加熱煙草制品（HTPs）煙氣中吡嗪和吡啶類物質(zhì)分布及影響因素研究

向本富，劉志華，朱瑞芝，張鳳梅，湯建國，劉春波，申欽鵬，繆明明，蔣麗紅，司曉喜*

1 昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南昆明景明南路727號 650500；

2 云南省煙草化學(xué)重點實驗室，云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明紅錦路367號 650231

吡嗪和吡啶類物質(zhì)是卷煙煙氣中一類重要的氮雜環(huán)化合物，能賦予煙氣濃郁的烤香、香草香等怡人香味，可增強(qiáng)和改進(jìn)卷煙香氣，改善吃味[1-2]，由于其化學(xué)感官作用，還能降低含尼古丁氣溶膠在呼吸道中的刺激作用，使煙氣更柔和[3]。吡嗪和吡啶類物質(zhì)在食品烘焙時也會產(chǎn)生[4-5]，吡嗪類作為食品添加劑廣泛使用[6]。

HTPs煙氣中也存在吡嗪和吡啶類物質(zhì)，一部分來源于芯基材中所含吡嗪和吡啶的直接轉(zhuǎn)移，一部分來自于芯基材受熱過程中的美拉德反應(yīng)。芯基材的主體原料主要為煙葉，煙葉在調(diào)制過程中通過生物合成和化學(xué)轉(zhuǎn)化會產(chǎn)生吡嗪和吡啶類物質(zhì)[1]，其含量與煙葉品種相關(guān)[7]，此外芯基材生產(chǎn)使用的添加劑中也可能含有吡嗪和吡啶類物質(zhì)，芯基材中含有的吡嗪和吡啶類物質(zhì)在加熱過程中會向煙氣中轉(zhuǎn)移。煙草在燃燒過程中會產(chǎn)生大量吡嗪和吡啶類物質(zhì)已有較多研究[8-9]，但在加熱狀態(tài)下吡嗪和吡啶類物質(zhì)的產(chǎn)生鮮見報道，王華等[10]分析了不同煙草基質(zhì)受熱過程中的逸出物，其中檢測到5種吡嗪和吡啶類物質(zhì)，但未對這些物質(zhì)進(jìn)行定量測定。無論從HTPs開發(fā)角度還是從煙氣安全性方面考慮，有必要對HTPs煙氣氣溶膠中的吡嗪和吡啶進(jìn)行測定和評價。

HTPs煙氣氣溶膠中的吡嗪和吡啶類物質(zhì)分配于粒相物和氣相物中[11]，在粒相物和氣相物中的分配比例可能對這些化合物向嗅覺受體的傳遞效果產(chǎn)生影響[12]。因此，本研究測定了HTPs煙氣氣溶膠粒相物和氣相物中吡嗪和吡啶類物質(zhì)分布情況，并開展加熱狀態(tài)下煙葉類型、加熱溫度對吡嗪和吡啶產(chǎn)生的影響，旨在為HTPs開發(fā)和煙氣評價提供參考。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器

SM450直線型吸煙機(jī)（英國Cerulean）；IUOC 1.0電子烤煙器（深圳市余看智能科技有限公司），共有6檔加熱檔位，經(jīng)熱電偶法測定1～6檔的平均加熱溫度分別為220.9℃、231.8℃、239.4℃、252.3℃、257.6℃、265.8℃；600 GC氣相色譜儀（美國Perkin Elmer）；Clarus 600 MS質(zhì)譜檢測器（美國Perkin Elmer）；KQ-700 V型超聲波清洗（昆山市超聲儀器有限公司）；VX-200漩渦混合儀（美國Labnet）；3K30高速冷凍離心機(jī)（德國Sigma）；BT 125 D電子天平（感量0.01 mg，德國Sartorius）；Milli-Q超純水儀（美國 Millipore）。

1.1.2 試劑

二氯甲烷（色譜純，美國Merck公司）；吡啶、2-甲基吡嗪、2-乙基吡啶、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、2-甲氧基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2-丙基吡啶、3-乙基吡啶、2,3,5-三甲基吡嗪、5-乙基-2-甲基吡啶、2,3,5,6-四甲基吡嗪、氘代吡啶-d5、氘代-2-甲基吡嗪-d6（標(biāo)準(zhǔn)品，≥99%，德國Dr.Ehrenstorfer公司）。市售HTPs 11種（5個品牌，編號為H1～H3，I1～I(xiàn)2，J1～J2，K1～K2和L1～L2，采用各自配套的煙具進(jìn)行加熱）；傳統(tǒng)卷煙5種（編號為M1～M5）。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同煙葉類型卷煙樣品制備

選取不同類型單等級煙葉原料進(jìn)行實驗，詳細(xì)信息見表1。按玉溪（軟）品牌生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)制絲、卷制（不進(jìn)行加料和加香）成規(guī)格為84（20+64）mm的卷煙樣品，挑選煙支單支質(zhì)量（0.90±0.03）g，吸阻（1 100±50）Pa的卷煙樣品用于電子烤煙器的抽吸實驗。

表1 不同煙葉卷煙樣品信息Tab. 1 Information of cigarette made by different tobacco types

1.2.2 煙氣捕集

實驗HTPs采用配套煙具進(jìn)行加熱，用于對比的傳統(tǒng)卷煙采用正常燃吸方式，不同煙葉類型卷煙樣品采用電子烤煙器進(jìn)行加熱（加熱檔位為第5檔，加熱溫度為257.6℃），均采用HCI抽吸模式進(jìn)行抽吸，即抽吸容量為55 mL、抽吸持續(xù)時間為2 s、抽吸頻率為30 s。HTPs和電子烤煙器加熱的煙支每支煙抽吸8口，燃吸方式的傳統(tǒng)卷煙每支煙抽吸7口，均共抽吸4支煙，煙氣粒相物由劍橋濾片捕集，氣相部分由串接于劍橋濾片之后的打孔吸收瓶捕集，吸收瓶內(nèi)徑為20 mm，球形打孔端部距離瓶底的距離為2 mm，吸收瓶中裝有10 mL水溶液。

1.2.3 樣品前處理和分析

濾片浸提：卷煙抽吸后，取出截留主流煙氣粒相物的劍橋濾片，放入錐形瓶中，加入0.05 mL內(nèi)標(biāo)混合溶液和10 mL二氯甲烷，超聲萃取10 min后進(jìn)行GC-MS測定。

捕集液萃?。河? mL超純水淋洗吸收瓶與劍橋濾片捕集器連接的部分，合并捕集液與淋洗液并轉(zhuǎn)移至具蓋離心管中，加入0.05 mL內(nèi)標(biāo)混合溶液和5.0 mL二氯甲烷，于漩渦混合振蕩儀上以2000 r/min轉(zhuǎn)速振蕩2 min，然后以5000 r/min離心5 min，吸取下層液于樣品瓶中，剩余上層液中再加入5.0 mL二氯甲烷按上述方法重復(fù)萃取1次，離心后取下層液合并于同一樣品瓶中，進(jìn)行GC-MS測定。分析條件為：

色譜柱：HP-INNOWAX彈性石英毛細(xì)管色譜柱（30 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm d.f.，美國Agilent）；進(jìn)樣口溫度：220℃；載氣：氦氣（純度≥99.999%），恒流流速1.0 mL/min；進(jìn)樣量：1 μL；分流進(jìn)樣，分流比2:1（0～2.0 min），10:1（2.0～20 min）。程序升溫條件：初始溫度60℃，以5℃/min的速率升溫至80℃，再以2℃/min的速率升溫至95℃，最后以30℃/min的速率升溫至220℃，并保持5 min。電離方式：電子源轟擊（EI）；離子源溫度：200℃；傳輸線溫度：230℃；溶劑延遲：4.0 min；質(zhì)譜檢測采用選擇離子檢測模式（SIM），檢測的特征離子及保留時間見表2。

1.2.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

煙氣粒相物分析用混合內(nèi)標(biāo)溶液：用二氯甲烷配制氘代吡啶-d5、氘代-2-甲基吡嗪-d6濃度均為40 mg/L的混合內(nèi)標(biāo)溶液。

煙氣氣相物分析用混合內(nèi)標(biāo)溶液：用水配制氘代吡啶-d5、氘代-2-甲基吡嗪-d6濃度均為40 mg/L的混合內(nèi)標(biāo)溶液。

表2 15種目標(biāo)分析物和內(nèi)標(biāo)測定的定量、定性離子及保留時間Tab. 2 Qualitative ions, quantitative ions and retention time of fifteen target analytes and internal standard

煙氣粒相物分析用混合標(biāo)準(zhǔn)溶液：用二氯甲烷配制吡啶濃度分別為0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.50 mg/L，2-甲基吡嗪濃度分別為0.008、0.02、0.04、0.08、0.20、0.40、1.00 mg/L，2-乙基吡啶、2,5-二甲基吡嗪、2,6-二甲基吡嗪、2-甲氧基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2-丙基吡啶、3-乙基吡啶、2,3,5-三甲基吡嗪、5-乙基-2-甲基吡啶和2,3,5,6-四甲基吡嗪濃度均分別為0.004、0.01、0.02、0.04、0.10、0.20、0.50 mg/L的7級混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，各級混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中均加入0.05 mL混合內(nèi)標(biāo)溶液，使得其中氘代吡啶-d5、氘代-2-甲基吡嗪-d6濃度均為0.20 mg/L。

煙氣氣相物分析用混合標(biāo)準(zhǔn)溶液：用水配制與煙氣粒相物分析用混合標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度相同的7級混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別取各級標(biāo)準(zhǔn)溶液12 mL，按照1.2.3所述的“捕集液萃取”方法加入混合內(nèi)標(biāo)溶液后用二氯甲烷進(jìn)行萃取處理。

2 結(jié)果與討論

2. 1 煙氣捕集條件優(yōu)化

2.1.1 煙氣氣相物捕集條件優(yōu)化

吡嗪和吡啶類物質(zhì)均為小分子極性化合物，在煙氣的氣相和粒相物中均有分布[11]，通常把室溫下能通過劍橋濾片的煙氣部分稱為氣相物，被截留的部分稱為粒相物。實驗采用劍橋濾片捕集煙氣粒相物，采用加有水溶液的吸收瓶捕集透過劍橋濾片的煙氣氣相物。通常采用1個吸收瓶或串接2個吸收瓶捕集煙氣中氣相物質(zhì)，采取的方式取決于捕集物的性質(zhì)和抽吸條件等。實驗研究了3個吸收瓶串接，對HTPs煙氣中吡嗪和吡啶類物質(zhì)的捕集效率，結(jié)果見表3。串接的第3個吸收瓶中目標(biāo)物含量已低于檢出限，未能檢出，所以未在表3中列出。從表3中可以看出，HTPs煙氣氣相物中檢出6種吡嗪和吡啶類物質(zhì)，經(jīng)過1個吸收瓶捕集即可達(dá)到89%以上的捕集效率，且采用1個吸收瓶捕集3次平行實驗的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于6.8%，捕集穩(wěn)定性較好，因此選取1個吸收瓶進(jìn)行煙氣氣相物的捕集。

表3 吸收瓶串接個數(shù)對HTPs煙氣氣相物捕集效果的影響Tab. 3 The influence of the number of absorber bottles in series connection on the capture efficiency of gas phase of HTPs

2.1.2 劍橋濾片捕集煙氣口數(shù)對吡嗪和吡啶在煙氣中分布的影響

劍橋濾片的捕集效果不僅決定于顆粒的大小，還會受捕集量、濾片上已捕集物等較多因素影響。實驗比較了劍橋濾片捕集煙氣口數(shù)對吡嗪和吡啶在煙氣中分布的影響，圖1列出了HTPs和傳統(tǒng)卷煙煙氣中代表性吡嗪和吡啶類物質(zhì)在煙氣粒相物和氣相物中的分布情況。結(jié)果表明：隨著劍橋濾片捕集的煙氣口數(shù)從8口增加至32口，除了吡啶隨捕集的煙氣口數(shù)增加在粒相物中的分布略微增加外，吡嗪和吡啶類物質(zhì)在煙氣粒相物和氣相物中的分布和總量均未受明顯影響。隨著抽吸口數(shù)的增加，劍橋濾片中捕集的水分和醇類等極性物質(zhì)增加，故對極性較強(qiáng)的吡啶捕集率略微增加。綜合考慮為了滿足后續(xù)儀器檢測要求，實驗選取抽吸4支煙，抽吸口數(shù)共32口。

2.2 分析方法的評價

方法評價結(jié)果（表4）表明，12種吡嗪和吡啶在測定的濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4.8%，回收率在88%到103%，方法精密度好，定量準(zhǔn)確，能夠滿足HTPs煙氣粒相物和煙氣氣相物中吡嗪和吡啶的定量分析。

圖1 不同捕集口數(shù)對吡嗪和吡啶類物質(zhì)分布的影響Fig.1 The influence of different trapping puffs on distributions of pyrazines and pyridines

表4 方法的線性相關(guān)系數(shù)、定量限、精密度與回收率Tab. 4 Linear correlation coefficient, quantitation limit, precision and recovery of the method

2.3 吡嗪和吡啶在煙氣粒相物和氣相物中的含量和分布比較

2.3.1 含量比較

HTPs在加熱條件下產(chǎn)生煙氣氣溶膠，與傳統(tǒng)卷煙相比，由于未經(jīng)過高溫裂解階段，因此產(chǎn)生的氣溶膠理化性質(zhì)與傳統(tǒng)卷煙明顯不同[13-14]。本文比較了11種HTPs（包含5個品牌）和5種傳統(tǒng)卷煙煙氣中吡嗪和吡啶的含量。結(jié)果（圖2）表明：①HTPs煙氣中吡嗪和吡啶物質(zhì)含量明顯低于傳統(tǒng)卷煙，尤其是3-乙基吡啶等吡啶類成分在高溫裂解下大量產(chǎn)生，在加熱條件下產(chǎn)生量較小。②HTPs煙氣中吡啶類物質(zhì)以吡啶為主，吡啶含量在74.1～166.6 ng/口，部分樣品中檢出3-乙基吡啶和2-乙基吡啶，而2-丙基吡啶和5-乙基-2-甲基吡啶未能檢出（低于定量限）；③HTPs煙氣中吡嗪類物質(zhì)以2-甲基吡嗪和二甲基吡嗪為主，2-甲基吡嗪含量在9.3～63.5 ng/口，二甲基吡嗪含量在11.0～71.8 ng/口，部分樣品中檢出2,3,5-三甲基吡嗪和2,3,5,6-四甲基吡嗪。

圖2 HTPs (5個品牌，H1～H3, I1～I(xiàn)2, J1～J2, K1～K2 和 L1～L2)與傳統(tǒng)常規(guī)卷煙(M1～M5)煙氣粒相物和煙氣氣相物中吡嗪和吡啶含量和分布比較Fig.2 The content and distribution of pyrazines and pyridines in smoke particle matter and gas phase of heated tobacco products (5 different brands, H1～H3, I1～I(xiàn)2, J1～J2, K1～K2 and L1～L2) and traditional cigarette (M1～M5)

不同品牌HTPs煙氣中吡嗪和吡啶物質(zhì)的含量差異明顯。結(jié)合不同HTPs芯材的成分含量和加熱溫度分析結(jié)果（表5），J品牌HTPs加熱溫度低，K品牌HTPs芯材中總氮含量最低，可能是其煙氣中吡嗪和吡啶類含量低的主要原因。

表5 不同HTPs芯材中幾種主要成分的含量和加熱溫度Tab. 5 Content of several main components in tobacco material of different heated tobacco products and relevant heating temperatures

2.3.2 分布比較

由圖2可知，除品牌K，吡嗪和吡啶類物質(zhì)在HTPs煙氣氣相物中的分布比例明顯高于傳統(tǒng)卷煙，尤其是分子量較小的吡啶和2-甲基吡嗪。這可能是由于HTPs煙氣氣溶膠粒徑明顯小于傳統(tǒng)卷煙煙氣氣溶膠[14]，從而使劍橋濾片捕集的粒相物少于傳統(tǒng)卷煙所致。品牌K可能受芯基材原料和配方的影響，其中的發(fā)煙劑丙二醇含量高、丙三醇含量低、總氮含量低，導(dǎo)致產(chǎn)生的氣溶膠與其他品牌HTPs存在差異[15]，增加了劍橋濾片對其煙氣中吡嗪和吡啶的捕集率。

不同品牌HTPs中吡嗪和吡啶類物質(zhì)在氣相物和粒相物中的分布比例差別明顯，而在不同品牌傳統(tǒng)卷煙中的分布則較為接近。這可能與兩種類型卷煙的煙氣產(chǎn)生方式及氣溶膠性質(zhì)有關(guān)，傳統(tǒng)卷煙的煙氣通過燃燒產(chǎn)生，產(chǎn)生的氣溶膠粒徑大小和分布較為相似，而不同品牌HTPs的添加劑、加熱溫度、加熱方式等均存在一定差異，產(chǎn)生的氣溶膠粒徑大小和分布不同[14,16]。

進(jìn)一步比較不同吡嗪和吡啶類物質(zhì)在煙氣中的分布情況，可知隨著吡嗪和吡啶取代基的增加，其極性降低，在煙氣粒相物中的分布比例增加，如5-乙基-2甲基吡啶和2,3,5-三甲基吡嗪主要分布于粒相物中。

2.4 不同類型煙葉煙氣中吡嗪和吡啶類物質(zhì)的比較

芯基材的主體加工原料來源于煙葉，調(diào)制后的煙葉中含有一定量的吡嗪和吡啶類物質(zhì)[1,7]，此外芯基材中的含氮化合物在加熱條件下也會發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生吡嗪和吡啶類物質(zhì)[10]，以不同類型煙葉配方為原料生產(chǎn)的芯基材在加熱條件下生成的吡嗪和吡啶類物質(zhì)可能存在差異。

不同類型、不同部位、不同品種煙葉制備的煙支采用電子烤煙器在257.6℃下進(jìn)行加熱，產(chǎn)生的煙氣中吡嗪和吡啶的分布和含量結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯孩龠拎汉瓦拎ゎ愇镔|(zhì)含量排序為：白肋煙＞香料煙、晾曬煙＞烤煙，白肋煙和曬紅煙煙氣氣相物中分子量較小的吡啶和2-甲基吡嗪分布比例明顯高于其他類型煙葉。②比較同品種不同香型烤煙煙葉，中間香型烤煙煙葉在加熱條件下釋放出的吡嗪和吡啶含量高于濃香型煙葉和清香型煙葉，清香型煙葉煙氣氣相物中的吡啶和2-甲基吡嗪分布比例略高于中間香型煙葉和濃香型煙葉。③比較同品種不同部位煙葉，從上部煙葉到下部煙葉在加熱條件下釋放出的吡嗪和吡啶含量依次降低，中部煙葉煙氣相物中的吡嗪和吡啶分布比例略低于上部和下部煙葉。④比較云南產(chǎn)區(qū)同等級不同品種煙葉，K326、云87、紅大煙葉在加熱條件下釋放出的吡啶含量相似，云87煙葉在加熱條件下釋放出的吡嗪含量高于K326和紅大煙葉，3個品種煙葉煙氣相物中的吡嗪和吡啶分布比例接近。

圖3 不同類型煙葉在相同加熱條件下煙氣中吡嗪和吡啶含量和分布比較Fig.3 Comparison of content and distribution of pyrazines and pyridines in smoke from different types of tobacco leaves under the same heating condition

2.5 不同加熱溫度下煙氣中吡嗪和吡啶類物質(zhì)的比較

電子烤煙器可以調(diào)節(jié)6個加熱檔位，檔位由1檔至6檔加熱溫度依次增加，各檔平均加熱溫度分別為220.9℃、231.8℃、239.4℃、252.3℃、257.6℃、265.8℃。選擇同一煙葉卷制的卷煙樣品，測定了不同加熱溫度下煙氣中吡嗪和吡啶類物質(zhì)的分布情況，測定結(jié)果（圖4）表明：①加熱溫度提高有利于吡嗪和吡啶類物質(zhì)的生成，其中吡啶類物質(zhì)在采用6檔加熱時生成量增加最多，2-乙基吡啶在5檔和6檔加熱時才檢測到，2-丙基吡啶在6檔加熱時才檢測到，即在較高溫度下更有利于吡啶的生成；②吡嗪類物質(zhì)在采用前4檔加熱時生成量隨檔位增加而明顯增加，采用5檔和6檔加熱時生成量增加率不明顯，即吡嗪在適中的加熱溫度下即可達(dá)到較大的生成量。③比較不同加熱檔位下吡嗪和吡啶在煙氣氣相物和粒相物中的分配，可以看出加熱檔位增加至4檔以上時，吡嗪在氣相物中的分布比例降低；不同加熱檔位下吡啶在煙氣氣相物和粒相物中的分配差異不明顯。以上結(jié)果表明，控制合適的加熱溫度可以控制吡嗪和吡啶的生成量。

圖4 不同加熱溫度下煙氣中吡嗪和吡啶類物質(zhì)的比較Fig.4 Comparison of content of pyrazines and pyridines in cigarette smoke at different heating temperatures

3 結(jié)論

采用劍橋濾片和水溶液分別捕集HTPs煙氣粒相物和氣相物，測定了粒相物和氣相物中吡嗪和吡啶類物質(zhì)的含量和分布，并研究了煙葉類型、加熱溫度對吡嗪和吡啶生成的影響。研究發(fā)現(xiàn)：（1）HTPs煙氣中主要含有吡啶、2-甲基吡嗪和二甲基吡嗪，部分品牌HTPs煙氣中吡嗪和吡啶類物質(zhì)含量差異明顯。（2）除了1個品牌外，吡嗪和吡啶類物質(zhì)在HTPs煙氣氣相物中的分布比例明顯高于傳統(tǒng)卷煙，在不同品牌HTPs煙氣中分布比例差別明顯。（3）隨著吡嗪和吡啶類物質(zhì)隨著取代基增加，在煙氣粒相物中的分布比例增加。（4）在相同加熱條件下，吡嗪和吡啶生成量為白肋煙＞晾曬煙、香料煙＞烤煙，上部煙葉＞中部煙葉＞下部煙葉，云87＞K326、紅大；白肋煙、曬紅煙和上部煙葉中吡啶和2-甲基吡嗪在氣相物中的分布比例明顯高于其他類型煙葉原料。（5）加熱溫度的增加有利于吡嗪和吡啶的生成，吡嗪在適中的加熱溫度下即達(dá)到較大的生成量，吡啶在較高溫度下更利于生成，隨著加熱溫度增加吡啶在煙氣氣相物和粒相物中的分配差異不明顯，吡嗪在氣相物中的分布比例降低。通過調(diào)控HTPs原料的葉組配方及加熱溫度，可調(diào)控?zé)煔鈿馊苣z中吡啶和吡啶的生成量及分布，研究結(jié)果可為HTPs產(chǎn)品配方設(shè)計和煙氣評價提供支持。