酸类香料在不同加香方式制备卷烟中的感官贡献度研究

蒋薇，司晓喜，张凤梅，刘志华，李明，唐石云，刘春波，朱瑞芝

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 650231；2.红塔烟草(集团)有限责任公司 玉溪卷烟厂，云南 玉溪 653100

0 引言

有机酸是一类重要的烟用香料，其作用主要体现在中和烟气碱性成分，调节烟气中质子化和游离态烟碱的比例，减轻烟气刺激性，增加烟气浓度，改善吸味，使烟气口感醇和等方面[1-3]，有机酸种类和含量会直接影响卷烟的香气和香味[4-5]。香气和香味是人体的嗅感和味感通过接收外界刺激引起的感官体验，目前主要通过香气活性值(Odor Activity Value，OAV)和味觉活性值(Taste Activity Value，TAV)评价致香成分的感官贡献度[6-9]，OAV/TAV是通过计算致香成分质量与其嗅觉/味觉阈值的比值得到。在OAV/TAV感官贡献度评价方法基础上，史清照等[10]将致香成分转移率与嗅觉阈值的比值定义为香气成分的加香贡献度，其中转移率代表致香成分被消费者感知到的量的大小，结合嗅觉阈值后可真实反映不同致香成分对卷烟烟气的感官贡献，然而该研究只考虑了致香成分对香气的影响，并未考虑对香味的影响。

基于此，本研究拟在已有OAV、TAV和加香贡献度评价致香成分感官贡献度方法的基础上，将致香成分的烟气粒相转移率与其嗅觉阈值/味觉阈值有效结合，定义其比值为嗅觉贡献度和味觉贡献度，考查在烟丝加香和爆珠加香两种方式下，戊酸、辛酸、癸酸3种有机酸在不同圆周卷烟中的嗅觉贡献度和味觉贡献度，以期全面反映不同酸类香料的应用特点，为香料辅助筛选、卷烟加香方式优化，以及卷烟产品香料配方设计提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

主要材料：常规基准烟支、中支基准烟支、细支基准烟支(滤棒长度均为30 mm，烟支长度分别为84 mm，90 mm、97 mm，圆周分别为24 mm、20 mm、17 mm)；常规爆珠烟支、中支爆珠烟支、细支爆珠烟支(滤棒长度均为30 mm，烟支长度分别为84 mm，90 mm、97 mm，圆周分别为24 mm、20 mm、17 mm，爆珠粒径分别为3.6 mm、3.0 mm、2.8 mm，距唇端距离均为15 mm)，爆珠中的酸类成分按厂家的生产实际使用比例进行添加，添加量以各种规格爆珠的经验检测值为准.所有烟支样品(滤嘴通风率约为10%)均由云南中烟工业有限责任公司提供。

主要试剂：戊酸、辛酸、癸酸、反式-2-己烯酸，均为色谱纯，德国Dr.Ehrenstorfer公司产；N,O-双(三甲硅基)三氟乙酰胺(BSTFA)，美国Sigma Aldrich 公司；二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、无水吡啶，均为色谱纯，美国Merck公司产。

主要仪器：Agilent 7693A Autosampler、Agilent 5977B GC/MSD、Agilent8890 GC System，美国Agilent 公司产；KBF240恒温恒湿箱，德国 BINDER 公司产；KQ-700超声波清洗箱，昆山市超声仪器有限公司产；BT 125 D电子天平(感量0.01 mg),德国赛多利斯科学仪器有限公司产；S0509/20744直线型吸烟机，美国斯茹林公司产；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，上海贝伦仪器设备有限公司产。

1.2 萃取溶剂优化与溶液配制

萃取溶剂优化：分别以二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺和无水吡啶为溶剂配制质量浓度为50 mg/L的戊酸、辛酸、癸酸混合标准溶液，分别准确移取500 μL上述3种混合标准溶液，加入20 μL BSTFA，密闭后于60 ℃水浴中反应60 min，进行GC-MS分析，以总峰面积和出峰个数比较溶剂的萃取效果，确定优选溶剂。

准确称取50 mg反式-2-己烯酸置于50 mL容量瓶中，用优选溶剂溶解并定容，配制质量浓度为1000 mg/L的内标储备液；用优选溶剂将内标储备液稀释为质量浓度为5 mg/L的内标工作溶液，即萃取溶液。

分别称取酸类标准品各0.05 g置于不同的5 mL容量瓶中，用优选溶剂定容，配制成10 000 mg/L的标准单标储备液；分别准确移取适量标准单标储备液于50 mL容量瓶中，用优选溶剂定容，配制10 mg/L、200 mg/L的混标储备溶液；分别准确移取适量200 mg/L混标储备溶液和125 μL内标储备液于25 mL容量瓶中配制5 mg/L、10 mg/L、25 mg/L、50 mg/L的混标工作溶液，用优选溶剂定容；分别准确移取适量10 mg/L混标储备溶液和125 μL内标储备液于25 mL容量瓶中配制0.05 mg/L、0.10 mg/L、0.50 mg/L、1.00 mg/L、5.00 mg/L、10.00 mg/L、25.00 mg/L、50.00 mg/L的混标工作溶液，用优选溶剂定容；所有标准混合工作溶液即配即用。

1.3 样品前处理

烟丝加香样品制备：为防止烟丝加香成分挥发散失，将基准烟支样品在(22±2)℃和相对湿度(60±2)%条件下平衡48 h，取出卷烟，常规烟、中支烟和细支烟按对应规格的添加量将爆珠油用微量注射器注入基准烟支烟丝中，注射完毕，迅速使用吸烟机在ISO 3308标准[11]条件下进行抽吸。

爆珠加香样品制备：将卷烟样品置于温度(22±1)℃、相对湿度(60±2)%的恒温恒湿箱中平衡48 h后进行抽吸，在抽吸之前激活爆珠。

爆珠样品中的酸类成分提取：随机取1颗爆珠于顶空瓶中，用1 mL一次性注射器压破爆珠，加入10 mL萃取溶液，使用注射器抽吸混匀后，超声萃取30 min，萃取液过0.22 μm滤膜，待衍生化处理。

气溶胶捕集：捕集5支卷烟烟气至两张剑桥滤片上，将剑桥滤片置于50 mL离心管中，加入15 mL萃取溶液，超声萃取30 min，然后用0.22 μm的有机滤膜过滤，待衍生化处理。

1.4 衍生化处理及其条件优化

各类样品衍生化前处理：准确移取500 μL样品萃取液，加入适量BSTFA，密封处理后置于适宜温度中反应60 min进行GC-MS分析。

衍生化温度优化：准确移取500 μL的50 mg/L标准溶液置于进样瓶中，加入20 μL BSTFA，分别在45 ℃、60 ℃、75 ℃、100 ℃和115 ℃温度下进行衍生化处理后，进行GC-MS分析，以总峰面积和出峰个数比较溶剂的萃取效果，确定衍生化适宜温度。

萃取液与衍生化试剂体积比例优化：以同一种卷烟烟丝为实验对象，超声萃取30 min后，取500 μL萃取液置于进样瓶中，分别加入15 μL、20 μL、50 μL的衍生化试剂BSTFA，封口，适宜温度水浴反应1 h，进行GC-MS分析，以总峰面积和出峰个数比较溶剂的萃取效果，确定萃取液与衍生化试剂适宜体积比。

1.5 GC-MS分析条件

GC分析条件：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 ℃；载气氦气(≥99.999%)；恒流模式1 mL/min；进样量1 μL；分流比5∶1。升温程序为初始温度50 ℃，保持2 min，以5 ℃/min速率由50 ℃升至200 ℃，以20 ℃/min升至280 ℃，保持10 min。

MS分析条件：电离方式EI，传输线温度250 ℃，离子源温度230 ℃，电离能量70 eV，溶剂延迟3.5 min，扫描模式为全扫描和选择离子模式(SIM)，全扫描质量扫描范围30～500 amu，特征化合物的选择离子参数见表1。

表1 特征化合物的选择离子参数Table 1 Selective ion parameters of characteristic compounds

1.6 标准工作曲线的建立

标准系列工作溶液的GC-MS分析按照色谱条件进行，用内标法定量。根据酸类化学成分标样的定量离子峰面积与内标峰面积的比值及标准工作溶液中目标物与内标物质量浓度的比值，使用Agilent MassHunter定量分析软件处理实验数据，并建立标准工作曲线。对每个物质的最低质量浓度标准溶液平行测定10次，计算测定值的标准偏差，以标准偏差的3倍作为方法检出限，以标准偏差的10倍作为方法定量限；根据已知含量的样品，分别按照低、中、高3个水平在剑桥滤片上加入标准溶液进行加标回收率的测定，每个水平平行测定5次，计算回收率及相对标准偏差(RSD)，以RSD结果评价方法重复性。

1.7 有机酸转移行为评价方法

根据1.5中方法测试不同加香方式下3种有机酸向不同圆周卷烟样品主流烟气粒相物中的转移量，按下式计算有机酸主流烟气粒相转移率T：

其中,M为加香样品抽吸后粒相物中有机酸的含量/(μg·支-1)；M0为空白样品抽吸后粒相物中有机酸的含量/(μg·支-1)；W为有机酸在卷烟中的添加量/(μg·支-1)。

本文实验方法的萃取环境为酸性，文献[12]中总烟碱的测定是通过加入氢氧化钠调节pH值进行的，因此此处仅考虑烟气中以有机酸形态存在的酸的转移率，不考虑结合为烟碱盐部分的酸的转移。

1.8 有机酸嗅觉贡献度和味觉贡献度分析方法

3种有机酸的主流烟气粒相转移率主要以其含量为基础反映香气成分在卷烟加香中的利用率，并未综合考虑其对感官效应的影响。与卷烟抽吸感受密切相关的是嗅觉和味觉，为了更加全面地表征不同香料在卷烟中的作用，笔者在主流烟气粒相转移率基础上结合嗅觉阈值评价3种有机酸在不同加香方式下的嗅觉贡献度。根据各酸类单体香料通过烟丝加香或爆珠加香后的主流烟气粒相转移率和嗅觉阈值[13]，计算该酸类香料的嗅觉贡献度，计算公式如下：

味觉贡献度是在主流烟气粒相转移率基础上，结合味觉阈值提出的，可以更全面地反映香料引发的味觉感官效应。根据各酸类单体香料通过烟丝加香或爆珠加香后的主流烟气粒相转移率和味觉阈值[13]，计算该酸类香料的味觉贡献度，计算公式如下：

2 结果与讨论

2.1 样品前处理条件的优化结果与分析

二氯甲烷、DMF和无水吡啶3种萃取溶剂优化结果如图1所示。由图1可知，对于辛酸和癸酸，二氯甲烷的萃取效果最好；对于戊酸，二氯甲烷萃取效果略低于无水吡啶。综合考虑，选取二氯甲烷为萃取溶剂。

图1 萃取溶剂优化结果Fig.1 Investigation results of extraction solvent

衍生化温度的优化结果如图2所示。由图2可知，75 ℃时，戊酸和癸酸的出峰面积最大，但杂峰较多；60 ℃时，辛酸的出峰面积最大，戊酸和癸酸的出峰面积略低于75 ℃，但3种峰的峰形较好，杂峰干扰较少。因此选取60 ℃为衍生化温度。

图2 衍生化温度优化结果Fig.2 Investigation results of derivatization temperature

萃取液与衍生化试剂体积比优化结果如图3所示。由图3可知，当萃取液与衍生化试剂的体积比为25∶1时，3种有机酸都能检出，因此选取25∶1为萃取液与衍生化试剂体积比例。

图3 萃取液与衍生化试剂体积比优化结果Fig.3 Investigation results of volume ratio of extraction solution to derivatization reagent

在优化的前处理条件下，选择离子模式(SIM)下3种有机酸混合标准溶液的GC-MS谱图如图4所示，典型烟气样品的GC-MS谱图如图5所示。由图4和图5可知，该处理条件下，选取的特征离子选择性好，抗干扰能力强，可实现3种有机酸的有效分离，适合复杂基质样品的定性定量分析。3种有机酸的检测方法评价结果如表2所示。由表2可知，3种有机酸相关系数R2均大于0.99，表明在其各自的线性范围内线性关系良好，检出限为0.018 2～0.032 3 mg/L，定量限为0.060 8～0.107 8 mg/L，重复性为0.87%～1.42%，回收率为80%～120%，在该优化条件下测定结果稳定可靠。

图4 选择离子模式(SIM)下3种有机酸混合标准溶液的GC-MS谱图Fig.4 GC-MS chromatograms of three keyacids mixed standard solutions components under SIM mode

图5 选择离子模式(SIM)下典型烟气样品的GC-MS谱图Fig.5 GC-MS chromatograms of typical cigarette smoke samples under SIM mode

表2 3种有机酸的检测方法评价结果Table 2 Evaluation results of detection methods for three acids

2.2 有机酸在不同加香方式下的主流烟气粒相转移率

3种有机酸在不同加香方式下的主流烟气粒相转移率结果如图6所示。由图6并结合3种有机酸的物化参数(见表3)可得如下结果。1)爆珠加香方式下，随着3种有机酸的相对分子质量减小，沸点降低，主流烟气粒相转移率升高；烟丝加香方式下，在细支烟中戊酸的主流烟气粒相转移率较高，其他规格卷烟中的戊酸、辛酸、癸酸的主流烟气粒相转移率皆随相对分子质量增大、沸点升高而增高。2)对于挥发性有机酸(戊酸)，在3种圆周卷烟中爆珠加香的转移率皆高于烟丝加香，两种加香方式下主流烟气粒相转移率的大小顺序均为细支烟>中支烟>常规烟；对于半挥发性有机酸(辛酸、癸酸)，在3种圆周卷烟中烟丝加香的转移率皆高于爆珠加香，爆珠加香下两种酸转移率的大小顺序是常规烟>中支烟>细支烟，烟丝加香下两种酸主流烟气粒相转移率的大小顺序是细支烟>中支烟>常规烟。根据上述结果可知，两种加香方式下有机酸类香料的挥发性和卷烟烟支主流烟气的流速都是影响主流烟气粒相转移率的重要因素。爆珠加香中，香料受热温度较低，沸点越低、相对分子质量越小的挥发性有机酸类香料,越有利于提高主流烟气粒相转移率；烟丝加香中，香料受热温度较高，沸点越高、相对分子质量越大的半挥发性有机酸类香料,越有利于提高主流烟气粒相转移率，这与蔡君兰等[14]的研究结果一致。不同烟丝加香方式下，挥发性及半挥发性有机酸都是在细支烟中的主流烟气粒相转移率最高，可能是因为细支烟的圆周截面较小，抽吸时的烟气流速较快，关键成分在滤嘴中驻留时间较短，滤嘴对其过滤效率较低[15-17]。爆珠加香方式下半挥发性有机酸的转移率随烟支圆周的增大而增大，这可能是因为随着有机酸挥发性的降低，烟支流速成为影响主流烟气粒相转移率的关键因素。在常规烟支中，爆珠粒径较大，捏破爆珠后滤棒中的空腔在3种规格的卷烟中也是最大的，主流烟气在滤嘴中受到的阻力减小从而流速增快，烟气温度更高[18-19]，进而使转移率增大。

图6 3种有机酸在不同加香方式下的主流烟气粒相转移率Fig.6 Calculation results of transfer rate of three acids under different flavoring methods

2.3 3种有机酸在不同加香方式下的嗅觉贡献度

3种有机酸在不同加香方式下的嗅觉贡献度如图7所示。由图7可以看出：1)两种加香方式下,3种有机酸类香料的嗅觉贡献度排序嗅觉贡献度高度一致；2)爆珠加香方式下，嗅觉贡献度大小顺序是辛酸>戊酸>癸酸，辛酸的转移能力约为戊酸的0.2～0.6倍，但能带来的嗅觉效果却远远高于戊酸，其嗅觉贡献度约为戊酸的13～42倍；3)烟丝加香方式下，嗅觉贡献度大小顺序是辛酸>戊酸>癸酸，辛酸的转移能力约为戊酸的0.5～2倍，但其嗅觉贡献度约为戊酸的32～115倍，带来的嗅觉效果远远高于戊酸，此外辛酸的主流烟气粒相转移率与癸酸相近，但嗅香贡献度却存在200倍左右的差距。

图7 3种有机酸在不同加香方式下的嗅觉贡献度Fig.7 Calculation results of olfactory contribution of three acids under different flavoring methods

可见，两种加香方式下，不同圆周的烟支中，辛酸的嗅觉贡献度在3种有机酸中都是最佳的。《调香术》[20]中通过综合分、香比强值、香品值和留香值评价香料的优劣，综合分反映的是香料的香气强度、留香效果和香气品质的综合评价值，分值越高，香料的综合质量越好；香比强值反映的则是香料的香气强度，强度越大，配方中需要使用的香料含量越少。从3种有机酸的感官信息(见表3)可以看出，辛酸和癸酸的综合得分相同，但癸酸的香比强值较低，即癸酸需要较高的添加量和主流烟气粒相转移率才能达到与辛酸相同的加香效果。转移行为研究中发现，爆珠加香时辛酸的主流烟气粒相转移率略高于癸酸，烟丝加香时辛酸的主流烟气粒相转移率略低于癸酸，但两种加香方式下辛酸的嗅觉贡献度都远高于癸酸，可知辛酸在3种有机酸中的加香效果最佳，与文献[20]中的评价结果一致。

表3 3种有机酸的物化参数及感官信息Table 3 Physicochemical parameters and sensory information of 3 acids

2.4 3种有机酸在不同加香方式下的味觉贡献度

3种有机酸在不同加香方式下的味觉贡献度如图8所示。由图8可以看出，爆珠加香方式下，主流烟气粒相转移率与味觉贡献度排序相同，都是戊酸>辛酸>癸酸，戊酸的转移能力约为辛酸的1.5～5倍、癸酸的4～20倍，但戊酸的味觉阈值较辛酸和癸酸小，综合该因素计算后发现戊酸的味觉贡献度为辛酸的300～960倍、癸酸的650～2800倍，感官效应增加明显；烟丝加香方式下，主流烟气粒相转移率的排序是癸酸>辛酸>戊酸(除细支烟的戊酸较高外)，味觉贡献度却是戊酸>癸酸>辛酸，常规烟和中支烟中戊酸的主流烟气粒相转移率虽然最低，但却能带来较好的味觉效果。

图8 3种有机酸在不同加香方式下的味觉贡献度Fig.8 Calculation results of taste contribution of three acids under different flavoring methods

可见，不论何种加香方式、何种圆周的卷烟，戊酸的味觉贡献都是相当明显的，冒德寿等[21]通过味觉活力值分析鉴定出烟气中的关键酸味物质为甲酸、乙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸、戊酸、乳酸和琥珀酸，冒德寿等[21]和本文中的研究结果都显示,戊酸是烟气酸味的主要来源。对比3种有机酸的嗅觉贡献度与味觉贡献度的比值发现，戊酸、辛酸和癸酸对烟气的感官贡献都主要以嗅觉效应为主，辛酸和癸酸的嗅觉效应尤为突出。范武等[22]对乙酸、丁酸、异戊酸和戊酸的嗅觉与味觉贡献度进行比较发现，这些酸香成分的感官贡献以嗅觉效应为主，这与本文中戊酸的主要感官效果一致。

3 结论

本文研究了在烟丝加香和爆珠加香两种加香方式下，戊酸、辛酸、癸酸3种有机酸在不同圆周卷烟中的主流烟气粒相转移率，并结合嗅觉阈值、味觉阈值定义嗅觉贡献度和味觉贡献度,得到如下结论。1)在两种不同加香方式和不同圆周的卷烟中，就主流烟气粒相转移率大小而言，挥发性有机酸(戊酸)更适合采用爆珠加香的添加方式，半挥发性有机酸(辛酸、癸酸)更适合采用烟丝加香的添加方式。2)在不同加香方式下，挥发性有机酸都是在细支烟的主流烟气粒相转移率最高，烟丝加香方式下半挥发性有机酸在细支烟的主流烟气粒相转移率最高，爆珠加香方式下半挥发性有机酸的主流烟气粒相转移率则随烟支圆周的增大而增大。3)不同加香方式和不同圆周的卷烟中，辛酸的嗅觉贡献度最佳，戊酸的味觉贡献度最佳，3种有机酸的感官贡献都是以嗅觉效应为主。本研究可为卷烟产品香料配方设计提供数据支撑。