卷煙主流煙氣焦甜、奶香和豆香特征成分組群的分布特征和感官貢獻(xiàn)

胡安福，范武，夏倩，張啟東，史清照，周國俊，徐建，蔡興華，宗永立，蔣健*，柴國璧*

1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，杭州市西湖區(qū)科海路118號(hào)310024

2.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(hào)450001

焦甜香和奶香是食品中常見的兩類香韻，其成分廣泛分布于面包［1］、咖啡［2-3］和茶葉［3］等熱處理加工的產(chǎn)品中。就結(jié)構(gòu)特征而言，焦甜香成分同奶香成分具有一定相似性，典型焦甜香成分如甲基環(huán)戊烯醇酮、麥芽酚、4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮，典型奶香成分如丁二酮、2,3-己二酮等均具有鄰二酮結(jié)構(gòu)或其變體。從產(chǎn)生途徑看，這些焦甜香成分和奶香成分通常來自糖類在美拉德反應(yīng)中經(jīng)Amadori產(chǎn)物降解生成的α-二酮中間體［4-7］，因此，兩種香韻成分常常相伴出現(xiàn)；另一方面，奶香和豆香香韻也常常相伴出現(xiàn)，合成香料如γ-壬內(nèi)酯、γ-戊內(nèi)酯等兼具奶香和豆香香韻特征，天然香料如香莢蘭提取物同時(shí)呈現(xiàn)奶香、豆香韻調(diào)。對(duì)卷煙而言，3種香韻均是煙氣特征的重要組成［8］，但目前除焦甜香通過感官導(dǎo)向分離的方式獲取了4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮、甲基環(huán)戊烯醇酮等部分關(guān)鍵成分外［9］，卷煙中構(gòu)成奶香和豆香兩種特征的物質(zhì)基礎(chǔ)目前尚不清楚。鑒于此，本研究中系統(tǒng)篩選出既存在于卷煙煙氣中同時(shí)又能夠作為煙用香料使用的焦甜、奶香和豆香特征成分組群，測(cè)定其在不同卷煙主流煙氣粒相物中的分布，結(jié)合香氣活性值技術(shù)確定對(duì)煙氣有重要貢獻(xiàn)的成分，旨在為傳統(tǒng)卷煙、加熱不燃燒卷煙和電子煙香韻的精準(zhǔn)調(diào)配提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)用卷煙樣品為9個(gè)市售主流品牌成品卷煙，其中一類卷煙4個(gè)，二類卷煙3個(gè)，三類卷煙2個(gè)，卷煙類型和盒標(biāo)焦油量見表1。

2,3-戊二酮（97%）、2,3-己二酮（94%）、2,3-庚二酮（＞97%）、羥基丙酮（95%）、γ-戊內(nèi)酯（98%）、2-氧代丁酸（96%）、2-甲基四氫呋喃-3-酮（98%）（美國Alfa Aesar公司）；乳酸丁酯（＞98%）、γ-丁內(nèi)酯（＞99%）、γ-庚內(nèi)酯（＞98%）、2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮（＞98%）、乙基環(huán)戊烯醇酮（＞97%）、δ-己內(nèi)酯（＞99%）、二氫香豆素（＞98%）、巴豆酸（97%）（日本TCI公司）；γ-己內(nèi)酯（98%）、丁二酮（98%）、3,4-二甲基-1,2-環(huán)戊二酮（98%）、反式-3-己烯酸（97%）（北京百靈威科技有限公司）；3,5-二甲基-1,2-環(huán)戊二酮（＞97%）、4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮（＞99%）、5-甲基糠醛（99%）、四氫糠醇（97%）、5-甲基-2-呋喃甲醇（98%）（美國Sigma-Aldrich公司）；乙基麥芽酚（99%）、甲基環(huán)戊烯醇酮（＞98%）、3-羥基-2-丁酮（97%）（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；乙基香蘭素（97%）、香蘭素（99%）、3,4-己二酮（96%）、麥芽酚（98%）、糠醇（98%）、γ-壬內(nèi)酯（98%）、6-甲基香豆素（98%）、1-羥基-2-丁酮（98%）、3-甲基-2-環(huán)戊烯-1-酮（98%）、丙酸蘇合香酯（98%）（美國Acros Organics公司）；3-戊烯-2-酮（95%）、糠醛（99%）、藜蘆醛（96%）（北京伊諾凱科技有限公司）；N,O-雙（三甲基硅基）三氟乙酰胺（＞99%，美國Regis Technologies公司）；丙酮、二氯甲烷（色譜純，德國Merck公司）。

表1卷煙樣品的類型和盒標(biāo)焦油量Tab.1 Types and labeled tar levels of cigarette samples（mg·支-1）

SM450型20孔道 吸煙 機(jī)（英國Cerulean公司）；44 mm劍橋?yàn)V片（英國Whatman公司）；7890A/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）；0.22μm濾膜（中國天津津騰公司）；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(tuán)股份有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷煙主流煙氣焦甜、奶香和豆香特征成分的篩選與評(píng)價(jià)

以Rodgman和Perfetti［10］的《The chemical components of tobacco and tobacco smoke》一書中列出的6 010種煙氣成分為數(shù)據(jù)來源，按照對(duì)煙氣香氣直接貢獻(xiàn)的可能性、成分自身的安全性、卷煙加香使用規(guī)范性3個(gè)原則進(jìn)行篩選，并選擇市場(chǎng)上主流化學(xué)試劑和香精香料供應(yīng)商（包括Sigma Aldrich、Acros、TCI、Alfa Aesar、伊諾凱、百靈威、阿拉丁、奇華頓、芬美意、華寶、花臣等）能夠提供標(biāo)準(zhǔn)品的化學(xué)成分，得到候選成分。

（1）對(duì)煙氣香氣直接貢獻(xiàn)的可能性原則

剔除分子量高于350的成分、非萜類脂肪烴、多羥基或多羧基類化合物、甾族化合物、酸酐類化合物、酰胺類化合物、氨基酸類化合物、生物堿類化合物、無機(jī)化合物和超過12個(gè)碳原子的飽和直鏈脂肪酸、醇、酯。

（2）成分自身的安全性原則

剔除稠環(huán)芳烴及其衍生物、無稠環(huán)芳烴、芳香胺類化合物、脂肪胺類化合物、亞硝胺類化合物、重氮和偶氮化合物、農(nóng)藥成分、硝基化合物、醌類化合物、鹵代烴及其衍生物、鄰苯二甲酸類化合物、8種低分子量醛酮（甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、巴豆醛、丙烯醛、丙酮、丁酮）、甲酚、香豆素、丙烯酸甲酯、4類雜環(huán)化合物（呋喃、咪唑、喹啉、聯(lián)吡啶）及其烴基衍生物。

（3）卷煙加香使用規(guī)范性原則

篩選出GB 2760—2014［11］和美國食品香料和萃取物制造商協(xié)會(huì)（FEMA，The Flavor and Extract Manufacturers Association of the United States）許可使用的添加劑成分。

挑選12名長期從事卷煙調(diào)香工作、具有豐富感官分析經(jīng)驗(yàn)的人員組成固定的感官評(píng)價(jià)小組。小組成員根據(jù)文獻(xiàn)［12-13］收集香氣特征的描述性術(shù)語，參考描述性術(shù)語結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)和聯(lián)想，使用聞香紙對(duì)候選成分的嗅香特征進(jìn)行感官描述，最終從中確定卷煙煙氣焦甜、奶香和豆香特征成分組群。

1.2.2 卷煙主流煙氣粒相物焦甜、奶香和豆香成分定量分析

按ISO 3308:2012［14］和GB/T 19609—2004［15］規(guī)定的方法抽吸煙支并收集制備主流煙氣粒相物；取2片各收集有5支卷煙煙氣粒相物的劍橋?yàn)V片置于50 mL具塞錐形瓶中，加入20 mL丙酮及內(nèi)標(biāo)，室溫振蕩30 min，上清液用濾膜過濾。取2 mL濾液，進(jìn)行GC/MS分析，每個(gè)樣品測(cè)定2次取平均值。分析條件：

色譜柱：DB-WAXetr毛細(xì)管柱（60 m×0.25 mm×0.25μm）；載氣：He；柱流量：1 mL/min；進(jìn)樣口 溫 度：250℃；程 序 升 溫：50℃（0 min）250℃（10 min）；不分流模式；GC/MS傳輸線溫度：250℃；電離方式：EI；離子源溫度：230℃，四極桿溫度：150℃；電子能量：70 eV；掃描模式：選擇離子掃描，根據(jù)保留時(shí)間劃分時(shí)間段。待測(cè)化合物（不包括2-氧代丁酸和巴豆酸）保留時(shí)間、定性及定量離子的參數(shù)選擇見表2。

表2 36種待測(cè)化合物及內(nèi)標(biāo)的保留時(shí)間和選擇離子Tab.2 Retention times,quantitative ions and qualitative ions of 36 analytes and the internal standard

表2（續(xù)）

2-氧代丁酸和巴豆酸為有機(jī)酸，參照文獻(xiàn)［16-17］的報(bào)道：取2片各收集有5支卷煙煙氣粒相物的劍橋?yàn)V片置于50 mL具塞錐形瓶中，加入25 mL二氯甲烷以及反式-3-己烯酸（內(nèi)標(biāo)），室溫下超聲萃取20 min，上清液用濾膜過濾。取濾液約1.5 mL于2 mL色譜瓶中，加入70μLN,O-雙（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA），在60℃水浴中反應(yīng)（衍生化）50 min，冷卻至室溫后進(jìn)行GC/MS分析，每個(gè)樣品測(cè)定2次，取平均值。分析采用DB-5MS毛細(xì)管柱（60 m×0.25 mm×0.25μm），程序升溫采用℃（3 min），分流比采用5∶1，待測(cè)化合物保留時(shí)間、定性及定量離子的參數(shù)選擇見表3，其余參數(shù)同前述分析條件。

1.2.3 香韻成分閾值測(cè)定及OAV計(jì)算

感官評(píng)價(jià)小組依據(jù)GB/T 22366—2008［18］中針對(duì)最優(yōu)估計(jì)閾值（Best estimate threshold,BET）法測(cè)定風(fēng)味物質(zhì)閾值的描述，采用三點(diǎn)選配法（Three-alternative forced-choice method,3-AFC法）測(cè)定香韻成分在乙醇中的嗅覺閾值。以成分在單支卷煙煙氣中的釋放量與實(shí)測(cè)總粒相物的比值作為該成分在粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；以成分在粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與嗅覺閾值之比作為該成分的OAV［17,19］。

表3 2-氧代丁酸、巴豆酸和內(nèi)標(biāo)的保留時(shí)間及選擇離子Tab.3 Retention times,quantitative ions and qualitative ions of 2-ketobutyric acid,crotonic acid and the internal standard

2 結(jié)果與討論

2.1 卷煙煙氣焦甜、奶香和豆香特征成分組群的確定

本研究中組織感官評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)，在充分參考《食用 香料 手冊(cè)》［12］和《Fenaroli’s handbook of flavor ingredients》［13］中關(guān)于香氣特征描述的基礎(chǔ)上，對(duì)351種候選成分逐一進(jìn)行嗅香評(píng)價(jià)，最終確定了包括18種焦甜香化合物、15種奶香化合物和5種豆香化合物的卷煙煙氣特征成分組群（表4）。焦甜香特征成分組群主要包含環(huán)戊二酮類、呋喃類、呋喃酮類和吡喃酮類化合物，部分成分在表現(xiàn)出焦甜香的同時(shí)還兼具烘烤香、堅(jiān)果香等特征；奶香特征成分組群主要包含鄰二酮類、香蘭素類和內(nèi)酯類化合物，香氣特征主要表現(xiàn)為奶香和甜香；豆香特征成分組群主要包含香豆素類和內(nèi)酯類化合物。值得注意的是2-氧代丁酸和巴豆酸雖然屬于典型的有機(jī)酸，但香氣評(píng)價(jià)結(jié)果顯示其分別具有焦甜香韻和奶香香韻，并不表現(xiàn)出酸香特征。

表4卷煙煙氣焦甜、奶香和豆香特征成分組群Tab.4 Components with burnt-sweet,creamy and bean aroma characteristics in cigarette smoke

2.2 主流煙氣焦甜、奶香和豆香特征成分組群的分布

表5和表6分別為9種市售品牌成品卷煙主流煙氣焦甜、奶香和豆香特征成分組群的單支卷煙釋放量和在粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。可知，各成分單支釋放量的分布呈現(xiàn)一定的相似性：3種類型卷煙主流煙氣中，單支釋放量最高的成分均為羥基丙酮、丁二酮、甲基環(huán)戊烯醇酮和4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮等；單支釋放量最低的成分均為四氫糠醇、2,3-庚二酮和γ-庚內(nèi)酯等。對(duì)比不同類型卷煙主流煙氣中各成分的單支釋放量可以看出，常規(guī)焦油烤煙型卷煙普遍高于低焦油烤煙型和常規(guī)焦油混合型，常規(guī)焦油混合型卷煙略高于8 mg低焦油烤煙型卷煙，焦油降低使各香韻成分單支釋放量明顯下降。

表5 9種卷煙樣品主流煙氣中焦甜、奶香和豆香香韻特征成分的單支釋放量Tab.5 Releases of components with burnt-sweet,creamy and bean aroma note characteristics in mainstream smoke of 9 cigarette samples（μg·支-1）

表6焦甜、奶香和豆香特征成分組群在9種卷煙主流煙氣粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.6 Contents of components with burnt-sweet,creamy and bean aroma characteristics in TPM of mainstream smoke of 9 cigarette samples （μg·g-1）

對(duì)比常規(guī)焦油和低焦油烤煙型卷煙主流煙氣粒相物中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以看出，低焦油卷煙主流煙氣粒相物中，各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)并未隨其單支釋放量及焦油量的下降而明顯降低，部分成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)還略高于一些常規(guī)焦油烤煙型卷煙；混合型卷煙各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于烤煙型卷煙。

2.3 焦甜、奶香和豆香特征成分組群對(duì)卷煙煙氣的貢獻(xiàn)度

食品風(fēng)味分析中常用香氣或味覺活性值（Odor/Taste activity value，OAV/TAV）判定化合物對(duì)食品香味的貢獻(xiàn)大?。?0-21］。OAV（TAV）是指風(fēng)味體系內(nèi)香氣（味覺）物質(zhì)的濃度與其嗅覺（味覺）閾值的比值。因此可以粗略地認(rèn)為，OAV（TAV）＞1的成分對(duì)體系有香味貢獻(xiàn)，其值越高，貢獻(xiàn)度越大；而OAV（TAV）＜1的成分對(duì)體系香味貢獻(xiàn)則可以忽略［22］。就卷煙煙氣而言，利用OAV可評(píng)估不同香氣物質(zhì)對(duì)卷煙香氣特征的貢獻(xiàn)程度，篩選出對(duì)卷煙香氣特征起關(guān)鍵作用的物質(zhì)［17,19,23］?；诖耍瑴y(cè)定了38種成分的嗅覺閾值，結(jié)合各成分在9種卷煙主流煙氣粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算了相應(yīng)的OAV（表7），根據(jù)OAV的高低判定18種焦甜香成分、15種奶香成分和5種豆香成分對(duì)卷煙煙氣的貢獻(xiàn)度大小。

38種卷煙焦甜香、奶香和豆香成分中，OAV最高的依次為4-羥基-2,5-二甲基-3（2H）-呋喃酮、3,4-二甲基-1,2-環(huán)戊二酮和丁二酮，均超過1 000。對(duì)卷煙焦甜香而言，18種成分中OAV較高的均為4-羥基-2,5-二甲基-3（2H）-呋喃酮、3,4-二甲基-1,2-環(huán)戊二酮、甲基環(huán)戊烯醇酮和乙基環(huán)戊烯醇酮，其OAV加和占所有成分OAV加和的90%以上，是構(gòu)成煙氣焦甜香韻的關(guān)鍵成分；15種奶香成分中，OAV較高的依次為丁二酮、乙基香蘭素和香蘭素，其OAV均遠(yuǎn)高于其他成分，是構(gòu)成煙氣奶香香韻的關(guān)鍵成分；5種豆香成分中，6-甲基香豆素和二氫香豆素的OAV較高，是構(gòu)成煙氣豆香香韻的關(guān)鍵成分。從OAV概念和計(jì)算公式來看，僅以物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低并不能評(píng)估其香氣貢獻(xiàn)度，還必須考慮相應(yīng)的嗅覺閾值：雖然羥基丙酮的單支釋放量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高，但其嗅覺閾值也較高，其OAV并不高，對(duì)奶香的貢獻(xiàn)不突出；相反，乙基香蘭素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低且其嗅覺閾值也較低，其OAV較高，對(duì)奶香的貢獻(xiàn)較為明顯。另一方面，3種香韻中焦甜香成分的OAV加和最高，奶香比焦甜香低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，而豆香比奶香又低一個(gè)數(shù)量級(jí)，說明3種香韻中，焦甜香對(duì)卷煙煙氣的貢獻(xiàn)權(quán)重最大，奶香次之，豆香最小。

表7焦甜、奶香、豆香特征成分組群的嗅覺閾值及其在9種卷煙主流煙中的香氣活性值Tab.7 Olfactory thresholds of components with burnt-sweet,creamy and bean aroma characteristics and their OAVs in mainstream smoke of 9 cigarette samples

表7（續(xù)）

3 結(jié)論

①依據(jù)2013年Rodgman和Perfetti統(tǒng)計(jì)的煙草煙氣化學(xué)成分名單，經(jīng)系統(tǒng)篩查及嗅香特征評(píng)價(jià)獲得了卷煙煙氣中焦甜、奶香和豆香特征成分組群，其中包含18種焦甜香化合物、15種奶香化合物和5種豆香化合物。②采用GC/MS對(duì)38種成分在卷煙中的分布特征進(jìn)行了考察，不同類型卷煙釋放量較大的成分均為羥基丙酮、丁二酮、甲基環(huán)戊烯醇酮和4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮等，混合型卷煙主流煙氣中38種成分的總釋放量顯著低于烤煙型卷煙。③通過OAV明確了各成分組群對(duì)卷煙煙氣的感官貢獻(xiàn)，3種香韻中，焦甜香對(duì)卷煙煙氣的貢獻(xiàn)權(quán)重最大，其關(guān)鍵成分為4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮、3,4-二甲基-1,2-環(huán)戊二酮、甲基環(huán)戊烯醇酮和乙基環(huán)戊烯醇酮；奶香次之，其關(guān)鍵成分為丁二酮、乙基香蘭素和香蘭素；豆香最小，其關(guān)鍵成分為6-甲基香豆素和二氫香豆素。