6種香料在加熱條件下的釋放遷移及對氣溶膠理化特性的影響

司曉喜，張鳳梅，朱瑞芝，唐石云，楊繼，劉春波，劉紹鋒，崔華鵬

1.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心/云南省煙草化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650031；2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院, 河南 鄭州 450001

0 引言

加熱卷煙(Heated Tobacco Product，HTP)是指利用加熱技術(shù)將煙草加熱到200～350 ℃釋放含煙堿氣溶膠的一種新型煙草制品[1-2]. 由于HTP在熱解過程中產(chǎn)生的香味成分明顯減少，因此通常在HTP中添加適量的香料，以改善煙氣質(zhì)和煙氣量[3].

傳統(tǒng)燃吸型卷煙研究領(lǐng)域已廣泛開展了煙用添加劑對煙氣的影響研究，如煙用添加劑燃燒時(shí)向煙氣的轉(zhuǎn)移、裂解[4-6]，以及對煙氣化學(xué)的影響等[7-9]，并著重關(guān)注了煙氣有害成分的變化以評價(jià)煙用添加劑的安全性[10]. 與傳統(tǒng)燃吸型卷煙相比，HTP具有加熱速率慢、加熱溫度低、加熱時(shí)間長等特點(diǎn)，因此,其中添加的香料在受到煙具加熱時(shí)可能會(huì)表現(xiàn)出不同的熱解和受熱遷移行為. 目前，研究者只針對個(gè)別種類香料開展了加熱條件下的釋放分析，如Z.Czégény等[11]評估了5種香料(愈創(chuàng)木酚、香茅醇、肉桂酸、薄荷醇、酒石酸)在300 ℃低溫加熱條件下的化學(xué)穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)愈創(chuàng)木酚最穩(wěn)定，香茅醇和肉桂酸產(chǎn)生了約1.5%的分解產(chǎn)物，薄荷醇產(chǎn)生了0.8%的分解產(chǎn)物，酒石酸生成了碳氧化物、水和環(huán)狀化合物；M.Blazs等[12]研究發(fā)現(xiàn)，芳香族化合物在受熱或氧化條件下的化學(xué)穩(wěn)定性高度依賴分子的組成和結(jié)構(gòu)，苯環(huán)上含有1～3個(gè)取代基(如甲基、甲酰基、乙酰基、羥基和甲氧基)的芳香族化合物較穩(wěn)定，而其他芳香族化合物均發(fā)生了相對溫和的氧化和熱分解反應(yīng)，產(chǎn)物占比約為10%. 張麗等[13]研究了HTP中煙草內(nèi)源性物質(zhì)或熱解香氣成分的轉(zhuǎn)移情況，香味成分釋放效率為13.2%～5 403.6%，即香味成分來源于原型遷移和受熱轉(zhuǎn)化過程. 王紫燕等[14]測定了HTP中9種涼味劑向煙氣的釋放情況，轉(zhuǎn)移率為4.68%～42.53%. 然而，關(guān)于香料在加熱條件下的熱解反應(yīng)和對煙氣化學(xué)成分的影響，以及潛在生物效應(yīng)評價(jià)研究還較為缺乏[15]，有必要進(jìn)一步了解香料在HTP溫度范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性、向煙氣氣溶膠的轉(zhuǎn)移釋放行為、對煙氣氣溶膠性質(zhì)的影響等.

基于此，本文選取了6種代表性的香料，即涼味劑L-薄荷醇，N,2,3-三甲基-2-異丙基丁酰胺(WS-23)，具有花香、果香和烤香的代表性物質(zhì)香葉醇，異戊酸異戊酯，2,3,5-三甲基吡嗪和2-乙?；量ㄟ^研究這6種香料在加熱條件下的釋放遷移、對煙氣氣溶膠主要化學(xué)成分釋放量和氣溶膠粒徑分布的影響，以期為HTP香料的選用提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)參考.

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

主要材料：空白HTP，不加香，煙支規(guī)格為長度45 mm(13 mm煙草材料段+6 mm中空支撐段+18 mm聚乳酸降溫段+8 mm醋酸纖維過濾段)、圓周22.60 mm、單支質(zhì)量(0.75±0.01) g，云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供.

主要試劑：無水乙醇(食品級，純度≥99.99%)，禹城市創(chuàng)興化工有限公司產(chǎn)；二氯甲烷、甲醇(色譜純)，美國Merck公司產(chǎn)；丙二醇、丙三醇、1,4-丁二醇、2-甲基喹啉、萘標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥99%)，德國Dr. Ehrenstorfer公司產(chǎn)；煙堿標(biāo)準(zhǔn)品(純度≥99.5%)，國家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心提供.6種香料標(biāo)準(zhǔn)品相關(guān)信息見表1.

表1 6種香料標(biāo)準(zhǔn)品相關(guān)信息Table 1 Information of six flavor components

1.2 主要儀器與設(shè)備

Clarus 600型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)，美國Perkin Elmer公司產(chǎn);5250T型熱裂解儀，美國CDS公司產(chǎn)；SM450直線型吸煙機(jī)，英國Cerulean 公司產(chǎn)；SCION456 GC-TQ型氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS/MS)，美國 Bruker 公司產(chǎn)；5977B型氣相色譜-氫火焰離子化檢測器(GC-FID)，美國Agilent公司產(chǎn)；SCS型模擬循環(huán)吸煙機(jī)、DMS500型快速粒徑譜儀，英國Cambustion公司產(chǎn).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 卷煙樣品的制備選取空白HTP，在相對濕度45%、溫度22 ℃的調(diào)節(jié)大氣中平衡24 h后，用于制備添加不同香料的樣品. 將HTP中6種香料的常用添加量設(shè)置為低水平添加量，同時(shí)制備低水平、高水平(高于常用添加量)添加量樣品，具體添加情況見表2. 樣品制備的具體步驟如下：采用無水乙醇配制一定質(zhì)量濃度的香料溶液，吸取40 μL香料溶液，采用微量注射器按照少量多次的方式均勻注射于空白HTP的煙草材料段(簡稱芯材). 同時(shí)制備空白對照樣品，即吸取40 μL無水乙醇，采用上述方法注射于空白HTP的芯材中. 將上述樣品于相對濕度45%、溫度22 ℃條件下平衡4 h以上，待香料充分吸收后進(jìn)行后續(xù)檢測.

表2 6種香料的添加情況Table 2 Additive amount of six flavourings

1.3.2 熱解實(shí)驗(yàn)用無水乙醇將6種香料配制成一定質(zhì)量濃度的溶液，分別移取1 μL上述溶液于樣品管中，將樣品管置于已調(diào)好預(yù)定溫度的熱解爐中，在設(shè)定的條件下進(jìn)行熱解反應(yīng)，熱解產(chǎn)物由載氣直接導(dǎo)入GC-MS中進(jìn)行分離和鑒定.

熱解條件：氛圍為空氣，熱解初始溫度為30 ℃，保持5 s, 以10 ℃/s的升溫速率升至350 ℃，保持5 s；吸附阱的吸附溫度-50 ℃，脫附溫度280 ℃，脫附時(shí)間2 min，傳輸線溫度220 ℃.

GC測試條件：毛細(xì)管色譜柱DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，進(jìn)樣口溫度250 ℃，載氣為He(99.999%)，流速1 mL/min，分流比40∶1，升溫程序?yàn)?0 ℃，保持5 min，以3 ℃/min的升溫速率升至100 ℃，再以5 ℃/min的升溫速率升至260 ℃，保持10 min.MS測試條件：電子轟擊離子源EI，離子源溫度250 ℃，傳輸線溫度280 ℃，質(zhì)量掃描范圍40～400 amu.

采用同樣的GC-MS分析條件，將6種香料標(biāo)準(zhǔn)品溶液直接進(jìn)樣分析和鑒定，進(jìn)樣量1 μL，作為對照比較熱解后的產(chǎn)物情況. 用NIST和WILEY標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜庫，對檢測到的物質(zhì)進(jìn)行定性和半定量分析.

1.3.3 煙氣氣溶膠和抽吸后煙支各部位香料的測定采用標(biāo)準(zhǔn)加熱煙具, 按照加拿大深度抽吸模式(HCI)抽吸煙支，煙具加熱溫度為350 ℃，每支煙抽吸8口. 粒相物由劍橋?yàn)V片捕集，氣相部分由串接于劍橋?yàn)V片之后的打孔吸收瓶(裝有15 mL含內(nèi)標(biāo)物萘的CH2Cl2溶液)捕集，將吸收瓶置于含有異丙醇-干冰混合物的冷阱中. 抽吸完成后，將截留氣溶膠粒相物的劍橋?yàn)V片、煙支芯材段、中空支撐段、聚乳酸降溫段、醋酸纖維降溫段分別放入錐形瓶中，分別加入15 mL含內(nèi)標(biāo)物萘的CH2Cl2溶液，超聲萃取20 min后進(jìn)樣進(jìn)行GC-MS/MS測定；捕集液混勻后取出，直接進(jìn)樣進(jìn)行GC-MS/MS測定.

參照司曉喜等[16]報(bào)道的方法，優(yōu)化并建立GC-MS/MS分析條件：色譜柱為DB-17柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)，進(jìn)樣口溫度280 ℃，載氣He，恒流流速1.0 mL/min，進(jìn)樣量1 μL，采用多級分流模式進(jìn)樣，分流比分別為10∶1(0～1 min)、100∶1(1～5 min)、20∶1(5 min后)，升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0 ℃，保持2 min，以5 ℃/min的升溫速率升至250 ℃保持10 min. MS檢測采用MRM多監(jiān)測掃描模式，2,3,5-三甲基吡嗪、2-乙?；量?、異戊酸異戊酯、L-薄荷醇、香葉醇、WS-23的定量離子對(m/z)分別為122.1/81.0、109.1/94.0、85.1/57.0、95.2/67.1、123.0/81.0、129.2/114.1，內(nèi)標(biāo)物萘的定量離子對為128.0/101.9，其中異戊酸異戊酯為3個(gè)異構(gòu)體的總和.

1.3.4 煙氣氣溶膠和抽吸后煙支各部位主要化學(xué)成分的測定按照1.3.3中的抽吸方式抽吸HTP，氣相物采用含質(zhì)量濃度均為2 mg/mL的1,4-丁二醇、2-甲基喹啉內(nèi)標(biāo)物的甲醇溶液捕集. 抽吸完成后，將截留氣溶膠粒相物的劍橋?yàn)V片、煙支中空支撐段、聚乳酸降溫段、醋酸纖維過濾段分別放入錐形瓶中，加入15 mL含質(zhì)量濃度均為2 mg/mL的1,4-丁二醇、2-甲基喹啉內(nèi)標(biāo)物的甲醇溶液，超聲萃取20 min后進(jìn)行GC-FID測定；捕集液混勻后取出，直接進(jìn)行GC-FID測定，測定條件參照蔡君蘭等[17]的方法.

1.3.5 煙氣氣溶膠的粒徑分布和煙霧量測定參照司曉喜等[18]的方法，采用模擬循環(huán)吸煙機(jī)和快速粒徑譜儀在線分析系統(tǒng)，按照HCI抽吸模式抽吸1支卷煙，煙氣氣溶膠經(jīng)二級稀釋系統(tǒng)進(jìn)行稀釋，設(shè)置采樣流量為15.0 L/min，二級體積稀釋比為 200∶1，每類樣品進(jìn)行3次平行測定. 基于不同大小氣溶膠顆粒電遷移率的差異進(jìn)行粒徑分級和檢測，獲得逐口煙氣氣溶膠的粒數(shù)粒徑分布譜圖、體積粒徑分布譜圖，進(jìn)一步計(jì)算可得全部口數(shù)煙氣氣溶膠粒數(shù)濃度平均值、粒數(shù)中值直徑平均值、體積濃度(煙霧量)平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 6種香料的低溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了解6種香料在低溫加熱條件下的釋放行為，比較了6種香料直接進(jìn)樣(a1、b1、c1、d1、e1和f1)和熱裂解進(jìn)樣(a2、b2、c2、d2、e2和f2)的總離子流色譜圖(見圖1). 由圖1可以看出，6種香料在350 ℃以下、空氣氛圍中均以蒸發(fā)原型轉(zhuǎn)移為主，L-薄荷醇、WS-23、異戊酸異戊酯、2,3,5-三甲基吡嗪和2-乙?；量┚礄z測到揮發(fā)性熱解產(chǎn)物，其中異戊酸異戊酯為3個(gè)異構(gòu)體的混合物，色譜圖中出現(xiàn)3個(gè)峰，在直接進(jìn)樣和熱裂解進(jìn)樣色譜圖中3個(gè)色譜峰的峰面積比例未發(fā)生變化；香葉醇產(chǎn)生約3.3%的熱解產(chǎn)物，在低溫350 ℃下發(fā)生了較弱的脫氫、重排和氧化過程[19]，產(chǎn)生了少量的檸檬醛、β-香葉烯、順式-β-羅勒烯等.

圖1 6種香料直接進(jìn)樣和熱裂解進(jìn)樣總離子流色譜圖比較Fig.1 Comparison of total ion chromatograms of six flavourings by direct injection and pyrolytic injection

2.2 6種香料在加熱抽吸條件下的釋放遷移情況

HTP進(jìn)行抽吸時(shí)，芯材中香料向煙氣氣溶膠的遷移除了與化合物的沸點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、添加量等有關(guān)，還受濾嘴段(包括中空支撐段、聚乳酸降溫段和醋酸纖維過濾段)對香料截留的影響. 在加熱抽吸條件下，不同香料向煙氣氣溶膠和煙支部位的遷移情況見圖2. 從圖2可以看出，6種香料在加熱條件下均容易從芯材中釋放，最終在芯材中的殘留率均低于7%. 6種香料在濾嘴段均有較大的截留率(即濾嘴段3個(gè)部位中檢測到的香料總質(zhì)量與添加量的比值)，為22.1%～83.3%，但不同香料的截留率差異較大，這影響了其向煙氣氣溶膠的遷移. 從向氣溶膠的總遷移量(即在氣溶膠粒相物和氣相物中檢測到的香料總質(zhì)量與添加量的比值)來看，香葉醇和2-乙酰基吡咯向煙氣氣溶膠的總遷移率較低，為2.8%～8.1%，其他4種香料向煙氣氣溶膠的總遷移率為17.6%～54.4%；從向氣溶膠粒相物與氣相物的遷移情況來看，異戊酸異戊酯和2,3,5-三甲基吡嗪向煙氣氣溶膠氣相物的遷移率分別為21.3%～24.3%、2.0%～2.8%，而其他4種香料均只向氣溶膠粒相物中遷移. 這可能是因?yàn)橹锌斩魏蜑V嘴段材料為醋酸纖維，孔隙小，表面富含乙?；?、羥基基團(tuán)，對含親核基團(tuán)物質(zhì)結(jié)合作用較強(qiáng)；聚乳酸纖維孔隙稍大，親水性差，對氣溶膠中物質(zhì)的截留可能主要依靠物質(zhì)降溫冷凝及聚乳酸本身受熱變形后的包裹作用；香葉醇含有羥基，而2-乙酰基吡咯分子結(jié)構(gòu)中含有乙?；椭侔罚咴跒V嘴段會(huì)發(fā)生強(qiáng)吸附作用，因此向煙氣氣溶膠的遷移率最低. L-薄荷醇含有羥基，而WS-23含有酰胺基，二者在濾嘴段也有較強(qiáng)的吸附作用，但由于添加量較高，可能受吸附容量及煙氣流洗脫作用的影響，因此向氣溶膠的遷移率高于前二者；異戊酸異戊酯和2,3,5-三甲基吡嗪比其他4種香料沸點(diǎn)低，且其分子結(jié)構(gòu)中含有的酯基、叔胺基的極性低于羥基、乙酰基等，受濾嘴段的截留作用相對較弱，一部分未冷凝形成氣溶膠粒相物，存在于氣相物中. 此外，還可以看出,2,3,5-三甲基吡嗪的回收率(即向煙氣的遷移率、濾嘴段的截留率、芯材中殘留率的總和)最低，可能是其沸點(diǎn)較低而容易損失所致.

圖2 加熱抽吸條件下6種香料向煙氣氣溶膠的遷移率、在濾嘴段的截留率和在芯材中的殘留率Fig.2 The migration rate of six flavourings to smoke aerosol, the interception rate in the filter section and the residue rate in the tobacco material under heating and suction conditions

2.3 6種香料對加熱卷煙氣溶膠中主要化學(xué)成分釋放的影響

丙三醇、丙二醇和煙堿是HTP氣溶膠中的主要成分，其中丙三醇和丙二醇是主要發(fā)煙劑[20-21]，而煙堿是抽吸滿足感的主要來源. 當(dāng)HTP中加入一定量的香料后，由于香料的蒸發(fā)和/或熱解作用，可能會(huì)影響煙堿和發(fā)煙劑的蒸發(fā)效率及其在煙支中的遷移傳遞. 圖3為不同香料對HTP煙氣氣溶膠中主要化學(xué)成分釋放的影響. 其中所檢測樣品的氣溶膠氣相物中丙二醇、丙三醇和煙堿含量均低于檢出限，未能檢出，即均分布于氣溶膠粒相物中. 從圖3可以看出，與不添加香料的空白樣品相比，HTP中添加5%的L-薄荷醇、1%和2%的WS-23后，加熱抽吸條件下煙堿、丙二醇和丙三醇向煙氣氣溶膠中的釋放量均降低了20%以上，在濾嘴段的截留量也降低了10%以上，即從芯材中的釋放總量降低；其他4種香料也使煙堿、丙二醇和丙三醇向煙氣氣溶膠中的釋放量有所降低，但當(dāng)添加0.08%的香葉醇、0.02%的2-乙酰基吡咯時(shí)，釋放量均降低了10%以上，此外在所研究添加量范圍下使煙堿、丙二醇和丙三醇在濾嘴段的截留量均降低了10%以下. 由于L-薄荷醇、WS-23、香葉醇和2-乙?；量┑姆悬c(diǎn)均在212～233 ℃間，在350 ℃加熱條件下均容易揮發(fā)釋放，當(dāng)添加量較高時(shí)，在一定程度上限制了芯材中其他化學(xué)成分的揮發(fā)釋放，此外,添加的香料在濾嘴段的吸附也可能影響其他化學(xué)成分的吸附，從而降低其他化學(xué)成分的截留量.

2.4 6種香料對加熱卷煙氣溶膠粒徑分布和煙霧量的影響

加熱卷煙的芯材在加熱條件下經(jīng)過蒸餾、熱解等作用會(huì)產(chǎn)生氣-汽混合物，這些混合物隨抽吸進(jìn)入煙氣流中，經(jīng)成核、冷凝增長形成氣溶膠. 芯材中添加的香料經(jīng)揮發(fā)直接參與氣溶膠的形成，同時(shí)會(huì)影響發(fā)煙劑等成分的蒸發(fā)，從而影響煙氣氣溶膠的形成和物理特性. 圖4比較了6種香料對加熱卷煙氣溶膠粒數(shù)濃度、粒數(shù)中值直徑(CMD)和煙霧量的影響. 從圖4a)和b)可以看出，與不添加香料的對照樣相比，當(dāng)L-薄荷醇添加量達(dá)到5%時(shí)，氣溶膠粒數(shù)濃度降低了28%、CMD增加了8%；當(dāng)WS-23添加量分別為1%和2%時(shí)，粒數(shù)濃度分別降低了12%和14%，但對CMD的影響不大(變化量小于6%)；其他4種香料在所研究的添加量下對氣溶膠的粒子濃度、CMD均無明顯影響，與空白對照樣相比,變化量均小于6%. 煙霧量受氣溶膠粒數(shù)濃度和粒徑大小共同影響，從圖4c)可以看出，添加6種香料對煙氣氣溶膠的煙霧量影響不大，與空白對照樣相比,變化量均小于5%. 結(jié)合以上結(jié)果分析，添加較高比例的L-薄荷醇，由于薄荷醇向煙氣氣溶膠遷移率高，減少了發(fā)煙劑及其他成分的遞送(見圖3)，但會(huì)增加粒子的團(tuán)聚作用，因而明顯改變了氣溶膠的粒數(shù)濃度和粒徑，進(jìn)而可能影響煙氣的感官品質(zhì).添加WS-23也會(huì)減少發(fā)煙劑及其他成分的遞送(見圖3)，從而使氣溶膠粒數(shù)濃度降低，但對粒徑影響不明顯.

圖3 6種香料對加熱卷煙煙氣氣溶膠中主要化學(xué)成分釋放的影響Fig.3 Effects of six flavourings on the release of major components in the HTP smoke aerosol

圖4 6種香料對加熱卷煙煙氣氣溶膠粒數(shù)濃度、粒數(shù)中值直徑和煙霧量的影響Fig.4 Effects of six flavourings on particle number concentration, count median diameter (CMD) and smoke amount of HTP smoke aerosol

3 結(jié)論

本文采用模擬抽吸結(jié)合GC-MS/MS和快速粒徑儀檢測，研究了6種香料在加熱卷煙產(chǎn)品中的受熱遷移行為及對氣溶膠理化特性的影響發(fā)現(xiàn)，6種香料在350 ℃加熱條件下以原型蒸發(fā)轉(zhuǎn)移為主，但受化合物本身性質(zhì)和濾嘴材料截留作用等的影響，呈現(xiàn)不同的釋放遷移特征，其中香葉醇和2-乙?；量┫驘煔鈿馊苣z遷移率較低，為2.8%～8.1%，其余4種香料為17.6%～54.4%，此外只有異戊酸異戊酯和2,3,5-三甲基吡嗪向煙氣氣溶膠氣相物轉(zhuǎn)移. 當(dāng)香料添加量較高時(shí)，會(huì)影響煙氣氣溶膠的理化特性，如L-薄荷醇添加比例達(dá)5%時(shí)，會(huì)使加熱抽吸時(shí)丙二醇、丙三醇和煙堿釋放量減小，氣溶膠粒數(shù)濃度降低、CMD變大；WS-23添加量為1%、2%時(shí)也會(huì)使丙二醇、丙三醇和煙堿的釋放量減少，氣溶膠粒數(shù)濃度降低. 綜上可知，香料在低溫加熱條件下的釋放遷移行為及對煙氣的影響，需結(jié)合香料本身的熱化學(xué)性質(zhì)、熱解模式、添加量、濾嘴截留作用等進(jìn)行綜合評估，以便更全面地了解其在最終產(chǎn)品中的可能行為.