卷煙主流煙氣主要揮發(fā)性羰基物的模擬口腔沉積

曾世通，王丁眾，劉 珊，李 鵬，席 輝，付英杰，盧斌斌，孫世豪

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

為了闡釋卷煙煙氣感官感受的物質(zhì)基礎(chǔ)，近年來國內(nèi)外圍繞卷煙煙氣化學(xué)成分分析開展了大量研究［1-10］，但是迄今為止依然無法建立煙氣化學(xué)成分與感官感受之間的直接聯(lián)系。究其原因，一方面主要是煙氣的復(fù)雜性，另一方面可能與化學(xué)分析中煙氣的捕集方式有關(guān)。煙氣捕集是分析煙氣化學(xué)成分的首要步驟，目前普遍采用劍橋?yàn)V片捕集和溶劑吸收兩種方式。采用這兩種方式捕集煙氣，能夠?qū)崿F(xiàn)主流煙氣化學(xué)成分釋放量的準(zhǔn)確分析，但是不能真實(shí)反映抽吸卷煙時化學(xué)成分在口腔、鼻腔、喉部等感官部位的沉積情況。煙氣感官感受主要取決于化學(xué)成分在感官部位的沉積，掌握煙氣化學(xué)成分的沉積行為，更有利于解析煙氣感官感受的物質(zhì)基礎(chǔ)。莊亞東等［11-12］設(shè)計了一種用于卷煙煙氣刺激性成分評價的口腔模擬器及方法，分析了卷煙煙氣中8種羰基物對口腔的刺激作用。劉欣等［13-14］研制了一種卷煙主流煙氣仿生吸收裝置，分析了煙氣仿生吸收液與劍橋?yàn)V片對主流煙氣中酚類和煙堿的捕集情況及與抽吸舒適性的相關(guān)性。李軍等［15］設(shè)計了一種模擬人體感覺器官吸收卷煙主流煙氣的裝置，應(yīng)用于主流煙氣中香味成分的測定以及卷煙感官質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測模型的構(gòu)建。這些以模擬裝置為基礎(chǔ)的研究為分析煙氣化學(xué)成分在感官部位的沉積行為提供了新的思路。鑒于此，圍繞主流煙氣在口腔中的沉積行為，以煙氣口腔沉積模擬裝置為基礎(chǔ)，建立了揮發(fā)性羰基物的模擬口腔沉積分析方法，考察了25種市售烤煙型卷煙主流煙氣揮發(fā)性羰基物的模擬口腔沉積情況，分析了口腔刺激與揮發(fā)性羰基物模擬口腔沉積的相關(guān)性，旨在為煙氣口腔沉積行為及口腔生理感受的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

涵蓋不同價類、不同焦油釋放量的25種市售國產(chǎn)烤煙型卷煙，具體如表1所示。

甲醇、乙腈（色譜純，德國Merck公司）；吡啶、2,4-二硝基苯肼（DNPH，AR，美國CNW公司）；高氯酸（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛、巴豆醛、2-丁酮和丁醛的2,4-二硝基苯腙標(biāo)準(zhǔn)品（東京化成工業(yè)株式會社）；人工唾液（pH 7.0，上海遠(yuǎn)慕生物科技有限公司）；有機(jī)相濾膜（0.45 μm，天津津騰公司）。

Agilent 1200高效液相色譜儀（配DAD檢測器，美國Agilent公司）；AL-204-IC電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）；HY-5型振蕩器（金壇中大儀器廠）；JJD200型單孔道吸煙機(jī)（鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司）；卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置（自制）。

表1 25種市售國產(chǎn)烤煙型卷煙樣品信息Tab.1 Information of 25 commercially available domestic Virginia type cigarettes

1.2 方法

1.2.1 卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置設(shè)計

卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置示意圖見圖1。主要包括煙氣吸入部件、煙氣沉積模擬腔體、煙氣捕集部件和抽吸部件。煙氣吸入部件由三通閥和吸入管構(gòu)成。三通閥的一端插入煙支，另一個與之水平的端口與吸入管連接，第3個端口為空氣進(jìn)口。抽吸煙支時，吸入管端口和煙支端口連通，空氣端口關(guān)閉；空吸時，吸入管端口與空氣進(jìn)口連通，煙支端口關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)抽吸煙支與空吸的切換。吸入管連接腔體的一端呈封閉狀，但封閉端部的端面和側(cè)面上打有若干氣孔。氣孔設(shè)計的主要目的是避免煙氣由于抽吸慣性在腔體中直線通過，并使煙氣在腔體中均勻擴(kuò)散。煙氣沉積模擬腔體內(nèi)腔容積為40 cm3，并且在其內(nèi)壁放置涂布了人工唾液的濾紙（10 cm×4 cm）作為煙氣的沉積載體。恒溫回流腔可連接恒溫循環(huán)水，實(shí)現(xiàn)內(nèi)腔的溫度控制。模擬腔體的出氣端與夾持了劍橋?yàn)V片的煙氣捕集器相連。煙氣捕集器的另一端與單孔道吸煙機(jī)相連。抽吸煙支時，煙氣先進(jìn)入腔體并擴(kuò)散沉積，然后切換成空吸，使腔體內(nèi)的煙氣排出，并通過捕集器捕集煙氣沉積后的粒相物。

圖1 卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram for an oral deposition simulator of cigarette smoke

1.2.2 抽吸方法

將卷煙樣品置于溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%的恒溫恒濕環(huán)境平衡48 h后，按平均質(zhì)量±0.015 g、平均吸阻±30 Pa的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選。在卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置上抽吸經(jīng)篩選后的樣品。消費(fèi)者吸煙時包括抽吸、煙氣進(jìn)入口腔、煙氣在口腔短暫停留、煙氣吞咽、煙氣呼出、下一口抽吸等過程，因此在儀器抽吸時需要盡量模擬消費(fèi)者抽吸的真實(shí)過程。采用模擬裝置抽吸卷煙樣品時，先連通三通閥的煙支端和吸入端，抽吸容量50 mL，抽吸2 s，抽吸結(jié)束后停留8 s；然后連通三通閥的空氣端和吸入端，再次抽吸，將腔體中的煙氣抽出并通過捕集器捕集，如此完成1口煙氣的抽吸、沉積和吞咽3個過程。下一口抽吸與前一口抽吸間隔20 s，抽吸前將三通閥的煙支端和吸入端再次連通。對每個卷煙樣品抽吸5口，收集4支卷煙的濾紙沉積樣和濾片捕集樣，做2次平行樣。抽吸容量、抽吸時間采用的是接近深度抽吸的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)置煙氣停留時間的目的是模擬煙氣在口腔中的停留與沉積。

1.2.3 揮發(fā)性羰基物分析

參考YC/T 254—2008［16］中的方法，先移取2 mL衍生化試劑DNPH均勻浸潤沉積用的濾紙和捕集用的劍橋?yàn)V片，然后將濾紙和劍橋?yàn)V片于真空干燥器中晾干。抽吸前，再次移取1 mL DNPH浸潤濾紙和劍橋?yàn)V片，其中，濾紙需要再次晾干后，均勻浸潤0.5 mL人工唾液，然后按照1.2.2節(jié)的方法抽吸卷煙樣品。抽吸結(jié)束后，取出濾紙和劍橋?yàn)V片，分別轉(zhuǎn)移至100 mL錐形瓶中，準(zhǔn)確加入50 mL吡啶-乙腈萃取液，機(jī)械振蕩10 min，靜置2 min。萃取液經(jīng)有機(jī)相濾膜過濾后，按照YC/T 254—2008中的方法進(jìn)行HPLC分析。

1.2.4 卷煙樣品口腔刺激感官評價及相關(guān)性分析

將卷煙樣品置于溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%的恒溫恒濕環(huán)境平衡48 h后，按照GB 5606.4—2005［17］中的方法，由7位卷煙感官評價技術(shù)人員對25種卷煙的口腔刺激進(jìn)行感官評價?？谇淮碳ぴ叫。梅衷礁?，最高得分20分，其中，得分小于15的樣品為刺激較大，得分15（含）～17的樣品為刺激中等，得分17（含）～20的樣品為刺激較小。采用SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行煙氣口腔刺激與揮發(fā)性羰基物模擬口腔沉積之間的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬裝置穩(wěn)定性評價

采用卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置，以1#卷煙樣品為分析對象，按照所確定的方法進(jìn)行了揮發(fā)性羰基物模擬口腔沉積分析的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2?？芍挥袀€別揮發(fā)性羰基物的濾紙沉積量和濾片捕集量的日內(nèi)、日間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差大于10%，但小于15%；其余均小于10%。說明方法具有良好的精密度和重復(fù)性，卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置對揮發(fā)性羰基物模擬分析具有良好的穩(wěn)定性。

表2 揮發(fā)性羰基物模擬口腔沉積分析的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果（n=5）Tab.2 Results of repeated tests of simulated volatile carbonyl oral deposition（n=5） （%）

2.2 揮發(fā)性羰基物模擬口腔沉積分析

采用卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置對25種市售中式烤煙型卷煙主流煙氣主要揮發(fā)性羰基物的口腔沉積情況進(jìn)行了分析，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，同一種揮發(fā)性羰基物在不同卷煙樣品中所表現(xiàn)出的沉積情況基本一致，沉積量、截留量在一定范圍內(nèi)波動，沉積比例高度接近，例如，甲醛沉積量的平均值為48.1 μg·支-1，STD（Standard deviation，標(biāo)準(zhǔn)差）為16.7 μg·支-1；截留量的平均值為63.4 μg·支-1，STD為18.8 μg·支-1；沉積比例的平均值為0.43，STD為0.05。不同揮發(fā)性羰基物的沉積量差異明顯，由大到小依次為乙醛、甲醛、丙酮、丙醛、丙烯醛、丁醛、巴豆醛和2-丁酮，其中，甲醛和乙醛的沉積量顯著高于其他羰基物。根據(jù)截留量和沉積比例的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，沉積量主要取決于化合物總的釋放量和沉積比例。盡管乙醛的沉積比例并非最高，但總釋放量遠(yuǎn)高于其他羰基物，所以沉積量最大；甲醛的總釋放量低于丙酮，但沉積比例明顯高于丙酮，所以沉積量相對較大。不同揮發(fā)性羰基物的沉積比例存在明顯差異，由高到低依次為甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、巴豆醛、丙烯醛、丙酮和2-丁酮。可以看出，揮發(fā)性羰基物的沉積比例可能主要受化合物的揮發(fā)性影響?；衔锓悬c(diǎn)越低，飽和蒸汽壓越高，揮發(fā)性越強(qiáng)，在煙氣氣相中的分布越多，使化合物在煙氣擴(kuò)散過程中更容易被涂布了人工唾液的濾紙吸收。因此，羰基物的揮發(fā)性越強(qiáng)，沉積比例越高。在8種揮發(fā)性羰基物同為高極性分子的情況下，各化合物分子極性的差異并未對其沉積比例產(chǎn)生明顯影響。丙酮和2-丁酮的沉積比例最低，可能還與衍生化反應(yīng)活性相對較低有關(guān)。

表3 25種卷煙樣品主要揮發(fā)性羰基物沉積模擬分析結(jié)果Tab.3 Analytical results of simulated deposition of main volatile carbonyls in mainstream smoke of 25 cigarette samples

表3 （續(xù)）

2.3 口腔沉積與口腔刺激的相關(guān)性分析

采用國標(biāo)方法對25種卷煙樣品口腔刺激性的感官評價結(jié)果見表4。由于揮發(fā)性羰基物的沉積量受焦油釋放量影響明顯，選擇同等焦油釋放水平的1#～18#卷煙樣品作為樣本，分析了煙氣口腔刺激與揮發(fā)性羰基物口腔沉積量的相關(guān)性，結(jié)果見表5?？梢钥闯觯瑹煔饪谇淮碳づc甲醛、乙醛的模擬口腔沉積量之間的相關(guān)系數(shù)分別為-0.916、-0.934，并且P值均小于0.01，說明煙氣口腔刺激與甲醛、乙醛的模擬口腔沉積量顯著負(fù)相關(guān)；煙氣口腔刺激與其他6種揮發(fā)性羰基物未呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。根據(jù)化學(xué)物質(zhì)毒性數(shù)據(jù)庫［18］中8種揮發(fā)性羰基物的刺激性毒理學(xué)數(shù)據(jù)，甲醛、乙醛和丙烯醛具有重度刺激性，丙酮、丙醛、巴豆醛和丁醛具有中度刺激性，2-丁酮具有輕度刺激性。甲醛和乙醛在8種羰基物中刺激性相對更大，并且二者的沉積量也遠(yuǎn)高于其他羰基物，因此，其對煙氣口腔刺激的貢獻(xiàn)應(yīng)明顯高于其他6種羰基物。該結(jié)果與相關(guān)性分析結(jié)果一致。

表4 25種卷煙樣品煙氣口腔刺激的感官評價結(jié)果Tab.4 Results of sensory evaluation on oral irritation of mainstream smoke of 25 cigarette samples

表5 煙氣口腔刺激與揮發(fā)性羰基物口腔沉積量的相關(guān)性Tab.5 Correlation between oral irritation of smoke and deposition amounts of volatile carbonyls

3 結(jié)論

①采用卷煙煙氣口腔沉積模擬裝置，分析8種揮發(fā)性羰基物的口腔沉積量和截留量，大多數(shù)日內(nèi)、日間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于10%，方法具有良好的精密度和重復(fù)性，模擬裝置對揮發(fā)性羰基物的口腔沉積分析的穩(wěn)定性良好。②不同揮發(fā)性羰基物的口腔沉積量由大到小依次為乙醛、甲醛、丙酮、丙醛、丙烯醛、丁醛、巴豆醛和2-丁酮，其中，甲醛和乙醛的沉積量顯著高于其他揮發(fā)性羰基物；沉積比例由高到低依次為甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、巴豆醛、丙烯醛、丙酮和2-丁酮。③煙氣口腔刺激與甲醛和乙醛的模擬口腔沉積量顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.916和-0.934，P值均小于0.01。