卷烟烟气内源性花香成分分析及花香特征调控

史清照，李河霖，王 超，范 武，张启东，柴国璧，毛 健，徐秀娟，席 辉，姬凌波，刘俊辉，宋瑜冰，马胜涛，潘高伟

1.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

2.吉林烟草工业有限责任公司，长春市二道区经开区世纪大街99 号 130000

3.河南中烟工业有限责任公司技术中心，郑州市经开区第三大街8 号 450016

4.江苏中烟工业有限责任公司技术中心，南京市建邺区兴隆大街29 号 210019

探索烟气成分与卷烟感官品质之间的内在联系一直是烟草领域的重要研究命题［1］，研究者利用多种统计学分析方法聚焦了与卷烟感官特征显著相关的烟气成分［2-3］，为卷烟感官品质的解释与有效预测提供了依据。然而，已有报道的烟气成分多达6 000多种［4］，卷烟丰富且协调的品质表现依赖于烟气成分个性化的感官特征及成分间复杂的相互作用，聚焦烟气关键成分的同时兼顾成分间个性化差异是深度理解卷烟感官表现、精准调控卷烟感官品质的必要前提。

在食品和日化领域，研究者利用感官组学研究思路，以具有共性风味特征的成分组群形式阐明了不同体系风味特征的关键物质基础构成［5-7］。借鉴该研究思路，烟草领域研究者揭示了烟气烟熏香［8］、焦甜香［9］、辛香［10］、奶香［9］、豆香［9］、酸香［11］和酸味［12］等关键风味特征的成分组群，从成分分布特征、感官作用能力和感官贡献强度等不同方面解释了卷烟产品风味特征的内在原因；组群内各成分的转移率和加香贡献度等指标数据为利用烟气内源性成分进行卷烟风味特征调控和补偿提供了指导，对阐明卷烟风味形成机制、推动数字化风味调控等具有重要意义。花香是卷烟重要的风味特征，是《中式卷烟风格感官评价方法》香气风格评价指标之一［13］，也是影响以云南卷烟为代表的中式卷烟“清香”型风格特征的重要因素［14］。卷烟烟气中的花香成分来源于类胡萝卜素的降解［15］、烟丝固有及加香调控［16-17］等多个方面，化学结构上呈现出多样性，包含醇类、醛类、酮类和酯类等不同类型的化合物，如香茅醇、苯乙醛、β-大马酮和苯乙酸乙酯等均呈现花香特征［18］。然而，对花香成分的分析在以往文献中多以官能团分类进行报道［19-20］，定量分析方法差异较大，难以对结果进行统一对比分析，需要建立针对性的定量方法以满足卷烟烟气花香特征的研究需求。因此，本研究中运用感官组学研究思路，从已报道的卷烟烟气名单中筛选出花香特征成分组群，并建立其定量分析方法，获得了这些成分在不同卷烟烟气中的释放量、贡献度、转移率及加香贡献度等方面的基础数据，依据内源性花香成分分布特征结合转移率数据获得了用以提升卷烟花香特征的香基单元，并以几种代表性花香成分研究了加香贡献度在卷烟调香过程中的意义，旨在为卷烟烟气花香特征的分析与调控提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

实验用卷烟样品为8个市售品牌常规成品卷烟，参比卷烟为上海烟草集团有限责任公司制作的常规卷烟。

正庚醇（98.0%）、2-乙基己醇（99.5%）、α-苯乙醇（98.0%）、苯甲醛二甲缩醛（98.0%）、苯乙醇（98.0%）、正壬醇（97.0%）、甲酸苯乙酯（95%）、对甲基苯乙酮（98.0%）、3,7-二甲基-1-辛醇（98.0%）、正癸醇（97.0%）、苯亚甲基丙酮（98.0%）、苯乙醛（97.0%）（日本TCI公司）；仲辛醇（99.0%）、苯乙酸苯乙酯（98.0%）（上海Damas-Beta 公司）；对甲苯甲醚（99.0%）、甲酸苄酯（97.0%）、1-苯基-1,2-丙二酮（97%）（萨恩化学技术有限公司）；罗勒烯（90.0%）、邻甲基苯乙酮（98.0%）、苯乙酮（99.0%）、乙酸苯乙酯（99.0%）、β-大马酮（95.0%）、β-二氢大马酮（90.0%）、α-紫罗兰酮（95.0%）、β-紫罗兰酮（96.0%）、假紫罗兰酮（90.0%）（美国Sigma-Aldrich公司）；2-壬醇（99.0%）、2-羟基-5-甲基苯乙酮（98.0%）、乙酸金合欢酯（96.0%）、金合欢基丙酮（97.0%）、正辛醇（98.0%）（美国Alfa Aesar 公司）；2-(4-甲基苯基)-2-丙醇（99.0%）、香茅醇（95.0%）、橙花醇（95%）、苯乙酸乙酯（99.0%）、苯甲酸乙酯（97%）、对甲氧基苯乙酮（98.0%）、香叶基丙酮（99.0%）、橙花叔醇（97.0%）（北京百灵威科技有限公司）；2-甲氧基苯甲醛（98.0%）、对羟基苯乙酮（98.0%）、苯乙酸甲酯（99.0%）（北京伊诺凯科技有限公司）；苯甲酸甲酯（99.0%）、α-甲基苯甲醇丙酸酯（98%）（美国Acros公司）；邻羟基苯乙酮（99.49%，上海腾瑞制药有限公司）；香叶醇（95%，上海鼎芬化学科技有限公司）。

SM450 型20 孔道吸烟机（英国Cerulean 公司）；剑桥滤片（ϕ44 mm，英国Whatman 公司）；7895A/5975C 气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent 公司）；CP224S 型电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius公司）；HY-5型振荡器（金坛市中大仪器厂）；超滤膜（0.22 μm，天津津腾公司）；一次性使用无菌注射器（1 mL，河南曙光健士医疗器械集团股份有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷烟主流烟气花香成分的筛选

参考文献［15］中的方法，从《The chemical components of tobacco and tobacco smoke》［4］中报道的6 010种烟气成分中筛选出351种对烟气有直接贡献的可能并且符合安全及加香使用规范的候选成分。组建感官评价小组，对候选成分进行嗅香评价，参考文献［21-22］中的香气描述最终确定花香成分组群。

1.2.2 卷烟主流烟气花香成分定量分析

依据GB/T 19609—2004［23］中的方法获取卷烟主流烟气粒相物。取两张抽吸好的滤片，每张滤片收集5 支卷烟烟气粒相物，置于50 mL 具塞锥形瓶中，加入20 mL 含内标（α-甲基苯甲醇丙酸酯，0.1 μg/mL）的丙酮溶液，室温下振荡30 min，取2 mL 上清液过滤，弃去前10 滴，进行GC-MS 分析，每个样品测定2次，取平均值。分析方法：

色谱柱：DB-5MS 毛细管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)；载气：He；柱流量：1 mL/min；进样口温度：250 ℃；升 温程序：50 ℃(0 min)250 ℃（0 min）；进样模式：直接进样，不分流；GC-MS 传输线温度：250 ℃；电离方式：EI；离子源温度：230 ℃；四极杆温度：150 ℃；电离能量：70 eV；扫描模式：选择离子扫描，根据保留时间划分时间段。待测化合物保留时间、定性及定量离子的参数选择见表1。

表1 45种待测化合物及内标的保留时间、定量离子和定性离子Tab.1 Retention times,quantitative ions and qualitative ions for 45 analytes and the internal standard

1.2.3 定量分析方法的回收率与重复性

向1 号卷烟样品烟气粒相物捕集滤片中加入与各花香成分等质量浓度的标准溶液，样品按照1.2.2节中的方法进行定量分析，计算获得定量分析方法的回收率。

将加入花香标准溶液的1 号滤片重复定量分析6次，计算相对标准偏差（RSD）。

1.2.4 阈值测定及香气活性值的计算

依据GB/T 22366—2008［24］的方法测定花香成分在乙醇中的嗅觉阈值，花香成分的香气活性值（OAV）为其在主流烟气粒相物中的质量分数与嗅觉阈值之比［25］。

1.2.5 转移率测定及加香贡献度的计算

将各花香成分用乙醇配制成混合溶液，混合溶液中每个花香成分的浓度均为10 mg/mL，以10 μL/支的量对参比卷烟进行烟丝加香注射，依据GB/T 19609—2004［23］中的标准抽吸方法获得粒相物，转移率为成分在粒相物中的增加量占烟丝注射量的质量百分比［26］。

各花香成分的加香贡献度以该成分烟丝加香后的主流烟气粒相转移率及其嗅觉阈值之比的100 倍计算获得［26］。

1.2.6 花香香基单元的设计

从常规卷烟粒相物中检测到的花香成分中筛选出符合烟草制品添加剂使用规范的成分作为调配花香香基单元的香料单体，见表2。

表2 花香香基单元1的组成Tab.2 Composition of floral flavor unit 1（mg·g－1）

以各香料单体在8 种常规卷烟产品烟气中的平均释放量与转移率的比值作为各香料单体用量比例，以乙醇为溶剂，调配出用于烟丝加香的花香香基单元1。将各单体香料质量的等比例组合调配获得香基单元2，用于对比研究。

保持香基单元1中其余香料单体用量不变，分别将β-二氢大马酮、香叶醇、金合欢基丙酮和香叶基丙酮的用量降低30%，调配获得香基单元3～6。

以参比卷烟为载体，通过黄金分割法［27］（0.618）对花香香基单元1 设置0.3、0.5、0.8、1.2、2.0、3.2 μL共6 个用量梯度，进行卷烟加香注射。将香基单元2～6分别以1.2 μL的注射量进行卷烟加香注射。

1.2.7 花香香基单元的加香贡献计算

成分加入参比卷烟后所引起的感官作用的变化与其加香贡献度和加香量有关，以成分加香贡献度和质量分数的乘积表征成分的加香贡献，以香基单元各成分的加香贡献之和表征香基单元整体的加香贡献。

1.2.8 花香香基单元的感官作用评价

制定“烟用香料在卷烟中作用评价方法”，对花香香基单元在参比卷烟中的作用效果进行评价。“烟用香料在卷烟中作用评价方法”包括感官品质和香气风格评价，其中，感官品质包括香气质、香气量、杂气、浓度、透发性、丰富性、细腻、柔和、刺激和残留等评价指标，评分范围为－5～5 分；香气风格包括烤烟烟香、清香、果香、辛香、木香、青滋香、花香、药草香、豆香、可可香、奶香、膏香、焦甜香、坚果香和甜香共15个香韵指标，评分范围为0～3分。

在卷烟样品评价过程中，参比卷烟的各评价指标均赋值为“0”，在感官品质方面，与参比卷烟相比有正面作用的采用正值，反之则采用负值，其中0分表示无变化，1 分表示稍变好，2 分表示变好，3～5 分表示明显变好，-1表示稍变差，-2表示变差，-3至-5表示明显变差；在香气风格方面，与参比卷烟相比，0分表示无变化，1 分表示稍有增加，2 分表示增加明显，3分表示增加非常明显。

2 结果与讨论

2.1 花香特征成分组群及其定量分析方法验证

通过对351种候选成分逐一嗅香评价，发现部分成分兼具花香与果香特征，这可能是因为多数果香成分和花香成分产生于植物开花结果相伴出现的各类次级代谢过程［28］，造成成分的花香与果香特征伴生出现，因此感官评价小组结合文献《食用香料手册》［21］和《Fenaroli’s handbook of flavor ingredients》［22］中对各成分的嗅觉特征描述，最终确定了烟气中可能存在的且嗅觉特征以花香为主的烟气内源性花香成分组群，该组群共包含45种化合物（表3）。

表3 45种花香成分嗅香特征及定量方法的线性范围、工作曲线、相关系数、回收率和相对标准偏差Tab.3 Olfactory characteristics of 45 floral aroma components and linearity ranges,linear equations,correlation coefficients,recoveries,and relative standard deviations of the quantitative method

花香组群化合物结构多样，不仅包含酮类、醇类和芳香酯类化合物，还包含少部分醛类和烯类成分。45 种化合物除主体的花香特征外，还呈现多样的细节特征，比如罗勒烯兼具柑橘样的果香，苯乙酮和苯乙醇兼具甜香，2-甲氧基苯甲醛呈现微弱的烟熏香，香叶醇还呈现青香等。正是由于各花香成分共同的主体特征及各具特色的细节特征，使组群整体感官特征兼具协调感与丰富性。

利用GC-MS 建立了花香成分组群的定量分析方法，45 种花香成分定量分析方法的验证结果见表3。可知，该方法的线性关系良好（R2>0.993，除苯亚甲基丙酮外），检测限为0.08～33.09 ng/mL，定量限为0.27～110.29 ng/mL，回收率在70.96%～119.03%之间，RSD 在0.19%～11.54%之间，方法的重复性较好，适合进行定量分析。测定转移率时，由于加香后卷烟中各花香成分的质量分数提升较高，因此，所采用定量分析方法提高了标准溶液的质量浓度，定量方法的线性范围为0.15～15.00 μg/mL，线性关系良好（R2>0.992）。

2.2 主流烟气内源性花香成分的定量分析及贡献评价

依据建立的内源性花香成分组群定量分析方法，测定了8 种品牌常规卷烟主流烟气粒相物中的45 种花香成分，共检测出24 种成分，各成分在卷烟中的单支释放量见表4。烟气中24种花香成分在不同卷烟中的释放规律基本一致，成分间释放量差异显著。总体来看，花香成分释放量与文献报道的烟熏香［14］、焦甜香［15］和酸香［17］等特征风味成分释放量相比处于较低水平，大部分低于1 μg/支。24种检出成分中，香叶基丙酮、假紫罗兰酮和金合欢基丙酮的单支释放量相对较高，大于1 μg/支；2-乙基己醇、苯甲酸甲酯、2-(4-甲基苯基)-2-丙醇和对羟基苯乙酮的单支释放量处于较低水平。正癸醇在不同卷烟中的释放量差异较大，在3号、7号卷烟中未检测到，而在其他卷烟中的释放量与其余花香成分相比处于中间水平。

表4 8个卷烟样品主流烟气中花香成分的释放量Tab.4 Releases of floral aroma components in mainstream smoke of eight cigarette samples（μg·支－1）

OAV常被用于判断复杂体系中风味成分的感官贡献。结合24种花香成分的嗅觉阈值计算获得对应的OAV（表5）。由于较低的嗅觉阈值，香叶醇在8种品牌卷烟中的OAV 均为最高，处于344.50～658.81的范围内，对卷烟烟气的花香特征贡献最大［29］。另外，β-大马酮、β-二氢大马酮的OAV在8种常规卷烟样品中也处于相对较高水平（>100），大部分卷烟粒相物中苯乙醛、α-紫罗兰酮的OAV接近100，少部分超过100，对卷烟烟气花香特征贡献较高。香叶基丙酮、假紫罗兰酮和金合欢基丙酮3种高释放量的烟气花香成分的OAV处于中等偏低水平；由于极高的嗅觉阈值，对羟基苯乙酮和乙酸金合欢酯的OAV 较低，2-(4-甲基苯基)-2-丙醇、2-乙基己醇、正庚醇、α-苯乙醇、苯乙酮、苯甲酸甲酯和苯甲酸乙酯等的OAV也相对较低。

表5 8个卷烟样品主流烟气中花香成分的嗅觉阈值及OAVTab.5 Odor threshold values and OAVs of floral aroma components in mainstream smoke of eight cigarette samples

2.3 内源性花香成分的转移率和加香贡献度

卷烟加香的效果一定程度上取决于加香成分进入主流烟气的能力，测定香气成分的主流烟气粒相转移率，能够为卷烟加香设计提供有效参考［26,30］。卷烟烟气中24种可检出花香成分在参比卷烟主流烟气的转移率如图1所示。可知，不同成分的转移率处于1.41%～17.90%之间，成分间差异较大。

图1 卷烟烟气中检出的花香成分的转移率及加香贡献度Fig.1 Transfer rates and flavoring contributions of the detected floral aroma components in mainstream cigarette smoke

转移率代表了成分进入主流烟气的能力，阈值则反映了成分引发感官作用的大小，加香贡献度将转移率与阈值结合，能够反映成分加香后所引起感官作用效果的能力。计算获得了24种可检出花香成分的加香贡献度（图1），β-二氢大马酮的加香贡献度最高且远高于其他花香成分，表明同等加香量的条件下，β-二氢大马酮所带来的感官作用效果远高于其他花香成分。香叶醇、β-大马酮和α-紫罗兰酮的加香贡献度也相对较高；对羟基苯乙酮和乙酸金合欢酯的加香贡献度最低。与转移率数据对比可见，各花香成分间加香贡献度的差异显著高于转移率的差异，β-二氢大马酮的转移率为苯乙醛的12.70 倍，而其加香贡献度却是苯乙醛的247.44 倍；香叶醇和正癸醇两种成分的转移率接近，前者的加香贡献度是后者的83.18倍。

2.4 基于内源性成分的花香特征调控

由2.2 节中的结果可知，8 种卷烟烟气中花香成分的分布特点基本一致，因此，以花香成分在烟气粒相物中的平均分布作为参考调配香基单元。花香香基单元1 中各成分的用量比例为其在8 种卷烟烟气中的平均释放量与其粒相转移率的比值。对不同添加量的花香香基单元1 在参比卷烟中的作用进行评价（图2；得分为“0”的感官评价指标表明与参比卷烟相比无变化，图中不再显示）。结果表明，花香香基单元1 的用量为2.1 μg/g（注射量0.8 μL）时，卷烟花香特征稍有增加，感官品质略有改善；用量为3.2 μg/g（注射量1.2 μL）时，卷烟花香特征和感官品质进一步提升；用量为5.2 μg/g 时（注射量2.0 μL），卷烟的感官品质下降，其中，香气质稍变差，刺激和残留均有一定程度的增加。此外，不同用量的花香香基单元1均能一定程度提升卷烟的清香特征，这可能一方面是由于花香特征对清香特征的协同作用，另一方面是部分花香成分带有清香香气。

图2 花香香基单元1在参比卷烟中的感官评价结果Fig.2 Sensory evaluation results of floral flavor base unit 1 in reference cigarette

进一步对比了各花香成分等比例组合的香基单元2 与香基单元1 在参比卷烟中的感官作用效果（图3；打分为“0”的感官评价指标在图中不再显示）。香基单元2对参比卷烟中花香和甜香特征的提升效果明显低于香基单元1；同时，香基单元2 对参比卷烟感官品质产生了负面影响，香气质和透发性变差，杂气、刺激性和残留感增加。由此可见，依据内源性花香特征物质基础构成方式获得的花香香基单元1的整体感官作用效果更好，能够在提升卷烟花香特征的同时保持卷烟整体感官品质的协调性。

图3 花香香基单元1和2在参比卷烟上的感官评价结果Fig.3 Sensory evaluation results of floral flavor base units 1 and 2 applied in the reference cigarette

2.5 加香贡献度的作用评价

为了研究不同加香贡献度成分变化所引起香基单元整体感官作用的变化程度，考察了加香贡献度差异较大的β-二氢大马酮、香叶醇、金合欢基丙酮和香叶基丙酮4 种成分用量变化对香基单元1 感官作用的影响。图4 为香基单元3～6 在参比卷烟中的感官评价结果，与香基单元1相比，β-二氢大马酮和香叶醇两种高加香贡献度成分用量降低后（分别对应香基单元3 和4），参比卷烟烟气花香、甜香、清香强度出现了不同程度的降低，感官品质变化明显；相比之下，加香贡献度较低的金合欢基丙酮和香叶基丙酮的用量变化（分别对应香基单元5 和6）并未造成卷烟感官品质的明显波动。进一步计算了香基单元3～6 相对于香基单元1 在加香贡献及花香强度两种指标上的变化率（图5），可见，香基单元的加香贡献变化越大对应的花香强度变化越大，当加香贡献变化率为10%左右时，花香强度变化了40%左右；加香贡献变化率在0.1%～0.4%的范围时，花香强度约变化了1%～3%。获取香基单元各成分的加香贡献度结合各成分的用量，能够在一定程度上评估香基单元特征感官作用强度，为对比不同配方间特征感官作用强度的差异提供数据参考，对卷烟调香工艺有较高的参考价值。

图4 香基单元3～6在参比卷烟中应用的感官评价结果Fig.4 Sensory evaluation results of flavor base units 3 to 6 in the reference cigarette

图5 香基单元3～6花香强度和加香贡献相对于香基单元1的变化率Fig.5 Variation rates of floral aroma strength and flavoring contribution of flavor base units 3 to 6 relative to those of flavor base unit 1

3 结论

①卷烟烟气成分筛查能够获得用以表征卷烟烟气花香特征的成分组群，该组群共包含45种化合物；②加香贡献度能够反映成分加香后所引起感官作用效果的能力，将香基单元中各成分的加香贡献度与其用量结合，一定程度上能够评估香基单元的特征感官作用强度，为对比不同配方间特征感官作用强度的差异提供数据参考，对卷烟调香有较高的参考价值；③与各成分等比组成的香基单元相比，依据花香成分的释放量及转移率所形成香基单元的感官作用效果更佳，是一种更有效的卷烟花香特征调控方法。