加熱卷煙氣溶膠中香氣成分的GC-MS/MS同時測定和比較

司曉喜 向本富 蔣 薇 劉志華 楊 晨 朱瑞芝 張鳳梅 何 沛 蔣麗紅

(1.云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明 650231；2.云南省煙草化學重點實驗室，云南 昆明 650231；3.昆明理工大學化學工程學院，云南 昆明 650500)

自從2006年Baker提出通過改變卷煙氣溶膠產生方式以開發潛在危害較小的香煙[1]，加熱卷煙已成為新型煙草制品研究的熱門產品[2]。加熱卷煙在較低溫度下(一般不超過400 ℃)加熱芯材，將其中的煙堿、揮發性香氣成分等釋放到煙氣中[3]，減少了傳統煙草高溫燃燒裂解產生的有害成分的釋放[4-5]。

各煙草公司和研究機構針對開發的加熱卷煙開展了大量質量評價、煙氣氣溶膠成分測定、煙氣安全性分析等工作，但主要集中于毒理評估[3,6-7]及潛在有害成分的系統評估[8-9]。而有關加熱卷煙氣溶膠中香氣成分的研究較少，主要集中于對香氣物質進行定性鑒定[10-13]。劉鴻等[10]利用中間切割—二維氣質法對加熱卷煙氣溶膠成分進行了定性分析，王穎等[11]采用GC/MS法對3款加熱卷煙產品煙氣中香味成分進行了比較分析，張麗等[12]探討了加熱卷煙主要成分的遷移行為，但以上研究均未對香氣成分進行定量分析。加熱卷煙煙氣中內源性香氣成分較低，通常添加香精香料以改善煙氣質和煙氣量[13]。目前國際市場上加熱卷煙產品的類型較多，不同品牌、類型、口味的加熱卷煙其氣溶膠特性差異明顯，仍普遍存在煙霧量小、香氣量小等不足。因此，建立快速、高通量的加熱卷煙氣溶膠香氣成分定量測定方法，對現有產品氣溶膠中香氣成分進行深入剖析，對于加熱卷煙產品開發具有重要意義。

加熱卷煙氣溶膠化學成分種類多、含量低[9,14]，而GC-MS/MS技術具有通量高、靈敏度高、線性范圍廣等優點[15-16]。試驗擬利用超聲萃取-GC-MS/MS定量測定加熱卷煙氣溶膠中的香氣成分，并對典型加熱卷煙氣溶膠中香氣成分進行測定和比較，旨在為加熱卷煙新產品的研發提供依據。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑與材料

1.1.1 材料和試劑

麥芽酚、2,4-二叔丁基苯酚、2-甲基吡嗪、糠醛、糠醇等：純度98.0%～99.9%，加拿大TRC 公司；

β-大馬酮、α-紫羅蘭酮、降煙堿、香葉醇、R-(+)-檸檬烯等：純度98.0%～99.8%，美國Sigma-Aldrich公司；

乙酸異丁酯、丁酸乙酯、乳酸薄荷酯、茴香醛等：純度98.0%～99.8%，北京百靈威科技有限公司；

乙酸苯乙酯、苯乙酸乙酯、茄尼酮等：純度95.0%～99.5%，上海阿拉丁試劑有限公司；

萘、喹啉、正十七烷標準品(內標物)：純度>99%，加拿大TRC 公司；

甲醇、二氯甲烷、無水乙醇、異丙醇、正己烷：色譜純，美國Merck 公司；

K品牌加熱卷煙：淡薄荷味、原味、香草薄荷味、新鮮薄荷味、檸檬薄荷味、李子薄荷味共6個口味煙支，編號為K1～K6，采用周向加熱方式，市售；

F品牌加熱卷煙：薄荷味(含酸奶味爆珠)、煙草/漿果味(含檸檬味爆珠)、薄荷/桃子味(含哈密瓜味爆珠)、薄荷/橙味(含西柚味爆珠)、薄荷/熱帶水果味共5個口味煙支，編號為F1～F5，采用內心加熱方式，市售；

W品牌加熱卷煙：濃原味、淡薄荷味、濃薄荷味、堅果味、藍莓味、淡原味、青檸味共7個口味煙支，編號為W1～W7，采用內心加熱方式，市售；

H品牌加熱卷煙：原味、薄荷味、琥珀味、葡萄味、朗姆酒味、抹茶味共6個口味煙支，編號為H1～H6，采用內心加熱方式，市售；

M品牌加熱卷煙：原味、淡薄荷味、提拉米蘇味、葡萄甜橙味共4個口味煙支，編號為M1～M4，采用內心加熱方式，市售。

1.1.2 主要儀器

氣相色譜—三重四極桿質譜聯用儀：SCION 456 GC-TQ型，美國Bruker公司；

多功能進樣器：Combi-PAL型，瑞士CTC公司；

直線型吸煙機：SM450型，英國Cerulean公司；

電子天平：BT 125D型，感量0.000 1 g，德國Sartorius公司；

數控超聲波清洗器：KQ-700DB型，昆山市超聲儀器有限公司；

有機相濾膜：0.22 μm，上海訊同機械有限公司；

劍橋濾片：44 mm，英國Whatman 公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 萃取條件優化

(1)萃取溶劑：采用超聲萃取方式，萃取溶劑用量15 mL，萃取時間20 min，考察萃取溶劑(二氯甲烷、甲醇、乙醇、正己烷和異丙醇)對檢測目標物個數和峰面積響應值總和的影響。

(2)萃取方式：采用二氯甲烷萃取溶劑，萃取溶劑用量15 mL，萃取時間20 min，考察萃取方式(超聲萃取、渦旋萃取和振蕩萃取)對檢測目標物個數和峰面積響應值總和的影響。

(3)萃取溶劑用量：采用二氯甲烷萃取溶劑，超聲萃取方式，萃取時間20 min，考察萃取溶劑用量(10，20，25，30，35 mL)對檢測目標物個數和峰面積響應值總和的影響。

(4)萃取時間：采用二氯甲烷萃取溶劑，超聲萃取方式，萃取溶劑用量15 mL，考察萃取時間(10，20，30，40，50 min)對檢測目標物個數和峰面積響應值總和的影響。

1.2.2 方法評價 根據表1中各香氣成分測定的濃度范圍，采用二氯甲烷配制7級標準溶液，并加入質量濃度均為5 mg/L的喹啉、萘和正十七烷內標物。對系列標準工作溶液進行測定，以萘、喹啉和正十七烷分別作為5.5～20.4，20.4～27.8，27.8～52.0 min 3個時間段的內標物質，以標準工作溶液中各香氣物質的定量離子峰面積與內標物定量離子峰面積的比值為縱坐標，各香氣物質的質量濃度與內標物質量濃度的比值為橫坐標，繪制標準工作曲線；選取各目標物最低質量濃度的標準溶液平行測定10次，以測定結果的3，10倍標準偏差分別作為方法檢出限和定量限；選取空白劍橋濾片，按表1的質量濃度范圍進行低、中、高3個水平加標，待充分靜置吸收后，按1.2.3的方法處理后進行檢測，每個濃度平行測定6 次，計算方法的回收率和相對標準偏差(RSD)。

1.2.3 樣品檢測方法 采用直線型吸煙機按加拿大深度抽吸模式(HCI)抽吸加熱卷煙，抽吸容量55 mL，抽吸持續時間2 s，抽吸間隔30 s，抽吸口數均固定為8口，共抽吸3支煙，采用44 mm劍橋濾片捕集加熱卷煙氣溶膠。將捕集有氣溶膠的劍橋濾片置于50 mL離心管中，加入15 mL含內標的二氯甲烷萃取溶液，室溫下超聲萃取30 min，過0.22 μm的有機濾膜，進行GC-MS/MS分析。對于超過標線質量濃度范圍的樣品，用含內標的樣品萃取液稀釋后再進行檢測。

分析條件：色譜柱為DB-5MS彈性石英毛細管色譜柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)；進樣口溫度280 ℃；載氣為氦氣(≥99.999%)，恒流模式，流速1 mL/min；進樣量1 μL；多級分流模式：0～1 min分流比為10∶1，1～5 min分流比為100∶1，5 min后分流比為20∶1。升溫程序：初始溫度50 ℃，保持2 min，以5 ℃/min升溫至250 ℃，保持10 min。電子轟擊源(EI)；電離能70 eV；離子源溫度250 ℃；傳輸線溫度280 ℃；CID碰撞氣為氬氣(≥99.999%)；溶劑延遲5.5 min；MRM多監測掃描模式。

1.2.4 數據處理 樣品中各香氣成分的濃度根據標準曲線計算得出，每支加熱卷煙氣溶膠樣品中各香氣成分的含量按式(1)計算：

(1)

式中：

X——各香氣成分含量，μg/支；

C——由標準工作曲線得出的試樣中各香氣成分的濃度，μg/mL；

V——萃取液體積，mL；

n——抽吸加熱卷煙支數，支。

試驗中所有數據均采用平均值表示，所有指標均重復測定3次；采用Excel 2010軟件進行試驗數據處理和制表、采用Origin 2017軟件繪圖。

2 結果與討論

2.1 分析條件優化

由圖1可知，以二氯甲烷為萃取溶劑時，總出峰數最多、峰響應值最高；采用超聲萃取目標物的萃取量顯著優于渦旋萃取和振蕩萃取；當萃取溶劑用量為15 mL時，目標物出峰個數和峰響應值均達到最大值，萃取溶劑用量>15 mL時，目標物稀釋倍數增加，影響了低含量物質的檢測；萃取時間>20 min時目標物出峰個數和峰面積響應值已達到較大值，>30 min后超聲波水浴溫度上升明顯，可能影響揮發性較強物質的檢測。綜上，最終最佳萃取條件為：以二氯甲烷為萃取溶劑，采用超聲萃取方式，萃取溶劑用量為15 mL，萃取時間為30 min。

圖1 萃取條件對檢出目標物個數和峰響應值總和的影響

2.2 方法評價

由表1可知，112種香氣物質均具有良好的線性關系(R2>0.99)，回收率為75.2%～128.0%，RSD(n=5)<8.9%，方法的定量限為0.005～0.160 mg/L，表明試驗方法檢測結果穩定可靠，能滿足加熱卷煙氣溶膠中香氣物質的檢測需求。

表1 方法評價結果

2.3 加熱卷煙氣溶膠中香味成分檢出總量比較

由圖2可知，不同品牌間、同品牌不同口味間香味成分均有明顯差異。熱化學分析結果表明加熱卷煙氣溶膠中的化學成分主要來自芯材及添加劑中化學成分的熱解和揮發，煙堿和香味成分在揮發性成分析出階段大量形成[17]，因此芯材和添加劑類型、加熱溫度均是影響不同加熱卷煙氣溶膠中香味成分差異的因素。

醇類成分中未包含L-薄荷醇

2.4 加熱卷煙氣溶膠中香味成分分類比較

2.4.1 酯類成分 由表2可知，所有樣品氣溶膠中均有檢出的低級脂肪酸為乙酸己酯和乙酸異丁酯，高級脂肪酸為棕櫚酸甲酯和棕櫚酸乙酯，內酯為α-當歸內酯和γ-癸內酯等。由于大部分酯類成分具有芳香性氣味，不同品牌、口味樣品氣溶膠中具有顯著差異的酯類可能來源于添加的香精，以提供其果香、酒香和花香等。如F品牌主要為果味型，其氣溶膠中檢出了含量較高的酯類成分，F1～F3中檢出11.00～26.85 μg/支的乙酸己酯，F1、F2、F4和F5中檢出2.86～10.92 μg/支的正己酸乙酯，F2、F3和F5中檢出2.56～4.09 μg/支的癸酸乙酯，以及F1～F3中檢出1.35～2.50 μg/支的乙酸異戊酯，均可帶來水果香氣；F3中檢出8.23 μg/支的γ-癸內酯，是桃子香氣的來源；F1中檢出21.59 μg/支的L-乙酸薄荷酯，能提供柔和的薄荷和玫瑰香氣；F5中檢出4.26 的μg/支苯甲酸甲酯，具有冬青油和尤南迦油香氣；F5中檢出12.81 μg/支的乳酸乙酯，具有酒香氣味；F2中檢出6.22 μg/支的肉桂酸甲酯，具有可可香。其他品牌加熱卷煙氣溶膠中，M2中檢出3.56 μg/支的十二酸乙酯，H4、H6、W5和W7中檢出乙酸香茅基酯。

表2 加熱卷煙氣溶膠中酯類物質檢測結果?

2.4.2 酮類成分 羰基是致香基團，具有不飽和結構的羰基化合物都具有優美的香氣，是煙氣中的主要致香成分。由表3可知，所有樣品氣溶膠中檢出的酮類主要為茄尼酮、3-羥基-2-丁酮，以及呋喃酮和環戊烯酮。呋喃酮和環戊烯酮是半纖維素的熱裂解產物，其含量高低受原料類型和溫度等影響[12]，但F2、F3和F5中的4-羥基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮含量顯著高于其他樣品，F、K和M品牌中的甲基環戊烯醇酮含量高于其他品牌，可能是為增香而添加的。不同樣品中具有顯著差異的酮類成分還有F3、K3和K6中檢出14.93～22.78 μg/支的左旋香芹酮，是留蘭香味的來源；F中檢出2.14 μg/支的苯乙酮，具有愉快的芳香氣味；F2和H4中檢出的β-紫羅蘭酮含量高于其他樣品，為1.01～1.13 μg/支，可提供木香和紫羅蘭香氣；在F、H品牌和W4中檢出β-大馬酮，可提供強烈的玫瑰花香。

表3 加熱卷煙氣溶膠中酮類物質檢測結果?

2.4.3 醛類成分 糠醛類是糖類的低溫裂解產物[18]，苯甲醛和苯乙醛是苯丙氨酸的代謝產物[19]。由表4可知，所有樣品中均檢出高含量的5-羥甲基糠醛、糠醛、5-甲基糠醛和苯乙醛。不同品牌、口味樣品氣溶膠中具有顯著差異的醛類成分主要有：F2、F4、K4、M3中檢出1.06～13.02 μg/支 的香蘭素，F3、F4、K1、K3和K6檢出1.72～4.36 μg/支的乙基香蘭素，是增加香莢蘭豆和奶香香氣的主要成分；F3中檢出6.02 μg/支的苯甲醛；F品牌中檢出低含量的對茴香醛。

表4 加熱卷煙氣溶膠中醛類物質檢測結果?

2.4.4 酚、醇類和烯烴成分 由表5可知，所有樣品氣溶膠中均有檢出的酚類主要為2,4-二叔丁基苯酚、麥芽酚和愈創木酚，醇類為L-薄荷醇、糠醇、芳樟醇、苯甲醇，烯類為β-石竹烯和R-(+)-檸檬烯。不同品牌、口味樣品氣溶膠中具有差異性分類成分包括：M品牌中麥芽酚含量高于其他品牌，F3～F5中檢出8.86～28.58 μg/支的乙基麥芽酚，可提供焦糖香味；F3中檢出5.25 μg/支的4-乙基愈創木酚，具有木香。不同樣品中主要差異性醇類成分為F、K和M品牌中糠醇含量高于其他品牌；F2、F5和K5中檢出11.81～21.64 μg/支的芳樟醇，具有鈴蘭香氣；F4中檢出47.00 μg/支的苯甲醇，F3、F4中檢出1.74～1.96 μg/支的苯乙醇，具有花樣香氣；F3、K3和K7中檢出5.24～10.00 μg/支的香葉醇，是玫瑰香氣的來源；部分樣品中的α-松油醇含量也較高，可提供松針香氣；薄荷口味樣品中L-薄荷醇含量高于458.40 μg/支。此外F4和F5中檢出44.27～64.75 μg/支的R-(+)-檸檬烯，可提供愉快新鮮橙子香氣。

表5 加熱卷煙氣溶膠中酚類、醇類和烯類物質檢測結果?

2.4.5 含氮成分 煙堿是加熱卷煙氣溶膠中主要的揮發堿。由表6可知，所有樣品中均檢測到高含量煙堿，是抽吸滿足感的主要來源。吡啶、吡咯、吡嗪類衍生物來源于非酶棕化產物，所有樣品中均檢出2-甲基吡嗪、2-乙酰基吡咯和2,3,5-三甲基吡嗪，是烤香、甜香等的重要來源，其中M3中的2,3,5-三甲基吡嗪，以及F1、F3中的3-乙基吡啶含量明顯高于其他樣品。紫蘇葶是一種甜味劑，在部分樣品中有檢出；WS-23和WS-3為涼味劑，M2中檢出51.69 μg/支的WS-23，K1中檢出123.19 μg/支的WS-3。

表6 加熱卷煙氣溶膠中含氮物質檢測結果?

2.5 不同品牌同口味加熱卷煙氣溶膠中香味成分比較

選取不同品牌原味加熱卷煙產品(H1、K2、W1、W6和M1)，比較并識別了不同品牌同口味樣品氣溶膠中主要差異的香氣成分，其中均檢出但含量差異較大(5個樣品中含量的變異系數>50%)的香氣成分見表7，這些成分可能是提供不同類型煙草原味的關鍵成分；部分或個別樣品中檢出的香氣成分為乙基香蘭素、乙基麥芽酚、4-乙基愈創木酚、α-松油醇、香葉醇、β-大馬酮、左旋香芹酮、β-紫羅蘭酮、二氫香豆素、2,6-二甲基吡啶、WS-3及多種酯類成分，這些成分可能是用于豐富煙草原味的特異性香氣成分。

表7 原味加熱卷煙氣溶膠中主要差異的香氣成分?

3 結論

采用超聲萃取結合GC-MS/MS定量檢測，建立了同時準確測定加熱卷煙氣溶膠中112種香氣成分的方法，并成功用于28種加熱卷煙氣溶膠中香氣成分的檢測。同時識別了加熱卷煙氣溶膠中不同香氣風格的物質基礎，如高含量的關鍵香氣成分有5-羥甲基糠醛、茄尼酮、麥芽酚、糠醇、β-石竹烯、乙酸己酯、乙酸異丁酯、α-當歸內酯和2-甲基吡嗪等，差異性香味成分主要有L-薄荷醇、乙基麥芽酚、芳樟醇、香蘭素、甲基環戊烯醇酮、3-羥基-2-丁酮、乙酸己酯、紫蘇葶、WS-23等。后續可針對文中識別的加熱卷煙的關鍵香氣成分在加熱條件下的釋放遷移及利用效率進行研究。