三段式加熱傳統卷煙煙氣中主要成分的逐口釋放行為研究

于 淼，盧鳳菊，沈伯雄，陳潮先，黃富榮，劉 斌

（1.河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401；2.深圳市你我網絡科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

香煙釋放的化學物質成分復雜，對吸煙者和被動吸煙者都有嚴重的健康危害。隨著香煙管控條件愈來愈嚴格，新型煙草產品的研發和發展勢在必行，其中加熱不燃燒卷煙設備以較低溫的加熱方式（＜350 ℃）取代高溫燃燒（600～900 ℃），可以減少有害煙氣組分和致癌物的釋放，進而降低對環境和個人的不利影響。其中煙堿是煙草中的主要生物堿，在煙草中約占生物堿總量的95%以上[1]，卷煙產品中除煙堿外其他生物堿含量都很低[2-3]。1，2-丙二醇和甘油等醇類化合物可以保持煙草的含水率，可以促進加熱狀態下的煙氣釋放，有研究證實甘油可以促進煙堿的分解釋放[4]。加熱不燃燒常規卷煙煙氣中其他氣溶膠物質包括各種致香物質，需對其煙氣粒相物成分進行分析。

已有大量研究對常規卷煙、細支卷煙及電子煙煙液中的生物堿類和醇類化合物進行了檢測分析。肯生葉等[5]采用IQOS中心加熱方式，選取了6種不同口味的特制卷煙為實驗材料，GC-TCD法同時測定了煙氣中的水、煙堿、1，2-丙二醇和甘油。龔淑果等[6]以IQOS 中心加熱和GLO 包圍兩段式加熱的煙草器具為研究對象，對特制煙中逐口煙堿的釋放行為進行了考察分析。目前加熱不燃燒卷煙的相關研究文獻主要集中在中心加熱和兩段式加熱方面，且研究對象多數為特制煙。3種不同加熱方式具有不同的特點，中心加熱型同時加熱整個煙體，由于發熱體溫度分布不均易導致煙草外緣烘烤不充分；包圍兩段加熱型的加熱均勻性優于中心加熱；三段式加熱從煙絲底部開始分段加熱，使得各階段的煙絲加熱更加充分，有望成為加熱不燃燒卷煙的技術發展方向。已報道的煙草中煙氣粒相物的檢測方法有：溶劑萃取-氣相色譜法（GC）[7-10]、氣相色譜串聯質譜（GC-MS/MS）[11]、固相微萃取-氣相色譜質譜法（SPME-GC-MS）[12-13]、液相色譜法（LC）[14-15]、超高效合相色譜法（UPC2）[16]、裂解-氣相色譜法（PGC）[17-18]等，其中溶劑萃取-氣相色譜法因其高靈敏度和精準性被廣泛用于分析煙氣粒相物中的生物堿和醇類化合物；氣相色譜-質譜聯用可同時測定多種香味物質。

以常規卷煙為材料、采用三段式加熱方式分析逐口煙堿含量的研究鮮有報道，基于該現狀，選擇同一品牌、不同規格的3種常規卷煙，通過三段式的加熱方式進行抽吸實驗，分析煙氣粒相物中煙堿、1，2-丙二醇和主要香味物質的逐口遞送規律。實驗方案采用智能型吸阻測試儀進行抽吸，玻璃纖維濾片捕集煙氣粒相物，采用GC-FID對煙堿、1，2-丙二醇進行定性和定量分析，GC-MS對主要香味物質進行逐口檢測分析，為加熱不燃燒卷煙產品的進一步研發提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 儀器、材料和試劑

儀器：智能型吸阻測試儀（東莞弘為試驗設備有限公司）；GC-2010plus氣相色譜儀+FID檢測器（日本SHIMADZU 公司）；GCMS-QP2020 氣相色譜-質譜聯用儀（日本SHIMADZU 公司）；Practum 電子天平（感量：0.0001 mg，德國Sartorius 公司）；玻璃纖維濾片（GB/T 16450，直徑?47 mm）；玻璃纖維濾片夾持器（內徑?47 mm）。

材料：國產加熱不燃燒卷煙設備（購自深圳市你我網絡科技有限公司）；市售同一品牌的3種常規卷煙樣品，規格如表1所示。

試劑：煙堿（HPLC＞98%）；2-甲基喹啉（純度＞98%）；1，2-丙二醇（AR）；甘油（AR）；1，4-丁二醇（AR）；異丙醇（HPLC），甲醇（色譜級），以上試劑均購自成都麥卡希有限公司。

1.2 國產加熱不燃燒卷煙工作方式及抽吸方案

加熱不燃燒卷煙的加熱方式主要包括電加熱型、燃料加熱型和理化反應加熱型等，國產加熱不燃燒卷煙設備為電加熱型卷煙，以常規卷煙為核心材料，對卷煙采用非插入式包裹的形式，將常規卷煙放進卷煙設備的金屬筒內，以煙絲外緣到內部的方式電加熱煙絲，熱解卷煙，再經過特制的濾嘴過濾部分有害物質，達到剛好可以揮發煙堿和香味物質的目的。該加熱裝置的工作方式為外包圍三段式加熱，從煙絲底部開始分段加熱，加熱時間約為3.2 min，預熱時間為25 s左右，各加熱階段的卷煙如圖1所示。

圖1 各加熱階段的卷煙樣品Fig.1 Cigarette sample at each heating stage

參照ISO抽吸模式設置智能型吸阻測試儀參數：吸煙速率17.5 mL/s；每口容量35 mL；吸煙持續時間2 s；吸吐間隔3 s；為更直觀地考察逐口釋放量，將抽吸時間間隔60 s縮短至10 s。按照該吸煙機的條件進行抽吸，每支加熱不燃燒卷煙抽吸15口。

1.3 樣品前處理

準備15 個濾片夾持器、15 個錐形瓶（帶瓶塞）和充足的玻璃纖維濾片，從1～15 對濾膜夾和錐形瓶進行編號，對應每口進行抽次，每抽吸一口更換一次濾片夾持器。為保證結果的精確性，每個樣品抽吸50 支，即單口收集50 次，隨后將捕集濾片放進相應的萃取溶液中。水浴恒溫振蕩器以25 ℃的溫度振蕩30 min，對萃取溶液依次進行GC-FID和GCMS分析。

1.3.1 煙堿和1，2 丙二醇的逐口檢測

分別精確稱取一定濃度的煙堿、1，2-丙二醇和甘油，按下列濃度范圍建立待測物的標準工作曲線，煙堿的系列標準濃度范圍為5 μg/mL、25 μg/mL、50 μg/mL、100 μg/mL、250 μg/mL。

1，2-丙二醇和甘油的系列標準濃度范圍：2.5 μg/mL、12.5 μg/mL、25 μg/mL、50 μg/mL、125 μg/mL。GC-FID參數設置：升溫程序為初溫100 ℃，保持1 min，以15 ℃/min的速率升至220 ℃，保持6 min；進樣口溫度250 ℃；進樣量1 μL，分流比25∶1；檢測器溫度275 ℃；載氣為氦氣，流速1.5 mL/min；尾吹氣流量：氦氣30 mL/min；空氣450 mL/min；氫氣40 mL/min。

1.3.2 主要香味物質的逐口檢測

采用溶劑萃取結合氣相色譜-質譜聯用儀分析煙氣粒相物中的主要香味成分，標準譜庫檢索方法定性。將逐口抽吸得到的玻璃纖維濾片依次放入甲醇萃取溶液中，振蕩萃取30 min 后進行氣相色譜/質譜分析。GC參數設置：升溫程序為初溫40 ℃，保持6 min，以20 ℃/min的速率升至230 ℃，保持4 min；進樣口溫度為250 ℃；進樣量為1 μL，分流比為15∶1；載氣為氦氣，流量為1.5 mL/min。MS參數設置：離子源溫度為230 ℃；接口溫度為230 ℃；溶劑延遲時間1 min。

2 結果與討論

2.1 煙堿和1，2-丙二醇的逐口測定分析

2.1.1 方法學評價

按照GC-FID 的條件，將五級標準工作溶液按濃度從小到大的順序依次進行色譜分析，采用內標法進行線性回歸分析，通過擬合得出煙堿、1，2-丙二醇和甘油的標準工作曲線（表2）。由表2可知在確定的線性濃度范圍內，3種標準物的相關系數均大于0.999，滿足檢測需求。將最低濃度的混合標準溶液重復進樣10次，煙堿、1，2-丙二醇和甘油的最低濃度分別為5 μg/mL、2.5 μg/mL和2.5 μg/mL，計算檢測結果的標準偏差，將檢測限和定量限分別定義為3倍和10倍的標準偏差。

采用標準加入法計算回收率，以標樣中的煙堿、1，2-丙二醇和甘油濃度為基準，分別加入低、中、高3個濃度水平的標準品，每個水平進行5次平行測定，根據原含量、添加量和檢測量計算加標回收率和相對標準偏差（RSD），見表2。

表2 3 種化合物的標準工作曲線、檢測限、定量限及重復性Tab.2 Linear equation、LODs、LOQs and precision of three compounds

2.1.2 煙堿、1，2-丙二醇色譜峰定性

根據煙堿、1，2-丙二醇和甘油的標準物在色譜圖上的停留時間確定3種待測物的位置。本方法采用彈性石英毛細管柱作為分離柱，由色譜圖2a）～c）可以看出：該色譜柱可以很好的分離煙堿、2-甲基喹啉、1，4-丁二醇和1，2-丙二醇，峰位置無重合，峰形良好，分析時間較短，在15 min內可以檢測完全。由標準物的色譜圖可知，甘油的停留時間為（14.043±0.021）min，在3種加熱不燃燒卷煙樣品的色譜圖中均未檢測到甘油峰。為確定原因，采用同一卷煙樣品，對燃燒卷煙得到的釋放物進行檢測，由圖2d）可知，出現了甘油峰，說明卷煙產品本身含有甘油物質。因此經加熱和燃燒2種方式對比分析可得到結論：該加熱不燃燒卷煙裝置的加熱溫度低于300 ℃，而常規燃燒卷煙的中心部位燃燒溫度在700 ℃以上，可推測出該加熱不燃燒卷煙裝置的溫度未達到甘油的沸點290.9 ℃，導致甘油在加熱過程中的釋放受阻。

圖2 加熱不燃燒卷煙樣品及燃燒卷煙的色譜圖Fig.2 Chromatograms of heat-not-burn cigarettes samples and burning cigarette

2.1.3 樣品GC-FID 檢測分析

應用方法對加熱不燃燒卷煙主流煙氣中的煙堿、1，2-丙二醇進行逐口含量檢測，為保證結果的精確性，每組抽吸實驗分別平行進行3次。檢測結果表明：1）每次實驗中均檢測出了煙堿和1，2-丙二醇，均未檢測出甘油，其中煙堿、1，2-丙二醇的單支含量經合計分別為0.4318～0.521 6 mg/支、0.236 8～0.322 2 mg/支，與煙堿的盒標值相比，三段式加熱方式起到了降低煙堿含量的作用；2）由圖3a）可以得出：煙堿的逐口釋放規律一致，3種樣品均在第7口出現峰值，分別為0.0606 mg/口、0.0569 mg/口、0.0556 mg/口；3）由圖3b）可以得出：3種樣品釋放的1，2-丙二醇逐口傳遞規律相同，在第1加熱階段（第1至第5口）和第2加熱階段（第6 口至第10 口）分別出現了1 個峰值，單口抽吸最大峰值出現在第8 口，分別為0.0313 mg/口、0.0258 mg/口、0.0238 mg/口；在第4 口均出現1 個較小的峰值，分別為0.0268 mg/口、0.0245 mg/口、0.0233 mg/口。

圖3 煙堿、1，2-丙二醇逐口釋放含量遞送規律Fig.3 Variation of nicotine and 1，2-propanediol per puff release content

龔淑果等[6]以中心加熱和包圍兩段式加熱的特制煙草為實驗對象，本研究以三段式加熱的常規卷煙為研究目標，兩者進行對比分析。從總體傳遞規律的角度進行對比分析得到：三段式加熱方式與中心加熱方式的逐口煙堿遞送規律基本一致，均呈現出先上升至峰值再下降的趨勢，峰值均在第7口出現；與包圍兩段式加熱的逐口煙堿釋放規律有明顯差異。中心加熱型的單口峰值濃度高于0.08 mg；包圍兩段式加熱的單口峰值濃度在0.05～0.06 mg之間；本實驗中三段式加熱型的單口峰值濃度在0.0483～0.0569 mg之間，通過煙堿釋放量比較得出：以常規卷煙為對象，采用三段式加熱的方式可以切實降低煙堿含量。

2.2 其他主要煙氣粒相物的逐口測定分析

2.2.1 主要香味物質

將濾片上的粒相物萃取到捕集溶液中，對煙氣粒相物中主要的香味物質進行氣相色譜-質譜分析。如圖4所示，主要的香味物質分離良好，通過標準譜圖檢索對幾種代表性香味物質進行逐口釋放行為分析，如5-羥甲基糠醛、3-哌啶醇、蜜二糖、甘油醋酸酯、戊酸、葉綠醇以及酞酸等。

圖4 主要香味物質的色譜圖Fig.4 Chromatogram of the main particles

2.2.2 主要香味物質的逐口釋放遞送規律

對香味物質的逐口變化規律進行綜合分析，3種樣品測得的的香味物質峰面積具有顯著差異，香味物質綜合峰面積從大到小依次為：樣品1＞樣品2＞樣品3，如圖5所示。由煙氣粒相物中各香味物質的峰面積可以得出規律：同一品牌的3種不同規格卷煙各香味物質逐口遞送規律基本一致，其中5-羥甲基糠醛的峰面積最大，呈現出先升高后降低的趨勢；葉綠醇和甘油醋酸酯峰面積居中，呈現出兩段先上升后下降的趨勢；其余香味物質峰面積均較小，酞酸呈現出上升的趨勢，3-哌啶醇、戊酸和蜜二糖的逐口遞送規律比較持平，有細微的上升趨勢。

圖5 主要香味物質逐口變化規律Fig.5 Variation of the main aroma particles per puff release

3 結論

以同一品牌、不同規格的常規卷煙為實驗材料，通過三段式加熱的方式考察煙氣粒相物中的主要成分。采用GC-FID結合雙內標法的檢測方法，檢測出各物質的色譜峰分離良好，研究表明：所有樣品中均檢測出了煙堿和1，2-丙二醇，均未檢測出甘油。3種樣品中的煙堿逐口釋放規律呈現先上升至峰值再下降的趨勢；1，2-丙二醇呈現出兩階段先上升再降低的趨勢，其中煙堿檢測量顯著低于煙堿盒標量。采用GCMS測定主要香味物質，隨著抽吸口數的遞進，主要香味物質的大致趨勢均為先上升后下降，其中5-羥甲基糠醛占比最大，3-哌啶醇、戊酸、蜜二糖和占比較小，這5種香味物質大致趨勢均為先上升后下降；葉綠醇和甘油醋酸酯占比居中，且表現為兩段先升高再降低的趨勢。甘油在卷煙樣品中可以降低刺激性并改善口感，本加熱不燃燒卷煙未檢測出甘油，可以從此處展開思考，進而對加熱不燃燒卷煙產品的加熱設備作進一步的優化。該三段式加熱不燃燒卷煙的測定結果可作為加熱不燃燒卷煙設備研發的參考數據。