熱裂解氣質技術在卷煙工業中的應用

楊 皓，劉文靜

(浙江中煙工業有限責任公司技術中心，浙江杭州 310024)

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熱裂解氣質技術在卷煙工業中的應用

楊 皓，劉文靜*

(浙江中煙工業有限責任公司技術中心，浙江杭州 310024)

熱裂解儀在有氧氛圍下對卷煙進行熱裂解，可較簡單地實現對卷煙燃燒過程的模擬，同時可通過氣相色譜-質譜聯用儀對裂解產物進行在線分析。熱裂解-氣相色譜質譜聯用技術(Py-GC-MS，)具有操作簡便、快速、用量少、靈敏度高、分離度好、可重復性強等特點，在煙草研究領域中應用越來越廣泛，成為煙草化學研究的重要方法。介紹了裂解-氣相色譜質譜聯用技術和裝置，總結了近十年來其在煙草行業的應用研究，并對其發展方向和應用前景進行了展望。

卷煙；煙用材料；熱裂解；氣相色譜質譜聯用

卷煙作為目前市場上銷售廣泛的一種特殊消費品，通過其燃吸的煙氣使消費者獲得滿足感和愉悅感。因此煙氣的成分分析是煙草化學的重要研究課題之一。卷煙煙氣的成分十分復雜，目前檢測出的化學成分有4 800多種，其成分主要來自于煙草、卷煙紙的燃燒過程[1-4]。另外，煙草生產、加工過程中的外源添加物也是重要來源之一。

卷煙煙氣是卷煙通過燃燒、裂解降解、蒸餾等一系列過程形成的，且高溫熱裂解是一個相當重要的環節[5]，因此研究卷煙的燃燒條件與煙氣組分的關系，對保障卷煙產品品質有重要意義。隨著新技術、新材料的不斷應用，許多改變使用量或用途的物質可能被應用到卷煙中，鑒于卷煙安全性控制，需要對這些物質進行科學、規范的安全性評估。建立煙用安全性評估程序，可為全面開展煙用新物質的安全性評估工作奠定基礎。然而對卷煙燃燒過程進行實時檢測比較困難，模擬試驗成為一種有效的分析方法。利用熱裂解儀在有氧氛圍下對煙絲進行熱裂解，可較簡單地實現對卷煙燃燒過程的模擬，同時通過氣相色譜-質譜聯用儀對裂解產物進行在線分析，能對煙氣化學組分的生成有一定的了解和認識。并且，由于直接與分析儀器連接，減少了煙氣組分捕集、試樣制備等程序，大大簡化了分析操作，并有利于煙氣中微量組分與痕量組分的檢測分析。因此，研究卷煙燃燒條件與煙氣組分構成變化，熱裂解色譜模擬分析技術是一種相對有效的手段，在煙草化學研究中，常被用來檢測裂解產物、預測煙氣組分的形成機理和安全性評估。

1　熱裂解氣質技術和裝置

1.1熱裂解氣質技術熱裂解技術是通過熱裂解裝置在高溫、惰性或有氧氛圍下對樣品進行加熱或燃燒，使其迅速裂解為揮發性小分子，然后由載氣將裂解產物直接導入分析儀器對裂解產物進行在線分析。通過對裂解產物及裂解條件的分析，研究原樣品的組成、結構和性質。熱裂解色譜分析技術(Py-GC，pyrolysis-gas chromatography)即是將熱裂解和色譜2種技術有機結合起來，裂解器可以看作是GC的一種特定的進樣系統。 1959年，Martin等首次建立起了熱裂解-色譜分析技術[6-7]，實現了裂解分析技術的重大突破。20世紀70年代開始，熱裂解-氣相色譜質譜聯用技術(Pyrolysis-Gas Chromatography Mass Spectrometry，Py-GC-MS，)逐漸應用于煙草的研究領域中，成為煙草化學研究的重要方法[8-12]。由于其操作簡便、快速、用量少、靈敏度高、分離度好、可重復性強，在化工[13]、醫藥[14]、材料[15]、煙草化學、聚合物[16]、天然產物[17]等領域都得到了廣泛的應用。

1.2熱裂解色譜裝置熱裂解裝置的分類一般有2種方法，按照加熱方法分類：電阻加熱型(如熱絲裂解器和管爐裂解器)、感應加熱型(如居里點裂解器)、輻射加熱型(如激光裂解器)；按加熱機制分類(更為常見)：連續式裂解器(如管爐裂解器)和間歇式裂解器(熱絲裂解器和居里點裂解器)。2種分法的方式如圖1所示。

圖1　裂解器分類Fig.1　Classification of cracker

按照加熱機制對連續式裂解器和間歇式裂解器的各項性能指標進行比較，結果見表1。從表1可以看出，間歇式裂解器的各項性能指標明顯優于連續式裂解器，間歇式裂解器又分為熱絲裂解器、居里點裂解器和激光裂解器(圖1)。間歇式裂解器中激光裂解器具有極高的熱平衡速度，但因溫度不易控制且難以準確測量，目前暫未普遍使用。居里點裂解器具有進樣速度快、重復性好的優點，但不能對溫度進行連續調節，且加熱時所用的鐵磁包裹材料有催化作用，對樣品裂解反應過程造成干擾。相比較而言，熱絲裂解器平衡溫度范圍寬(從室溫至1 400 ℃)，目前較常用的熱絲裂解器優點在于熱絲裂解器升溫速率快，而且連續可調，裂解參數控制精度高，重復性好，二次反應少，但高溫下溫度控制有波動。

表1連續式裂解器和間歇式裂解器性能指標比較

Table 1Performance index comparison of continuous cracker and intermittent cracker

性能指標Performanceindex連續式裂解器Continuouscracker間歇式裂解器Intermittentcracker加熱時間Heatingtime一般不可調短且可調熱量傳遞Heattransfer慢,且樣品內部有溫度梯度快裂解溫度Pyrolysistemperature低于爐溫接近平衡溫度恒溫降解Constanttemperaturedegradation難以達到可實現進樣技術Samplingtechnique低高樣品用量Sampledosagemg量級μg量級載氣流速依賴性Carriergasflowratedependence高低二次反應率Secondaryreactionrate高低裂解產物轉移Pyrolysisproducttransfer慢速且至高溫區快速其至低溫區檢測器靈敏度要求Detectorsensitivityrequirement低高重復性Repeatability較低較高

卷煙紙熱裂解產物分析所使用的儀器主要有傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)、高效液相色譜儀(HPLC)、質譜儀(MS)、氣相色譜-質譜儀(GC-MS)等。與FTIR 、HPLC 、MS 相比，GC-MS自帶的毛細管色譜柱可以將混合在一起的裂解產物進行分離，質譜檢測器將分開后的分子化合物電離為碎片離子，電離后的碎片離子圖與標準質譜庫比對后可以實現裂解產物的定性，通過色譜峰面積的積分可以對裂解產物進行半定量分析。

2　熱裂解氣質技術在卷煙工業中的應用

2.1卷煙原料熱裂解行為的研究煙草是一種成分復雜的植物，做為卷煙產品最主要的原料，其燃燒產物直接影響著卷煙的品質。抽吸卷煙時，煙草燃燒成分隨燃燒區氧氣濃度變化而顯著變化。為探究卷煙燃燒過程對煙氣組成的影響，許多煙草化學研究者應用各種模擬技術進行了研究。

孔浩輝等[18]在氮氣氛圍下用熱裂解器，比較了烤煙型卷煙煙絲分別在400、600、800、1 000、1 200 ℃溫度下的熱裂解行為，直接導入GC-MS對裂解致香成分進行檢測。在熱裂解產物中分別檢測出57、70、76、77和68種香味成分，香味成分的釋放量隨熱裂解溫度升高而逐漸增大，不同溫度對應的釋放香味組分亦有不同，卷煙煙氣的香味隨著卷煙燃吸溫度的變化而變化。這為卷煙品質的研究提供了重要的理論依據。董寧寧[19]在氦氣氛圍中對不同溫度下(200～900 ℃)卷煙煙絲的熱裂解行為進行了研究。用GC-MS對裂解產物進行分析，發現裂解產物的總體含量隨著裂解溫度的升高而上升，當溫度達到 800 ℃時，尼古丁幾乎完全被裂解，而尼古丁的沸點為 247 ℃，煙絲中的絕大部分尼古丁保留在卷煙煙氣中。800 ℃溫度以下，煙絲的裂解占主導作用，溫度過高則裂解產物會發生聚合。

再造煙葉(也叫煙草薄片)是一種以煙梗、煙末等煙草物質為主體原料，經過重新組合加工而成的產品，目前也是卷煙原料的一項重要部分。盧嵐等[20]用熱裂解GC-MS技術，對不同涂布率的再造煙葉進行了熱裂解研究，發現裂解過程生成了較多的致香物質，不同涂布率的再造煙葉主要熱裂解產物的種類是一致的，僅在相對百分含量上具有一定的差異。該研究為再造煙葉的使用提供了理論依據。

2.2卷煙輔料熱裂解行為的研究卷煙紙約占煙支總重量的5%，它影響卷煙的靜燃速率、壓降、抽吸口數、通風度和側流及主流煙氣的輸送量，并且在卷煙燃吸時高溫裂解，會產生新的物質，影響卷煙的香氣和吸味。采用裂解技術模擬卷煙燃吸時的環境，根據裂解產物對這些物質進行評價具有一定的科學性和便捷性。目前，國外煙草公司如Philip Morris USA，Brown William在進行卷煙紙質量控制時均采用熱裂解試驗。按照中國煙草總公司《煙用材料新物質安全性評估規程》評估原則，卷煙紙中新物質的安全性評估應進行熱裂解試驗，模擬卷煙燃吸時所處的溫度、氣氛條件，考察裂解產物中有害物質的釋放量。卷煙紙在生產和使用過程中會添加一些助劑，包括阻燃劑、助燃劑、膠黏劑等，以及搭口膠和油墨，都直接影響著卷煙的燃燒成分。研究卷煙輔料的熱裂解行為，分析其裂解產物的分布狀況及變化規律，對指導卷煙輔料的使用具有重要意義。

王曄等[21]用氣相色譜質譜聯用在線裂解方法(PY-GC-MS)探究了木漿和全麻卷煙紙的熱裂解行為，結果表明，氧氣的存在能夠加速卷煙紙的熱分解。木漿卷煙紙的裂解產物中苯及其酚類物質含量相對全麻卷煙紙較多，這可能是木漿卷煙紙較全麻卷煙紙吸味差的原因之一。丁麗婷等[22]對低引燃傾向(LIP)卷煙紙進行熱裂解發現，由于添加的阻燃劑吸收部分熱量，低引燃傾向卷煙紙在較低的溫度下即可裂解完全，采用熱裂解氣質聯用方法檢測和對照卷煙紙相比，裂解產物種類相同，而在低引燃傾向卷煙紙中檢測的致香成分明顯多于對照卷煙紙，這一結論對提升卷煙的品質有著重要的意義。孫川等[23]用熱裂解-氣相色譜質譜聯用技術，并且使用2種色譜柱對麻漿卷煙紙的成分進行分析，2種色譜柱檢測出63種共有成分，總共裂解產物202種。

楊衛花[24]建立了卷煙黏合劑裂解產物分離分析方法，模擬卷煙燃燒條件，在200、400、600、800 ℃ 4個不同溫度下，空氣氛圍下對聚醋酸乙烯型和淀粉型的2種卷煙搭口膠用熱裂解氣相色譜-質譜聯用方法檢測。研究發現，聚醋酸乙烯型卷煙搭口膠的裂解產物主要以多環烴(PAHs)、苯衍生物為主，淀粉型的搭口膠裂解產物則主要以呋喃類化合物為主。李國政等[25]建立了用氣相色譜質譜聯用法測定煙用搭口膠裂解產物的方法，對5種搭口膠樣品裂解產物中苯、甲苯和乙苯的含量進行了定量測定，為搭口膠的安全性評價提供了理論基礎。黃海群等[26]對檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸鈣、檸檬酸鎂、檸檬酸鋅5種助劑在大氣環境以及300、600、900 ℃條件下進行熱解分析，結果表明，5種卷煙紙助劑在不同溫度條件下的主要裂解產物為醛酮、呋喃類、稠環芳烴類化合物，檸檬酸鎂、檸檬酸鈣和檸檬酸鋅在600和900 ℃條件下產生刺激性很大的丙烯醛物質。檸檬酸鈣在熱解過程中產生有刺激性的乙酸，檸檬酸鎂、檸檬酸鋅在熱解過程中產生雜環類香味物質。說明金屬離子對材料的熱解過程及產物有一定的影響，在卷煙紙添加劑產品開發過程中，必須考慮金屬離子在配方中對熱解過程和熱解產物的影響。

2.3煙草致香物、潛香成分和天然香料熱裂解行為的研究

2.3.1多酚類。多酚類化合物，對煙草的品質、色澤和卷煙煙氣的香氣品質等方面有著重要的影響，某些酚類物質可能是影響卷煙的口感，引起澀味、辣味、余味不干凈的一種因素。因此，研究酚類的裂解產物對研究卷煙的吸食品質十分必要。劉靜等[27]在900 ℃下，9%的氧氣氛圍中對綠原酸、蕓香苷和莨菪亭進行熱裂解-氣相色譜-質譜(GC-MS)分析，并進行了感官評吸。結果表明，多酚的熱裂解產物中存在一定量的致香成分，但是裂解同時也產生苯酚、間苯二酚、對苯二酚、兒茶酚等有害成分。感官評吸結果也顯示，這些多酚物質會使卷煙的雜氣、刺激性增強，協調性變差，不利于卷煙品質的提升。

2.3.2氨基酸。氨基酸燃燒會產生含氮雜環化合物，與煙草的品質有直接的關系。鄭宏偉等[28]在300、600、900 ℃溫度，氦氣氛圍下用熱裂解氣相色譜-質譜聯用技術(PY-GC-MS)研究了天門冬氨酸的熱裂解行為，以及卷煙中天門冬氨酸的熱裂解對卷煙品質的影響。結果得出，其裂解產物主要有酮類、胺和酰胺類、酸類、氮雜環類等物質，其中含量較高的物質是 2，5-吡咯二酮，可以提供給卷煙甜香香氣，含氮雜環類化合物，可增強卷煙的烤甜、焦甜香氣。隨著裂解溫度的升高，裂解產物越來越復雜，產生了大量的含氮化合物，有助于保持煙氣適當的生理強度和煙氣濃度，但煙氣也變得粗糙、刺激性增強，同時會產生氫氰酸、腈類和亞硝胺類化合物。這一結論為天門冬氨酸在卷煙中的應用提供了理論依據。

2.3.3醛酮類。卷煙煙氣中揮發性醛、酮主要是煙草在卷煙燃吸過程中非酶棕色化反應形成，是影響煙草吸味的一類重要香氣成分，在加香中也廣泛使用。李石頭等[29]對3-羥基-β-二氫大馬酮的合成及在線熱裂解進行了研究，對目標產物結構進行了在線熱裂解氣相色譜-質譜聯用技術分析，分析結果表明，3-羥基-β-二氫大馬酮在300 ℃基本不裂解，在600、750、900 ℃能裂解出β-大馬酮、環檸檬醛、異佛爾酮等重要煙草香味物質，可以明顯增強煙草香氣，改善和提高卷煙的吸味品質。這一結論為卷煙加香提供了理論基礎，具有重要的應用價值。

2.3.4糖苷。糖苷是許多天然香味成分的前體物質，以糖苷的形式存在使得許多易揮發性香味物質穩定地保存，甲基環戊烯醇酮是一種具有濃郁焦甜香的環戊烯醇酮類化合物。李有桂等[30]用熱裂解，通過GC-MS測定了環戊烯醇酮-β-D-吡喃葡糖苷(MCP-葡糖苷)的熱裂解轉移率，3-甲基-1-氧代環戊-2-烯-2-基-β-D-吡喃葡糖苷裂解為 MCP 的轉移率為 16.13%，5-甲基-1-氧代環戊-2-烯-2-基-β-D-吡喃葡糖苷裂解為MCP的轉移率為16.40%。在卷煙燃吸條件下，煙氣組分中除了MCP 的量有顯著變化外，其他成分沒有變化，這說明在燃吸溫度和 GC 分析溫度下，MCP-葡糖苷只發生了苷鍵的斷裂，生成了 MCP。這為焦甜香型卷煙的研發提供了理論依據。

2.3.5天然香料。秦云華等[31]在氮氣氛圍中，利用熱裂解過程模擬煙用添加劑黃芩浸膏的燃燒過程，將其在300～900 ℃范圍內進行熱裂解，用GC-MS對其裂解產物進行分析。黃芩浸膏在低溫區(300～450 ℃)裂解后產生大量構成卷煙香味的重要物質，如醛類、酮類、酯類和呋喃類物質，這些物質能改善卷煙吸味、減輕刺激性；在高溫區(750～900 ℃)產生大量的芳香族化合物，如苯、甲苯、乙苯、萘等。這一研究為黃芩浸膏在卷煙中的應用提供了很好的理論依據。趙瑞峰等[32]在氦氣氛圍中采用在線熱裂解-氣相色譜-質譜聯用技術研究了β-紫羅蘭酮在300～800 ℃的熱裂解行為。結果表明，β-紫羅蘭酮可以裂解生成9種酮類化合物、5種烯烴類化合物、34種芳香烴化合物等，共48種物質；隨著裂解溫度的升高，生成的危害性芳香烴類化合物的相對含量也逐漸增大，根據主要裂解產物對β-紫羅蘭酮的裂解機理進行了初步探討，為β-紫羅蘭酮在卷煙加香研究中的應用提供了指導。楊燕等[33]用熱裂解-氣相色譜-質譜聯用(PY-GC-MS )方法探究了無花果提取物的熱裂解產物。無花果提取物熱裂解后產生大量醛類、酮類和呋喃類物質，這些裂解產物是構成卷煙香味的重要成分，具有甜香香氣、水果香氣、煙草香氣等香味特征，能改善卷煙吸味、減輕刺激性。這一研究對無花果提取物在卷煙加料上的應用具有一定的指導意義。

3　展望

熱裂解儀在有氧氛圍下對卷煙進行熱裂解，可較簡單地實現對卷煙燃燒過程的模擬，同時通過氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)對裂解產物進行在線分析。熱裂解-氣相色譜質譜聯用技術具有操作簡便、快速、用量少、靈敏度高、分離度好、可重復性強等特點，成為煙草化學研究的重要方法，在煙草研究領域中應用越來越廣泛。2000年以來，熱裂解技術開始越來越多地應用于卷煙安全性的評價，尤其是對多環芳烴、酚類、小分子醛等成分。在卷煙熱裂解領域，目前熱裂解的氛圍大多不能模擬真實的空氣氛圍，模擬得出的結論依然與實際卷煙燃吸存在一定的區別，還需結合更多精細的控制技術。

國內煙草行業在卷煙紙的熱裂解領域進行了許多研究，但是相關文獻研究以卷煙紙、助燃劑的裂解行為為主，但這些文獻主要用于不同溫度裂解行為研究，而不是用于模擬裂解評價，采用的裂解溫度、氣氛均有較大差異。建立熱裂解試驗方法的標準規范，獲得科學一致的試驗數據，是開展這部分煙用材料物質安全性評估工作的前提。當前，煙草行業無法規范化地對卷煙紙中的物質進行安全性評估程序。目前，煙草行業對煙用材料的熱裂解研究主要用于不同裂解條件下的裂解行為研究，尚無參與燃燒煙用材料的熱裂解試驗條件方面的規程，研究工作還不系統，這將是今后需要努力的方向。

隨著新技術、新材料的不斷應用，在煙用材料安全性評估領域，許多改變使用量或用途的物質可能被應用到煙用材料中，需要對這些物質進行科學、規范的安全性評估。因此，建立煙用材料新物質的安全性評估程序，為全面開展煙用材料新物質的安全性評估工作奠定了基礎。采用模擬裂解對參與燃燒的煙用物質進行評價是一種方便有效的方法。卷煙紙在卷煙燃吸時高溫裂解，會產生新的物質。采用裂解技術模擬卷煙燃吸時的環境，根據裂解產物對這些物質進行安全性評價具有一定的科學性和便捷性。

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Application of Py-GC-MS in Cigarette Industry

YANG Hao, LIU Wen-jing*

(Technology Center of Zhejiang Tobacco Industry Co. Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310024)

Pyrolysis could simulate cigarette combustion process, meanwhile, the products were analyzed by GC-MS. Py-GC-MS has the advantages of simple operation, fast, low consumption, high sensitivity, good separation degree, strong repeatability, etc., and is widely used in the field of tobacco research, and is an important method for the research of tobacco chemistry. Py-GC-MS technology and device were introduced, the application of Py-GC-MS in tobacco industry in recent ten years were summarized, the development direction and application prospect was forecasted.

Cigarette; Cigarette materials; Pyrolysis; Gas Chromatography Mass Spectrometry

浙江中煙工業有限責任公司科技項目(ZJZY2014007)。

楊皓(1991- )，男，浙江杭州人，助理工程師，碩士，從事“三紙一棒”等煙用材料的研究。*通訊作者，碩士，從事煙用材料研究。

2016-06-24

S 572

A

0517-6611(2016)24-091-04