多步逐級裂解技術研究卷煙燃時香味成分形成與溫度之間的關系

羅昌榮，張 乾，印黔黔，曾令杰，王 兵，顧文博，謝雯燕

（1.上海煙草集團有限責任公司，上海 201315；2.上海牡丹香精香料有限公司，上海 201200）

卷煙燃吸過程主要存在3 個區域，分別為高溫燃燒區、裂解蒸餾區和低溫冷凝區。燃燒區位于煙支的前部，主要由炭化體組成，抽吸時，其溫度變化范圍為600～900 ℃。后面是裂解蒸餾區，溫度變化范圍為300～600 ℃。從裂解蒸餾區到煙支的末端稱為低溫冷凝區，煙氣的溫度由300 ℃降至室溫[1-3]。在卷煙燃吸時，煙葉中的成分會發生干餾轉移、裂解、裂解合成、聚合等復雜的物理和化學反應，最后形成煙氣。因此，卷煙燃燒的溫度、煙葉化學組成對卷煙香氣和卷煙風格具有非常重要的影響。但是，卷煙燃燒溫度對煙氣化學成分的影響、煙葉化學成分和煙氣化學成分之間的關系非常復雜，難以揭示清楚。

目前已有大量學者對卷煙燃吸機理、燃燒溫度對煙氣化學成分的影響以及卷煙化學成分和煙氣化學成分之間的關系進行了研究[4-9]，其中裂解是最常用的技術手段，但是目前裂解技術大都采用恒溫裂解、程序升溫裂解[7，10]，不能很好地揭示裂解溫度、化學成分和裂解產物之間的關系，其中的反應機理和變化規律難以得到真正的發現。基于此，采用多步裂解技術對煙葉進行逐級升溫裂解，每一次裂解都是在前次裂解后殘留的樣品上進行，把每一步裂解的產物轉移到氣相色譜進行分離和質譜鑒定，因此可以更加真實和準確地推算煙葉裂解時形成的組分和溫度之間的關系，對揭示卷煙燃吸時香味物質的形成規律具有良好的借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

煙葉粉末：來自云南紅河煙葉產區；裂解石英管及石英桿、石英棉（農殘級）：美國CDS Analytical公司產品。

1.2 儀器與設備

CDS5250T 熱裂解儀：美國CDS Analytical 公司產品；Agilent 7890-5975C 氣相色譜-質譜聯用儀：美國Agilent 公司產品；XP603S 分析天平：瑞士Mettler Toledo 公司產品。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品準備取裂解樣品管一根，放入一根裂解石英桿于裂解管中，在中央位置裝填適量石英棉（用量約1 mg，纏繞成團），稱取2 mg 左右的煙草粉末樣品置于石英棉上，再在樣品上端裝填1～2 mg石英棉并壓實，防止樣品被裂解時所使用的氣流吹入裂解腔，然后將裂解管放入裂解儀中待裂解[11]。

1.3.2 煙葉的多步逐級裂解升溫程序在樣品不出裂解腔的情況下，對同一煙草粉末樣品采取10步逐級裂解方式進行裂解，具體方法如下：

1）100 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至150 ℃并保持60 s；

2）150 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至200 ℃并保持60 s；

3）200 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至250 ℃并保持60 s；

4）250 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至300 ℃并保持60 s；

5）300 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至400 ℃并保持60 s；

6）400 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至500 ℃并保持60 s；

7）500 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至600 ℃并保持60 s；

8）600 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至700 ℃并保持60 s；

9）700 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至800 ℃并保持60 s；

10）800 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升溫至900 ℃并保持60 s。

1.3.3 煙葉的多步逐級裂解和GC-MS 條件裂解氛圍：氧氣和氮氣體積比9 ∶91；裂解氣流量：70 mL/min；閥箱溫度：280 ℃；傳輸線溫度：280 ℃；裂解產物捕集條件：采用冷阱捕集，冷阱溫度-60 ℃；熱脫附進樣條件：將捕集阱溫度由-60 ℃升至280 ℃，5 min 內完成脫附。色譜柱：DB-5MS 彈性毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣流量：1.0 mL/min；分流體積比：30∶1；升溫程序：40 ℃（保持3 min），以5 ℃/min 升溫至240 ℃，再以10 ℃/min 升溫至280 ℃（保持10 min）；進樣口溫度：250 ℃；質譜傳輸線溫度：280 ℃；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；電離方式：電子轟擊電離（EI）；電子能量：70 eV；掃描范圍：m/z29～450；溶劑延遲時間：1.5 min。

1.3.4 裂解氣相成分分析熱裂解產物采用RTE積分方式，峰面積大于最大峰峰面積0.1%的予以積分，并應用質譜庫進行檢索定性。產物含量采用峰面積歸一化進行計算，以兩次平行測定的平均值為測定結果。

2 結果與討論

2.1 煙草多步逐級裂解溫度對揮發性和半揮發性組分形成的影響

2.1.1 150～200 ℃裂解從表1可知，煙葉在150 ℃時，只檢測到尼古丁、煙堿烯、麥斯明和新植二烯，這時煙草中的化合物主要以蒸餾的方式揮發出來。尼古丁是煙草中一種主要的生物堿，主要以3 種形式存在，分別為游離態、單質子化和二質子化的尼古丁。絕大部分尼古丁是與有機酸以單質子化形式結合成鹽而存在，比如單質子化的檸檬酸尼古丁和蘋果酸尼古丁，而游離的尼古丁占總煙堿質量不到5%。在150 ℃裂解時，游離煙堿以蒸餾的方式轉移到裂解產物中。這與前人的研究結論[12]非常一致，純的尼古丁轉移到氣相的溫度是135～150 ℃；并且利用熱重測定尼古丁和乙酸尼古丁轉移到氣相的溫度大約是110～125 ℃，當尼古丁和蘋果酸的質量比為1.00∶0.56～1.00∶1.00 時，尼古丁轉移到氣相的溫度為110～210 ℃，而尼古丁和蘋果酸的質量比為1∶2時，轉移到氣相的溫度大約是160～210 ℃。酒石酸尼古丁的降解溫度為195～230 ℃。煙草樣品中的尼古丁轉移到氣相中的溫度大約是160～220 ℃。新植二烯是煙草中一種重要的烴類化合物，沸點是124～126 ℃，在該溫度范圍釋放的是游離態的新植二烯。但在400～500 ℃裂解時也檢測到新植二烯的存在，推斷是煙葉中前體物植醇（phytol）的裂解所致，植醇脫水就可以形成新植二烯。實驗中沒有檢測到煙草中其他香味化合物的存在，可能是因為樣品量比較小（2 mg），分流比較高，導致游離的香味化合物相對較少。

表1 煙葉150 ℃主要裂解產物Table 1 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 150 ℃

從表2可知，在200 ℃以前，除了尼古丁、煙堿烯、麥斯明和新植二烯以外，未能檢測到其他揮發性、半揮發性風味化合物，可能是煙葉通過蒸餾揮發出來的風味化合物的濃度比較低，或者是在150℃和200 ℃作用的時間不夠長的緣故。

表2 煙葉200 ℃主要裂解產物Table 2 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 200 ℃

2.1.2 200～250 ℃裂解200～250 ℃裂解是質子化尼古丁裂解和碳水化合物初步降解階段。由表3可知，當裂解溫度達到250 ℃時，尼古丁的釋放有非常明顯地增長，可能因為煙草中結合態的尼古丁鹽開始發生裂解，這從檸檬酸尼古丁鹽和蘋果酸尼古丁鹽的裂解可以得到佐證。另外，其他生物堿，比如麥斯明、煙堿烯和2，3’-聯吡啶又重新釋放出來。但在250 ℃時進行裂解，沒有檢測到新植二烯，說明游離的新植二烯已經完全得到揮發[11]。

表3 煙葉250 ℃主要裂解產物Table 3 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 250 ℃

糖類降解形成的某些產物開始出現，如：2，3-二氫-3，5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、羥基麥芽酚、麥芽酚、糠醛、糠醇、2，5-二糠醛等。但5-甲基糠醛、5-羥甲基糠醛以及葡萄糖、果糖和蔗糖脫水形成的左旋葡萄糖酮、左旋葡聚糖、1，6-脫水-α-D-呋喃半乳糖、1，4：3，6-二脫水-α-D-吡喃葡萄糖等產物還沒有形成，說明在200～250 ℃條件下，提供的熱量只能供碳水化合物進行初步降解。煙草中碳水化合物降解的行為與葡萄糖和蔗糖單獨降解行為有些不同[13]，葡萄糖和蔗糖單獨降解時，在250 ℃尚未檢測到降解產物，直至300 ℃時才檢測到它們的降解產物。

煙草在250 ℃裂解時，檢測到茄酮的存在，茄酮是煙草中一種非常重要的致香成分，是煙草中西柏烷類物質的降解產物，同時，西柏烷類物質在降解時還會形成茄醇、降茄二酮、螺巖蘭草酮（solavetivone）和6-甲基-2，5-庚二酮等物質。

2.1.3 300～600 ℃裂解眾所周知，香料物質的沸點基本在300 ℃以下。在250 ℃以前，采用多步逐級裂解技術主要是模擬煙草中自身香味物質的蒸餾和蒸發。在300～600 ℃，主要是模擬煙草中香味前體物質的裂解和裂解合成。從表1至表6可知，煙葉裂解形成的香味化合物主要發生在300～500 ℃，該溫度區形成的香味化合物遠遠高于300 ℃以前產生的香味物質。150～250 ℃裂解所形成的總揮發性化合物的峰面積為150～600 ℃裂解所形成的總揮發性化合物峰面積的5.74%，150～300 ℃裂解所形成的總揮發性化合物的峰面積為150～600 ℃裂解所形成的總揮發性化合物峰面積的28.73%。這與Baker 的研究結果一致，其研究發現，在煙支點燃的過程中，當溫度上升到300 ℃時，煙絲中的揮發性成分開始揮發而形成煙氣；上升到450 ℃時，煙絲開始焦化；上升到600 ℃時，煙支被點燃并開始燃燒[2]。在300 ℃之前，只有尼古丁和其他生物堿等少數物質直接從煙絲轉移到煙氣中；在300～500 ℃時，煙絲中的許多物質，比如萜烯類、植物甾醇類（如豆甾醇）、石蠟類、糖類、氨基酸類、纖維素類等，在該溫度區進行劇烈、復雜的化學反應（主要包括熱分解、裂解合成、干餾、聚合、縮合等反應），形成了大量的揮發性、半揮發性物質，煙氣中大約5 000個香味物質都是在燃燒區后端的裂解蒸餾區形成的，這是煙草香味物質形成的主要階段。而燃燒區（600～900 ℃）是形成二氧化碳、一氧化碳、氫氣、甲烷等簡單氣體的區域[11]。也就是說卷煙燃燒時，煙氣中的香味物質只有5.74%來自煙葉中蒸餾的游離香味物質，絕大多數來自煙葉中前體物質的裂解。因此，決定煙葉抽吸風格的可能是煙葉裂解所產生的風味物質，而不是煙葉自身所含有的揮發性、半揮發性物質。

在300 ℃時，煙葉中碳水化合物裂解形成的糠醛、糠醇、5-甲基糠醛、2，3-二氫-3，5-二羥基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、5-羥基麥芽酚、5-羥甲基糠醛等產物開始增加。同時，巨豆三烯酮、3-羥基-β-二氫大馬酮、3-氧代-α-紫羅蘭醇開始產生，這些物質可能是煙草中的β-胡蘿卜素、葉黃素以及類胡蘿卜素類物質的脂肪酸酯在有氧條件下裂解所形成的。另外煙草中還存在月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸、油酸、亞油酸和亞麻酸等長鏈脂肪酸，以及β-隱黃素、花藥黃質、辣椒黃素、玉米黃質、紫黃素、辣椒紅素等類胡蘿卜素類物質的單酯或二酯。

400～500 ℃是煙葉裂解的主要階段，也是碳水化合物裂解、氨基酸和香料前體物降解、美拉德反應最劇烈的階段。該階段形成了大量的金合歡基丙酮、香葉基丙酮、香葉醛、金合歡醛、金合歡醇等香味化合物，這些化合物是煙草中的無環異戊二烯類化合物（acyclic isoprenoids）在有氧條件下熱降解所形成的，煙草中的無環異戊二烯類物質主要包括茄尼醇、植烯（phytene）和新植二烯等，這些物質在降解的過程中形成大量的中鏈酮類和醇類物質，比如6-甲基-5-庚烯-2-酮、香葉基丙酮、香葉醇、6-甲基-3，5-庚二烯-2-酮、法尼基丙酮、法尼醇等重要致香成分，這些物質可以賦予卷煙良好的清甜香韻[11]。另外，400～500 ℃有氧裂解形成了吡啶、吡咯、甲基吡啶、甲基吡咯等物質。這些物質可能是煙草中氨基酸和生物堿熱裂解的產物[11]。

煙葉在600 ℃裂解時，則形成了大量的苯、甲苯、乙苯、二甲苯、萘以及其他稠環芳香類化合物，同時也形成了腈類物質。同時，煙草物質在600 ℃裂解，形成了大量的含氮雜環化合物，比如甲基吡啶、甲基吡咯、二甲基吡啶和二甲基吡咯類化合物等[11]。由于煙草中的尼古丁在400 ℃以前就已經完全裂解，脯氨酸在600 ℃以前也已經基本裂解完成，因此，煙葉在600 ℃裂解所形成的甲基吡啶、甲基吡咯、二甲基吡啶等含氮雜環化合物以及腈類化合物都可能來自煙草中蛋白質的降解。這與前人的研究相符合，研究者認為蛋白質存在3 個失重區，200～480 ℃、480～680 ℃和680～820 ℃[14]。而丙氨酸、亮氨酸和異亮氨酸等氨基酸在260～290 ℃左右就已經完成了絕大部分的裂解，但是脯氨酸在200～380 ℃完成第一次失重，第二次失重要持續到700 ℃左右。

表4 煙葉300 ℃主要裂解產物Table 4 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 300 ℃

續表4

表5 煙葉400 ℃主要裂解產物Table 5 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 400 ℃

續表5

續表5

續表5

續表5

續表5

2.1.4 700～900 ℃裂解煙草在700～900 ℃的裂解，其溫度相當于卷煙燃燒區的溫度。在該溫度區裂解，基本上沒有新產物出現，也可能是裂解產生了簡單氣體，而這些氣體組分在實驗分析條件下得不到檢測。這說明煙葉在600 ℃裂解后，基本上已經裂解完全，裂解后就剩下了碳，而在700、800 ℃和900 ℃裂解時，由于氧氣的存在，碳與氧在700～900 ℃的高溫下，形成大量氣體，比如二氧化碳、一氧化碳、水、氫氣、甲烷等化合物。這與前人的研究結論[5]一致，他們認為卷煙燃吸時，在燃燒區，氧與碳化的煙草進行反應形成了二氧化碳、一氧化碳和氫氣等簡單氣體[11]。

3 結 語

利用多步逐級裂解技術可以很好地用來研究裂解溫度對煙葉裂解所釋放的揮發性和半揮發性物質的影響，從而可以用來揭示卷煙燃吸時所釋放的物質與溫度之間的關系和卷煙燃燒時的反應途徑和機理。

在250 ℃以下裂解時，形成的香味物質的量很少，主要是游離的尼古丁、其他生物堿和新植二烯可以直接從煙葉蒸餾轉移到煙氣中。300～500 ℃是煙草中的碳水化合物、氨基酸、色素、色素長鏈脂肪酸酯、開鏈異戊二烯類、西柏烷類物質等前體物的裂解階段，是絕大多數揮發性、半揮發性物質形成的主要溫度區；煙葉在600 ℃裂解主要產物是苯系物、稠環芳烴和腈類物質，煙草在700～900 ℃裂解時，主要是碳化的煙草和氧燃燒形成二氧化碳、一氧化碳等簡單氣體。

多步逐級裂解技術表明：卷煙在燃燒時，自煙葉中蒸餾的游離香味物質只占很少一部分，絕大多數來自煙葉中前體物質的裂解。既然卷煙風格特征是由卷煙燃吸時產生的香味物質決定的，而燃吸所產生的香味物質絕大多數來自煙葉的裂解，蒸餾所產生的香味物質只占極少的一部分（5.74%），因此卷煙風格特征可能是由煙葉高溫裂解所形成的物質決定，而不是取決于煙葉中存在的揮發性和半揮發性物質。