裂解氣相色譜質(zhì)譜技術(shù)在煙草化學中的應(yīng)用

黃燕南 ，湯建國 ，毛智慧 ，孟昭宇 ，周梅村 ，牟定榮

(1.昆明理工大學化學工程學院，昆明 650224； 2.紅塔煙草集團有限責任公司技術(shù)中心，云南玉溪 653100)

1 裂解–氣相色譜–質(zhì)譜技術(shù)簡介

裂解–氣相色譜–質(zhì)譜(Pyrolysis–Gas Chromatography–Mass Spectrometry或Py–GC–MS)是熱裂解和氣相色譜–質(zhì)譜兩種技術(shù)的結(jié)合，1966年Simon等[1]首次實現(xiàn)了Py–GC–MS聯(lián)機分析。裂解–氣相色譜–質(zhì)譜技術(shù)具有分離效能高、靈敏度高、樣品用量少、分析速度快等優(yōu)點，因而越來越受到人們的關(guān)注，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ姆治龇椒ā＝?0年以來，高分辨裂解氣相色譜–質(zhì)譜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于聚合物科學、微生物學、生物工程、醫(yī)藥衛(wèi)生、司法檢驗、煙草化學、能源、地質(zhì)及地球化學等領(lǐng)域[2]。

Py–GC–MS將待測樣品置于裂解裝置內(nèi)，在嚴格控制的條件下，加熱使之迅速裂解成可揮發(fā)性小分子產(chǎn)物，然后將裂解產(chǎn)物送入色譜柱直接進行GC–MS分離分析[3]。在一定的條件下，被裂解樣品的裂解過程遵循一定的裂解規(guī)律，特定的樣品有其特征的裂解行為。通過產(chǎn)物的定性定量分析，及其與裂解溫度、裂解時間等操作條件的關(guān)系可以研究裂解產(chǎn)物與原樣品的組成、結(jié)構(gòu)和物化性能的關(guān)系，以及裂解機理和反應(yīng)動力學。

裂解是目前最接近于卷煙燃燒過程的一種方法，Py–GC–MS是研究煙草化學的有效工具[4–5]。在國內(nèi)外煙草研究機構(gòu)的煙草化學研究中，越來越受到重視。

2 裂解–氣相色譜–質(zhì)譜在煙草化學研究中的應(yīng)用

2.1 煙草及其化學成分裂解產(chǎn)物研究

國內(nèi)外對煙草及其化學成分裂解產(chǎn)物的研究文獻，涉及到卷煙煙絲、煙葉、煙梗、再造煙葉及聚酚類化合物、膠質(zhì)、纖維素、木質(zhì)素、兒茶酚、蔗糖、生物堿、氨基酸、果膠、綠原酸和蘆丁等大量物質(zhì)[6–7]。陳翠玲等[8]應(yīng)用 Py–GC–MS聯(lián)用技術(shù)對卷煙煙絲的熱裂解行為及其裂解產(chǎn)物進行研究，結(jié)果表明裂解氣氛不同可以顯著地影響樣品的熱裂解過程，在惰性和有氧氛圍中分別進行熱裂解實驗，其裂解產(chǎn)物的差異明顯，在惰性氛圍中，烯烴類和芳烴、稠環(huán)芳烴類化合物的生成量高于其在有氧氛圍下的生成量，而醛酮類化合物在前者中的生成量明顯低于在后者中的量，表明在惰性和有氧氛圍下，煙絲發(fā)生的反應(yīng)機理有差異。煙草在富氧狀態(tài)下主要發(fā)生的是氧化反應(yīng)，生成的化合物中醛、酮和酯占主要部分；當氧氣供應(yīng)不足時，主要發(fā)生的是氫化、還原和裂解反應(yīng)，生成許多復雜的物質(zhì)，其中碳氫化合物趨向于生成烯烴、芳烴、稠環(huán)芳烴等。董寧寧[9]研究了不同溫度條件下卷煙煙絲的熱裂解行為，討論了部分產(chǎn)物與裂解溫度之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明尼古丁的百分含量隨裂解溫度的升高而下降，而裂解產(chǎn)物的含量隨之上升，但在更高的溫度裂解產(chǎn)物發(fā)生了聚合。張建勛[10]在無氧條件下對部分國產(chǎn)卷煙樣品進行了熱解成分分析，定性定量分析結(jié)果表明不同卷煙樣品具有不同的熱解成分構(gòu)成，部分煙草香味物和有害物的含量因樣品不同而變化幅度較大。劉秀華等[11]在250℃環(huán)境下對某品牌卷煙煙絲揮發(fā)和裂解產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物中的有機成分進行了在線分析。楊偉祖等[12]對烤煙葉片和煙梗在大氣環(huán)境中的熱裂解產(chǎn)物進行分析，在相同熱裂解溫度條件下，煙葉的熱裂解產(chǎn)物種類明顯多于煙梗的熱裂解產(chǎn)物。楊葉昆等[13]對煙草中8種主要非揮發(fā)性有機酸在不同溫度下的熱裂解行為進行研究，討論了它們對煙氣品質(zhì)的影響及熱裂解在煙氣研究中的應(yīng)用。谷月玲等[14]對煙草提取物桔皮甙的裂解產(chǎn)物進行了GC–MS分析。董寧寧[15]探討了在無氧條件下200～800℃范圍內(nèi)碳水化合物葡萄糖、果糖和蔗糖的熱裂解行為，利用GC–MS定量和半定量測定其裂解產(chǎn)物，討論了部分產(chǎn)物與裂解溫度之間的關(guān)系，可為卷煙產(chǎn)品設(shè)計提供一定依據(jù)。楊偉祖等[16]在不同裂解氛圍和不同溫度下對胡蘿卜素進行裂解，裂解產(chǎn)物用固相微萃取裝置吸附，然后將吸附到的裂解產(chǎn)物用氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀分析。胡蘿卜素在不同裂解條件下主要的裂解產(chǎn)物是甲苯、對二甲苯，另外還生成異佛爾酮、環(huán)檸檬醛、紫羅蘭酮、二氫獼猴桃內(nèi)酯等香味化合物。陳永寬等[17]采用熱解直接進樣方式研究了煙草中主要的多酚類化合物——蕓香甙的熱裂解產(chǎn)物，分別鑒定出24個和23個裂解化合物。陳峰等[18]選擇不同溫度，在空氣存在的條件下對煙葉重要組分多羥基吡嗪進行熱裂解揮發(fā)性成分分析，該化合物的熱裂解能夠產(chǎn)生吡嗪類化合物，而且隨著熱裂解溫度的升高吡嗪類化合物的含量增加。

2.2 煙用香精香料的裂解產(chǎn)物研究

國內(nèi)外對煙用香精香料裂解產(chǎn)物進行了廣泛研究，如Maillard反應(yīng)中間體、糖苷類、中草藥類煙用香原料等[19]。歐亞非等[20]采用在線裂解GC–MS聯(lián)用技術(shù)測定了1-L-苯丙氨酸 -1-脫氧 -D-果糖(PDF)在 350，450，550，650，750和850℃下的熱裂解產(chǎn)物。結(jié)果表明，PDF為沒有熔點的Maillard反應(yīng)中間產(chǎn)物，其初次裂解溫度為145.91℃，二次裂解溫度為170.70℃，總體上香味成分含量減小，芳烴類和稠環(huán)芳烴類的含量增大。其部分裂解產(chǎn)物的形成符合Maillard反應(yīng)原理。何佳文等[21]采用離線或在線裂解–GC–MS技術(shù)分別在不同溫度下對1-L-丙氨酸-1-脫氧-D-果糖、1-L-頡氨酸-1-脫氧-D-果糖、1-L-脯氨酸-1-脫氧-D-果糖、1-羧乙基氨基-1-脫氧-D-果糖及Maillard反應(yīng)中間體進行裂解，分析表明：在不同溫度下裂解產(chǎn)物不一樣，高溫裂解產(chǎn)物較多，裂解產(chǎn)物大部分為卷煙煙氣的致香物質(zhì)——雜環(huán)類化合物。解萬翠等[22]研究糖苷類香料前體香葉基-β-D-吡喃葡萄糖苷和葉醇糖苷的熱裂解行為，根據(jù)實驗結(jié)果對裂解機理進行了初步探討，認為其裂解的基本反應(yīng)都是糖苷鍵的斷裂，分別產(chǎn)生了特征香味成分香葉醇和葉醇。吳億勤等[23]采用在線Py–GC–MS技術(shù)研究了4-氧代-大馬酮、單琥珀酸薄荷酯和桂葉油等熱裂解行為，根據(jù)裂解產(chǎn)物相對含量的變化規(guī)律，對其裂解產(chǎn)物的形成機理進行了探討，分析了可能的裂解途徑。丁毅等[24]采用Py–GC–MS技術(shù)對丁香油成分進行研究，發(fā)現(xiàn)丁香揮發(fā)油中主要成分是丁香油酚和β-石竹烯，相對含量約為89%。楊燕等[25]采用Py–GC–MS技術(shù)對無花果提取物的熱裂解產(chǎn)物進行剖析，結(jié)果表明無花果提取物熱裂解后，能產(chǎn)生大量醛類、酮類和呋喃類物質(zhì)。鐘洪祥等[26]采用離線Py–GC–MS技術(shù)對香蘭素進行裂解試驗，共鑒定出42種裂解產(chǎn)物，并根據(jù)香蘭素的鍵能對簡單酚類的形成機理進行了初步推測。朱海軍[27]合成了蘋果酸二薄荷酯，并采用Py–GC–MS技術(shù)進行了熱裂解性質(zhì)研究。陳永寬等[28]合成了 2，3-二氫 -3，5-二羥基 -6-甲基 -4(H)吡喃-4-酮，以空氣氣氛下直接熱裂解、SPME吸附熱裂解揮發(fā)性產(chǎn)物的方式，分析鑒定了20個裂解的揮發(fā)性化合物，討論了熱裂解的可能過程。宋瑜冰等[29]發(fā)明了一種基于熱裂解–氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的煙用香原料篩選方法，主要是通過分離、測定模擬卷煙抽吸過程中香原料的熱解產(chǎn)物來斷定香原料加入卷煙后在卷煙煙氣中貢獻的化學成分。盧斌斌[30]公開了一種采用熱裂解實驗評估香料單體對卷煙作用的方法，定量取樣香料單體樣品，用溶劑溶解并定容，用進樣針將樣品溶液注入石英玻璃管中的玻璃纖維上并在裂解器中進行裂解，所產(chǎn)生的熱裂解產(chǎn)物進行GC–MS分析，根據(jù)裂解產(chǎn)物的分析測定結(jié)果，評估了該香料單體加入卷煙后對卷煙煙氣的影響。

2.3 煙用輔料及添加劑裂解產(chǎn)物的研究

卷煙紙、卷煙搭口膠及其添加劑等是卷煙制造過程中必不可少的材料[31]，它們直接參與煙支燃燒，因而對卷煙的產(chǎn)品質(zhì)量和生物安全具有較大的影響[32]。姚青等[33]采用Py–GC–MS技術(shù)測定了2 種國產(chǎn)搭口膠樣品，這些實驗數(shù)據(jù)為建立卷煙輔料生物安全標準及產(chǎn)品質(zhì)量控制提供了科學依據(jù)。

另外，為了優(yōu)化功能型卷煙添加劑配方，以提高卷煙品質(zhì)和防止有害物質(zhì)的引入，楊燕等[34]利用Py–GC–MS技術(shù)對功能型卷煙添加劑進行了研究；為驗證PDS保潤劑在卷煙中的應(yīng)用效果，阮曉明等[35]利用Py–GC–MS技術(shù)分析出PDS的裂解產(chǎn)物中含有多種與煙草致香物質(zhì)相近的成分，同等條件下其改善煙氣的作用優(yōu)于丙二醇。李國政等[36]研究建立一種煙用水基膠的熱裂解分析方法，并對50個煙用水基膠樣品進行裂解物質(zhì)的定性分析和峰面積歸一化定量分析，確定了18種裂解產(chǎn)物，不同水基膠熱裂解時產(chǎn)生的裂解物質(zhì)含量差別較大。袁慶釗等[37]采用熱解–氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用法分別分析了pH 3.51，8.36和2.14的檸檬酸鉀溶液在空氣中于300，600和900℃下的裂解產(chǎn)物。結(jié)果表明：300℃下，檸檬酸鉀的裂解產(chǎn)物主要為酮類化合物，600℃和900℃下裂解產(chǎn)物主要為酮類、苯類、酚類、茚類及稠環(huán)芳烴類化合物。隨著pH的提高，檸檬酸鉀在高溫下裂解產(chǎn)生的巴豆醛、醛類、苯類、茚類及稠環(huán)芳烴類化合物增加，酮類、呋喃類、酚類減少。

3 裂解–氣相色譜–質(zhì)譜在煙草化學中的應(yīng)用前景

卷煙燃燒過程的模擬是目前煙草化學研究中較為活躍的領(lǐng)域之一，盡管Py–GC–MS屬于模擬技術(shù)，所得到的結(jié)果還應(yīng)與煙氣化學成分進行比較才能得到確認，但它仍然是目前最有效的一種手段，而且在國內(nèi)外煙草研究機構(gòu)中越來越受到重視[38]。利用Py–GC–MS技術(shù)裂解煙草中含有的單一物質(zhì)，可以研究煙氣中有害物質(zhì)來源，可以研究煙氣有害成分與煙葉化學成分之間關(guān)系，可以考查單一成分或卷煙中含有的添加劑，在燃吸過程中是如何進入煙氣的[39]。隨著Py–GC–MS技術(shù)進一步發(fā)展，有可能對卷煙燃吸過程進行數(shù)值模擬和化學計量學分析，建立量化的卷煙評吸指標，避免目前在卷煙新配方設(shè)計中由于主觀和可變因素造成的不同評吸結(jié)果[40]?？傊琍y–GC–MS技術(shù)在煙草化學中可為推測熱解機理、設(shè)計低害卷煙、選擇適宜的煙草添加劑等提供技術(shù)支撐。

[1]Vollmin J, et al. Microchemical Journal, 1966, 11(1): 73-86.

[2]Torikaiu K，et al. Food Chem Toxicol，2004，42: 1409-1417.

[3]王素方.煙草中物質(zhì)裂解氣相色譜-質(zhì)譜分析及裂解機理研究[D].中國科學技術(shù)大學，2004.

[4]Wang S F，et al. J Anal Appl Pyrol.，2004，71(1): 393-403.

[5]Wang S F， et al. J Chromatogr A，2004，102(2): 255-261.

[6]Liu B Z，et al. J Anal Appl Pyrol，2008，81(2): 157-161.

[7]Baker R R，et al. Food Chem Toxicol，2004，42(1): 3-37.

[8]陳翠玲，等.化學研究與應(yīng)用，2011，23(2): 152-158.

[9]董寧寧 .質(zhì)譜學報，2003，24(1): 283-286.

[10]張建勛，等.分析化學研究報告，2004，32(5): 573-578.

[11]劉秀華，等.中國煙草科學，2007，28(6): 13-16.

[12]楊偉祖，等.色譜，2006,24(6): 606-610.

[13]楊葉坤，等.煙草科學研究，2000(2): 48-50.

[14]谷月玲 .質(zhì)譜學報，1998，(2): 79-80.

[15]董寧寧 .質(zhì)譜學報，2004，25(1): 24-28.

[16]楊偉祖，等 .色譜，2006，24(6): 611-614.

[17]陳永寬，等.天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2002，14(6): 4-6.

[18]陳峰，等.天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2005，17(3): 349-350.

[19]Baker R R，Massey E D，Smith G. Food Chem.Toxicol.，2004，42(1)：53-83.

[20]歐亞非，等 .煙草科技，2011，(4): 41-46.

[21]何佳文，張敦鐵，殷發(fā)強.華中科技大學學報：自然科學版，2006，34(7): 122-124.

[22]解萬翠，等 .色譜，2006，24(4): 339-342.

[23]吳億勤.幾種煙用香精的熱裂解行為研究[D].昆明：云南大學，2007.

[24]丁毅，等.中國生化藥物雜志；2003(1): 36-37.

[25]楊燕，等 .光譜實驗室，2006，23(6): 1288-1291.

[26]鐘洪祥，等.香蘭素的熱解研究[J].煙草科技，2004(7): 22-26.

[27]朱海軍.幾類煙用潛香化合物的合成及應(yīng)用研究[D].云南大學，2004.

[28]陳永寬，等.化學研究與應(yīng)用，2003，15(1): 45-47.

[29]宋瑜冰，等.基于熱裂解-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的煙用香原料篩選方法：中國，101329232[P].2008-12-24.

[30]盧斌斌，等.采用熱裂解實驗評估香料單體對卷煙作用的方法：中國，101382529[P].2009-03-11.

[31]Carmines E L. Food and Chem Toxicol，2001，40: 77-91.

[32]Rustemeier K，et al. Food and Chem Toxicol，2001，40: 93-104.

[33]姚青，等 .分析測試學報，2006，26(9): 303-304.

[34]楊燕.卷煙添加劑的熱裂解產(chǎn)物研究[D].云南大學，2006.

[35]阮曉明，等.煙草科技，2006(9): 8-10.

[36]李國政，等.安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40(9): 5361-5362.

[37]袁慶釗，等.煙草科技，2010(9): 30-39.

[38]Saidi M S，et al. J Anal Appl Pyrol，2004，72(1): 141-152.

[39]Baker R R，et al. J Anal Appl Pyrol，2005，74(1): 145-170.

[40]Senneca O，et al. J Anal Appl Pyrol，2007，79(1-2): 227-233.