奶香颗粒制备及其在细支三元空腔活性炭滤嘴卷烟中的应用

凌孝存, 张亮, 周枫, 吕乔, 李源章, 孙海峰, 刘晓晖, 吉雄

(深圳烟草工业有限责任公司 技术研发中心, 广东 深圳,518109)

随着卷烟工业的发展, 滤嘴的作用不再局限于过滤和吸附烟气中的有害物质, 而是要开发低危害、低焦油卷烟[1-2]。从消费需求角度, 滤嘴被赋予了更多其它功能, 提升卷烟抽吸口感, 增加卷烟香气丰富性等[3-5], 各种功能滤嘴不断涌现。其中, 颗粒滤棒及其复合滤棒在卷烟中的应用研究已成为了卷烟行业的一个重要创新点[6-9]。

深圳烟草工业公司与江苏大亚滤嘴材料公司合作开发了一款细支三元空腔复合滤棒。其空腔段添加活性炭颗粒, 近烟丝端料棒添加奶香颗粒, 近嘴端为纯醋纤料棒。因此, 命名为细支三元空腔活性炭奶香滤嘴(以下简称奶香滤嘴)。其中, 奶香颗粒是深圳烟草工业公司与波顿公司合作开发而成。

奶香滤嘴由于空腔中添加活性炭颗粒, 可以有效降低危害。但是, 活性炭颗粒会带来一定干燥感。将奶香颗粒应用于近烟丝端料棒, 可提升卷烟香气丰富性, 增加润感, 在保证降害的同时, 带来新的良好感官体验, 增加卷烟辨识度, 提高卷烟产品竞争力。

近年来,GC-IMS 检测技术由于具有痕量检测(ppb 级)、操作简单、响应迅速、反应灵敏等特点[10], 被广泛用于食品风味分析[11-14]、但在卷烟烟气分析领域还未见报道。因此, 运用GC-IMS 检测技术分析烟气粒相物中的挥发性组分, 以期为卷烟滤棒颗粒赋香及卷烟烟气中致香成分的定性分析提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

乳糖、微晶纤维素、淀粉、阿拉伯胶(分析纯, 上海麦克林生化科技有限公司); 天然香兰素(微生物发酵法制得)、乙基麦芽醇、乙基香兰素、合成香兰素、香荚兰净油、椰子醛、2,3,5-三甲基吡嗪、20%酱油酮、二氢乙位突厥烯酮、可可提取物(深圳波顿香料有限公司);95%乙醇、丙二醇(分析纯, 国药试剂有限公司); 尼古丁、巴豆醛、苯酚、NNK、氨、氢氰酸、苯并[α]芘标准品(分析纯, 百灵威试剂科技有限公司); 细支金樽配方烟丝(深圳烟草工业有限责任公司)、丝束(南通醋酸纤维有限公司); 成形纸(中烟摩迪纸业有限公司); 活性炭(瑞士雅可比公司)。

1.1.2 仪器设备

JK-3D 三元复合成型机(韩国正光);ZJ112 卷接机(常德烟机);Flavour Spec®型GC(FS-SE-54-CB-1色谱柱)-IMS(德国G.A.S 公司); SM450 型20 孔道直线式吸烟机(英国Cerulean 公司); LC、GC、LC-MS/MS、GC-MS(美国Agilent 公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 奶香香基配方

奶香香基的配方见表1 所示。

1.2.2 奶香颗粒的制备

(1)1.5 kg 乳糖、2 kg 微晶纤维素、0.5 kg 淀粉混合均匀, 加入3 kg 去离子水, 在高速湿法制粒机中搅拌0.5 h, 选择0.3 mm 的筛网, 使用滚圆机在45 r/min 下挤出成型, 制得湿软材;(2) 将制好的湿软材, 置于转速设定为400 r/min 的滚圆机中形成球形丸芯, 定型后取出湿丸芯,接着将湿丸芯放置在加热温度为60 ℃、速度为300 r/min的滚圆机中, 干燥2 h 后制得空白丸;(3) 将1.04 kg 奶香香基、0.83 kg 阿拉伯胶和3.33 kg 去离子水,800 r/min 下搅拌2 h, 混合均匀, 制得包衣液;(4) 将步骤(2)制得的空心丸放在在包衣锅内, 将步骤(3)中的包衣液均匀喷涂于微丸外层, 包衣2 h, 制得烟用奶香微丸, 过筛网, 则可以得到奶香颗粒。

1.2.3 基于卷烟烟气感官评价的奶香颗粒滤棒空腔结构优化

考察滤棒复合结构(奶香颗粒棒+活性炭空腔+醋酸纤维)(如图1)、奶香颗粒添加量、奶香颗粒大小、滤棒吸阻对卷烟烟气感官评价的影响, 采用正交试验L9(34)对奶香颗粒滤棒技术参数进行优化, 正交试验因素表如表2 所示。

图1 细支奶香三元空腔活性炭滤棒(12+6+12)

表2 正交试验因素水平表

1.2.4 卷烟样品制备与感官评吸

确定细支奶香三元空腔活性炭滤棒结构后, 在同一时段内, 同一卷接机组上, 同一批次烟丝, 在其他辅材一致的情况下, 分别用细支奶香三元空腔活性炭滤棒和普通醋纤滤棒卷制烟支。其中, 醋纤滤棒吸阻与细支奶香三元空腔活性炭滤棒吸阻基本保持一致。卷烟感官评析参照标准参照《YC/T 497—2014中式卷烟风格感官评价方法》。

1.2.5 卷烟烟气化学分析

参照《GB/T 19609—2004 卷烟用常规分析用吸烟机测定总粒相物和焦油》、《GB/T 23355—2009卷烟总粒相物中烟碱的测定气相色谱法》、《GB/T 23203.1—2008 卷烟总粒相物中水分的测定第1 部分: 气相色谱法》、《GB/T 23356—2009 卷烟烟气中一氧化碳的测定非散射红外法》检测卷烟常规烟气; 《YC/T 254—2008 卷烟主流烟气中主要羰基化合物的测定高效液相色谱法》测定巴豆醛;《YC/T 253—2008 卷烟主流烟气中氰化氢的测定连续流动法》测定氢氰酸; 《YC/T 377—2017 卷烟主流烟气中氨的测定离子色谱法》测定氨; 《YC/T 255—2008 卷烟主流烟气中主要酚类化合物的测定高效液相色谱法》测定苯酚; 参考文献[15]检测NNK; 《GB/T 21130—2007 卷烟烟气总粒相物中苯并芘的测定》检测苯并[a]芘; 每个样品平行测定3 次, 所得结果取平均值。

1.2.6 卷烟烟气GC-IMS 分析

烟支于22±1 ℃和相对湿度60±2%的环境中平衡48 h 后, 采用直线型吸烟机, 按照ISO 标准抽吸卷烟, 滤片捕集粒相物后, 立刻装入顶空瓶,40 ℃加热5 min 后进样, 由FlavourSpec®型GC-IMS 分析。GC-IMS 数据利用软件Laboratory Analytical Viewer 和GC×IMS Library Software 进行不同卷烟烟气样品间挥发性有机物的差异图谱分析及物质定性分析。

2 结果与分析

2.1 奶香颗粒空腔结构优化

根据正交试验的统计(见表3和表4)计算得出细支奶香三元空腔活性炭滤棒的最佳结构为A1B2C1D2,即奶香颗粒段12 mm+活性炭空腔6 mm+醋酸纤维段12 mm; 奶香颗粒添加量为0.45 mg/mm; 奶香颗粒小为40-100 目; 滤棒吸阻为3 700 Pa。

表3 正交试验设计及结果

表4 正交实验设计方差分析结果

通过正交试验效应曲线图2可知, 复合结构对卷烟烟气的抽吸感受影响最大, 与其中活性炭棒的长度增加卷烟烟气的抽吸感受会有所变差, 可能是因为活性炭吸水和烟气中的其他香气使得吸食感受变得干燥和单调; 奶香颗粒理想添加量为0.45 mg/mm, 这可能是因为添加量不足烟气会不够丰富和饱满, 但如果添加量过高, 会影响烟草本香; 奶香颗粒越细, 抽吸感受越好, 但受限于加工工艺和成本, 奶香颗粒的粗细最终确定在40～100 目; 滤棒的最佳吸阻为3 700 Pa, 吸阻过小, 卷烟烟气的成团性相对较差, 但吸阻过大, 消费者抽吸费力。最终细支奶香的三元空腔活性碳棒的设计参数如表5 所示。

图2 正交试验效应曲线图

表5 细支奶香三元空腔活性炭滤棒设计参数

续表5

2.2 感官评吸

奶香滤嘴卷烟和醋纤滤嘴卷烟的风格感官评析结果见表6 和图3 所示。可以看出, 相较于醋纤滤嘴,奶香滤嘴能提升卷烟香气丰富性, 奶香、豆香、花香、果香、清香表现较为明显; 整体风味风格偏甜味;舒适感特征表现明显, 尤其表现在对口腔、鼻腔的刺激较小, 整体协调性比较好; 烟气特征有明显增强,香气更加饱满丰富、细腻, 烟气中杂气较轻微。因此, 奶香滤嘴的使用有效提升了卷烟感官质量。

图3 奶香滤嘴和醋纤滤嘴卷烟风格感官评价

表6 卷烟风格感官评价表

续表6

2.3 卷烟烟气化学分析

卷烟烟气化学分析结果见表7。由表7 可知, 苯酚释放量增加2.2%, 因苯酚的释放量与滤棒中三醋酸甘油酯的添加量成正比[16], 奶香卷烟主流烟气中的主要化学成分相较于醋纤卷烟均有较大幅度的降低, 其中总粒相物降低11.3%、焦油降低10.2%、尼古丁降低12.5%、一氧化碳降低19.4%、巴豆醛降低17.0%、氢氰酸降低18.0%、氨降低10.3%、NNK 降低15.6%、苯并[a]芘降低9.5%, 卷烟整体危害性指数降低了12.5%。

表7 卷烟烟气化学分析结果

2.4 卷烟烟气GC-IMS 分析

本研究利用GC-IMS方法分析了奶香滤嘴卷烟与醋纤滤嘴卷烟烟气粒相物中挥发性组分的差异(见图4)。由图4 可知, 纵坐标为气相保留时间(Retention time,Rt), 横坐标为离子迁移时间(Drift time,Dt),反应离子峰(reaction peak,RIP)右侧的每一个点代表一种挥发性有机物。颜色代表物质的浓度, 白色表示含量较低, 红色表示含量较高, 颜色越深表示含量越高, 整个图谱代表了样品的全部顶空成分, 可以看出卷烟烟气粒相物组分可以通过GC-IMS 技术很好分离, 且可直观看出样品间的差异。

图4 顶空气相-离子迁移图谱

以醋纤滤嘴卷烟烟气样品为参照, 奶香滤嘴卷烟图谱扣除醋纤滤嘴卷烟的峰, 红点为浓度比醋纤滤嘴卷烟样品高的物质, 蓝点为浓度降低的组分, 见图5。由图5 可知, 奶香滤嘴的使用增加了卷烟烟气粒相物中多种挥发性组分, 截取浓度增高挥发性成分作图, 如图6 所示。

图5 卷烟烟气GC-IMS 参比图

图6 卷烟烟气Gallery Plot 图(指纹图谱)

对指纹图谱中的25 种挥发性成分进行定性分析, 共鉴定出16 种挥发性成分,9 种未能鉴定出, 如表8 所示。其中鉴定出来的化合物中乙偶姻、2,3-丁二酮是奶香香基的重要组成部分, 说明奶香滤嘴卷烟的使用确实增加了卷烟烟气风格感官中的奶香; 而1-苯基乙醇、苯甲酸甲酯属于花香风格;2-乙酰基噻吩、3-异戊醛属于果香风格;5-甲基糠醛属于烘焙香; 而羟基丙酮属于甜香, 这与风格感官评价结果一致, 证明奶香滤嘴的使用确实可以显著改善卷烟感官质量。

表8 挥发性组分的定性

3 结论

(1) 奶香滤嘴最优技术参数为复合结构奶香颗粒段12 mm+活性炭空腔6 mm+醋酸纤维段12 mm;奶香颗粒添加量为0.45 mg/mm; 奶香颗粒大小为40-100 目; 滤棒吸阻为3 700 Pa。

(2) 奶香滤嘴的使用, 在提升卷烟感官质量的同时, 还可以有效降低卷烟的危害性, 其危害性指数相较于醋酸滤嘴卷烟降低了12.5%。

(3)GC-IMS 分析了烟气粒相物中的主要挥发性组分, 发现奶香滤嘴为卷烟烟气引入了多种致香成分, 与卷烟感官评价结果较为一致。

(4) 奶香滤嘴的使用可以为低危害、高香气的高品质中式卷烟设计开发提供技术参考,GC-IMS 在卷烟烟气痕量分析领域具备广泛的应用前景。