加熱不燃燒卷煙與傳統卷煙熱裂解指紋圖譜分析評價

楊雪燕，段 勤，田飛宇，楊 屹，肯生葉

（云南養瑞科技集團有限公司，昆明 650217）

加熱不燃燒卷煙（HNB）是利用特殊熱源對煙草材料進行加熱后釋放煙氣，煙草材料只受熱并不燃燒的一種新型煙草制品［1，2］，相對于傳統卷煙（TC）很大程度上降低了煙草制品對人體的危害［3］。由于HNB和TC的主體原料、生產工藝及煙用香精香料存在差異，從而導致不同煙草制品的化學組成存在一定差異［4］。化學成分分析已成為評價煙草材料的一種輔助手段，但煙草材料的成分復雜，單靠化學成分分析難以對其進行有效評價［5］。

指紋圖譜是一種綜合的、可量化的色譜鑒定手段，具有整體性和模糊性兩大重要特征，能從宏觀上整體反映表征樣品所含化學成分的種類及數量［6］，并可通過主成分分析（PCA）、聚類分析（HCA）等統計學方法對數據進行挖掘，對其含有的大量復雜信息進行分析，得到一個客觀、可定量的結果［7］。近年來指紋圖譜技術在煙草行業及煙草制品品質分析領域得到了較廣泛的應用，李軍等［8］采用固相微萃取-氣相色譜/質譜聯用法建立了卷煙揮發性成分和半揮發性成分的特征指紋圖譜，用于真假卷煙的鑒別；余苓等［9］采用煙絲硅烷化氣相色譜指紋圖譜對不同工藝制備的卷煙產品進行區分；曹建敏等［10］利用同時蒸餾萃取-GC/MS指紋圖譜結合系統聚類法能準確識別出卷煙樣品所屬產區，并將不同產區的烤煙樣品區分開來。前期報道主要以傳統卷煙作為研究對象，采用常規提取技術對特征成分進行提取，很少借助熱分析技術對卷煙樣品進行研究。熱裂解作為一種燃燒熱解產物分析技術，具有操作簡單、無需溶劑、樣品用量少、分析速度快、重復性好等優點。由于加熱時間短、二次反應少，裂解產物能夠反映樣品的初始組成及特征［11，12］。用熱裂解技術對煙草材料進行分析，可以全面反映煙草材料的特征，并簡化操作流程。

目前，鮮見將指紋圖譜技術與裂解-氣相/質譜法相結合用于HNB及TC煙草制品對比分析研究的報道。因此，建立了國內外HNB和TC煙草材料熱裂解-氣相色譜/質譜（Py-GC/MS）指紋圖譜模型，并運用相似度計算、聚類分析法對HNB和TC煙草材料的組成差異進行評價，以期為不同煙草材料的區分提供判別依據。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

主要材料：9個國內外電加熱型卷煙和國內傳統卷煙產品。其中，HNB-A、HNB-B、HNB-C為國外稠漿法制備的不同品牌加熱不燃燒卷煙制品，HNB-D為國外造紙法制備的加熱不燃燒卷煙制品，HNB-E、HNB-F分別為國內干法和輥壓法制備的加熱不燃燒卷煙制品，TC-A、TC-B、TC-C為國內3家煙草公司生產的傳統卷煙產品。

主要儀器：MS204S型電子天平，瑞士Mettler To?ledo公司；7890B-5977A型GC/MSD氣相色譜-質譜聯用儀，美國Agilent公司；Pyroprobe 5200型熱裂解儀，美國CDS公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品Py-GC/MS分析 將卷煙樣品中的煙草材料取出，剪碎為小于1 mm2的小碎片，稱取（1.0±0.1）mg樣品，置于熱裂解儀專用石英管中，用石英棉塞住裂解管兩端，然后將石英管轉入熱裂解儀中，按熱裂解條件進行熱裂解。裂解條件和GC/MS分析條件如下。

裂解溫度：50℃，保持5 s，以20℃/s的升溫速率升至350℃，保持5 s。裂解氛圍：He氣。色譜柱：VF-WAXms（30 m×0.25 mm×0.25μm）；載氣為高純氦氣；進樣口溫度250℃；分流比為50∶1；色譜柱流量1.0 mL/min；升溫程序：50℃，以4℃/min升至240℃，保持10 min；傳輸線溫度250℃；電離方式：EI；電子能量70 eV；離子源溫度230℃；四級桿溫度：150℃；質量掃描范圍35～550 amu。在裂解試驗之間均穿插進行空白試驗，以觀察樣品是否脫附完全。

1.2.2 數據處理 Py-GC/MS數據由NIST11數據庫對照標準譜圖檢索定性，并采用色譜峰面積歸一化法得到化合物的相對含量。將化合物的相對含量方差均一化處理，使所有化合物具有相同權重。采用“中藥指紋圖譜相似度評價系統”建立GC-MS指紋圖譜進行相似度分析，并采用IBM SPSSStatistics軟件進行系統聚類分析。

2 結果與分析

2.1 裂解條件的確定

傳統卷煙的使用溫度為600～950℃，煙支燃吸時會發生高溫有氧裂解和燃燒反應，而HNB煙草制品的使用溫度一般控制在250～350℃，主要發生揮發性物質的蒸餾和較低程度的裂解反應［13，14］。在無氧氛圍中，較低溫度條件下煙草材料成分主要通過蒸餾和弱的裂解反應釋放出來［15，16］。由圖1可知，HNB煙草材料在He氛圍中4個溫度段（250、280、310、350℃）的蒸餾裂解產物變化不大（各共有峰的相對保留時間和相對峰面積的RSD均小于3%，色譜圖間的相似度大于0.95），證明在此溫度梯度范圍內煙草材料的蒸餾裂解基本達到平衡。為了綜合考察HNB和TC煙草材料的初始組成成分特征，選擇在350℃條件下進行無氧裂解。

圖1 HNB煙草材料在不同溫度下的裂解情況

2.2 色譜條件優化

現有文獻對煙草材料的熱裂解成分多采用弱極性的色譜柱（DB-5MS、Ultra 2）進行檢測［17，18］，對于煙草材料體系中含量較大的多羥基醇溶劑（丙二醇、甘油）而言，弱極性的色譜柱易造成拖尾現象，且色譜峰重疊嚴重（圖2a），不利于有效成分的分析及定量。本研究選用極性較強的VF-WAXms色譜柱進行分離，經優化升溫條件和分流比后，待測成分能夠得到較好分離（圖2b）。

圖2 HP-5MS和VF-WAXms色譜柱分離HNB裂解產物的色譜圖

2.3 煙草材料的Py-GC/MS成分分析

經譜圖解析發現，煙草材料的裂解產物主要有煙堿、醇類、醛類、酮類、酯類、酸類、苯系物和雜環化合物。篩選確定出分離度較好、質譜定性準確且樣品中均可檢出的共有峰32個，計算各峰的相對百分含量。對Py-GC/MS譜圖的重復性進行了考察，32個共有峰相對峰面積的RSD（n=6）均小于3%，表明該方法重復性良好。

由表1可知，HNB卷煙中的乙酸甘油酯和甘油的相對含量明顯高于TC卷煙；而TC卷煙中的乙酸、糠醛、過氧化乙酰丙酮、5-甲基呋喃醛、4-環戊烯-1，3-二酮、糠醇、呋喃酮、吡喃酮、5-羥甲基糠醛的相對含量較高，與其中含有豐富的糖類物質的裂解有關。

表1 HNB和TC煙草材料的熱裂解成分

2.4 煙草材料裂解產物指紋圖譜的建立及相似度計算

將9批煙草材料裂解產物的GC/MS色譜圖及百分比數據導入“中藥色譜指紋圖譜相似度評價系統”，選擇2～56 min內的色譜圖進行分析，得到煙草材料裂解產物的指紋圖譜（圖3）。以HNB-A樣品作為對照，經多點校正和色譜峰自動匹配后生成共有模式指紋圖譜，并計算得出煙草材料裂解產物的相似度。由表2可知，HNB之間、TC之間的相似度較高，分別在0.878～0.999和0.986～0.998范圍；且同由稠漿法制備的煙草材料HNB-A、HNB-B、HNB-C的相似度很高，均大于0.996；輥壓法制備的煙草材料HNB-F與其余HNB煙草材料的相似度也較高，在0.962～0.990；而造紙法制備的煙草材料HNB-D與其余HNB煙草材料的相似度相對較低，在0.878～0.964。此外，HNB與TC之間的相似度低，在0.304～0.703。可見，同種工藝制備的煙草材料相似度偏高，不同工藝制備的煙草材料相似度偏低；且HNB與TC之間的相似度差異大，這種差異可能是造成產品風味特征（HNB產品煙熏香較弱）及有害成分差異（TC產品中苯系物含量更高）的重要原因。

表2 HNB和TC煙草材料的相似度

圖3 9種煙草材料的裂解-氣相色譜/質譜指紋圖譜

2.5 煙草材料聚類分析（HCA）

采用IBM SPSSStatistics19.0軟件，將9種煙草材料的量化指紋特征（色譜峰峰面積數據）作為變量進行“組間聯接”系統聚類分析，以歐式距離平方為度量標準，獲得煙草材料樣品的聚類分析結果（圖4），它直觀地顯示了樣品逐步合并的過程，橫坐標為臨界值即為類間的距離，縱坐標為樣品編號。臨界值越小，表示譜圖越相似。分析結果顯示，當臨界值為10時，樣品分為兩大類，HNB煙草材料聚為一類，TC煙草材料聚為一類；當臨界值為5時，樣品分為三類，HNB-A、HNB-B、HNB-C、HNB-F聚為一類，HNB-D、HNB-E聚為一類，TC單獨聚為一類。

圖4 9種煙草材料的系統聚類分析結果

進一步分析發現，輥壓法制備的煙草材料HNB-F與稠漿法制備的煙草材料HNB-A、HNB-B、HNB-C聚為一類，這與指紋圖譜相似度評價結果中HNB-F在與其他煙草材料的對比中，和HNB-A的相似度最高相互印證。造紙法制備的煙草材料HNB-D與干法制備的煙草材料HNB-E聚為一類，與指紋圖譜相似度評價結果中，HNB-D和HNB-E間的相似度在與其他煙草材料對比中相似度最高結果相互印證。

2.6 HNB和TC煙草材料化學成分差異的原因分析

對煙草材料熱裂解產物的指紋圖譜分析及聚類分析評價表明，HNB與TC卷煙煙草材料區別明顯，HNB之間不同制備工藝的煙草材料有一定區別。分析其主要原因為：①加熱對象不同，TC卷煙的加熱對象主要為切絲煙葉；而HNB卷煙的加熱對象為煙草薄片，煙草薄片是利用煙梗、煙末等物料通過重組加工形成的產品［19］，其主要成分為煙粉、膠黏劑、保潤劑（丙二醇和甘油）、增強劑、水、纖維和調配香精，本質上二者的化學成分差異明顯。②制備工藝不同，TC卷煙材料是基于整個煙葉組織進行晾曬、烘烤、加料、加香等工藝環節制成；而HNB卷煙使用的煙草薄片，可以由輥壓法、稠漿法、造紙法和干法等制作工藝制成，煙草原料的化學成分脫離了煙葉組織細胞的束縛。輥壓法與稠漿法都是先將煙草原料預混后抄片，而造紙法與干法是先將煙草物質浸提后涂布、分散于纖維基片上，這也可能是造成輥壓法與稠漿法裂解產物相似度高，造紙法與干法裂解產物相似度高的重要原因。③致香機理不同，TC卷煙燃吸可通過低溫蒸餾、高溫有氧裂解和燃燒等復雜反應使前體物質裂解產生上千種小分子物質，達到致香效果［20］；而HNB煙草材料需要在較低的加熱溫度下使有效成分迅速從基體中釋放出來，以滿足其特有的抽吸特征，其感官質量的提升主要是由保潤劑攜帶出的添加劑賦予抽吸滿足感［21］。以上這些因素造成了煙草材料在加熱狀態下的煙氣組成、煙氣狀態、煙香特征不同，并對煙草材料的熱裂解成分特征造成影響。

3 小結

由于HNB和TC卷煙煙草材料的加熱對象、制備工藝及致香機理不同，導致其熱裂解產物有較大差異。通過熱裂解-氣相色譜/質譜聯用結合指紋圖譜技術得到裂解指紋圖譜，并篩選出32個共有峰。基于模式識別對樣品進行判別分析，可以較好地區分HNB和TC卷煙及不同制備工藝的HNB卷煙。該方法能夠簡化大量復雜的成分信息，并為HNB及TC卷煙煙草材料區分及不同制備工藝的HNB卷煙材料的區分提供判別依據。本研究樣本量相對較小，后期需要通過增加樣本量，不斷優化模型，以提高樣本分析預判的準確性。