湿度60%±5%的恒温恒湿箱中平衡48 h以上。

1.2.3 样品前处理

1.2.3.1 加香加热卷烟贮存期间杂环类单体香料分析

取8 支加热卷烟为一组，迅速将其分为烟芯段、降温段（包括中空和降温材料）和滤棒段。将这3段剪碎后分别转移至50 mL 锥形瓶中，各加入12 mL内标溶液，分别超声萃取20 min。取1 mL 萃取液，过有机相微孔滤膜后装入色谱瓶中进行GC 分析。分析条件：

色谱柱：HP-5MS 毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；进样口温度：250 ℃；检测器（FID）温度：280 ℃；载气：氦气（≥99.999%）；载气流速：1.0 mL/min；尾吹气：25 mL/min；空气：450 mL/min；氢气：40 mL/min；分流比：15∶1；进样量：1 μL；升温程序：

1.2.3.2 加香加热卷烟抽吸后杂环类单体香料分析

采用转盘式吸烟机并参考加拿大深度抽吸模式（HCI）的标准要求［23］抽吸加热卷烟。抽吸参数：抽吸容量55 mL、持续时间3 s、抽吸间隔30 s、抽吸11口，抽吸曲线为钟形。采用剑桥滤片捕集8支加热卷烟气溶胶中的粒相物，保留烟支。抽吸结束后，分别将剑桥滤片、滤棒和烟芯转移至不同的50 mL 锥形瓶中，分别加入10、12、12 mL 内标溶液，超声萃取20 min，取1 mL萃取液，过有机相微孔滤膜后装入色谱瓶中，同1.2.3.1节中的条件进行GC分析。

1.2.3.3 加香加热卷烟杂环类单体香料的逐口释放分析

采用配备逐口抽吸装置的转盘式吸烟机进行逐口抽吸，抽吸参数同1.2.3.2节，用11张剑桥滤片分别捕集对应于50 支加热卷烟11个抽吸口数序号的逐口气溶胶中的粒相物。抽吸结束后，将11 张剑桥滤片分别置于50 mL 的锥形瓶中，各加入10 mL 内标溶液，超声萃取20 min。取1 mL 萃取液，过有机相微孔滤膜后装入色谱瓶中，同1.2.3.1 节中的条件进行GC分析。

1.2.4 持留率、迁移率、散失率、转移率和截留率的测定

参考文献［8］的方法计算烟芯持留率、滤棒截留率、降温段迁移率、空气散失率、烟气转移率、滤棒截留率以及烟芯残留率。计算通式见公式（1）：

式中：T—某部位持留率（迁移率、残留率、转移率、截留率），%；D—某部位检出量，μg/支；A—外加香料量，μg/支。

1.2.5 数据分析

使用GraphPad Prism 8 计算转移行为指标间的线性相关方程，使用SPSS 21 软件通过皮尔逊相关系数法对香料沸点和转移行为指标进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 剑桥滤片、烟芯和滤棒前处理条件优化

2.1.1 萃取溶剂的选择

改变萃取溶剂的种类，分别考察4种不同溶剂对剑桥滤片、烟芯和滤棒中杂环类单体香料萃取量的影响，结果见图1。可知，异丙醇对剑桥滤片、烟芯和滤棒中各杂环类化合物均具有较高的萃取效率。这可能由于杂环类化合物与异丙醇的极性更接近，根据相似相溶原理，物质与其极性相近的溶剂互溶度大。因此，萃取溶剂选定为异丙醇。

图1 萃取溶剂对剑桥滤片（a）、烟芯（b）和滤棒（c）中杂环类单体香料萃取量的影响Fig.1 Effects of extraction solvents on extracted amounts of single heterocyclic flavors in Cambridge filter（a），tobacco section（b）and filter（c）

2.1.2 萃取方式的选择

不同萃取方式对剑桥滤片、烟芯和滤棒中香料萃取效果的影响结果见图2。可知，超声萃取对不同杂环类香味成分的萃取效果均具有明显优势。这可能是由于超声波能够对剑桥滤片的玻璃纤维结构进行破坏，且能够提升溶液温度，导致较多的杂环类化合物被释放到萃取溶剂中［24］。因此，萃取方式均选定为超声萃取。

图2 萃取方式对剑桥滤片（a）、烟芯（b）和滤棒（c）中杂环类单体香料萃取量的影响Fig.2 Effects of extraction modes on extracted amounts of single heterocyclic flavors in Cambridge filter（a），tobacco section（b）and filter（c）

2.1.3 萃取时间的选择

不同萃取时间（5，10，15，20，25 min）对剑桥滤片、烟芯和滤棒中杂环类香料萃取量的影响结果见图3。可知，20 min时各杂环类化合物的萃取量均最大，继续延长萃取时间，萃取出的杂环类化合物的量反而略有减小。原因可能为超声过程会发生空化效应，使得萃取温度不断升高，部分杂环类化合物会有少量的逸散。因此，均选择20 min作为萃取时间。

图3 萃取时间对剑桥滤片（a）、烟芯（b）和滤棒（c）中杂环类单体香料萃取量的影响Fig.3 Effects of extraction time on extracted amounts of single heterocyclic flavors in Cambridge filter（a），tobacco section（b）and filter（c）

2.1.4 萃取液体积的选择

不同萃取液体积（6，8，10，12，14 mL）对剑桥滤片、烟芯和滤棒中杂环类香料萃取量的影响结果见图4。可知，当萃取液体积为10 mL 时，剑桥滤片中的香料萃取效果最佳；当萃取液体积为12 mL时，烟芯和滤棒中的香料萃取量为最大值。这可能是由于当萃取液为10、12 mL时已经能够将剑桥滤片、烟芯和滤棒中的杂环类化合物萃取完全，继续增大萃取液体积会起到稀释作用。因此，选择10 mL 作为剑桥滤片的萃取液体积，选择12 mL 作为烟芯和滤棒的萃取液体积。

图4 萃取液体积对剑桥滤片（a）、烟芯（b）和滤棒（c）中杂环类单体香料萃取量的影响Fig.4 Effects of solution volume on extracted amounts of single heterocyclic flavors in Cambridge filter（a），tobacco section（b）and filter（c）

2.2 方法学验证

2.2.1 工作曲线、精密度、检出限和定量限

取标准工作溶液进行GC分析，以各杂环类单体香料标样与内标物质的峰面积比为横坐标，其浓度比为纵坐标，计算各杂环类单体香料的工作曲线。采用一致的前处理条件和GC条件重复实验5次，计算相对标准偏差（RSD）。结果（表1）显示，8 种杂环类单体香料在1.30～80.0 μg/mL 浓度范围内线性良好（R2≥0.999 2），检出限在0.008 9～0.234 9 μg/mL之间，定量限在0.029 6～0.782 9 μg/mL之间，RSD值在0.182 8%～3.051 2%之间。表明该方法重复性较好。

表1 单体香料标样的线性方程、RSD、检出限和定量限①Tab.1 Linear equations,RSDs,LODs and LOQs of standard samples of single flavors

2.2.2 加标回收率

选择标样加入法测定加标回收率，以8支加香加热卷烟样品为一组。取一组加香加热卷烟将烟芯和滤棒剥离，取另一组加香加热卷烟进行吸烟机抽吸；在烟芯、滤棒和抽吸后的剑桥滤片中分别加入低、中、高3个不同水平浓度的混标溶液，按照1.2.3节的方法进行分析（n=3），测定不同加标水平下剑桥滤片、烟芯和滤棒中8种杂环类单体香料的回收率，结果见表2。8 种杂环类单体香料的平均回收率在91.03%～109.12%之间。表明该方法回收率较高，适用于加热卷烟主流烟气、烟芯和滤棒中杂环类香料的测定。

2.2.3 溶液稳定性

采用内标溶液稀释加香溶液制备混合香料溶液（各单体香料的浓度均为50 μg/mL），在室温条件下放置0、2、5、9、12、24 h 后，根据1.2.3 节的方法进样测定，计算各杂环类单体香料与内标物的峰面积比值（表3）。由表3可知，8 种杂环类香料单体的RSD在0.552 9%～3.994 3%之间（n=3）。表明样品溶液在24 h内稳定。

表3 混合香料溶液的稳定性①Tab.3 Stabilities of mixed flavors solution

2.3 贮存期间杂环类单体香料的转移行为分析

按照1.2.3.1 节的方法，测定了各杂环类单体香料向烟支不同部位的转移率（表4）。结果表明：①8种杂环类单体香料的烟芯持留率在8.68%～69.30%之间，其中，2-乙酰基吡嗪的烟芯持留率最高，其次是2-乙酰基吡啶和2-乙酰基呋喃；②降温段和滤棒迁移率分别在1.12%～5.65%和4.58%～16.42%之间。8 种杂环类单体香料向滤棒的迁移率明显高于降温段，这可能是由于降温段由中空管及降温材料组成，吸附香料的能力比由醋酸纤维制成的滤棒差导致；③空气散失率在24.96%～71.50%之间，其中，2-乙酰基吡嗪的散失率最低，其次是2-乙酰基吡啶和2-乙酰基呋喃。整体而言，香料在烟芯中的持留率越高，其空气散失率、滤棒迁移率以及降温段迁移率越低。线性拟合后发现三者均与烟芯持留率存在不同程度的负相关关系（图5），其中，散失率与烟芯持留率的负相关关系最为显著。

图5 烟芯持留率与滤棒截留率、降温段迁移率和散失率间的相关性Fig.5 Correlations between retention rates by tobacco section and retention rates by filters，transfer rates to cooling section and loss rates to air

表4 8种杂环类单体香料在加热卷烟贮存期间的转移行为分析Tab.4 Analysis of transfer behaviors of eight single heterocyclic flavors in heated tobacco products during storing

2.4 抽吸后杂环类单体香料的转移行为分析

抽吸后杂环类香料的烟丝残留率、滤棒截留率和烟气转移率结果见表5。可知：①8种杂环类单体香料的烟芯残留率在5.21%～27.13%之间，其中，2-甲基吡嗪的烟芯残留率最低，其次是2-甲氧基吡嗪和2，3-二甲基吡嗪；②滤棒截留率在8.27%～22.72%之间，其中，2-甲基吡嗪的滤棒截留率最低，其次为2，3-二甲基吡嗪和2-甲氧基吡嗪；③向主流烟气粒相物的转移率在6.16%～28.49%之间，其中，2-乙酰基吡嗪的转移率最高，其次是2-乙酰基吡啶和2，6-二甲基-3-乙基吡嗪。

表5 8种杂环类单体香料在加热卷烟抽吸期间的转移行为分析Tab.5 Analysis of transfer behaviors of eight single heterocyclic flavors in heated tobacco products during smoking

由表5还可知，2-甲基吡嗪的烟芯残留率、滤棒截留率和烟气转移率均小于10%，可能与其贮存期间较大的散失率有关。2-乙酰基吡嗪和2-乙酰基吡啶向烟气的转移率≥26.49%，其中，2-乙酰基吡啶具有烟草特征香气，可用于烟草加香以增浓烟味，增强坚果、烘烤香韵；2-乙酰基吡嗪具有爆玉米花的香气，类似坚果的、面包皮的味道，可用于烟草加香以增强烟草的烘烤香、显示烟叶的自然风味［25］。两者在作为电加热卷烟烟芯加香的原料时，具有较高的香料有效利用率，可作为电加热卷烟香精调配中杂环类单体香料的优选。

2.5 相关性分析

利用皮尔逊相关系数法检验了沸点与各转移行为指标之间的相关性。由表6可知，沸点、烟芯持留率、烟芯残留率、滤棒截留率和烟气转移率两两之间存在极显著正相关关系（P＜0.01），相关系数在0.875～0.992 之间；沸点与滤棒迁移率、降温段迁移率、散失率之间存在不同程度的负相关关系，相关系数在0.783～0.900 之间。表明香料的挥发性和各转移行为指标之间密切相关，原因可能是香料的沸点越高，稳定性越好，在贮存期间的空气散失率以及转移率越小，烟丝持留率越高，进一步影响抽吸期间向烟气以及滤棒的转移率。此外，烟芯持留率与贮存期间其他转移指标间均显著负相关，并与抽吸期间各转移指标间均显著正相关，相关系数分别在-0.988～-0.733和0.928～0.972之间；贮存期间的散失率对抽吸时香料的转移指标有极显著影响；抽吸后的烟气转移率与贮存期间的烟芯持留率正相关，而与滤棒和降温段的迁移率负相关。

表6 沸点与香料单体转移行为指标的相关性分析结果①Tab.6 Correlation analysis between boiling points and transfer behavior indexes of single heterocyclic flavors

2.6 杂环类单体香料向主流烟气的逐口转移行为分析

各杂环类单体香料的逐口转移率结果见表7。可知，杂环类单体香料第1 口至第11 口的转移率介于0.32%～3.07%之间，其中，2-乙酰基吡嗪对应各抽吸口数序号的释放量均为最大，与2.4节所测主流烟气总粒相物转移率所得结果一致。另外，各杂环类单体香料的逐口转移率均随抽吸口数序号的增加呈现先增大后减小的趋势，当抽吸至第6口～第8口时，8种杂环类香料的逐口转移率最高。原因可能是iQOS烟具的加热方式为中心加热，随加热卷烟抽吸口数序号的增大，烟草材料的受热面积逐渐扩大，提高了杂环类单体香料向主流烟气的转移率；随抽吸口数序号的继续增大，杂环类单体香料不断受热蒸发，烟芯中持留逐渐减少，故而向主流烟气的转移率随之减小。

表7 加热卷烟气溶胶中8种杂环类单体香料的逐口转移行为分析Tab.7 Puff-by-puff releases of 8 single heterocyclic flavors in aerosol of heated tobacco product

2.7 互为同系物以及不同环结构的杂环类香料的转移行为

为研究互为同系物以及不同环结构的杂环类单体香料在加热卷烟中转移行为的差异性，对2-甲基吡嗪、2，3-二甲基吡嗪、2，6-二甲基-3-乙基吡嗪、2-乙酰基呋喃、2-乙酰基吡啶和2-乙酰基吡嗪的转移行为进一步分析，由图6可见，随单体香料的沸点升高，互为同系物以及不同环结构的杂环类单体香料的滤棒截留率、烟芯持留率、烟芯残留率、主流烟气粒相物转移率和逐口转移率逐渐增大；迁移率和散失率逐渐减小。说明由于同系物香料的吡嗪环上侧链依次增多，分子质量增加、分子结构变密集、沸点逐渐升高；3 种不同环结构的杂环类香料中，由于五元杂环分子内应力相比于六元杂环更大，性质更活泼，导致2-乙酰基呋喃稳定性最差；2-乙酰基吡嗪中含有两个氮原子，其分子对称性最好。因此，三者的稳定性为2-乙酰基吡嗪＞2-乙酰基吡啶＞2-乙酰基呋喃。2-甲基吡嗪、2，3-二甲基吡嗪、2，6-二甲基-3-乙基吡嗪、2-乙酰基呋喃、2-乙酰基吡啶和2-乙酰基吡嗪的逐口转移率的RSD 分别为33.25、29.36、16.87、10.96、14.78 和9.82，表明2，6-二甲基-3-乙基吡嗪、2-乙酰基吡嗪的逐口转移率曲线变化较为平缓。

图6 互为同系物以及不同环结构的杂环类单体香料的转移行为Fig.6 Transfer behaviors of homologues single heterocyclic flavors with different ring structures

3 结论

（1）8种杂环类香料单体的烟芯持留率在8.68%～69.30%之间，降温段迁移率为1.12%～5.65%，滤棒迁移率为4.58%～16.42%，散失率为24.96%～71.50%，烟芯残留率为5.21%～27.13%，滤棒截留率为8.27%～22.72%，向主流烟气粒相物的转移率为6.16%～28.49%，逐口转移率均随抽吸口数序号的增大呈现先增大后减小的趋势。

（2）香料单体的转移行为与其挥发性密切相关，香料的沸点、烟芯持留率、烟芯残留率、滤棒截留率和烟气转移率两两之间存在极显著正相关关系，香料的沸点与滤棒迁移率、降温段迁移率、散失率之间存在负相关关系。

（3）互为同系物以及不同环结构的杂环类香料，随侧链数量依次增多、沸点升高，其滤棒截留率、烟芯持留率、烟芯残留率、主流烟气粒相物转移率和逐口转移率逐渐增大，迁移率和散失率逐渐减小。

（4）2-乙酰基吡嗪和2-乙酰基吡啶的烟芯持留率、主流烟气粒相物转移率、逐口转移率较高，散失率较低，可为电加热卷烟烟芯加香时杂环类单体香料的选择提供参考。