圓周及濾嘴通風(fēng)對卷煙主流煙氣堿性香味成分釋放量的影響

楚文娟，王宏偉，田海英*，高明奇，劉 超，魯 平，李國政，李耀光，趙永振，陳孟起，張 博，張峻松*

1. 河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)第三大街8 號 450000

2. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)科學(xué)大道136 號 450002

近年來，隨著消費者生活水平和健康意識的提高，細(xì)支、中支卷煙日益受到消費者的青睞[1]。與常規(guī)煙相比，細(xì)支、中支卷煙的圓周減小、濾嘴通風(fēng)率升高，這些因素的變化會影響抽吸時氣流的流速和煙絲的燃燒狀態(tài)[2-5]，進(jìn)而影響主流煙氣化學(xué)成分的釋放量[6-8]。Schneider 等[9]的研究表明，保持煙絲填充密度不變的情況下，隨著煙支圓周的減小，煙支吸阻呈上升趨勢；Perfetti 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著煙支圓周的減小，抽吸和陰燃期間煙柱長度的消耗速率（直線燃燒速率）上升，而煙柱質(zhì)量的消耗速率（質(zhì)量燃燒速率）下降。Irwin[11]的研究表明，隨卷煙圓周的減小，單位質(zhì)量煙絲與空氣接觸的面積增大，煙草燃燒更加充分，進(jìn)而導(dǎo)致焦油、煙堿、CO 釋放量呈降低的趨勢，而甲醛、丙烯醛等羰基化合物釋放量呈增加趨勢；朱瑞芝等[12]研究表明，中支煙和細(xì)支煙的燃燒錐固相溫度比常規(guī)煙平均高約100 ℃；葛暢等[13]發(fā)現(xiàn)煙支圓周、濾嘴通風(fēng)等物理指標(biāo)以及熱解反應(yīng)的不同，協(xié)同導(dǎo)致細(xì)支、常規(guī)卷煙常規(guī)煙氣指標(biāo)及中性致香成分的差異；Siu 等[14]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)支煙大部分有害成分的釋放量低于常規(guī)煙；戴莉等[15]研究表明，隨濾嘴通風(fēng)率增大，各類香氣成分釋放量均不同程度降低。謝玉龍等[16]、朱先約等[17]對常規(guī)煙的研究表明，濾嘴通風(fēng)率從0.2%增加到22.2%，卷煙主流煙氣中25 種酸性成分釋放總量的降低率為20.0%；16種堿性成分釋放總量的降低率為20.91%。以上研究均表明改變卷煙圓周及濾嘴通風(fēng)率對卷煙主流煙氣化學(xué)成分釋放量有重要影響。

主流煙氣中堿性香味成分盡管釋放量較低，但因其具有很強的氣味和較低的閾值，不僅可以較好地修飾煙草本香，而且能夠掩蓋雜氣，改善余味，因此倍受關(guān)注[18-19]。以往研究主要集中在煙草或煙氣中堿性香味成分的分析或卷煙材料參數(shù)對同規(guī)格卷煙影響方面[20-25]，而有關(guān)卷煙材料參數(shù)對不同規(guī)格卷煙主流煙氣中堿性香味成分釋放量的影響方面卻鮮有報道。因此，本研究中以不同煙支規(guī)格的卷煙為對象，考察了圓周及濾嘴通風(fēng)率對其主流煙氣堿性香味成分釋放量的影響，旨在為卷煙新產(chǎn)品的研發(fā)及香味補償技術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

葉組配方由河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供，采用同一葉組配方制作細(xì)支、中支和常規(guī)3 種規(guī)格、不同濾嘴通風(fēng)的卷煙，共計13 個樣品。

二氯甲烷（色譜純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司）；無水硫酸鈉（AR，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司）；鹽酸（36.46%，上海振金化學(xué)試劑有限公司）；氫氧化鈉（AR，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司）；氯化鈉（AR，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）。標(biāo)準(zhǔn)樣品：吡啶、2-甲基吡啶、甲基吡嗪、3-甲基吡啶、2,6-二甲基吡啶、2,6-二甲基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、3-乙基吡啶、3-乙烯基吡啶、3,5-二甲基吡啶、2,4,6-三甲基吡啶、3,4-二甲基吡啶、2-乙?；拎?、2,3,5-三甲基吡啶、2,3-環(huán)戊烯并吡啶、3-丁基吡啶、喹啉、2-甲基喹啉、2,6-二甲基喹啉、3-苯基吡啶、乙酸苯乙酯（AR，≥98%，北京百靈威科技有限公司）。

RM20H 轉(zhuǎn)盤型吸煙機（德國Borgwaldt KC 公司）；EL204型電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；Agilent 7890B/5977A 氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國Agilent 公司）；SB-3200DT 型超聲波清洗機（寧波新芝生物科技股份有限公司）；Rotavapor R-210 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（瑞士Büchi 有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品制備及常規(guī)物理指標(biāo)參數(shù)

以河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司在產(chǎn)規(guī)格卷煙為基礎(chǔ)，采用同一批煙絲，卷接設(shè)計并制作13 個卷煙樣品，并檢測了其常規(guī)物理指標(biāo)，結(jié)果見表1。

表1 卷煙樣品設(shè)計及物理指標(biāo)參數(shù)Tab.1 Design and physical index parameters of cigarette samples

表1（續(xù)）

1.2.2 樣品的平衡與篩選

將卷煙樣品置于（22±1）℃，相對濕度為（60±2）%的環(huán)境中平衡48 h，然后每個樣品選取30 支，測其質(zhì)量，求出平均值，然后按照樣品質(zhì)量為（平均值±0.02）g、濾嘴通風(fēng)率為設(shè)計值±2%的標(biāo)準(zhǔn)對已制備卷煙樣品進(jìn)行篩選后作為待測樣。

1.2.3 主流煙氣總粒相物的捕集

參照GB/T 19609—2004[26]的規(guī)定，每個樣品卷煙抽吸60 支，每張劍橋濾片捕集20 支卷煙的主流煙氣總粒相物，進(jìn)行3 次重復(fù)。卷煙抽吸結(jié)束后空吸5 口，取出劍橋濾片，用脫脂棉擦拭捕集器，一并轉(zhuǎn)移至具塞玻璃瓶中。

1.2.4 堿性香味成分的測定

數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)是基于數(shù)學(xué)知識和計算、測量、推理、分析、建模和統(tǒng)計等基本數(shù)學(xué)知識和技能形成的數(shù)學(xué)思維方法和態(tài)度.它也反映了學(xué)生在現(xiàn)實社會和生活中的數(shù)學(xué)，了解角色和價值. 數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)與數(shù)學(xué)知識和技能，數(shù)學(xué)探究能力和問題解決能力密切相關(guān)，構(gòu)成了學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng).

主流煙氣中堿性香味成分的測定參照文獻(xiàn)[26]進(jìn)行。具體步驟為：①向1.2.3 節(jié)的具塞玻璃瓶中，加入60 mL CH2Cl2，超聲萃取30 min。萃取結(jié)束后，轉(zhuǎn)移至分液漏斗中；②加入20 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的HCl 水溶液進(jìn)行萃取，重復(fù)3 次，合并水相并置于冰水浴中；③滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH 水溶液，調(diào)至pH 為14；④加入20 mL CH2Cl2進(jìn)行萃取，重復(fù)3 次，合并有機相，即為堿性成分萃取液；⑤加入適量的無水硫酸鈉，干燥過夜；⑥將CH2Cl2溶液轉(zhuǎn)移至濃縮瓶中，加入1 mL 乙酸苯乙酯的CH2Cl2內(nèi)標(biāo)溶液（0.508 mg/mL），60 ℃水浴濃縮至1 mL，過0.22 μm 有機濾膜后進(jìn)行GC-MS分析。分析條件：

色譜柱：HP-5MS 毛細(xì)管柱（60 m×0.25 mm i.d.×0.25 μm d.f.）；進(jìn)樣口溫度：280 ℃；載氣：氦氣（≥99.999%）；恒流模式流速：1.0 mL/min；進(jìn)樣量：1 μL；分 流 比：5 ∶1；升 溫 程 序：50 ℃（2 min）220 ℃。離子源：EI；傳輸線溫度：280 ℃；離子源溫度：230 ℃；電子能量：70 eV；四極桿溫度：150 ℃；電子倍增器電壓：1 635 V；質(zhì)量掃描范圍：35～550 amu；溶劑延遲：7 min；掃描方式：選擇離子檢測（SIM）。

2 結(jié)果與討論

2.1 21 種香味成分的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線、精密度、回收率和檢測限

為考察圓周及濾嘴通風(fēng)率對主流煙氣堿性香味成分釋放量的影響，選擇對卷煙品質(zhì)影響較大的21 種代表性堿性香味成分為研究對象，經(jīng)GC-MS 分析，21 種堿性香味成分和內(nèi)標(biāo)物的保留時間、特征離子如表2 所示，對標(biāo)準(zhǔn)工作溶液和樣品的測定結(jié)果見表3。

表2 堿性香味成分的特征選擇離子Tab.2 Characteristic selected ions of alkaline aroma components

表3 21 種成分分析的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線、相關(guān)系數(shù)、檢出限及定量限（n=5）Tab.3 Regression equations, correlation coefficients, limits of detection and limits of quantitation of 21 components’analysis（n=5）

由表3 可知，21 種標(biāo)樣物質(zhì)的工作曲線線性關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)均大于0.99，表明工作曲線的相關(guān)性良好；相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=5）在0.83%～7.55%之間，加標(biāo)回收率在74.46%～96.43%之間，方法的 檢 出 限 為0.06～1.68 μ g/mL、定 量 限 為0.20～5.60 μg/mL。說明本方法對主流煙氣21 種堿性香味成分萃取較為完全。

2.2 圓周對卷煙主流煙氣堿性香味成分釋放量的影響

為考察圓周對卷煙主流煙氣堿性成分的影響，選取不同圓周煙支共有的20%、30%濾嘴通風(fēng)率，測定結(jié)果見圖1。

由圖1 可知，每克煙絲釋放的各類堿性香味成分以及堿性香味成分釋放總量，隨卷煙圓周的增大均呈增加的趨勢。這與國外的研究結(jié)果[11,15]一致。原因可能是隨圓周增大，燃燒錐固相溫度降低[12]，且單位質(zhì)量煙絲與空氣的接觸面積減小[11]，造成煙絲燃燒不充分；此外，卷煙抽吸時隨圓周增大，煙氣流速減慢，且煙氣在煙支中的降溫速率增加[12]，導(dǎo)致部分氣相物質(zhì)因冷卻轉(zhuǎn)移至粒相，使得截留的粒相成分呈增加趨勢。

圖1 20%、30%濾嘴通風(fēng)率卷煙主流煙氣堿性香味成分釋放量隨圓周變化情況Fig.1 Variations of releases of alkaline aroma components in mainstream smoke of cigarettes with filter ventilation rate of 20% or 30%

表4 不同圓周卷煙主流煙氣堿性香味成分釋放量的方差分析和多重比較①Tab.4 Variance analysis and multiple comparisons of releases of alkaline aroma components in mainstream smoke of cigarettes with different circumferences （μg·（g 煙絲）-1）

2.3 濾嘴通風(fēng)率對卷煙主流煙氣堿性香味成分釋放量的影響

濾嘴通風(fēng)率對不同圓周卷煙主流煙氣堿性香味成分釋放量的影響結(jié)果見圖2。

由圖2 可見，每克煙絲釋放的各類堿性香味成分以及堿性香味成分釋放總量，隨濾嘴通風(fēng)率的增大均呈降低趨勢。這可能是因為增加濾嘴通風(fēng)，主流煙氣的橫向擴散作用增強，同時煙氣溫度降低，使部分香味成分被煙絲吸附或濾嘴截留，導(dǎo)致濾片截留的香味成分降低[27-28]。此外，從回歸方程斜率的絕對值來看，改變相同的濾嘴通風(fēng)，不同圓周卷煙主流煙氣吡啶類、吡嗪類、喹啉類香味成分釋放量的變化幅度不同。這可能是由于圓周不同，單位質(zhì)量煙絲與空氣的接觸面積不同，導(dǎo)致卷煙燃燒的機理和燃燒溫度發(fā)生變化[12]，造成煙絲的熱解程度不同[29]，此外，3 類物質(zhì)的沸點不同，發(fā)生側(cè)流逸散的程度也不同。

圖2 堿性香味成分釋放量隨濾嘴通風(fēng)率的變化情況Fig.2 Variations of releases of alkaline aroma components in mainstream cigarette smoke with filter ventilation rate

對不同濾嘴通風(fēng)率卷煙主流煙氣中堿性香味成分釋放量的方差分析結(jié)果（表5）顯示，主流煙氣中各類堿性香味成分釋放量以及堿性香味成分釋放總量在不同濾嘴通風(fēng)率間的差異均達(dá)到極顯著水平；進(jìn)一步的多重比較結(jié)果顯示，對于細(xì)支煙，隨濾嘴通風(fēng)的增大，各類堿性香味成分釋放量以及堿性香味成分釋放總量均極顯著降低。對于中支煙，吡嗪類、喹啉類香味成分釋放量以及堿性香味成分釋放總量在濾嘴通風(fēng)率為10%～40%間均呈極顯著降低趨勢，吡啶類釋放量在濾嘴通風(fēng)率0～30%間的差異達(dá)到極顯著水平，而在濾嘴通風(fēng)率30%和40%間的差異不顯著。對于常規(guī)煙，隨濾嘴通風(fēng)率增加，各類堿性香味成分釋放量以及堿性香味成分釋放總量均極顯著降低。

表5 不同濾嘴通風(fēng)率卷煙主流煙氣中堿性香味成分釋放量的方差分析和多重比較①Tab.5 Variance analysis and multiple comparisons of releases of alkaline aroma components in mainstream smoke of cigarettes with different filter ventilation rates （μg·（g 煙絲）-1）

為進(jìn)一步了解濾嘴通風(fēng)率對主流煙氣中堿性成分釋放量的影響，以每克煙絲計，計算出不同規(guī)格卷煙隨濾嘴通風(fēng)率增大，各類堿性香味成分在主流煙氣中的降低率，結(jié)果見表6。

由表6 可知，以每克煙絲計，在所研究的濾嘴通風(fēng)率范圍內(nèi)，濾嘴通風(fēng)率每增加10%，釋放量降幅最大的是吡嗪類香味成分，其次為吡啶類和喹啉類香味成分。這可能是因為，在濾嘴通風(fēng)變化幅度一定的條件下，不同規(guī)格卷煙煙支吸阻的變化幅度不同[30-31]，卷煙內(nèi)部空氣流速的變化幅度也不同，煙絲的熱解程度也不同。因此，設(shè)計和開發(fā)卷煙時，應(yīng)根據(jù)不同的香味物質(zhì)在不同圓周和濾嘴通風(fēng)條件下的變化情況，合理調(diào)整葉組配方、加香加料以及輔材參數(shù)，達(dá)到增補煙香、突出特色的目的。

表6 堿性香味成分釋放量隨濾嘴通風(fēng)率增加而減少的百分比Tab.6 Percentages of releases of alkaline aroma components decreased with increase of filter ventilation rate （%）

3 結(jié)論

①以每克煙絲計，主流煙氣中各類堿性香味成分以及堿性香味成分釋放總量隨卷煙圓周增大均呈增加趨勢，隨卷煙濾嘴通風(fēng)率的增大均呈降低趨勢；②單因素方差分析顯示，各類堿性香味成分釋放量以及堿性香味成分釋放總量在不同濾嘴通風(fēng)率間的差異均達(dá)極顯著水平；吡嗪類、喹啉類釋放量在不同圓周間的差異均達(dá)極顯著水平；③增加相同的濾嘴通風(fēng)，吡嗪類香味成分降低幅度最大，其次為吡啶類和喹啉類成分。