卷煙煙氣內(nèi)源性酸香成分的加香貢獻度

史清照，范 武，柴國璧，馬 驥，宋瑜冰，毛 健，徐秀娟，劉俊輝，席 輝，宗永立，屈 展，張建勛，汪軍霞，陶 紅，王 予，林寶敏，張啟東*，賴燕華*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

2.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣州市天河區(qū)林和西橫路186 號 510385

食品體系中眾多風(fēng)味成分往往具有不同的感官貢獻度，判斷各風(fēng)味成分感官貢獻度的差異對于解釋風(fēng)味指標的物質(zhì)基礎(chǔ)，進而指導(dǎo)相應(yīng)的風(fēng)味設(shè)計與調(diào)控工藝具有重要意義。風(fēng)味屬于化學(xué)感官（Chemosensory）的范疇，是一類特殊的心理物理學(xué)效應(yīng)［1］，與視覺和聽覺等由物理性刺激引發(fā)的感官類型相比，引發(fā)風(fēng)味的外界刺激形式更加復(fù)雜和豐富。衡量風(fēng)味成分的感官貢獻應(yīng)當(dāng)考慮外界刺激的強度和引發(fā)感官體驗的能力兩個維度。一般而言，風(fēng)味成分在體系中的質(zhì)量分數(shù)能夠反映外界刺激的強度，而引發(fā)感官效應(yīng)的能力則可由風(fēng)味閾值表征。以風(fēng)味成分質(zhì)量分數(shù)和其感官閾值比值計算獲得的香氣/味覺活性值（Odor/Taste activity value,OAV/TAV）是判斷風(fēng)味成分感官貢獻度的重要指標。研究者利用OAV［2-6］和TAV［7-11］對大量食品體系的風(fēng)味成分貢獻度進行了系統(tǒng)研判，發(fā)現(xiàn)相比于單純使用定量分析的結(jié)論，整合了質(zhì)量分數(shù)和閾值的OAV/TAV 能夠更加有效地反映復(fù)雜體系中關(guān)鍵性的風(fēng)味成分。

卷煙的消費方式?jīng)Q定了其風(fēng)味特征主要源于主流煙氣中的風(fēng)味成分，因此卷煙加香工藝的效果一定程度上取決于加香成分進入主流煙氣的能力。通過測定不同香氣成分的主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率，能夠為卷煙加香工藝設(shè)計提供有效參考［12-18］。然而，轉(zhuǎn)移率主要反映加香成分被消費者感知到的量的大小，并未反映不同香氣成分引發(fā)感官效應(yīng)的能力差異。例如，部分閾值很低的成分即使具有較低的轉(zhuǎn)移率，仍可能在加香后產(chǎn)生較大的風(fēng)味貢獻；而部分閾值很高的成分，即使具有較高的轉(zhuǎn)移率，其加香后的風(fēng)味貢獻也可能并不顯著。

同時，以往主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率的報道主要針對具有相同官能團的香氣成分［14-15］，然而具有相同的官能團并非香氣成分香韻類型的決定因素［19］。例如盡管均屬于有機酸，乙酸具有醋樣酸香特征，丁酸和2-甲基丁酸具有奶酪樣酸香特征，2-氧代丁酸主要為焦甜香特征，肉桂酸為膏香特征，草莓酸為果香特征，月桂酸和油酸等高級脂肪酸僅具微弱的蠟質(zhì)氣息，而蘋果酸和檸檬酸等多元酸則表現(xiàn)酸味特征而沒有嗅覺特征［20］。調(diào)香師在設(shè)計加香香精時常常需要對比同類香韻的不同成分，因此評價同類香韻各成分加香后的感官貢獻度，提供“加香貢獻度”數(shù)據(jù)，對于調(diào)香師的生產(chǎn)實踐將更具參考價值。

本研究中參考OAV 和TAV 判斷風(fēng)味成分貢獻度的方式，將加香成分轉(zhuǎn)移率和其嗅覺閾值有效結(jié)合，定義二者的比值為香氣成分的“加香貢獻度”，考察了存在于卷煙煙氣且符合卷煙添加劑使用規(guī)范的15 種酸香香韻有機酸在進行卷煙注射加香后的主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率，計算了各成分的加香貢獻度，旨在更加全面地反映卷煙加香技術(shù)環(huán)節(jié)不同香氣成分的應(yīng)用特點，為其加香應(yīng)用提供更全面的數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

實驗用卷煙樣品為市售常規(guī)烤煙型卷煙。

乙酸（99%）、丙酸（99%）、丁酸（99.5%）、2-甲基丁酸（99.5%）、異戊酸（98%）、反式-2-甲基-2-丁烯酸（99%）、庚酸（98%）、己酸（98%）、2-甲基己酸（97%）、正戊酸（99.5%）、2-甲基戊酸（99%）、3-甲基戊酸（97%）、異丁酸（98%）、2-氧代丙酸（97%）、3-苯基丙酸（98%）（美國Sigma Aldrich 公司）；反式-3-己烯酸（99%）（日本Tokyo Chemical Industry 公司）；二氯甲烷（色譜純，美國Cleman Chemical 公司）；環(huán)己烷（色譜純，美國Thermo Fisher 公司）；N,O-雙（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA，＞99%，美國Regis Technologies 公司）；乙醇（色譜純，德國Merck 公司）。

SM450 型20 孔 道 吸 煙 機（英 國Cerulean 公司）；44 mm 劍橋濾片（英國Whatman 公司）；7895A/5975C 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國Agilent公司）；CP224S 型電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius 公司）；HY-5 型振蕩器（江蘇金壇中大儀器廠）；0.22 μm 超濾膜（天津津騰公司）；一次性使用無菌注射器（1 mL，河南曙光健士醫(yī)療器械集團股份有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

依據(jù)ISO 3308［21］及GB/T 19609—2004［22］規(guī)定的方法抽吸煙支并收集制備主流煙氣粒相物；有機酸的質(zhì)量分數(shù)利用N,O-雙（三甲基硅基）三氟乙酰胺衍生化后采用氣質(zhì)聯(lián)用儀測定，衍生化及GC/MS 分析條件參照文獻［23］的方法。

1.2.2 香料單體在卷煙主流煙氣中轉(zhuǎn)移率的測定

以乙醇為溶劑，將酸香成分組群配制成10 mg/mL 的溶液，將卷煙于溫度（22±2）℃，相對濕度（60±5）%的恒溫恒濕箱中密封放置48 h 后，以每支卷煙10 μL 的量對卷煙進行注射加香，按標準抽吸并收集主流煙氣總粒相物［21-22］，采用1.2.1 節(jié)的條件進行前處理和定量分析，計算加香卷煙抽吸后主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率。

式中：C1代表加香后單支卷煙主流煙氣粒相物中香料的釋放量，μg/支；C0表示加香前單支卷煙主流煙氣粒相物中香料的釋放量，μg/支；C 代表單支卷煙加香量，μg/支。

1.2.3 加香貢獻度的計算

根據(jù)各香料單體煙絲加香后的主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率及嗅覺閾值［23］，計算各香料單體的加香貢獻度。

式中：Tr 代表酸香成分主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率；T 代表嗅覺閾值（μg/g）。

2 結(jié)果與討論

卷煙特殊的消費形式?jīng)Q定了其感官特征的物質(zhì)基礎(chǔ)主要源于煙氣。卷煙煙氣的化學(xué)構(gòu)成非常復(fù)雜，依據(jù)2013 年Rodgman［24］統(tǒng)計的煙草煙氣化學(xué)成分名單，卷煙煙氣中已知成分的數(shù)量已達6 010 種，許多成分是食品和煙草工業(yè)領(lǐng)域的常用香料。卷煙調(diào)香中有效應(yīng)用這些煙氣內(nèi)源性香味成分，有利于保持產(chǎn)品風(fēng)格的協(xié)調(diào)性。

本研究中所涉及的15 種有機酸是前期研究［23］確定的存在于卷煙主流煙氣中、以酸香為主要嗅覺特征且可作為煙用香料的成分，各成分的香氣特征描述見表1?？梢钥闯黾词咕鶎儆谒嵯阆沩嶎愋?，各成分表現(xiàn)出的嗅覺特征細節(jié)也存在差異，例如乙酸表現(xiàn)為醋樣的酸香，異戊酸則具有強烈的奶酪和酸敗的氣味，2-甲基戊酸帶有甜香，3-甲基戊酸還具有藥草、青香，2-甲基己酸除具有酸香外還有果香等。各異的感官特征決定了每種香料均具有獨特的作用。

表1 15 種酸香成分的香氣描述、轉(zhuǎn)移率及嗅覺閾值Tab.1 Aroma characteristics,transfer rates and olfactory thresholds of 15 acidic aroma components

2.1 酸香成分的主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率

影響卷煙加香成分主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率的因素很多，例如成分的揮發(fā)性影響其加香后的煙絲持留率，進而影響轉(zhuǎn)移率；成分的沸點和極性通過影響其遷移和冷凝的難易程度，也會影響轉(zhuǎn)移率；成分的熱穩(wěn)定性則通過卷煙燃燒過程的物質(zhì)消耗影響轉(zhuǎn)移率。從文獻數(shù)據(jù)來看，從戊醇到十六醇的轉(zhuǎn)移率呈先增高后降低再增高的趨勢［12］，己酸轉(zhuǎn)移率比3-甲基戊酸高，戊酸的轉(zhuǎn)移率低于異戊酸［13］，這些均反映出轉(zhuǎn)移率影響因素的復(fù)雜性。因此，很難通過不同香味成分的結(jié)構(gòu)特征有效預(yù)測其轉(zhuǎn)移率的差異，這也是調(diào)香工作中常常需要測定香味成分轉(zhuǎn)移率的原因。

加香后的平衡時間對轉(zhuǎn)移率測定結(jié)果有重要影響，部分研究將加香后的卷煙平衡時間設(shè)定為1周［12-15］；而在針對揮發(fā)性更強的酯類香料轉(zhuǎn)移率研究中，加香后的平衡時間被縮短至48 h［16-18］，且即便如此，許多重要香料如丁酸乙酯、異戊酸乙酯、乙酸異戊酯的轉(zhuǎn)移率仍無法測得。在針對醇類香料單體轉(zhuǎn)移行為的報道中，平衡1 周后戊醇的轉(zhuǎn)移率也無法測得，而碳數(shù)更少的醇則沒有涉及［12］。對有機酸類香料在主流煙氣粒相物中轉(zhuǎn)移率的報道相對較少，鮮見涉及碳原子數(shù)少于5 的成分的轉(zhuǎn)移率。蔡君蘭等［13］研究了卷煙中C5～C14共計10 種脂肪酸的轉(zhuǎn)移行為，發(fā)現(xiàn)在平衡1 周后，各香料主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率大部分低于3%；戊酸的轉(zhuǎn)移率無法測得，碳數(shù)更少的有機酸沒有涉及。小分子有機酸香氣表現(xiàn)的強度和豐富性往往高于大分子有機酸，為了對比小分子有機酸對卷煙感官特征的影響能力，本研究中直接抽吸加香后的卷煙，獲取主流煙氣粒相物，進而測定相應(yīng)的轉(zhuǎn)移率數(shù)據(jù)。15 種酸香成分的轉(zhuǎn)移率見表1，總體來看，乙酸的轉(zhuǎn)移率明顯高于其他14 種成分；異戊酸、2-甲基戊酸、己酸的轉(zhuǎn)移率接近，在15.28%～15.38%范圍內(nèi)；丙酸、丁酸、反式-2-甲基-2-丁烯酸的轉(zhuǎn)移率在10.20%～10.26%的范圍內(nèi)；異丁酸的轉(zhuǎn)移率最低。

2.2 酸香成分的加香貢獻度

主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率主要反映加香成分被遞送至卷煙煙氣粒相物中的量占加香總量的比例，并未兼顧不同成分引發(fā)感官效應(yīng)能力的差異。加香貢獻度在轉(zhuǎn)移率的基礎(chǔ)上，結(jié)合了不同成分嗅覺閾值，有助于更加全面地反映不同香料的差異。需要指出的是，“加香貢獻度”的概念是基于揮發(fā)性香氣成分的加香應(yīng)用需求提出的，并不適用于非揮發(fā)性成分的加香效果評價。另外，揮發(fā)性香氣成分的加香應(yīng)用通常是以提升相應(yīng)香氣特征為主要目的，雖然對煙氣感官作用的影響還包含不同香氣特征成分間的協(xié)同作用，以及由于香氣成分的加成、裂解等反應(yīng)而生成新物質(zhì)等間接方面，但揮發(fā)性香氣成分進入煙氣后的直接感官貢獻仍是調(diào)香人員關(guān)注的重點。本研究中提出的“加香貢獻度”概念即是為了描述揮發(fā)性香氣成分對煙氣中相應(yīng)香氣特征產(chǎn)生的直接貢獻，暫不考慮由于協(xié)同作用及化學(xué)反應(yīng)等因素而產(chǎn)生的間接影響。

15 種酸香成分的加香貢獻度見圖1?？梢钥闯?，引入嗅覺閾值獲得的加香貢獻度排序明顯不同于各成分主流煙氣轉(zhuǎn)移率排序。如乙酸的轉(zhuǎn)移率約為異戊酸的2.4 倍，是轉(zhuǎn)移率最高的酸香成分，而異戊酸卻是加香貢獻度最高的成分，約為乙酸的37 倍。以等量的乙酸與異戊酸進行卷煙加香，異戊酸向主流煙氣中轉(zhuǎn)移能力雖低于乙酸，卻能帶來遠高于乙酸的感官作用效果。此外，轉(zhuǎn)移率數(shù)據(jù)中看不出明顯差異的成分，其加香貢獻度卻顯著不同，如丙酸與丁酸的轉(zhuǎn)移率僅相差0.02個百分點，但兩者的加香貢獻度存在近50 倍的差異；異戊酸和3-甲基戊酸的轉(zhuǎn)移率分別比2-甲基戊酸低0.01 個百分點和0.69 個百分點，但二者的加香貢獻度分別是2-甲基戊酸的近100 倍和30倍。在卷煙調(diào)香工作中，相比于其他酸香成分，調(diào)香人員往往需要更加謹慎地調(diào)控異戊酸和3-甲基戊酸的使用量。這兩種成分少量的添加即可帶來非常顯著的感官變化，其原因即在于異戊酸和3-甲基戊酸的閾值更低，而二者的轉(zhuǎn)移率并不明顯低于其他酸香成分，因此其加香貢獻度更大。相反，對于加香貢獻度相對較低的異丁酸、2-甲基丁酸和2-甲基戊酸而言，調(diào)香人員反而會獲得相對更大的應(yīng)用自由度?？梢姡c轉(zhuǎn)移率相比，各酸香成分加香貢獻度所體現(xiàn)出的差異顯然與卷煙調(diào)香中各香料的使用經(jīng)驗更加吻合。

圖1 15 種酸香成分的轉(zhuǎn)移率及加香貢獻度Fig.1 Transfer rates and flavoring contributions of 15 acidic aroma components

從主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率看，除乙酸最高外（36.61%），其余成分均分布在相對狹小的范圍（9.67%～17.15%）內(nèi)。從加香貢獻度看，異戊酸最高（169.76），3-甲基戊酸、正戊酸、丁酸相對較高（分布范圍：14.25 ～52.13），乙酸、己酸、3-苯基丙酸、2-甲基戊酸和2-甲基丁酸相對較低（分布范圍：1.59 ～4.55），而異丁酸、庚酸、2-甲基己酸、反式-2-甲基-2-丁烯酸、丙酸和2-氧代丙酸最低（均小于1.00）。相比于轉(zhuǎn)移率，加香貢獻度能更直觀和清晰地表征不同酸香香料所具備的感官貢獻潛力，將隸屬同類香韻的不同香料按感官貢獻能力的差異劃分在層次分明的不同區(qū)間，結(jié)合各酸香香料感官特征的細節(jié)差異（表1），能夠為這些香料在卷煙調(diào)香中的工藝控制提供更加便利的數(shù)據(jù)參考。

3 結(jié)論

依據(jù)15 種卷煙煙氣內(nèi)源性酸香成分的主流煙氣粒相轉(zhuǎn)移率和嗅覺閾值，定義并獲得了15 種酸香成分的“加香貢獻度”，結(jié)果表明：①乙酸的轉(zhuǎn)移率為36.61%，其他14 種成分的轉(zhuǎn)移率在9.67%～17.15%范圍內(nèi)；②異戊酸的加香貢獻度為169.76，遠高于其他14 種成分；3-甲基戊酸、戊酸、丁酸的加香貢獻度在14.25 ～52.13 間，處于較高的水平；乙酸、2-甲基丁酸、2-甲基戊酸、己酸、3-苯基丙酸的加香貢獻度在1.59 ～4.55 間；其余酸香成分的加香貢獻度＜1.00。③加香貢獻度整合了主流煙氣轉(zhuǎn)移率和嗅覺閾值，可更加全面和真實地反映不同加香成分對卷煙煙氣感官特征影響的差異，對卷煙調(diào)香具有指導(dǎo)意義。