奶香顆粒制備及其在細(xì)支三元空腔活性炭濾嘴卷煙中的應(yīng)用?

凌孝存, 張亮, 周楓, 呂喬, 李源章, 孫海峰, 劉曉暉, 吉雄

(深圳煙草工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)研發(fā)中心, 廣東 深圳,518109)

隨著卷煙工業(yè)的發(fā)展, 濾嘴的作用不再局限于過濾和吸附煙氣中的有害物質(zhì), 而是要開發(fā)低危害、低焦油卷煙[1-2]。從消費(fèi)需求角度, 濾嘴被賦予了更多其它功能, 提升卷煙抽吸口感, 增加卷煙香氣豐富性等[3-5], 各種功能濾嘴不斷涌現(xiàn)。其中, 顆粒濾棒及其復(fù)合濾棒在卷煙中的應(yīng)用研究已成為了卷煙行業(yè)的一個重要創(chuàng)新點(diǎn)[6-9]。

深圳煙草工業(yè)公司與江蘇大亞濾嘴材料公司合作開發(fā)了一款細(xì)支三元空腔復(fù)合濾棒。其空腔段添加活性炭顆粒, 近煙絲端料棒添加奶香顆粒, 近嘴端為純醋纖料棒。因此, 命名為細(xì)支三元空腔活性炭奶香濾嘴(以下簡稱奶香濾嘴)。其中, 奶香顆粒是深圳煙草工業(yè)公司與波頓公司合作開發(fā)而成。

奶香濾嘴由于空腔中添加活性炭顆粒, 可以有效降低危害。但是, 活性炭顆粒會帶來一定干燥感。將奶香顆粒應(yīng)用于近煙絲端料棒, 可提升卷煙香氣豐富性, 增加潤感, 在保證降害的同時, 帶來新的良好感官體驗, 增加卷煙辨識度, 提高卷煙產(chǎn)品競爭力。

近年來,GC-IMS 檢測技術(shù)由于具有痕量檢測(ppb 級)、操作簡單、響應(yīng)迅速、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)[10], 被廣泛用于食品風(fēng)味分析[11-14]、但在卷煙煙氣分析領(lǐng)域還未見報道。因此, 運(yùn)用GC-IMS 檢測技術(shù)分析煙氣粒相物中的揮發(fā)性組分, 以期為卷煙濾棒顆粒賦香及卷煙煙氣中致香成分的定性分析提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

乳糖、微晶纖維素、淀粉、阿拉伯膠(分析純, 上海麥克林生化科技有限公司); 天然香蘭素(微生物發(fā)酵法制得)、乙基麥芽醇、乙基香蘭素、合成香蘭素、香莢蘭凈油、椰子醛、2,3,5-三甲基吡嗪、20%醬油酮、二氫乙位突厥烯酮、可可提取物(深圳波頓香料有限公司);95%乙醇、丙二醇(分析純, 國藥試劑有限公司); 尼古丁、巴豆醛、苯酚、NNK、氨、氫氰酸、苯并[α]芘標(biāo)準(zhǔn)品(分析純, 百靈威試劑科技有限公司); 細(xì)支金樽配方煙絲(深圳煙草工業(yè)有限責(zé)任公司)、絲束(南通醋酸纖維有限公司); 成形紙(中煙摩迪紙業(yè)有限公司); 活性炭(瑞士雅可比公司)。

1.1.2 儀器設(shè)備

JK-3D 三元復(fù)合成型機(jī)(韓國正光);ZJ112 卷接機(jī)(常德煙機(jī));Flavour Spec?型GC(FS-SE-54-CB-1色譜柱)-IMS(德國G.A.S 公司); SM450 型20 孔道直線式吸煙機(jī)(英國Cerulean 公司); LC、GC、LC-MS/MS、GC-MS(美國Agilent 公司)。

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 奶香香基配方

奶香香基的配方見表1 所示。

1.2.2 奶香顆粒的制備

(1)1.5 kg 乳糖、2 kg 微晶纖維素、0.5 kg 淀粉混合均勻, 加入3 kg 去離子水, 在高速濕法制粒機(jī)中攪拌0.5 h, 選擇0.3 mm 的篩網(wǎng), 使用滾圓機(jī)在45 r/min 下擠出成型, 制得濕軟材;(2) 將制好的濕軟材, 置于轉(zhuǎn)速設(shè)定為400 r/min 的滾圓機(jī)中形成球形丸芯, 定型后取出濕丸芯,接著將濕丸芯放置在加熱溫度為60 ℃、速度為300 r/min的滾圓機(jī)中, 干燥2 h 后制得空白丸;(3) 將1.04 kg 奶香香基、0.83 kg 阿拉伯膠和3.33 kg 去離子水,800 r/min 下攪拌2 h, 混合均勻, 制得包衣液;(4) 將步驟(2)制得的空心丸放在在包衣鍋內(nèi), 將步驟(3)中的包衣液均勻噴涂于微丸外層, 包衣2 h, 制得煙用奶香微丸, 過篩網(wǎng), 則可以得到奶香顆粒。

1.2.3 基于卷煙煙氣感官評價的奶香顆粒濾棒空腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考察濾棒復(fù)合結(jié)構(gòu)(奶香顆粒棒+活性炭空腔+醋酸纖維)(如圖1)、奶香顆粒添加量、奶香顆粒大小、濾棒吸阻對卷煙煙氣感官評價的影響, 采用正交試驗L9(34)對奶香顆粒濾棒技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化, 正交試驗因素表如表2 所示。

圖1 細(xì)支奶香三元空腔活性炭濾棒(12+6+12)

表2 正交試驗因素水平表

1.2.4 卷煙樣品制備與感官評吸

確定細(xì)支奶香三元空腔活性炭濾棒結(jié)構(gòu)后, 在同一時段內(nèi), 同一卷接機(jī)組上, 同一批次煙絲, 在其他輔材一致的情況下, 分別用細(xì)支奶香三元空腔活性炭濾棒和普通醋纖濾棒卷制煙支。其中, 醋纖濾棒吸阻與細(xì)支奶香三元空腔活性炭濾棒吸阻基本保持一致。卷煙感官評析參照標(biāo)準(zhǔn)參照《YC/T 497—2014中式卷煙風(fēng)格感官評價方法》。

1.2.5 卷煙煙氣化學(xué)分析

參照《GB/T 19609—2004 卷煙用常規(guī)分析用吸煙機(jī)測定總粒相物和焦油》、《GB/T 23355—2009卷煙總粒相物中煙堿的測定氣相色譜法》、《GB/T 23203.1—2008 卷煙總粒相物中水分的測定第1 部分: 氣相色譜法》、《GB/T 23356—2009 卷煙煙氣中一氧化碳的測定非散射紅外法》檢測卷煙常規(guī)煙氣; 《YC/T 254—2008 卷煙主流煙氣中主要羰基化合物的測定高效液相色譜法》測定巴豆醛;《YC/T 253—2008 卷煙主流煙氣中氰化氫的測定連續(xù)流動法》測定氫氰酸; 《YC/T 377—2017 卷煙主流煙氣中氨的測定離子色譜法》測定氨; 《YC/T 255—2008 卷煙主流煙氣中主要酚類化合物的測定高效液相色譜法》測定苯酚; 參考文獻(xiàn)[15]檢測NNK; 《GB/T 21130—2007 卷煙煙氣總粒相物中苯并芘的測定》檢測苯并[a]芘; 每個樣品平行測定3 次, 所得結(jié)果取平均值。

1.2.6 卷煙煙氣GC-IMS 分析

煙支于22±1 ℃和相對濕度60±2%的環(huán)境中平衡48 h 后, 采用直線型吸煙機(jī), 按照ISO 標(biāo)準(zhǔn)抽吸卷煙, 濾片捕集粒相物后, 立刻裝入頂空瓶,40 ℃加熱5 min 后進(jìn)樣, 由FlavourSpec?型GC-IMS 分析。GC-IMS 數(shù)據(jù)利用軟件Laboratory Analytical Viewer 和GC×IMS Library Software 進(jìn)行不同卷煙煙氣樣品間揮發(fā)性有機(jī)物的差異圖譜分析及物質(zhì)定性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 奶香顆?？涨唤Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)正交試驗的統(tǒng)計(見表3和表4)計算得出細(xì)支奶香三元空腔活性炭濾棒的最佳結(jié)構(gòu)為A1B2C1D2,即奶香顆粒段12 mm+活性炭空腔6 mm+醋酸纖維段12 mm; 奶香顆粒添加量為0.45 mg/mm; 奶香顆粒小為40-100 目; 濾棒吸阻為3 700 Pa。

表3 正交試驗設(shè)計及結(jié)果

表4 正交實(shí)驗設(shè)計方差分析結(jié)果

通過正交試驗效應(yīng)曲線圖2可知, 復(fù)合結(jié)構(gòu)對卷煙煙氣的抽吸感受影響最大, 與其中活性炭棒的長度增加卷煙煙氣的抽吸感受會有所變差, 可能是因為活性炭吸水和煙氣中的其他香氣使得吸食感受變得干燥和單調(diào); 奶香顆粒理想添加量為0.45 mg/mm, 這可能是因為添加量不足煙氣會不夠豐富和飽滿, 但如果添加量過高, 會影響煙草本香; 奶香顆粒越細(xì), 抽吸感受越好, 但受限于加工工藝和成本, 奶香顆粒的粗細(xì)最終確定在40～100 目; 濾棒的最佳吸阻為3 700 Pa, 吸阻過小, 卷煙煙氣的成團(tuán)性相對較差, 但吸阻過大, 消費(fèi)者抽吸費(fèi)力。最終細(xì)支奶香的三元空腔活性碳棒的設(shè)計參數(shù)如表5 所示。

圖2 正交試驗效應(yīng)曲線圖

表5 細(xì)支奶香三元空腔活性炭濾棒設(shè)計參數(shù)

續(xù)表5

2.2 感官評吸

奶香濾嘴卷煙和醋纖濾嘴卷煙的風(fēng)格感官評析結(jié)果見表6 和圖3 所示?？梢钥闯? 相較于醋纖濾嘴,奶香濾嘴能提升卷煙香氣豐富性, 奶香、豆香、花香、果香、清香表現(xiàn)較為明顯; 整體風(fēng)味風(fēng)格偏甜味;舒適感特征表現(xiàn)明顯, 尤其表現(xiàn)在對口腔、鼻腔的刺激較小, 整體協(xié)調(diào)性比較好; 煙氣特征有明顯增強(qiáng),香氣更加飽滿豐富、細(xì)膩, 煙氣中雜氣較輕微。因此, 奶香濾嘴的使用有效提升了卷煙感官質(zhì)量。

圖3 奶香濾嘴和醋纖濾嘴卷煙風(fēng)格感官評價

表6 卷煙風(fēng)格感官評價表

續(xù)表6

2.3 卷煙煙氣化學(xué)分析

卷煙煙氣化學(xué)分析結(jié)果見表7。由表7 可知, 苯酚釋放量增加2.2%, 因苯酚的釋放量與濾棒中三醋酸甘油酯的添加量成正比[16], 奶香卷煙主流煙氣中的主要化學(xué)成分相較于醋纖卷煙均有較大幅度的降低, 其中總粒相物降低11.3%、焦油降低10.2%、尼古丁降低12.5%、一氧化碳降低19.4%、巴豆醛降低17.0%、氫氰酸降低18.0%、氨降低10.3%、NNK 降低15.6%、苯并[a]芘降低9.5%, 卷煙整體危害性指數(shù)降低了12.5%。

表7 卷煙煙氣化學(xué)分析結(jié)果

2.4 卷煙煙氣GC-IMS 分析

本研究利用GC-IMS方法分析了奶香濾嘴卷煙與醋纖濾嘴卷煙煙氣粒相物中揮發(fā)性組分的差異(見圖4)。由圖4 可知, 縱坐標(biāo)為氣相保留時間(Retention time,Rt), 橫坐標(biāo)為離子遷移時間(Drift time,Dt),反應(yīng)離子峰(reaction peak,RIP)右側(cè)的每一個點(diǎn)代表一種揮發(fā)性有機(jī)物。顏色代表物質(zhì)的濃度, 白色表示含量較低, 紅色表示含量較高, 顏色越深表示含量越高, 整個圖譜代表了樣品的全部頂空成分, 可以看出卷煙煙氣粒相物組分可以通過GC-IMS 技術(shù)很好分離, 且可直觀看出樣品間的差異。

圖4 頂空氣相-離子遷移圖譜

以醋纖濾嘴卷煙煙氣樣品為參照, 奶香濾嘴卷煙圖譜扣除醋纖濾嘴卷煙的峰, 紅點(diǎn)為濃度比醋纖濾嘴卷煙樣品高的物質(zhì), 藍(lán)點(diǎn)為濃度降低的組分, 見圖5。由圖5 可知, 奶香濾嘴的使用增加了卷煙煙氣粒相物中多種揮發(fā)性組分, 截取濃度增高揮發(fā)性成分作圖, 如圖6 所示。

圖5 卷煙煙氣GC-IMS 參比圖

圖6 卷煙煙氣Gallery Plot 圖(指紋圖譜)

對指紋圖譜中的25 種揮發(fā)性成分進(jìn)行定性分析, 共鑒定出16 種揮發(fā)性成分,9 種未能鑒定出, 如表8 所示。其中鑒定出來的化合物中乙偶姻、2,3-丁二酮是奶香香基的重要組成部分, 說明奶香濾嘴卷煙的使用確實(shí)增加了卷煙煙氣風(fēng)格感官中的奶香; 而1-苯基乙醇、苯甲酸甲酯屬于花香風(fēng)格;2-乙?；绶浴?-異戊醛屬于果香風(fēng)格;5-甲基糠醛屬于烘焙香; 而羥基丙酮屬于甜香, 這與風(fēng)格感官評價結(jié)果一致, 證明奶香濾嘴的使用確實(shí)可以顯著改善卷煙感官質(zhì)量。

表8 揮發(fā)性組分的定性

3 結(jié)論

(1) 奶香濾嘴最優(yōu)技術(shù)參數(shù)為復(fù)合結(jié)構(gòu)奶香顆粒段12 mm+活性炭空腔6 mm+醋酸纖維段12 mm;奶香顆粒添加量為0.45 mg/mm; 奶香顆粒大小為40-100 目; 濾棒吸阻為3 700 Pa。

(2) 奶香濾嘴的使用, 在提升卷煙感官質(zhì)量的同時, 還可以有效降低卷煙的危害性, 其危害性指數(shù)相較于醋酸濾嘴卷煙降低了12.5%。

(3)GC-IMS 分析了煙氣粒相物中的主要揮發(fā)性組分, 發(fā)現(xiàn)奶香濾嘴為卷煙煙氣引入了多種致香成分, 與卷煙感官評價結(jié)果較為一致。

(4) 奶香濾嘴的使用可以為低危害、高香氣的高品質(zhì)中式卷煙設(shè)計開發(fā)提供技術(shù)參考,GC-IMS 在卷煙煙氣痕量分析領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用前景。