多步逐級(jí)裂解技術(shù)研究卷煙燃時(shí)香味成分形成與溫度之間的關(guān)系

羅昌榮，張 乾，印黔黔，曾令杰，王 兵，顧文博，謝雯燕

（1.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 201315；2.上海牡丹香精香料有限公司，上海 201200）

卷煙燃吸過程主要存在3 個(gè)區(qū)域，分別為高溫燃燒區(qū)、裂解蒸餾區(qū)和低溫冷凝區(qū)。燃燒區(qū)位于煙支的前部，主要由炭化體組成，抽吸時(shí)，其溫度變化范圍為600～900 ℃。后面是裂解蒸餾區(qū)，溫度變化范圍為300～600 ℃。從裂解蒸餾區(qū)到煙支的末端稱為低溫冷凝區(qū)，煙氣的溫度由300 ℃降至室溫[1-3]。在卷煙燃吸時(shí)，煙葉中的成分會(huì)發(fā)生干餾轉(zhuǎn)移、裂解、裂解合成、聚合等復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，最后形成煙氣。因此，卷煙燃燒的溫度、煙葉化學(xué)組成對(duì)卷煙香氣和卷煙風(fēng)格具有非常重要的影響。但是，卷煙燃燒溫度對(duì)煙氣化學(xué)成分的影響、煙葉化學(xué)成分和煙氣化學(xué)成分之間的關(guān)系非常復(fù)雜，難以揭示清楚。

目前已有大量學(xué)者對(duì)卷煙燃吸機(jī)理、燃燒溫度對(duì)煙氣化學(xué)成分的影響以及卷煙化學(xué)成分和煙氣化學(xué)成分之間的關(guān)系進(jìn)行了研究[4-9]，其中裂解是最常用的技術(shù)手段，但是目前裂解技術(shù)大都采用恒溫裂解、程序升溫裂解[7，10]，不能很好地揭示裂解溫度、化學(xué)成分和裂解產(chǎn)物之間的關(guān)系，其中的反應(yīng)機(jī)理和變化規(guī)律難以得到真正的發(fā)現(xiàn)?；诖耍捎枚嗖搅呀饧夹g(shù)對(duì)煙葉進(jìn)行逐級(jí)升溫裂解，每一次裂解都是在前次裂解后殘留的樣品上進(jìn)行，把每一步裂解的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到氣相色譜進(jìn)行分離和質(zhì)譜鑒定，因此可以更加真實(shí)和準(zhǔn)確地推算煙葉裂解時(shí)形成的組分和溫度之間的關(guān)系，對(duì)揭示卷煙燃吸時(shí)香味物質(zhì)的形成規(guī)律具有良好的借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

煙葉粉末：來自云南紅河煙葉產(chǎn)區(qū)；裂解石英管及石英桿、石英棉（農(nóng)殘級(jí)）：美國(guó)CDS Analytical公司產(chǎn)品。

1.2 儀器與設(shè)備

CDS5250T 熱裂解儀：美國(guó)CDS Analytical 公司產(chǎn)品；Agilent 7890-5975C 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國(guó)Agilent 公司產(chǎn)品；XP603S 分析天平：瑞士Mettler Toledo 公司產(chǎn)品。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品準(zhǔn)備取裂解樣品管一根，放入一根裂解石英桿于裂解管中，在中央位置裝填適量石英棉（用量約1 mg，纏繞成團(tuán)），稱取2 mg 左右的煙草粉末樣品置于石英棉上，再在樣品上端裝填1～2 mg石英棉并壓實(shí)，防止樣品被裂解時(shí)所使用的氣流吹入裂解腔，然后將裂解管放入裂解儀中待裂解[11]。

1.3.2 煙葉的多步逐級(jí)裂解升溫程序在樣品不出裂解腔的情況下，對(duì)同一煙草粉末樣品采取10步逐級(jí)裂解方式進(jìn)行裂解，具體方法如下：

1）100 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至150 ℃并保持60 s；

2）150 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至200 ℃并保持60 s；

3）200 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至250 ℃并保持60 s；

4）250 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至300 ℃并保持60 s；

5）300 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至400 ℃并保持60 s；

6）400 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至500 ℃并保持60 s；

7）500 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至600 ℃并保持60 s；

8）600 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至700 ℃并保持60 s；

9）700 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至800 ℃并保持60 s；

10）800 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至900 ℃并保持60 s。

1.3.3 煙葉的多步逐級(jí)裂解和GC-MS 條件裂解氛圍：氧氣和氮?dú)怏w積比9 ∶91；裂解氣流量：70 mL/min；閥箱溫度：280 ℃；傳輸線溫度：280 ℃；裂解產(chǎn)物捕集條件：采用冷阱捕集，冷阱溫度-60 ℃；熱脫附進(jìn)樣條件：將捕集阱溫度由-60 ℃升至280 ℃，5 min 內(nèi)完成脫附。色譜柱：DB-5MS 彈性毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣流量：1.0 mL/min；分流體積比：30∶1；升溫程序：40 ℃（保持3 min），以5 ℃/min 升溫至240 ℃，再以10 ℃/min 升溫至280 ℃（保持10 min）；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；質(zhì)譜傳輸線溫度：280 ℃；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；電離方式：電子轟擊電離（EI）；電子能量：70 eV；掃描范圍：m/z29～450；溶劑延遲時(shí)間：1.5 min。

1.3.4 裂解氣相成分分析熱裂解產(chǎn)物采用RTE積分方式，峰面積大于最大峰峰面積0.1%的予以積分，并應(yīng)用質(zhì)譜庫(kù)進(jìn)行檢索定性。產(chǎn)物含量采用峰面積歸一化進(jìn)行計(jì)算，以兩次平行測(cè)定的平均值為測(cè)定結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙草多步逐級(jí)裂解溫度對(duì)揮發(fā)性和半揮發(fā)性組分形成的影響

2.1.1 150～200 ℃裂解從表1可知，煙葉在150 ℃時(shí)，只檢測(cè)到尼古丁、煙堿烯、麥斯明和新植二烯，這時(shí)煙草中的化合物主要以蒸餾的方式揮發(fā)出來。尼古丁是煙草中一種主要的生物堿，主要以3 種形式存在，分別為游離態(tài)、單質(zhì)子化和二質(zhì)子化的尼古丁。絕大部分尼古丁是與有機(jī)酸以單質(zhì)子化形式結(jié)合成鹽而存在，比如單質(zhì)子化的檸檬酸尼古丁和蘋果酸尼古丁，而游離的尼古丁占總煙堿質(zhì)量不到5%。在150 ℃裂解時(shí)，游離煙堿以蒸餾的方式轉(zhuǎn)移到裂解產(chǎn)物中。這與前人的研究結(jié)論[12]非常一致，純的尼古丁轉(zhuǎn)移到氣相的溫度是135～150 ℃；并且利用熱重測(cè)定尼古丁和乙酸尼古丁轉(zhuǎn)移到氣相的溫度大約是110～125 ℃，當(dāng)尼古丁和蘋果酸的質(zhì)量比為1.00∶0.56～1.00∶1.00 時(shí)，尼古丁轉(zhuǎn)移到氣相的溫度為110～210 ℃，而尼古丁和蘋果酸的質(zhì)量比為1∶2時(shí)，轉(zhuǎn)移到氣相的溫度大約是160～210 ℃。酒石酸尼古丁的降解溫度為195～230 ℃。煙草樣品中的尼古丁轉(zhuǎn)移到氣相中的溫度大約是160～220 ℃。新植二烯是煙草中一種重要的烴類化合物，沸點(diǎn)是124～126 ℃，在該溫度范圍釋放的是游離態(tài)的新植二烯。但在400～500 ℃裂解時(shí)也檢測(cè)到新植二烯的存在，推斷是煙葉中前體物植醇（phytol）的裂解所致，植醇脫水就可以形成新植二烯。實(shí)驗(yàn)中沒有檢測(cè)到煙草中其他香味化合物的存在，可能是因?yàn)闃悠妨勘容^?。? mg），分流比較高，導(dǎo)致游離的香味化合物相對(duì)較少。

表1 煙葉150 ℃主要裂解產(chǎn)物Table 1 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 150 ℃

從表2可知，在200 ℃以前，除了尼古丁、煙堿烯、麥斯明和新植二烯以外，未能檢測(cè)到其他揮發(fā)性、半揮發(fā)性風(fēng)味化合物，可能是煙葉通過蒸餾揮發(fā)出來的風(fēng)味化合物的濃度比較低，或者是在150℃和200 ℃作用的時(shí)間不夠長(zhǎng)的緣故。

表2 煙葉200 ℃主要裂解產(chǎn)物Table 2 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 200 ℃

2.1.2 200～250 ℃裂解200～250 ℃裂解是質(zhì)子化尼古丁裂解和碳水化合物初步降解階段。由表3可知，當(dāng)裂解溫度達(dá)到250 ℃時(shí)，尼古丁的釋放有非常明顯地增長(zhǎng)，可能因?yàn)闊煵葜薪Y(jié)合態(tài)的尼古丁鹽開始發(fā)生裂解，這從檸檬酸尼古丁鹽和蘋果酸尼古丁鹽的裂解可以得到佐證。另外，其他生物堿，比如麥斯明、煙堿烯和2，3’-聯(lián)吡啶又重新釋放出來。但在250 ℃時(shí)進(jìn)行裂解，沒有檢測(cè)到新植二烯，說明游離的新植二烯已經(jīng)完全得到揮發(fā)[11]。

表3 煙葉250 ℃主要裂解產(chǎn)物Table 3 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 250 ℃

糖類降解形成的某些產(chǎn)物開始出現(xiàn)，如：2，3-二氫-3，5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、羥基麥芽酚、麥芽酚、糠醛、糠醇、2，5-二糠醛等。但5-甲基糠醛、5-羥甲基糠醛以及葡萄糖、果糖和蔗糖脫水形成的左旋葡萄糖酮、左旋葡聚糖、1，6-脫水-α-D-呋喃半乳糖、1，4：3，6-二脫水-α-D-吡喃葡萄糖等產(chǎn)物還沒有形成，說明在200～250 ℃條件下，提供的熱量只能供碳水化合物進(jìn)行初步降解。煙草中碳水化合物降解的行為與葡萄糖和蔗糖單獨(dú)降解行為有些不同[13]，葡萄糖和蔗糖單獨(dú)降解時(shí)，在250 ℃尚未檢測(cè)到降解產(chǎn)物，直至300 ℃時(shí)才檢測(cè)到它們的降解產(chǎn)物。

煙草在250 ℃裂解時(shí)，檢測(cè)到茄酮的存在，茄酮是煙草中一種非常重要的致香成分，是煙草中西柏烷類物質(zhì)的降解產(chǎn)物，同時(shí)，西柏烷類物質(zhì)在降解時(shí)還會(huì)形成茄醇、降茄二酮、螺巖蘭草酮（solavetivone）和6-甲基-2，5-庚二酮等物質(zhì)。

2.1.3 300～600 ℃裂解眾所周知，香料物質(zhì)的沸點(diǎn)基本在300 ℃以下。在250 ℃以前，采用多步逐級(jí)裂解技術(shù)主要是模擬煙草中自身香味物質(zhì)的蒸餾和蒸發(fā)。在300～600 ℃，主要是模擬煙草中香味前體物質(zhì)的裂解和裂解合成。從表1至表6可知，煙葉裂解形成的香味化合物主要發(fā)生在300～500 ℃，該溫度區(qū)形成的香味化合物遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于300 ℃以前產(chǎn)生的香味物質(zhì)。150～250 ℃裂解所形成的總揮發(fā)性化合物的峰面積為150～600 ℃裂解所形成的總揮發(fā)性化合物峰面積的5.74%，150～300 ℃裂解所形成的總揮發(fā)性化合物的峰面積為150～600 ℃裂解所形成的總揮發(fā)性化合物峰面積的28.73%。這與Baker 的研究結(jié)果一致，其研究發(fā)現(xiàn)，在煙支點(diǎn)燃的過程中，當(dāng)溫度上升到300 ℃時(shí)，煙絲中的揮發(fā)性成分開始揮發(fā)而形成煙氣；上升到450 ℃時(shí)，煙絲開始焦化；上升到600 ℃時(shí)，煙支被點(diǎn)燃并開始燃燒[2]。在300 ℃之前，只有尼古丁和其他生物堿等少數(shù)物質(zhì)直接從煙絲轉(zhuǎn)移到煙氣中；在300～500 ℃時(shí)，煙絲中的許多物質(zhì)，比如萜烯類、植物甾醇類（如豆甾醇）、石蠟類、糖類、氨基酸類、纖維素類等，在該溫度區(qū)進(jìn)行劇烈、復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)（主要包括熱分解、裂解合成、干餾、聚合、縮合等反應(yīng)），形成了大量的揮發(fā)性、半揮發(fā)性物質(zhì)，煙氣中大約5 000個(gè)香味物質(zhì)都是在燃燒區(qū)后端的裂解蒸餾區(qū)形成的，這是煙草香味物質(zhì)形成的主要階段。而燃燒區(qū)（600～900 ℃）是形成二氧化碳、一氧化碳、氫氣、甲烷等簡(jiǎn)單氣體的區(qū)域[11]。也就是說卷煙燃燒時(shí)，煙氣中的香味物質(zhì)只有5.74%來自煙葉中蒸餾的游離香味物質(zhì)，絕大多數(shù)來自煙葉中前體物質(zhì)的裂解。因此，決定煙葉抽吸風(fēng)格的可能是煙葉裂解所產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)，而不是煙葉自身所含有的揮發(fā)性、半揮發(fā)性物質(zhì)。

在300 ℃時(shí)，煙葉中碳水化合物裂解形成的糠醛、糠醇、5-甲基糠醛、2，3-二氫-3，5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、5-羥基麥芽酚、5-羥甲基糠醛等產(chǎn)物開始增加。同時(shí)，巨豆三烯酮、3-羥基-β-二氫大馬酮、3-氧代-α-紫羅蘭醇開始產(chǎn)生，這些物質(zhì)可能是煙草中的β-胡蘿卜素、葉黃素以及類胡蘿卜素類物質(zhì)的脂肪酸酯在有氧條件下裂解所形成的。另外煙草中還存在月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、油酸、亞油酸和亞麻酸等長(zhǎng)鏈脂肪酸，以及β-隱黃素、花藥黃質(zhì)、辣椒黃素、玉米黃質(zhì)、紫黃素、辣椒紅素等類胡蘿卜素類物質(zhì)的單酯或二酯。

400～500 ℃是煙葉裂解的主要階段，也是碳水化合物裂解、氨基酸和香料前體物降解、美拉德反應(yīng)最劇烈的階段。該階段形成了大量的金合歡基丙酮、香葉基丙酮、香葉醛、金合歡醛、金合歡醇等香味化合物，這些化合物是煙草中的無環(huán)異戊二烯類化合物（acyclic isoprenoids）在有氧條件下熱降解所形成的，煙草中的無環(huán)異戊二烯類物質(zhì)主要包括茄尼醇、植烯（phytene）和新植二烯等，這些物質(zhì)在降解的過程中形成大量的中鏈酮類和醇類物質(zhì)，比如6-甲基-5-庚烯-2-酮、香葉基丙酮、香葉醇、6-甲基-3，5-庚二烯-2-酮、法尼基丙酮、法尼醇等重要致香成分，這些物質(zhì)可以賦予卷煙良好的清甜香韻[11]。另外，400～500 ℃有氧裂解形成了吡啶、吡咯、甲基吡啶、甲基吡咯等物質(zhì)。這些物質(zhì)可能是煙草中氨基酸和生物堿熱裂解的產(chǎn)物[11]。

煙葉在600 ℃裂解時(shí)，則形成了大量的苯、甲苯、乙苯、二甲苯、萘以及其他稠環(huán)芳香類化合物，同時(shí)也形成了腈類物質(zhì)。同時(shí)，煙草物質(zhì)在600 ℃裂解，形成了大量的含氮雜環(huán)化合物，比如甲基吡啶、甲基吡咯、二甲基吡啶和二甲基吡咯類化合物等[11]。由于煙草中的尼古丁在400 ℃以前就已經(jīng)完全裂解，脯氨酸在600 ℃以前也已經(jīng)基本裂解完成，因此，煙葉在600 ℃裂解所形成的甲基吡啶、甲基吡咯、二甲基吡啶等含氮雜環(huán)化合物以及腈類化合物都可能來自煙草中蛋白質(zhì)的降解。這與前人的研究相符合，研究者認(rèn)為蛋白質(zhì)存在3 個(gè)失重區(qū)，200～480 ℃、480～680 ℃和680～820 ℃[14]。而丙氨酸、亮氨酸和異亮氨酸等氨基酸在260～290 ℃左右就已經(jīng)完成了絕大部分的裂解，但是脯氨酸在200～380 ℃完成第一次失重，第二次失重要持續(xù)到700 ℃左右。

表4 煙葉300 ℃主要裂解產(chǎn)物Table 4 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 300 ℃

續(xù)表4

表5 煙葉400 ℃主要裂解產(chǎn)物Table 5 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 400 ℃

續(xù)表5

續(xù)表5

續(xù)表5

續(xù)表5

續(xù)表5

2.1.4 700～900 ℃裂解煙草在700～900 ℃的裂解，其溫度相當(dāng)于卷煙燃燒區(qū)的溫度。在該溫度區(qū)裂解，基本上沒有新產(chǎn)物出現(xiàn)，也可能是裂解產(chǎn)生了簡(jiǎn)單氣體，而這些氣體組分在實(shí)驗(yàn)分析條件下得不到檢測(cè)。這說明煙葉在600 ℃裂解后，基本上已經(jīng)裂解完全，裂解后就剩下了碳，而在700、800 ℃和900 ℃裂解時(shí)，由于氧氣的存在，碳與氧在700～900 ℃的高溫下，形成大量氣體，比如二氧化碳、一氧化碳、水、氫氣、甲烷等化合物。這與前人的研究結(jié)論[5]一致，他們認(rèn)為卷煙燃吸時(shí)，在燃燒區(qū)，氧與碳化的煙草進(jìn)行反應(yīng)形成了二氧化碳、一氧化碳和氫氣等簡(jiǎn)單氣體[11]。

3 結(jié) 語

利用多步逐級(jí)裂解技術(shù)可以很好地用來研究裂解溫度對(duì)煙葉裂解所釋放的揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)的影響，從而可以用來揭示卷煙燃吸時(shí)所釋放的物質(zhì)與溫度之間的關(guān)系和卷煙燃燒時(shí)的反應(yīng)途徑和機(jī)理。

在250 ℃以下裂解時(shí)，形成的香味物質(zhì)的量很少，主要是游離的尼古丁、其他生物堿和新植二烯可以直接從煙葉蒸餾轉(zhuǎn)移到煙氣中。300～500 ℃是煙草中的碳水化合物、氨基酸、色素、色素長(zhǎng)鏈脂肪酸酯、開鏈異戊二烯類、西柏烷類物質(zhì)等前體物的裂解階段，是絕大多數(shù)揮發(fā)性、半揮發(fā)性物質(zhì)形成的主要溫度區(qū)；煙葉在600 ℃裂解主要產(chǎn)物是苯系物、稠環(huán)芳烴和腈類物質(zhì)，煙草在700～900 ℃裂解時(shí)，主要是碳化的煙草和氧燃燒形成二氧化碳、一氧化碳等簡(jiǎn)單氣體。

多步逐級(jí)裂解技術(shù)表明：卷煙在燃燒時(shí)，自煙葉中蒸餾的游離香味物質(zhì)只占很少一部分，絕大多數(shù)來自煙葉中前體物質(zhì)的裂解。既然卷煙風(fēng)格特征是由卷煙燃吸時(shí)產(chǎn)生的香味物質(zhì)決定的，而燃吸所產(chǎn)生的香味物質(zhì)絕大多數(shù)來自煙葉的裂解，蒸餾所產(chǎn)生的香味物質(zhì)只占極少的一部分（5.74%），因此卷煙風(fēng)格特征可能是由煙葉高溫裂解所形成的物質(zhì)決定，而不是取決于煙葉中存在的揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)。