通风分配对主流烟气代表性酚类香味成分释放量的影响

王冰，范忠，李河霖，刘绍峰，陈志燕，刘鸿，彭斌，蔡君兰

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南 郑州 450001;2.广西中烟工业有限责任公司 技术中心，广西 南宁 530000;3.吉林烟草工业有限责任公司 技术中心，吉林 延吉 133000

0 引言

卷烟通风技术是降低焦油释放量较为直接、有效的途径，其原理是将空气引入主流烟气，降低经燃烧锥进入烟支的气流速率，稀释烟气，改变烟丝燃烧环境和化学成分传输过程[1]。卷烟通风的实现包含两个方面，一是卷烟纸通风，即使用高透气度卷烟纸稀释烟气；二是滤嘴通风，通过在接装纸上打孔或选择高透气度成型纸实现。通风技术可以减少烟气有害成分，但同时也降低了卷烟香味成分，导致卷烟烟味变淡、香气减弱，弱化了卷烟产品原有风格，影响了卷烟烟气感官品质[2]。卷烟通风分配是指相同总通风率条件下的纸通风率和滤嘴通风率的组合搭配，适宜的通风分配可以提高卷烟感官品质。

部分酚类物质是烟叶中的重要致香成分，在烟支燃吸期间，通过蒸发直接进入烟气，对烟气香味产生影响，增加烟气的奇异味道，且不易被其他致香剂消减[3]。例如，麦芽酚、乙基麦芽酚是烟草焦甜香的特征成分[4]，乙基麦芽酚是麦芽酚的同系物，其增香能力比麦芽酚强，有更浓的香味和更强的挥发性，是国家标准[5]中允许使用的食品用合成香料，可作为烟草、食品、饮料、香精、果酒、日用化妆品等的香味改良剂[6]。丁香酚是具有辛香风格的天然香料的重要香味成分，主要用于配制薄荷、坚果、辛香型食品香精和烟用香精[7]。愈创木酚、4-乙烯基愈创木酚、4-乙基苯酚、2,6-二甲基苯酚、2,6-二甲氧基苯酚是烟熏香的重要成分，苔黑酚是树苔净油和浸膏的主要成分[8-9]，将其应用于卷烟加香后，可掩盖烟草杂气和泥土气息，明显增加烟气浓度，改善口腔和喉部的舒适感。

目前，对于烟气中酚类物质的研究多集中于烟气中简单酚对人体健康的影响方面[10-11]，而卷烟通风分配对烟气香味成分释放的影响，多涉及烟气中醛、酮、酸、酯及氮杂环类碱性物质的研究[12-14]，对重要酚类香味成分的对比分析则鲜有报道[15]，且未将滤嘴通风与纸通风一起作为通风的不同形式综合考虑，无法为卷烟通风设计提供系统的数据支持。鉴于此，本文拟以9种代表性酚类香味物质(麦芽酚、乙基麦芽酚、丁香酚、愈创木酚、4-乙烯基愈创木酚、4-乙基苯酚、2,6-二甲基苯酚、2,6-二甲氧基苯酚、苔黑酚)为研究目标，考查滤嘴通风率、纸通风率及通风分配对常规卷烟和细支卷烟烟气中酚类香味物质释放量的影响，探索卷烟主流烟气酚类香味成分的传输规律，为卷烟通风设计的优化和香味成分补偿技术提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

1.1.1 试剂和仪器主要试剂：麦芽酚、乙基麦芽酚、丁香酚、愈创木酚、4-乙烯基愈创木酚、4-乙基苯酚、2,6-二甲基苯酚、2,6-二甲氧基苯酚、苔黑酚，纯度均>98.0%，百灵威公司产；乙酸苯乙酯(纯度>98.0%)、乙酸乙酯(色谱纯)，美国Sigma Aldrich公司产。

主要仪器：Aglient 7890-5975型GC-MS仪器，美国安捷伦公司产；Borgwaldt RM20 H 型20孔道转盘型吸烟机，德国Borgwaldt KC GMBH公司产；KQ-700DE型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产；CP2245电子天平，德国Sartorius公司产；0.45 μm有机相滤膜，上海安谱科学仪器有限公司产。

1.1.2 卷烟样品采用相同烟丝，卷制具有不同滤嘴通风率和卷烟纸透气度的常规卷烟和细支卷烟，常规卷烟滤嘴通风通过预打孔接装纸实现，细支卷烟滤嘴通风通过在线打孔方式实现，卷烟样品设计方案见表1。

表1 卷烟样品设计方案

依据《卷烟和滤棒物理性能》(GB/T 22838—2009)[16]对卷烟质量、开式吸阻、滤嘴通风率、总通风率等卷烟物理参数进行测定；依据《卷烟 用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》(GB/T 19609—2004)[17]对卷烟焦油释放量进行测定。卷烟样品的物理参数及焦油释放量如表2所示。由表2可知，所有烟支质量基本一致，细支卷烟变异系数为1.4%，常规卷烟变异系数为0.9%，滤嘴通风率基本达到设计要求，纸通风率随卷烟纸透气度升高而增加，卷烟样品符合设计要求。

表2 卷烟样品物理参数及焦油释放量

1.2 实验方法

参照文献[11]对烟气中9种酚类化合物进行分析，将卷烟样品置于(22±1)℃，相对湿度为(60±2)%的环境中平衡48 h，然后选择(平均质量±0.02)g的烟支作为测试烟支。采用直线式吸烟机按照ISO标准条件抽吸卷烟，即每60 s抽吸一口，每口抽吸容量35 mL，抽吸持续时间2 s。用直径44 mm的剑桥滤片捕集卷烟主流烟气总粒相物，每张滤片收集5支卷烟的总粒相物。

将捕集5支卷烟主流烟气粒相物的剑桥滤片放入50 mL锥形瓶中，加入10 mL乙酸乙酯萃取溶液，并准确加入50 μL内标溶液(1 mg/mL的乙酸苯乙酯)，密封膜密封，超声萃取20 min，取萃取液，过0.45 μm微孔滤膜，对滤液进行GC-MS分析，选择离子监测(SIM)定量分析检测目标成分。

仪器分析条件如下：色谱柱为DB-5 MS(60 m×0.25 μm×0.25 mm)；程序升温为初始温度60 ℃，然后2 ℃/min升至150 ℃，保持5 min，再以10 ℃/min升至250 ℃，以20 ℃/min升至280 ℃保持10 min；进样量1 μL；进样口温度290 ℃；分流比10∶1；载气He，流速1.5 mL/min；传输线温度290 ℃；电离方式EI；离子源温度230 ℃；电离能量70 eV；四极杆温度150 ℃；质谱质量扫描范围为26～400 amu；监测模式为全扫描模式和选择离子扫描模式。

为验证酚类香味成分分析方法的精密度和准确度，选择样品N14进行平行实验，每天1次，连续5次，并在样品实际含量水平、样品实际含量的1/2水平及样品实际含量的2倍水平进行回收率实验。

2 结果与讨论

2.1 酚类香味成分分析方法的表征结果

9种酚类香味成分质谱参数、相对标准偏差(RSD)及回收率如表3所示。由表3可知，9种酚类香味成分定量分析的变异系数在3.6%～8.3%范围内，加标回收率约为88%～106%，说明本文所用酚类香味成分分析方法具有良好的精密度及准确度，可用于卷烟烟气酚类香味成分的分析研究。

表3 9种酚类香味成分质谱参数、RSD及回收率

2.2 卷烟烟气中酚类香味成分的释放规律

在滤嘴通风率约为0(N1—N4、S1—S4)的条件下，考查纸通风率对卷烟烟气中9种酚类香味成分释放量的影响。将纸通风率与卷烟烟气中9种酚类香味成分释放量进行线性拟合，结果如表4所示，DPN、DPS分别表示常规卷烟、细支卷烟中纸通风率每增加1%酚类香味成分释放量的降低率。由表4可知，对于常规卷烟和细支卷烟，9种酚类成分释放量与纸通风率均呈显著负相关(线性方程斜率为负值，R2≥0.89)，即随着卷烟纸透气度的增加，主流烟气中9种酚类香味成分释放量降低，其主要原因可能是纸通风率随着卷烟纸透气度的增加而增加，从燃烧锥后面进入卷烟的气流也增加，燃烧锥的抽吸容量及产生的烟气量随之减少。主流烟气成分通过卷烟纸向外扩散的程度也随透气度的增加而增加，从而减少了其在主流烟气中的释放量，该方面对分子量较小的化合物的影响更大。因此，实验结果中分子量较小的麦芽酚、4-乙基苯酚、愈创木酚、苔黑酚降低率较高；分子量较大的丁香酚降低率较低。另外，卷烟的阴燃速率随卷烟纸自然透气度的增加而增加，这将导致通过抽吸燃烧的烟丝量即抽吸口数减少，烟气成分也会随之降低[18-19]。

在各卷烟纸透气度下(N5—N16、S5—S16)，将9种酚类香味成分释放量与滤嘴通风率进行线性拟合，结果如表5所示，其中DFN、DFS分别表示常规卷烟、细支卷烟中滤嘴通风率每增加1%酚类香味成分释放量的降低率。由表5可知，对于常规卷烟和细支卷烟，在不同卷烟纸透气度下，9种酚类香味成分释放量与滤嘴通风率均呈显著负相关(线性方程斜率为负值，R2≥0.80)，即烟气中9种酚类香味成分释放量随滤嘴通风率的增加而降低，主要是因为烟气滤嘴通风让环境烟气进入烟支，相当于降低了抽吸容量，因此抽吸时消耗的烟丝量减少，主流烟气成分释放量相应减少[20]。其中，分子量较小的麦芽酚、乙基麦芽酚降低率较高，分子量较大的丁香酚降低率较低。这是因为滤嘴通风使得烟气流速降低，烟气在烟支内的停留时间延长，使得更多低分子量成分扩散出烟支[21]。

2.3 通风率对不同卷烟酚类香味成分释放量的影响

由表4可知，纸通风率每增加1%，常规、细支卷烟中9种酚类香味成分释放量降低率分别为0.9%～2.6%和0.5%～1.0%，两者释放量降低率之比(即DPN/DPS)为1.6～2.7，因此纸通风率对常规卷烟9种酚类香味成分释放量的影响大于细支卷烟。在常规、细支卷烟中，愈创木酚、乙基麦芽酚释放量降低率差异较大，比值≥2.5，丁香酚释放量降低率差异较小，比值为1.6。

表4 纸通风率与酚类香味成分释放量线性拟合结果

由表5可知，滤嘴通风率每增加1%，常规、细支卷烟中9种酚类香味成分释放量降低率分别为0.6%～1.1%和0.2%～0.7%，两者释放量降低率之比(即DFN/DFS)为1.1～4.6，因此滤嘴通风率对常规卷烟9种酚类香味成分释放量的影响大于细支卷烟。在常规、细支卷烟中，愈创木酚释放量降低率差异较大，比值为2.8～3.9，丁香酚释放量降低率差异较小，比值为1.1。

表5 滤嘴通风率与酚类香味成分释放量线性拟合结果

滤嘴通风率和纸通风率对常规卷烟9种酚类香味成分释放量的影响均大于细支烟，分析其原因可能是细支烟横截面积仅为常规卷烟的48.5%(23/47.4)，在标准抽吸条件下，细支烟的气体流速远大于常规卷烟，所以各香味成分在细烟支中的散失、截留时间均小于常规卷烟，因此通风率的降低对常规卷烟的影响大于细支卷烟。细支烟的圆周相对较小，单位烟丝与空气的接触面积较大，烟丝燃烧相对充分，因此滤片截留的香味成分变化幅度较小，这与杨松等[22-23]的研究结果基本一致。

2.4 不同通风方式对卷烟酚类香味成分释放量的影响

选择卷烟纸透气度较低(N1、N5、N9、N13，S1、S5、S9、S13)、滤嘴通风率近似为0(N1—N4，S1—S4)的卷烟，用以分别考查滤嘴通风率及纸通风率对对卷烟烟气中9种酚类香味成分释放量的影响，结果如表6所示。由表6可知，对于常规卷烟，纸通风率、滤嘴通风率每增加1%，二者引起9种酚类香味成分释放量降低率之比为1.5～3.7；对于细支卷烟，纸通风率、滤嘴通风率每增加1%，二者引起9种酚类香味成分释放量降低率之比为1.1～3.3。因此，虽然9种酚类香味成分的释放量与纸通风率、滤嘴通风率均显著负相关，但二者对烟气中酚类香味成分释放量降低率的影响程度是不同的，纸通风率的影响要大于滤嘴通风率。分析其原因可能是：虽然纸通风、滤嘴通风均能降低烟丝燃烧量，但纸通风率的增加能直接加速烟气成分向外扩散，滤嘴通风率的增加仅延长了烟气在烟支内的停留时间，从加速烟气向外扩散角度来看，纸通风率的作用更明显[22-23]。

表6 滤嘴通风率、纸通风率对卷烟烟气中9种酚类香味成分释放量影响比较

2.5 不同通风分配对烟气中9种酚类香味成分释放量影响

选择总通风率约为34%的两组常规卷烟(N12、N13)、总通风率约为42%的两组细支卷烟(S12、S13)，考查在总通风率相同时，不同通风分配对烟气中9种酚类香味成分释放量的影响，结果如表7所示。由表7可知，对于常规卷烟，9种酚类香味成分释放量为N13(滤嘴通风率较高)高于N12(滤嘴通风率较低)；对于细支卷烟，9种酚类香味成分释放量为S13(滤嘴通风率较高)高于S12(滤嘴通风率较低)。这说明在总通风率相同的情况下，不论常规卷烟还是细支卷烟，高滤嘴通风率搭配低纸通风率比低滤嘴通风率搭配高纸通风率更有利于烟气中9种酚类香味成分的释放。

表7 不同通风分配对9种酚类香味成分释放量的影响

另外，相同总通风率条件下，采用高滤嘴通风率搭配低纸通风率时，9种酚类香味成分释放量增加幅度不同，乙基麦芽酚、4-乙基苯酚、2,6-二甲氧基苯酚的增加幅度较大，2,6-二甲基苯酚、丁香酚增加幅度较小。在总通风率增加相同时，常规卷烟中9种酚类香味成分释放量增加率为1.89%～14.29%，细支卷烟释放量增加率则为1.15%～10.52%。这说明总通风率的改变对常规卷烟烟气中酚类香味成分释放量的影响要大于细支卷烟。

3 结论

本文卷制了具有不同滤嘴通风率和纸透气度的常规卷烟和卷烟细支卷烟，利用GC-MS法分析了所制卷烟样品烟气中具有典型焦甜香味、强烈烟熏香味及树苔香等9种代表性酚类香味成分的释放量，考查了滤嘴通风率、纸通风率及通风分配对卷烟烟气中9种酚类香味成分释放量的影响。研究结果表明：滤嘴通风率、纸通风率与烟气中9种酚类香味成分释放量均呈显著负相关，分子量较小的焦甜香乙基麦芽酚随通风率增加其降低率较高；而分子量较大的烟熏香味的丁香酚降低率较小。对于常规卷烟和细支卷烟，纸通风率、滤嘴通风率对烟气成分含量下降的影响是不同的，纸通风率的影响要大于滤嘴通风率。滤嘴通风率、纸通风率及总通风率对常规卷烟烟气中9种酚类香味成分释放量的影响大于细支卷烟。在总通风率一致的情况下，高滤嘴通风率搭配低纸通风率设计的卷烟比低滤嘴通风率搭配高纸通风率的卷烟9种酚类香味成分释放量更高。

本文研究结果可为卷烟企业应用不同通风分配参数组合开发低焦油细支卷烟产品提供技术支撑，对促进“高香气、低焦油、低危害”的细支卷烟产品的发展具有借鉴意义。