WS系列凉味剂的热分析

李奕蓉 朱瑞芝 蒋 薇 蒋丽红 杨 继

(1. 云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650231；2. 昆明理工大学化学与工程学院，云南 昆明 650106)

为了改善烟草的理化性能和卷烟吸食品质，通常在卷烟的生产加工过程中会添加各种助剂，包括香精香料、保润剂、助燃剂、防霉剂和凉味剂等[1]。烟用添加剂一般需符合食品添加剂的国家标准。除此以外，烟草行业还参照世界四大烟草公司：菲莫国际、英美烟草、日本烟草和帝国烟草公司的相关标准，按照权威资料查证、热裂解试验、烟气有害成分分析和烟气体外毒理学测试四步法，形成最终许可使用添加剂名单[2-3]。

加热卷烟是利用特殊热源对烟丝进行加热而不发生燃烧，仅发生蒸馏及较简单的热解反应的新型烟草制品[2]，它能够显著降低主流烟气中的有害成分，具有低危害、低风险的优点[4-5]。加热卷烟由于只加热不燃烧，在抽吸过程中损失了大量来自烟草燃烧产生的香味物质，因此需要外加较多的香味添加剂对加热卷烟进行提味增香，而凉味剂就是使用最广泛的外源添加剂之一[6-7]。

烟用凉味剂是用于各种卷烟制品中产生清凉效果且药性不强的化学物质的总称，最常见的凉味剂是薄荷醇，但薄荷醇易挥发，凉感持续时间短，作用强烈且伴有苦味。为了克服上述缺点，20世纪60年代开始，人们开展了很多其他凉味剂的研究，其中包括天然凉味剂的提取以及化学合成凉味剂的制备。近30年来被合成出来的新型凉味剂，或是能增强凉感，或是能克服薄荷醇的缺点。大部分皆是以薄荷醇或薄荷酮为原料进行合成的，包括薄荷醇酯类、薄荷醇醚类、羧羰基类、WS系列化合物等，在掩盖卷烟苦涩味，使感觉清新的同时还提高了卷烟烟气协调性和柔和性、降低口腔和喉部刺激，至今在卷烟工业应用广泛[8-10]。

根据Leffingwell等[11]和Diomede[12]所提供的数据，WS系列凉味剂作为卷烟中的一种重要添加剂，关于其裂解产物以及热失重分析鲜有研究，且目前尚未见WS系列凉味剂应用于加热卷烟的相关报道。其中，已成功商业化的化合物有N-乙基-L-薄荷基甲酰胺(WS-3)、3-(对薄荷烷-3-甲酰胺基)乙酸乙酯(WS-5)、2-异丙基-N,2,3-三甲基丁酰胺(WS-23)、(1R，2S，5R)-N-(4-甲氧基苯基)-p-薄荷烷甲酰胺(WS-12)、N-乙基-2,2-二异丙基丁酰胺(WS-27)、N-环丙基-5-甲基-2-异丙基环己烷甲酰胺(WS-NA)，但考虑到价格以及工业化生产等因素，目前应用最广泛的WS凉味剂主要是WS-3、WS-5和WS-23 3种[13-14]。因此，研究拟以WS-3、WS-5、WS-23为代表，参照烟用添加剂安全性评价“四步法”原则，对比WS系列凉味剂在加热卷烟和传统卷烟两种热裂解条件下生成的热裂解产物类型和相对含量的变化趋势，并根据热裂解产物与温度的关系进一步讨论化合物断裂规律及裂解产物的生成机理、是否属于有害物质等，以期为WS系列凉味剂能否作为添加剂应用于加热卷烟中而提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

N-乙基-L-薄荷基甲酰胺(WS-3)、3-(对薄荷烷-3-甲酰胺基)乙酸乙酯(WS-5)、2-异丙基-N,2,3-三甲基丁酰胺(WS-23)：Wilkinson Sword Ltd；

无水乙醇：色谱纯，默克股份有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

热失重分析仪：TGA/DSC 1 LF型，德国Mettler Toledo公司；

热裂解仪：PyroprobeCDS6200型，美国CDS公司；

气相色谱-质谱联用仪：7890A/5975C型，美国Agilent公司；

弹性石英毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)：DB-5 MS型，美国Agilent公司；

电子天平：XPR105DR型，德国Mettler Toledo公司。

1.2 试验方法

1.2.1 热重分析

(1) 分析条件：空气氛围内，初始温度为30 ℃，以10 ℃/min 的速率升至900 ℃。

(2) 热重方法：称取(5.00±0.05) mg样品置于热重石英坩埚内。在20 mL/min空气流量下，升温程序为：30 ℃ 以10 ℃/min升至900 ℃。

1.2.2 热裂解条件[15]

(1) 加热卷烟热裂解条件：空气氛围，初始温度40 ℃，保持5 s，以30 ℃/s升至350 ℃，保持5 min。

(2) 卷烟热裂解条件：含9%氧气的氮氧混合气氛围下，初始温度30 ℃，保持5 s，以30 ℃/s分别升至300，600，900 ℃，保持5 s。

1.2.3 GC-MS条件[15]

(1) 色谱柱：Agilent DB-5MS(30 m×250 μm×0.25 μm)，进样口温度220 ℃，进样量1 μL，分流比100∶1。

(2) 加热卷烟GC-MS条件：升温程序，初始温度40 ℃，保持3 min，以10 ℃/min升至240 ℃，再以20 ℃/min 升至280 ℃，保持15 min；载气：He，流量1.0 mL/min。

(3) 传统卷烟GC-MS条件：升温程序，初始温度40 ℃，保持3 min，以10 ℃/min升至240 ℃，再以20 ℃/min 升至280 ℃，保持5 min；载气：He，流量1.5 mL/min。

1.2.4 质谱条件 电子轰击(EI)离子源，电子能量70 eV，传输线温度280 ℃，离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃，扫描方式为全扫描。加热卷烟质谱条件：质量扫描范围29～450 amu，溶剂延迟2.5 min。卷烟质谱条件：质量扫描范围35～450 amu，溶剂延迟5 min。经过GC-MS分析检测，采用Nist17标准谱库进行定性，选择匹配度50%以上的物质，并采用峰面积归一法对裂解产物进行半定量，在不同燃烧条件下，某些裂解产物暂未收入质谱库，因此谱库检索匹配度很低(<40%)，且检出成分与凉味剂关联不大，无法确认热裂解产物名称，此类物质以“未知物”标识[15]。

1.2.5 热裂解方法 称取0.1 g样品(精确至0.01 mg)，用无水乙醇色谱纯配制成浓度约为10 mg/mL的溶液，加入1 μL到裂解管中，而后将裂解管放入热裂解仪中待裂解，最终分别在上述2种不同的裂解氛围中及4个设定的温度下进行热裂解反应[15]。

2 结果与讨论

2.1 WS-3的热分析

2.1.1 热重、微商热重和热流分析 图1为WS-3在10 ℃/min 升温速率下的热重(TG)、微商热重(DTG)和热流(DSC)曲线。在30～900 ℃温度范围内，随热解温度的不断升高，主要经历了1个明显热失重阶段，主要发生在145.15～274.29 ℃，失重率约为98.50%，剩余1.32%，在251.80 ℃左右DTG曲线上出现一个大的尖峰，其热失重速率也达到最大。WS-3在145.15 ℃之前质量几乎不发生改变，但在93.90 ℃时出现一个吸热峰，归一化热焓变化为89.63 J/g，WS-3在整个失重过程中共消耗166.15 J/g。

图1 WS-3在空气氛围下的燃烧特性曲线

2.1.2 加热卷烟条件下的热裂解 由表1可知，在加热卷烟热裂解条件下，WS-3主要是原型转移(峰面积归一化百分含量99.941%)。

表1 WS-3空气氛围下热裂解产物

2.1.3 燃烧卷烟条件下的热裂解 WS-3在模拟卷烟燃烧条件下的分析结果见表2，对比表1和表2可得，WS-3在低温条件时，不同裂解气氛下的裂解产物种类与数量相似，说明裂解气氛对裂解产物影响不大。在模拟卷烟燃烧的裂解氛围下，随着温度升高，WS-3逐渐裂解出少量苯、甲苯等小分子有害物质，裂解产物的种类和数量都随温度有所增加。结合图2，表2中未知物2含有薄荷醇的碎片离子(m/z：168)以及WS-3的碎片离子(m/z：100)，推测可能为薄荷醇。由表2可知，WS-3在同种氛围的不同裂解温度下主要是原型转移，峰面积归一化百分含量均超过99%。

表2 不同温度下WS-3的热裂解产物†

根据WS-3的结构并结合未知物1和未知物2推测得到，在模拟卷烟燃烧条件过程中，WS-3可能断裂的化学键如图2所示，裂解产物主要是烷基化合物、羰基化合物和氨基化合物。

图2 WS-3可能发生断裂的化学键

在模拟卷烟燃烧条件下，裂解产物中出现少量气溶胶的有害成分和潜在有害选定成分(HPHCs)或欧盟REACH法规2018年最新发布的高关注物质清单(SVHC)名单上的物质。

2.2 WS-5的热分析

2.2.1 热重、微商热重和热流分析 图3为WS-5在10 ℃/min 升温速率下的热重(TG)、微商热重(DTG)和热流(DSC)曲线。对于WS-5来说，最明显的热失重阶段主要发生在135.61～337.49 ℃，失重率约为96.26%，剩余2.03%，在281.56 ℃左右其热失重速率达到最大。WS-5在81.37 ℃时出现一个小的吸热峰，归一化热焓变化为25.77 J/g，WS-5在整个失重过程中共消耗158.85 J/g。

2.2.2 加热卷烟条件下的热裂解 由表3可知，在加热卷烟热裂解条件下，WS-5主要是原型转移(峰面积归一化百分含量99.578%)，同时热裂解产生了一些化合物。

图3 WS-5在空气氛围下的燃烧特性曲线

表3 WS-5空气氛围下热裂解产物†

未知物3含有薄荷甲酰胺的分子离子(m/z：183)以及对薄荷烷的碎片离子(m/z：140)，推测可能为薄荷甲酰胺；未知物4含有对薄荷烷的分子离子(m/z：140)，推测可能为对薄荷烷；未知物6含有WS-5的分子离子(m/z：269)，同时含有WS-5的碎片离子(m/z：104)，推测可能为WS-5的异构体。

2.2.3 卷烟燃烧条件下的热裂解 WS-5在模拟卷烟燃烧条件下的分析结果见表4。对比表3和表4可得，在低温且氛围不同的裂解条件下，WS-5在空气氛围下的裂解产物数量更多。在模拟卷烟燃烧的氮氧混合气条件下，随着温度的升高，WS-5裂解出的产物数量和种类增加，相比较而言，WS-3和WS-23比较稳定，热裂解产物较少，而WS-5稳定性稍弱，热裂解产物相对较多，推测热裂解产物大多数为含有对薄荷烷基的物质。在同种氛围的不同裂解温度下WS-5主要是原型转移，峰面积归一化百分含量均超过99%。

表4 不同温度下WS-5的热裂解产物†

根据WS-5的结构特点，模拟卷烟燃烧条件过程中可能断裂的化学键如图4所示。

图4 WS-5可能发生断裂的化学键

无论是加热条件下或是燃烧条件下，WS-5裂解产物中未出现HPHCs或SVHC名单上的物质。裂解产物较WS-3增多，除了烷基化合物、羰基化合物和氨基化合物还包括醚类化合物，除薄荷醇外，未裂解出其余特征香味物质。结合热重和热裂解试验结果，WS-5晶型转变所需热量最低且完全失重所需热量最少，推测其在加热过程中可能更容易发生裂解。

2.3 WS-23的热分析

2.3.1 热重、微商热重和热流分析 图5为WS-23在10 ℃/min升温速率下的热重(TG)、微商热重(DTG)和热流(DSC)曲线。对于WS-23来说，主要的热失重阶段发生在98.70～212.90 ℃，失重率约为99.04%，剩余0.17%，在206.51 ℃达到最大热失重速率，在64.27 ℃出现了吸收峰，归一化热焓变化为69.83 J/g，整个失重过程共消耗254.06 J/g。

图5 WS-23在空气氛围下的燃烧特性曲线

对比图1、图3、图5，从TG曲线上可看出，WS-3、WS-5、WS-23均只有一个明显热失重阶段，在发生主要热解过程后几乎无残留量，且3种凉味剂都在350 ℃以内完全失重。从DSC曲线上可看出，3种凉味剂失重之前均出现了吸热峰，可能是发生了熔融的相变过程，相比较而言，WS-5发生晶型转变所需的热量最低。从初始热解温度来看，WS-3的起始热稳定性优于WS-23和WS-5；从完全失重所需温度来看，WS-23完全失重所需的温度最低，WS-5所需温度最高；从完全失重所需焓值来看，WS-5只需很少的热量就能完全失重，WS-23完全失重所需热量最多。综合热重分析结果，WS-5相较于其他两种凉味剂来说，在升温过程中较为不稳定，可能更容易裂解出不同的产物。

2.3.2 加热卷烟条件下的热裂解 由表5可知，在加热卷烟热裂解条件下，WS-23主要是原型转移(峰面积归一化百分含量99.872%)。

表5 WS-23空气氛围下热裂解产物

2.3.3 卷烟燃烧条件下的热裂解 WS-23在模拟卷烟燃烧条件下的分析结果见表6。对比表5和表6可得，在低温且氛围不同的裂解条件下，WS-23的裂解产物种类与数量相似，说明裂解气氛对裂解产物影响不大。相较于其他两种凉味剂，WS-23最为稳定，在模拟卷烟燃烧条件下的裂解产物都较少，结合图6推测表6中未知物1的碎片离子(m/z：113.0)以及WS-23的碎片离子(m/z：58.2)，可能为2，3，4-三甲基戊烷。在同种氛围的不同裂解温度下，WS-23主要是原型转移，峰面积归一化百分含量均超过99%。

表6 不同温度下WS-23的热裂解产物†

根据WS-23的结构特点，模拟卷烟燃烧条件过程中可能断裂的化学键如图6所示。裂解产物主要包括烷基化合物、羰基化合物和氨基化合物，除薄荷醇外，未裂解出其他特征香味物质。

图6 WS-23可能发生断裂的化学键

在模拟卷烟燃烧的高温条件下，WS-23裂解产物中出现少量HPHCs或SVHC名单上的物质，例如N-甲基吡咯烷酮。

3 结论

通过热重法和热裂解法对WS系列中的N-乙基-L-薄荷基甲酰胺、3-(对薄荷烷-3-甲酰胺基)乙酸乙酯、2-异丙基-N,2,3-三甲基丁酰胺3种凉味剂热特性进行研究。结果表明，3种凉味剂在常温条件下可能都以晶体的形式存在。三者在350 ℃以内完全失重，结合加热卷烟工作温度，其在温度条件上满足加热卷烟添加剂的使用要求。热焓值方面，3-(对薄荷烷-3-甲酰胺基)乙酸乙酯所需能量最低，其热解对烟具的要求较低，而2-异丙基-N,2,3-三甲基丁酰胺所需能量最高。3-(对薄荷烷-3-甲酰胺基)乙酸乙酯无论是燃烧条件或是加热条件均不会裂解出有害物质，可以在传统卷烟和加热卷烟中使用。而N-乙基-L-薄荷基甲酰胺和2-异丙基-N,2,3-三甲基丁酰胺更适合于加热卷烟中添加。3种凉味剂热裂解原型转移率在99%以上，口感上保留了原有的清凉感。综合而言，3-(对薄荷烷-3-甲酰胺基)乙酸乙酯在加热卷烟中的适用性优于N-乙基-L-薄荷基甲酰胺和2-异丙基-N,2,3-三甲基丁酰胺。

凉味剂与其他香精香料组合使用来彰显产品风格特征以及凉味剂的安全性评价，将是未来的研究热点。