卷烟主流烟气主要挥发性羰基物的模拟口腔沉积

曾世通，王丁众，刘 珊，李 鹏，席 辉，付英杰，卢斌斌，孙世豪

中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

为了阐释卷烟烟气感官感受的物质基础，近年来国内外围绕卷烟烟气化学成分分析开展了大量研究［1-10］，但是迄今为止依然无法建立烟气化学成分与感官感受之间的直接联系。究其原因，一方面主要是烟气的复杂性，另一方面可能与化学分析中烟气的捕集方式有关。烟气捕集是分析烟气化学成分的首要步骤，目前普遍采用剑桥滤片捕集和溶剂吸收两种方式。采用这两种方式捕集烟气，能够实现主流烟气化学成分释放量的准确分析，但是不能真实反映抽吸卷烟时化学成分在口腔、鼻腔、喉部等感官部位的沉积情况。烟气感官感受主要取决于化学成分在感官部位的沉积，掌握烟气化学成分的沉积行为，更有利于解析烟气感官感受的物质基础。庄亚东等［11-12］设计了一种用于卷烟烟气刺激性成分评价的口腔模拟器及方法，分析了卷烟烟气中8种羰基物对口腔的刺激作用。刘欣等［13-14］研制了一种卷烟主流烟气仿生吸收装置，分析了烟气仿生吸收液与剑桥滤片对主流烟气中酚类和烟碱的捕集情况及与抽吸舒适性的相关性。李军等［15］设计了一种模拟人体感觉器官吸收卷烟主流烟气的装置，应用于主流烟气中香味成分的测定以及卷烟感官质量指标预测模型的构建。这些以模拟装置为基础的研究为分析烟气化学成分在感官部位的沉积行为提供了新的思路。鉴于此，围绕主流烟气在口腔中的沉积行为，以烟气口腔沉积模拟装置为基础，建立了挥发性羰基物的模拟口腔沉积分析方法，考察了25种市售烤烟型卷烟主流烟气挥发性羰基物的模拟口腔沉积情况，分析了口腔刺激与挥发性羰基物模拟口腔沉积的相关性，旨在为烟气口腔沉积行为及口腔生理感受的深入研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

涵盖不同价类、不同焦油释放量的25种市售国产烤烟型卷烟，具体如表1所示。

甲醇、乙腈（色谱纯，德国Merck公司）；吡啶、2,4-二硝基苯肼（DNPH，AR，美国CNW公司）；高氯酸（AR，国药集团化学试剂有限公司）；甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛、巴豆醛、2-丁酮和丁醛的2,4-二硝基苯腙标准品（东京化成工业株式会社）；人工唾液（pH 7.0，上海远慕生物科技有限公司）；有机相滤膜（0.45 μm，天津津腾公司）。

Agilent 1200高效液相色谱仪（配DAD检测器，美国Agilent公司）；AL-204-IC电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；HY-5型振荡器（金坛中大仪器厂）；JJD200型单孔道吸烟机（郑州嘉德机电科技有限公司）；卷烟烟气口腔沉积模拟装置（自制）。

表1 25种市售国产烤烟型卷烟样品信息Tab.1 Information of 25 commercially available domestic Virginia type cigarettes

1.2 方法

1.2.1 卷烟烟气口腔沉积模拟装置设计

卷烟烟气口腔沉积模拟装置示意图见图1。主要包括烟气吸入部件、烟气沉积模拟腔体、烟气捕集部件和抽吸部件。烟气吸入部件由三通阀和吸入管构成。三通阀的一端插入烟支，另一个与之水平的端口与吸入管连接，第3个端口为空气进口。抽吸烟支时，吸入管端口和烟支端口连通，空气端口关闭；空吸时，吸入管端口与空气进口连通，烟支端口关闭，从而实现抽吸烟支与空吸的切换。吸入管连接腔体的一端呈封闭状，但封闭端部的端面和侧面上打有若干气孔。气孔设计的主要目的是避免烟气由于抽吸惯性在腔体中直线通过，并使烟气在腔体中均匀扩散。烟气沉积模拟腔体内腔容积为40 cm3，并且在其内壁放置涂布了人工唾液的滤纸（10 cm×4 cm）作为烟气的沉积载体。恒温回流腔可连接恒温循环水，实现内腔的温度控制。模拟腔体的出气端与夹持了剑桥滤片的烟气捕集器相连。烟气捕集器的另一端与单孔道吸烟机相连。抽吸烟支时，烟气先进入腔体并扩散沉积，然后切换成空吸，使腔体内的烟气排出，并通过捕集器捕集烟气沉积后的粒相物。

图1 卷烟烟气口腔沉积模拟装置示意图Fig.1 Schematic diagram for an oral deposition simulator of cigarette smoke

1.2.2 抽吸方法

将卷烟样品置于温度（22±1）℃、相对湿度（60±2）%的恒温恒湿环境平衡48 h后，按平均质量±0.015 g、平均吸阻±30 Pa的标准进行筛选。在卷烟烟气口腔沉积模拟装置上抽吸经筛选后的样品。消费者吸烟时包括抽吸、烟气进入口腔、烟气在口腔短暂停留、烟气吞咽、烟气呼出、下一口抽吸等过程，因此在仪器抽吸时需要尽量模拟消费者抽吸的真实过程。采用模拟装置抽吸卷烟样品时，先连通三通阀的烟支端和吸入端，抽吸容量50 mL，抽吸2 s，抽吸结束后停留8 s；然后连通三通阀的空气端和吸入端，再次抽吸，将腔体中的烟气抽出并通过捕集器捕集，如此完成1口烟气的抽吸、沉积和吞咽3个过程。下一口抽吸与前一口抽吸间隔20 s，抽吸前将三通阀的烟支端和吸入端再次连通。对每个卷烟样品抽吸5口，收集4支卷烟的滤纸沉积样和滤片捕集样，做2次平行样。抽吸容量、抽吸时间采用的是接近深度抽吸的参数标准；设置烟气停留时间的目的是模拟烟气在口腔中的停留与沉积。

1.2.3 挥发性羰基物分析

参考YC/T 254—2008［16］中的方法，先移取2 mL衍生化试剂DNPH均匀浸润沉积用的滤纸和捕集用的剑桥滤片，然后将滤纸和剑桥滤片于真空干燥器中晾干。抽吸前，再次移取1 mL DNPH浸润滤纸和剑桥滤片，其中，滤纸需要再次晾干后，均匀浸润0.5 mL人工唾液，然后按照1.2.2节的方法抽吸卷烟样品。抽吸结束后，取出滤纸和剑桥滤片，分别转移至100 mL锥形瓶中，准确加入50 mL吡啶-乙腈萃取液，机械振荡10 min，静置2 min。萃取液经有机相滤膜过滤后，按照YC/T 254—2008中的方法进行HPLC分析。

1.2.4 卷烟样品口腔刺激感官评价及相关性分析

将卷烟样品置于温度（22±1）℃、相对湿度（60±2）%的恒温恒湿环境平衡48 h后，按照GB 5606.4—2005［17］中的方法，由7位卷烟感官评价技术人员对25种卷烟的口腔刺激进行感官评价。口腔刺激越小，得分越高，最高得分20分，其中，得分小于15的样品为刺激较大，得分15（含）～17的样品为刺激中等，得分17（含）～20的样品为刺激较小。采用SPSS数据统计分析软件进行烟气口腔刺激与挥发性羰基物模拟口腔沉积之间的相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 模拟装置稳定性评价

采用卷烟烟气口腔沉积模拟装置，以1#卷烟样品为分析对象，按照所确定的方法进行了挥发性羰基物模拟口腔沉积分析的重复性实验，结果见表2。可知，只有个别挥发性羰基物的滤纸沉积量和滤片捕集量的日内、日间相对标准偏差大于10%，但小于15%；其余均小于10%。说明方法具有良好的精密度和重复性，卷烟烟气口腔沉积模拟装置对挥发性羰基物模拟分析具有良好的稳定性。

表2 挥发性羰基物模拟口腔沉积分析的重复性实验结果（n=5）Tab.2 Results of repeated tests of simulated volatile carbonyl oral deposition（n=5） （%）

2.2 挥发性羰基物模拟口腔沉积分析

采用卷烟烟气口腔沉积模拟装置对25种市售中式烤烟型卷烟主流烟气主要挥发性羰基物的口腔沉积情况进行了分析，结果见表3。可以看出，同一种挥发性羰基物在不同卷烟样品中所表现出的沉积情况基本一致，沉积量、截留量在一定范围内波动，沉积比例高度接近，例如，甲醛沉积量的平均值为48.1 μg·支-1，STD（Standard deviation，标准差）为16.7 μg·支-1；截留量的平均值为63.4 μg·支-1，STD为18.8 μg·支-1；沉积比例的平均值为0.43，STD为0.05。不同挥发性羰基物的沉积量差异明显，由大到小依次为乙醛、甲醛、丙酮、丙醛、丙烯醛、丁醛、巴豆醛和2-丁酮，其中，甲醛和乙醛的沉积量显著高于其他羰基物。根据截留量和沉积比例的分析结果可以发现，沉积量主要取决于化合物总的释放量和沉积比例。尽管乙醛的沉积比例并非最高，但总释放量远高于其他羰基物，所以沉积量最大；甲醛的总释放量低于丙酮，但沉积比例明显高于丙酮，所以沉积量相对较大。不同挥发性羰基物的沉积比例存在明显差异，由高到低依次为甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、巴豆醛、丙烯醛、丙酮和2-丁酮。可以看出，挥发性羰基物的沉积比例可能主要受化合物的挥发性影响。化合物沸点越低，饱和蒸汽压越高，挥发性越强，在烟气气相中的分布越多，使化合物在烟气扩散过程中更容易被涂布了人工唾液的滤纸吸收。因此，羰基物的挥发性越强，沉积比例越高。在8种挥发性羰基物同为高极性分子的情况下，各化合物分子极性的差异并未对其沉积比例产生明显影响。丙酮和2-丁酮的沉积比例最低，可能还与衍生化反应活性相对较低有关。

表3 25种卷烟样品主要挥发性羰基物沉积模拟分析结果Tab.3 Analytical results of simulated deposition of main volatile carbonyls in mainstream smoke of 25 cigarette samples

表3 （续）

2.3 口腔沉积与口腔刺激的相关性分析

采用国标方法对25种卷烟样品口腔刺激性的感官评价结果见表4。由于挥发性羰基物的沉积量受焦油释放量影响明显，选择同等焦油释放水平的1#～18#卷烟样品作为样本，分析了烟气口腔刺激与挥发性羰基物口腔沉积量的相关性，结果见表5。可以看出，烟气口腔刺激与甲醛、乙醛的模拟口腔沉积量之间的相关系数分别为-0.916、-0.934，并且P值均小于0.01，说明烟气口腔刺激与甲醛、乙醛的模拟口腔沉积量显著负相关；烟气口腔刺激与其他6种挥发性羰基物未呈现出显著的相关性。根据化学物质毒性数据库［18］中8种挥发性羰基物的刺激性毒理学数据，甲醛、乙醛和丙烯醛具有重度刺激性，丙酮、丙醛、巴豆醛和丁醛具有中度刺激性，2-丁酮具有轻度刺激性。甲醛和乙醛在8种羰基物中刺激性相对更大，并且二者的沉积量也远高于其他羰基物，因此，其对烟气口腔刺激的贡献应明显高于其他6种羰基物。该结果与相关性分析结果一致。

表4 25种卷烟样品烟气口腔刺激的感官评价结果Tab.4 Results of sensory evaluation on oral irritation of mainstream smoke of 25 cigarette samples

表5 烟气口腔刺激与挥发性羰基物口腔沉积量的相关性Tab.5 Correlation between oral irritation of smoke and deposition amounts of volatile carbonyls

3 结论

①采用卷烟烟气口腔沉积模拟装置，分析8种挥发性羰基物的口腔沉积量和截留量，大多数日内、日间相对标准偏差均小于10%，方法具有良好的精密度和重复性，模拟装置对挥发性羰基物的口腔沉积分析的稳定性良好。②不同挥发性羰基物的口腔沉积量由大到小依次为乙醛、甲醛、丙酮、丙醛、丙烯醛、丁醛、巴豆醛和2-丁酮，其中，甲醛和乙醛的沉积量显著高于其他挥发性羰基物；沉积比例由高到低依次为甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、巴豆醛、丙烯醛、丙酮和2-丁酮。③烟气口腔刺激与甲醛和乙醛的模拟口腔沉积量显著负相关，相关系数分别为-0.916和-0.934，P值均小于0.01。