醇類香料單體應(yīng)用于濾棒加香的轉(zhuǎn)移行為研究

楊龍彥，張玎婕，寧振興，李志華，李季剛，黃善松，張峻松

1.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，廣西 南寧 530001；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

0 引言

卷煙加香不僅能增補(bǔ)卷煙香氣、掩蓋雜氣、改善余味，還可以賦予卷煙獨(dú)特的風(fēng)格特征[1-2]。目前，行業(yè)內(nèi)已形成多種卷煙加香方式，如煙絲加香[3-4]、成型紙加香[5-6]、接裝紙加香[7-8]、濾棒加香[9-11]等。其中濾棒加香制得的卷煙在燃吸時(shí)產(chǎn)生的熱氣流能直接將香味成分帶入口腔，增加香料向主流煙氣的轉(zhuǎn)移率[12]，卷煙香料的轉(zhuǎn)移行為對(duì)主流煙氣成分含量及感官品質(zhì)影響顯著。

關(guān)于卷煙香料的轉(zhuǎn)移行為研究，目前多集中在煙絲中的外加香料單體[13-14]。例如，羅海濤等[15]研究了煙絲外加烯酮類香料單體向卷煙煙氣中的轉(zhuǎn)移行為，發(fā)現(xiàn)烯酮類香料向主流煙氣粒相的轉(zhuǎn)移率跟香料的沸點(diǎn)相關(guān)；李春等[16]分析了一些酮、酯類香料單體在卷煙中的轉(zhuǎn)移率，發(fā)現(xiàn)在密封條件下香料單體向?yàn)V嘴中的轉(zhuǎn)移率隨香原料沸點(diǎn)的升高而減小;張杰等[17]分別采用煙絲、濾棒等外加香的方式進(jìn)行了醛酮類香料單體轉(zhuǎn)移行為的研究，發(fā)現(xiàn)濾棒加香更有利于低沸點(diǎn)醛酮類香料向主流煙氣粒相中的轉(zhuǎn)移。但濾棒加香卷煙中醇類香料單體在貯存和抽吸期間的轉(zhuǎn)移規(guī)律鮮見報(bào)道。鑒于此，本文擬將13種醇類香料單體添加到卷煙濾棒中，對(duì)卷煙中香料單體的萃取條件進(jìn)行優(yōu)化，并建立醇類香料單體的GC-MS分析方法，考查貯存和抽吸過程中醇類香料單體的轉(zhuǎn)移行為，為醇類香料單體在卷煙香味補(bǔ)償中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

主要材料：空白卷煙(64 mm(煙支長)+25 mm(醋纖濾嘴長)×22.5 mm(圓周長))，廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供。

主要試劑：醇類香料(戊醇、反-3-己烯-1-醇、己醇、庚醇、2-乙基己醇、辛醇、癸醇、十五醇、苯甲醇、苯乙醇、芳樟醇、香葉醇、橙花醇)，純度≥98%，北京百靈威科技有限公司產(chǎn)；乙酸苯乙酯、無水乙醇、甲醇、異丙醇、正己烷，純度≥99.9%，色譜級(jí)，天津市大茂化學(xué)試劑廠產(chǎn)；二氯甲烷，純度≥99.9%，色譜級(jí)，迪馬科技試劑有限公司產(chǎn)。

主要儀器：SB-3200DT超聲波清洗機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司產(chǎn)；EL204型電子天平，瑞士Mettler Toledo公司產(chǎn)；RM20 H轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)，德國Borgwaldt KC公司產(chǎn)；7890B/5977A氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國Agilent公司產(chǎn)；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠產(chǎn)；同時(shí)蒸餾萃取裝置，鄭州輕工業(yè)大學(xué)自制。

濾棒加香卷煙制備：挑出質(zhì)量、吸阻均勻一致的煙支作為空白卷煙樣品，準(zhǔn)確稱取醇類香料各0.2 g置于10 mL容量瓶中，以1,2-丙二醇為溶劑配制成各單體質(zhì)量濃度為20 mg/mL的混合香料溶液。以每支10 μL的用量，使用微量注射器將其注入空白卷煙濾嘴，置于煙盒并密封，得到濾棒加香卷煙。將濾棒加香卷煙于恒溫恒濕(溫度(22±2)℃，濕度(60±5)%)環(huán)境貯存7 d，得到貯存后濾棒加香卷煙。

實(shí)驗(yàn)樣本制備：分別選取貯存后濾棒加香卷煙和空白卷煙各2支，將濾嘴與煙絲剝離獲得抽吸前濾嘴樣本、加香卷煙煙絲及空白卷煙煙絲樣本；分別取20支貯存后濾棒加香卷煙和空白卷煙，按照《常規(guī)分析用吸煙機(jī)定義和標(biāo)準(zhǔn)條件》(GB/T 16450—2004)[18]的要求，利用吸煙機(jī)抽吸，劍橋?yàn)V片捕集卷煙主流煙氣粒相物，得到劍橋?yàn)V片樣本；吸煙機(jī)抽吸后保留煙蒂，將煙蒂接裝紙及成形紙剝離得到抽吸后濾嘴樣本。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制稱取0.021 0 g乙酸苯乙酯，分別以無水乙醇、二氯甲烷為溶劑定容于1000 mL的容量瓶中，搖勻，將其配制成質(zhì)量濃度為0.021 0 mg/mL的內(nèi)標(biāo)溶液。

準(zhǔn)確稱取0.01 g各醇類香料標(biāo)準(zhǔn)品于1000 mL容量瓶中，用內(nèi)標(biāo)溶液定容，得到各醇類化合物質(zhì)量濃度為0.01 mg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。

分別移取適量混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，用內(nèi)標(biāo)溶液梯度稀釋，得到質(zhì)量濃度為0.625 μg/mL、1.250 μg/mL、1.500 μg/mL、2.500 μg/mL、3.000 μg/mL、5.000 μg/mL、6.000 μg/mL、7.000 μg/mL、10.000 μg/mL的系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.2.2 香料成分的提取采用溶劑萃取法進(jìn)行抽吸前濾嘴樣本中香料成分的提取。將濾嘴樣本剪碎轉(zhuǎn)移至加入乙酸苯乙酯內(nèi)標(biāo)溶液的50 mL錐形瓶中，加入適宜的萃取溶劑，以適宜的方式萃取一定時(shí)間，對(duì)萃取液進(jìn)行GC-MS分析。

采用同時(shí)蒸餾萃取法[19]進(jìn)行煙絲、劍橋?yàn)V片及抽吸后濾嘴中香料成分的提取。將加香卷煙煙絲、空白煙絲、劍橋?yàn)V片或抽吸后濾嘴分別置于同時(shí)蒸餾萃取裝置一端裝有350 mL蒸餾水和30 g氯化鈉的1000 mL圓底燒瓶中，用電熱套加熱；裝置的另一端連接裝有60 mL二氯甲烷的濃縮瓶，60 ℃水浴加熱，反應(yīng)時(shí)間為2.5 h，萃取完成后，在濃縮瓶中加入1 mL乙酸苯乙酯內(nèi)標(biāo)溶液，分別將各萃取液濃縮至1.0 mL，過0.45 μm有機(jī)濾膜，對(duì)濾液進(jìn)行GC-MS分析。

1.2.3 溶劑萃取法實(shí)驗(yàn)條件的選擇在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，初步確定溶劑萃取法的實(shí)驗(yàn)條件為：將濾嘴樣本剪碎轉(zhuǎn)移至加入6 mL乙酸苯乙酯內(nèi)標(biāo)溶液的50 mL錐形瓶中，加入6 mL無水乙醇超聲振蕩萃取20 min。

通過考查單因素萃取溶劑、萃取方式、萃取時(shí)間、萃取體積對(duì)萃取量的影響，確定溶劑萃取法的最佳實(shí)驗(yàn)條件，分別為：1)改變萃取溶劑的種類，考查無水乙醇、甲醇、異丙醇和環(huán)己烷4種萃取溶劑對(duì)萃取量的影響；2)改變萃取方式，考查超聲振蕩和搖床振蕩兩種萃取方式對(duì)萃取量的影響；3)改變萃取時(shí)間，考查不同萃取時(shí)間(10 min、20 min、30 min、40 min、50 min)對(duì)萃取量的影響；4)改變萃取溶劑體積，考查不同萃取溶劑體積(4 mL、6 mL、8 mL、10 mL、12 mL、14 mL)對(duì)萃取量的影響。

1.2.4 GC-MS分析條件及方法評(píng)價(jià)GC-MS分析條件：色譜柱為HP-5 MS毛細(xì)管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)，載氣氦氣，載氣流量1.0 mL/min；進(jìn)樣口溫度280 ℃，進(jìn)樣量1 μL，分流比5∶1。升溫程序?yàn)椋?0 ℃，保持2 min；以6 ℃/min 的速率升溫至280 ℃，保持20 min。離子源為電子轟擊(EI)源，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，傳輸線溫度280 ℃，電子倍增器電壓1994 V，全掃描模式，采用峰面積歸一化法進(jìn)行半定量分析。

分別取系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液按照上述條件進(jìn)行GC-MS分析，將各醇類香料單體與內(nèi)標(biāo)物峰的面積比值為橫坐標(biāo)，各醇類香料單體與內(nèi)標(biāo)物質(zhì)量濃度的比值為縱坐標(biāo)，進(jìn)行線性回歸分析，得到各醇類香料單體的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線和相關(guān)系數(shù)，計(jì)算6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，并分別測定低、中、高不同加標(biāo)水平下13種成分的回收率，每個(gè)樣品重復(fù)測定5次，計(jì)算平均回收率，以評(píng)價(jià)GC-MS分析方法的可靠性。

1.2.5 醇類香料單體的轉(zhuǎn)移行為研究方法1)貯存過程。該過程醇類香料單體的轉(zhuǎn)移行為通過香料單體的濾嘴持留率(Y1)、煙絲遷移率(Y2)及散失率(Y3)進(jìn)行分析。

Y3=1-(Y1+Y2)

式中，m為外加香料量/(μg·支-1)；m0為空白卷煙濾棒中的香料含量/(μg·支-1)；m1為貯存后加香卷煙濾棒中的香料含量/(μg·支-1)；m2為空白卷煙煙絲中的香料含量/(μg·支-1)；m3為貯存后加香卷煙煙絲中的香料含量/(μg·支-1)。

2)抽吸過程。取貯存7 d后的濾棒加香卷煙進(jìn)行抽吸，抽吸過程中醇類香料單體的轉(zhuǎn)移行為通過香料單體的主流煙氣轉(zhuǎn)移率(Y4)和濾嘴殘留率(Y5)進(jìn)行分析。

式中，M1為主流煙氣粒相物劍橋?yàn)V片中香料含量/(μg·支-1);M2為加香卷煙抽吸后濾嘴中香料含量/(μg·支-1)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑萃取法實(shí)驗(yàn)條件選擇結(jié)果

不同萃取溶劑對(duì)加香濾嘴中醇類香料單體萃取量的影響如圖1所示。由圖1可知，使用無水乙醇作為萃取溶劑，各目標(biāo)化合物均具有較高的萃取量，這可能與超聲振蕩選擇性加熱的特點(diǎn)有關(guān)，溶劑的極性越大，升溫越快，萃取量越高[20]。因此，選擇無水乙醇作為萃取溶劑。

圖1 不同萃取溶劑對(duì)加香濾嘴中醇類香料單體萃取量的影響Fig.1 Effect of extraction solvents on the extraction alcohol flavors in the perfuming filter

不同萃取方式對(duì)加香濾嘴中醇類香料單體萃取量的影響如圖2所示。由圖2可知，兩種萃取方式下各目標(biāo)化合物的萃取量變化趨勢基本一致；使用不同萃取方式時(shí)，橙花醇的得率相差最大，戊醇的得率相差最小，表明不同萃取方式對(duì)各醇類香料的萃取量影響不一。另外，超聲振蕩萃取條件下，13種醇類香料的萃取量均高于搖床振蕩萃取。因此，選擇超聲振蕩的方式進(jìn)行萃取。

圖2 不同萃取方式對(duì)加香濾嘴中醇類香料單體萃取量的影響Fig.2 Effect of extraction methods on the extraction alcohol flavors in the perfuming filter

不同萃取時(shí)間對(duì)加香濾嘴中醇類香料單體萃取量的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著萃取時(shí)間的延長，萃取量呈現(xiàn)先升高后緩慢下降的趨勢，在20 min 時(shí)各目標(biāo)化合物的萃取量均達(dá)到最大值，分析其原因可能是：在一定時(shí)間范圍內(nèi)，隨著萃取時(shí)間的延長，溫度逐漸升高，各醇類香味成分溶解度增大，提取率增大；而后隨時(shí)間繼續(xù)延長，溫度持續(xù)上升，過高的溫度可能造成部分醇類香味成分分解及散失[21]，從而影響醇類香味成分的提取率。因此，選擇萃取時(shí)間20 min為宜。

圖3 不同萃取時(shí)間對(duì)加香濾嘴中醇類香料單體萃取量的影響Fig.3 Effect of extraction time on the extraction alcohol flavors in the perfuming filter

不同萃取溶劑體積對(duì)加香濾嘴中醇類香料單體萃取量的影響如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)萃取溶劑體積為6 mL時(shí)，各目標(biāo)化合物的萃取量均為最佳，少量的乙醇不足以將樣品浸沒進(jìn)而將醇類香味成分萃取完全，但萃取溶劑體積過大會(huì)產(chǎn)生稀釋效應(yīng)，萃取量反而有所下降[22]。因此，選擇萃取溶劑體積為6 mL為宜。

圖4 不同萃取溶劑體積對(duì)加香濾嘴中醇類香料單體萃取量的影響Fig.4 Effect of extraction volume on the extraction alcohol flavors in the perfuming filter

2.2 GC-MS分析方法評(píng)價(jià)結(jié)果

13種醇類香料單體的線性方程、相關(guān)系數(shù)、精密度、檢出限、定量限和回收率結(jié)果如表1所示。由表1可知，13 種醇類香料單體在 0.63～10.00 μg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性良好(R≥0.999 0)，定量限為0.11～1.73 μg/mL，精密度為 0.70%～2.90%(樣品數(shù)量n=6)。13種醇類香料單體的低、中、高濃度的加標(biāo)回收率為91.3%～118.7%，回收率較高。由此可知，GC-MS分析方法適合用于檢測13種醇類香料單體。

表1 13種醇類香料單體的線性方程、相關(guān)系數(shù)、精密度、檢出限、定量限和回收率Table 1 Linear equation,correlation coefficient,precision,detection limit,quantification limit and recovery rate of 13 kinds of alcohol flavors

2.3 貯存過程醇類香料單體的轉(zhuǎn)移行為分析

貯存過程13種醇類香料單體在卷煙中轉(zhuǎn)移行為分析結(jié)果如表2所示。由表2可知，1)13種醇類香料單體在濾嘴中的持留率為9.68%～52.03%，其中苯乙醇的濾嘴持留率最高，為52.03%，其次是十五醇、苯甲醇，分別為51.91%、45.76%；2)13種醇類香料單體向煙絲中的遷移率為1.06%～17.36%，其中癸醇的煙絲遷移率最低，為1.06%，其次是十五醇、橙花醇，分別為1.97%、3.13%；3)13種醇類香料單體的散失率為36.88%～87.01%，其中苯甲醇的散失率最低，為36.88%，其次是苯乙醇、十五醇，分別為38.64%、46.12%。綜上所述，苯乙醇、十五醇的濾嘴持留率相對(duì)較高，煙絲轉(zhuǎn)移率、散失率均相對(duì)較低，可作為濾棒加香原料應(yīng)用于濾棒加香卷煙生產(chǎn)中。

表2 貯存過程13種醇類香料單體在卷煙中轉(zhuǎn)移行為分析結(jié)果Table 2 Results of the transfer behavior of 13 kinds of alcohol flavors in cigarettes during storage

2.4 抽吸過程醇類香料單體向主流煙氣的轉(zhuǎn)移行為分析

抽吸過程13種醇類香料單體在卷煙中轉(zhuǎn)移行為分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，1)13種醇類香料單體向主流煙氣粒相物的轉(zhuǎn)移率為0～14.49%，其中十五醇的轉(zhuǎn)移率最高，為14.49%，其次是癸醇、香葉醇，分別為13.18%、10.23%；2)濾嘴殘留率為14.78%～73.25%，其中戊醇的殘留率最低，為14.78%，這是由于戊醇在貯存過程中的散失率較大，其次是反-3-己烯-1-醇、2-乙基己醇，分別為32.50%、43.47%。綜上所述，十五醇的主流煙氣轉(zhuǎn)移率較高且濾嘴殘留率相對(duì)較低，可作為濾棒加香原料應(yīng)用于濾棒加香卷煙生產(chǎn)中。

表3 抽吸過程13種醇類香料單體在卷煙中轉(zhuǎn)移行為分析結(jié)果Table 3 Results of the transfer behavior of 13 kinds of alcohol flavors in cigarettes during smoking

2.5 互為同分異構(gòu)體的醇類香料單體轉(zhuǎn)移行為分析

對(duì)于互為同分異構(gòu)體的芳樟醇、橙花醇及香葉醇，三者濾嘴持留率分別為24.73%、36.50%、40.47%，煙絲遷移率分別為7.58%、3.13%、4.22%，散失率分別為55.32%、66.37%、67.69%。其中橙花醇與香葉醇的濾嘴持留率、煙絲遷移率、散失率均較為接近，這可能與分子結(jié)構(gòu)式相關(guān)，橙花醇與香葉醇互為順反立體異構(gòu)，而這兩者與芳樟醇均互為位置異構(gòu)。芳樟醇、橙花醇及香葉醇向主流煙氣轉(zhuǎn)移率分別為4.09%、8.85%、10.23%，濾嘴殘留率為60.13%、68.16%、66.03%，可知芳樟醇的轉(zhuǎn)移行為與橙花醇、香葉醇相差較大，原因可能與分子結(jié)構(gòu)及沸點(diǎn)有關(guān)，這與蔡君蘭等[23]的研究結(jié)論一致。整體上，互為同分異構(gòu)體的醇類香料單體轉(zhuǎn)移行為相似，在濾棒加香時(shí)可以考慮結(jié)合香料添加后卷煙感官品質(zhì)來選擇適宜的醇類香料單體。

2.6 互為同系物的醇類香料單體轉(zhuǎn)移行為分析

對(duì)于互為同系物的不飽和醇類香料單體(戊醇、己醇、庚醇、辛醇、癸醇、十五醇)，隨著分子量增大、沸點(diǎn)增高，濾嘴持留率逐漸增加，其中十五醇的濾嘴持留率最高，為51.91%；煙絲遷移率呈先升高后降低的趨勢，其中癸醇的煙絲遷移率最低，為1.06%；散失率逐漸減少，其中十五醇的散失率最低，為46.12%；煙氣轉(zhuǎn)移率呈先緩慢升高后趨于平緩的趨勢，其中十五醇的煙氣轉(zhuǎn)移率最高，為14.18%，分子量、沸點(diǎn)均較低的戊醇未在主流煙氣粒相物中檢出；濾嘴殘留率呈先劇烈升高后趨于平緩的趨勢，其中癸醇的濾嘴殘留率最大，為69.93%。綜上可知，對(duì)于互為同系物的醇類香料單體而言，整體上沸點(diǎn)越高、分子量越大，向主流煙氣的轉(zhuǎn)移率越高，在濾棒加香時(shí)可以考慮添加高級(jí)脂肪醇類(互為同系物分子量最大的香料)。

3 結(jié)論

本文優(yōu)化了卷煙中醇類香料單體的萃取條件，建立了醇類香料單體的GC-MS分析方法，研究了13種濾棒外加醇類香料單體在卷煙中的轉(zhuǎn)移行為。結(jié)果表明：當(dāng)萃取溶劑為無水乙醇、萃取方式為超聲振蕩、萃取溶劑體積為6 mL、萃取時(shí)間為20 min時(shí)，醇類香料單體的萃取量最高；GC-MS分析方法中醇類香原料在 0.63～10.00 μg/mL 質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性良好，精密度、回收率較高，適用性強(qiáng)；對(duì)于貯存期的濾棒外加香卷煙，13種醇類香料單體的濾嘴持留率為9.68%～52.03%，煙絲遷移率為1.06%～17.36%，散失率為36.88%～87.01%；對(duì)于抽吸后的濾棒加香卷煙，13種醇類香料單體的主流煙氣轉(zhuǎn)移率為0～14.49%；濾嘴殘留率為14.78%～73.25%；十五醇的濾嘴持留率、煙氣轉(zhuǎn)移率相對(duì)較高，煙絲遷移率、散失率、濾嘴殘留率相對(duì)較低，適宜作為醇類香料單體用于制備濾棒加香卷煙；互為順反異構(gòu)體的醇類香料單體貯存及抽吸過程中的轉(zhuǎn)移行為較相似；互為同系物的醇類香料單體，濾嘴持留率、主流煙氣轉(zhuǎn)移率、濾嘴殘留率隨分子量增大、沸點(diǎn)增高而逐漸增加,散失率隨分子量增大、沸點(diǎn)增高而逐漸減小。

本文通過對(duì)濾棒外加醇類香料單體的轉(zhuǎn)移行為的研究，為濾棒所用香精的調(diào)配、量化低焦油卷煙的加香加料提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。未來還需進(jìn)一步研究醇類香料與卷煙加香的協(xié)調(diào)性，結(jié)合感官品質(zhì)優(yōu)選最適加香醇類香料。