濾嘴活性炭對卷煙主流煙氣生物堿截留的影響

樸星宇，胡 超，吳東川，務文濤，呂陽波，宋凌勇，潘海洋，李志華，張峻松*

1. 鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，鄭州市中原區科學大道136 號 450001

2. 廣西中煙工業有限責任公司技術中心，南寧市西鄉塘區北湖南路28 號 530000

活性炭具有較強的吸附性能這一特質使其在各個領域內受到廣泛應用［1-3］。因其能有效截留卷煙煙氣中的多種有害成分，科技工作者圍繞活性炭在卷煙中的應用開展了廣泛研究。多數研究表明，將活性炭添加在卷煙濾嘴中制成復合濾嘴能降低有害成分釋放、提升煙氣抽吸品質［4-8］。文獻［9-12］的研究表明，添加活性炭等物質的卷煙復合濾嘴不僅對主流煙氣中低分子醛酮類化合物、苯酚和巴豆醛等有害成分具有一定的吸附效果，還對煙氣中部分香味成分具有較高的吸附效率。李中昌等［13］研究了不同活性炭對卷煙吸食品質的影響，發現中等碘值弱堿性的活性炭對煙香的影響較小，更適合應用在卷煙濾嘴中。文獻中關于活性炭吸附有害成分的報道較多，而少見濾嘴活性炭對主流煙氣中生物堿截留行為的影響研究。煙草生物堿是極為重要的煙草及煙氣化學成分，是卷煙主流煙氣的重要組成部分，也是煙草制品愉悅感和滿足感的來源［14-17］。基于此，分別以活性炭濾嘴和普通濾嘴卷煙為研究對象，采用單因素及正交實驗確定活性炭顆粒中生物堿的最優提取條件，利用GC 及GC-MS 技術對比分析煙蒂及主流煙氣中生物堿的釋放量，比較兩種卷煙主流煙氣中生物堿的差異性，以期明確活性炭濾嘴對卷煙主流煙氣中生物堿截留的影響，進而為活性炭卷煙產品的開發提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

活性炭濾嘴卷煙A（煙支段58 mm、煙絲端絲束10 mm、活性炭顆粒段6 mm、口腔端絲束10 mm、圓周24.5 mm），廣西中煙工業有限責任公司提供，其結構如圖1所示；普通濾嘴卷煙B（煙支段58 mm、醋纖濾嘴26 mm、圓周24.5 mm），除濾嘴外其他指標均與活性炭濾嘴卷煙一致，廣西中煙工業有限責任公司提供。

圖1 活性炭濾嘴卷煙煙支的結構Fig.1 Structure of a cigarette with an activated carbon filter

三乙胺（色譜純，上海阿拉丁試劑有限公司）；煙堿（色譜純）、2-甲基喹啉（≥99%）（北京百靈威科技有限公司）；氫氧化鈉（AR，天津市大茂化學試劑廠）；氯仿（色譜純，北京迪馬科技有限公司）。

SB-3200DT 超聲萃取儀（寧波新芝生物科技股份有限公司）；RM20H轉盤式吸煙機（德國Borgwaldt K C 公司）；EL204 電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；DHG-9145A 電熱鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；7890A/5977A 氣相色譜-質譜聯用儀、8890A 氣相色譜儀（美國Agilent公司）；有機相濾膜（孔徑0.2 μm，天津津騰實驗設備有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 溶液的配制

萃取劑：用移液槍準確移取100 μL 三乙胺溶液至1 000 mL 容量瓶中，用氯仿定容至刻度，配制成體積分數為0.01%的三乙胺的氯仿溶液。

NaOH 溶液：稱取8 g NaOH 固體顆粒至150 mL錐形瓶中，向其中加入去離子水至溶液質量為100 g，得到質量分數為8%的NaOH溶液。

內標溶液：準確稱取1.8 g（精確至0.000 1 g）2-甲基喹啉至10 mL棕色容量瓶中，加入萃取劑定容，配制成180 mg/mL 的內標儲備液。準確移取1 mL內標儲備液至1 000 mL 棕色容量瓶中，加入萃取劑定容，配制成0.180 mg/mL的內標溶液。

煙堿標準儲備液：稱取約0.04 mg（精確至0.000 1 g）煙堿標準品，置于10 mL容量瓶中，用萃取劑定容至刻度，得4 mg/mL 的煙堿儲備液。分別準確移取2.00、1.00、0.500、0.250、0.125、0.050、0.025 mL 的標準儲備液至10 mL 容量瓶中，用萃取劑定容。梯度標準溶液的濃度分別為0.80、0.40、0.20、0.10、0.05、0.02、0.01 mg/mL。

1.2.2 卷煙抽吸

按照GB/T 16450—2004［18］中的要求，采用吸煙機抽吸兩種卷煙，用劍橋濾片收集煙氣總粒相物，將抽吸后的活性炭濾嘴卷煙煙蒂的絲束與活性炭顆粒剝離。

1.2.3 樣品前處理和GC-MS分析條件

1.2.3.1 樣品前處理

參照YC/T 383—2010［19］的方法，經修改后進行樣品前處理。

劍橋濾片：將捕集完煙氣總粒相物的劍橋濾片置于100 mL錐形瓶中，用移液管移取5 mL NaOH溶液均勻滴加在濾片上，使其濕潤并靜置10 min；靜置結束后，向錐形瓶中加入50 mL內標溶液，超聲萃取30 min；萃取完成后，取1 mL 下層氯仿液層，過有機相濾膜后進行GC-MS分析。

醋纖絲束：將煙蒂中絲束剝離并置于100 mL錐形瓶中，用移液管移取5 mL NaOH 溶液均勻滴加在絲束上，使其濕潤并靜置10 min；靜置結束后，向錐形瓶中加入50 mL內標溶液，超聲萃取30 min；萃取完成后，取1 mL 下層氯仿液，過有機相濾膜后進行GC-MS分析。

活性炭顆粒：將煙蒂中的活性炭顆粒剝離并轉移至50 mL 錐形瓶中，向其中加入6 mL NaOH 溶液，使其濕潤并靜置10 min；靜置結束后，向錐形瓶中加入25 mL 萃取劑，超聲萃取30 min；萃取完成后，取10 mL萃取液，加入10 μL的內標儲備液；混合均勻后，取1 mL過有機相濾膜后進行GC-MS分析。

1.2.3.2 GC-MS分析條件

按照YC/T 383—2010［19］及文獻［20］中的條件修改后的GC-MS分析條件：

色譜柱：HP-5MS 毛細管柱（30 m×320 μm×0.25μm）；升溫程序：110 ℃（2 min185 ℃（5 min）260 ℃（10 min）；載氣：He，流速1.5 mL/min；進樣口溫度：270 ℃；分流比：10∶1；進樣量：1 μL；檢測器：FID；檢測器溫度：270 ℃；氫氣流速：40 mL/min；空氣流速：450 mL/min。傳輸線溫度：280 ℃；EI 源電子能量：70 eV；電子倍增器電壓：1 750 V；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；溶劑延遲：5 min；掃描方式：選擇離子監測（SIM），各生物堿的定量及定性離子見表1。

表1 各生物堿的保留時間、定量離子和定性離子Tab.1 Retention time，quantitative ions and qualitative ions of 9 alkaloids

1.2.4 活性炭中煙堿提取實驗的設計

活性炭中生物堿質量分數的預實驗結果顯示，活性炭對生物堿的截留率較低，除煙堿外其余生物堿均未達到檢出限。因此，在對活性炭顆粒中生物堿的提取工藝優化時，只考察煙堿一個對象。

單因素優化：在其他前處理條件不變的前提下，分別改變萃取劑體積（15、20、25、30、35、40、45 mL）、萃取時間（15、20、25、30、35、40、45 min）、萃取溫度（15、20、25、30、35、40、45 ℃）、NaOH 添加量（2、3、4、5、6、7、8 mL）對活性炭進行前處理。

通過單因素實驗明確各因素對活性炭中煙堿提取效率的影響，在其結果的基礎上，利用正交實驗，進一步研究活性炭中煙堿的最優提取工藝。

1.2.5 濾嘴對主流煙氣中生物堿的截留率及截留率的降低率

按照公式（1）計算活性炭濾嘴對主流煙氣生物堿的截留率（P，%）。

式中：Z為主流煙氣中生物堿的釋放量，μg/支；X為醋纖絲束截留生物堿的量，μg/支；H為活性炭顆粒截留生物堿的量，μg/支（普通濾嘴空白卷煙無活性炭，默認H值為0；除煙堿外其他生物堿活性炭截留的默認H值為0）。

按照公式（2）計算相對于普通濾嘴卷煙，活性炭濾嘴卷煙對生物堿截留率的降低率（Q，%）。

式中：P2為普通濾嘴對生物堿的截留率，%；P1為活性炭濾嘴對生物堿的截留率，%。

2 結果與討論

2.1 活性炭顆粒中煙堿萃取條件優化結果

2.1.1 單因素優化結果分析

煙草生物堿中煙堿所占比例極高，達到95%以上，因此，只以煙堿一種物質來考察不同因素對萃取效率的影響。活性炭顆粒中生物堿萃取方法的單因素實驗結果如圖2 所示。由圖2a 可知，活性炭顆粒中煙堿的萃取效率隨著萃取劑體積的增加呈先增加后緩慢降低的趨勢；由圖2b 和圖2d 可知，活性炭顆粒中煙堿萃取效率隨著萃取時間和NaOH溶液添加量的增加呈先增加后降低的趨勢；當萃取劑體積為25 mL、萃取時間為30 min、NaOH 溶液添加量為6 mL時，活性炭顆粒中煙堿的萃取效率均較高。由圖2c 可知，活性炭顆粒中煙堿萃取效率隨萃取溫度的變化無較大波動。說明萃取溫度不是活性炭顆粒中生物堿萃取效率的影響因素。其原因可能為煙堿分子質量相對較大，沸點較高，較低的溫度對其無明顯影響。

圖2 活性炭顆粒中煙堿萃取條件的單因素實驗結果Fig.2 Results of single-factor experiments for extraction conditions of nicotine in activated carbon granules

2.1.2 正交實驗及結果

為進一步考察活性炭顆粒中煙堿的最優提取工藝，根據單因素優化結果，選定A（萃取劑體積，25、30、35、40 mL）、B（萃取時間，30、35、40、45 min）、C（NaOH 溶液添加量，4、5、6、7 mL）3個因素的4個最優水平，選擇正交實驗模型L16（43），以煙堿提取量為考察指標進行正交實驗。正交實驗設計如表2所示。

表2 活性炭中煙堿提取工藝正交實驗設計因素和水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal experiments designed for nicotine extraction from activated carbon

對正交實驗結果及極差（表3）分析可知，影響活性炭中煙堿提取效率的主次因素由極差大小確定為A＞B＞C，即從大到小依次為萃取劑體積、萃取時間、NaOH 溶液添加量；通過K值比較可以得出，提取活性炭中煙堿的最優工藝組合為A3B1C2，即萃取劑體積35 mL、超聲萃取時間30 min、NaOH 添加量5 mL。

表3 正交實驗結果Tab.3 Results of orthogonal experiments

對上述正交實驗結果進行驗證，按最優工藝組合對活性炭中煙堿進行提取，進行4組平行實驗，其測定結果依次為58.05、57.39、57.02、58.37 μg/支，活性炭中煙堿提取量為（57.70±0.70）μg/支，SD 值為0.53，表明實驗穩定性較好。

2.1.3 標準工作曲線、檢出限、定量限及加標回收率

以煙堿標準品與內標物（2-甲基喹啉）標準品峰面積之比為橫坐標，煙堿標準品與內標物（2-甲基喹啉）標準品的質量濃度之比為縱坐標，作煙堿標準品的標準曲線，結果見表4。可知，煙堿在10~800 μg/mL范圍內線性良好（R2≥0.999），檢出限和定量限較低，能夠滿足活性炭濾嘴卷煙活性炭顆粒中煙堿的定性定量分析要求。

表4 煙堿標準曲線的線性方程、決定系數、檢出限和定量限Tab.4 Linear equation，coefficient of determination，limit of detection and limit of quantitation for nicotine standard curve

活性炭顆粒中煙堿的加標回收率結果如表5 所示。結果表明，抽吸后活性炭顆粒中煙堿的平均回收率在87.85%~91.98%之間，RSD 為1.59%~3.87%（n=5）。說明回收率較高，重復性較好，該方法適用于卷煙濾嘴活性炭顆粒中煙堿質量分數的測定。

表5 抽吸后活性炭顆粒中煙堿的回收率及精密度Tab.5 Recoveries and precisions of nicotine in activated carbon granules after smoking

2.2 活性炭濾嘴對卷煙主流煙氣中生物堿的影響

按照1.2.3 節和1.2.5 節方法分別對活性炭濾嘴卷煙A（Z1：主流煙氣中生物堿的釋放量；X1：醋纖絲束截留生物堿的量；H：活性炭顆粒截留生物堿的量）和普通濾嘴卷煙B（Z2：主流煙氣中生物堿的釋放量；X2：醋纖絲束截留生物堿的量）進行處理和GC-MS分析，考察活性炭復合濾嘴對卷煙主流煙氣中8種生物堿釋放量的影響。

兩種卷煙煙氣及煙蒂中煙堿釋放量如表6 所示。可知，活性炭濾嘴卷煙、普通濾嘴卷煙主流煙氣中煙堿釋放量分別為1 210.27、1 185.79 μg/支，醋纖絲束截留煙堿量分別為589.85、667.73 μg/支，活性炭濾嘴卷煙活性炭顆粒截留煙堿量為57.71 μg/支。兩種卷煙濾嘴對煙堿的截留率分別為34.86%和36.03%。整體來看，活性炭復合濾嘴對煙氣中煙堿的截留率略低于普通濾嘴，使用活性炭顆粒代替濾嘴中間空腔部分的絲束對主流煙氣中煙堿釋放量影響較小。

表6 兩種卷煙主流煙氣、絲束及活性炭顆粒截留煙堿量Tab.6 Contents of retained nicotine in mainstream smoke，tow and activated carbon granules of two types of cigarettes

其他7種生物堿結果如表7所示。可知，活性炭濾嘴卷煙主流煙氣中7 種生物堿釋放量均略高于普通濾嘴卷煙，兩種卷煙主流煙氣中釋放量最高的均為可替寧，分別為76.86、72.56 μg/支，釋放量最低的均為假木賊堿，分別為2.85、2.14 μg/支；活性炭濾嘴卷煙醋纖絲束截留7 種生物堿的量均低于普通濾嘴卷煙。7 種生物堿中，兩種濾嘴截留量最高的均為二烯煙堿，分別為67.87、86.63 μg/支，截留量最低的均為2,3'-聯吡啶，分別為2.09、3.62 μg/支。

表7 兩種卷煙樣品主流煙氣中和絲束截留的7種生物堿質量分數及截留率Tab.7 Releases of seven alkaloids in mainstream smoke and their contents and retention rates in tow of two types of cigarettes

按照1.2.5節方法計算兩種卷煙濾嘴對7種生物堿截留率的結果見表7。可知，活性炭濾嘴對生物堿總量的截留率約為60%，7 種生物堿的截留率范圍為28.00%~95.07%；普通濾嘴對生物堿總量的截留率為66.46%，7種生物堿的截留率范圍為37.52%~97.08%，活性炭濾嘴對7 種生物堿的截留率均低于普通濾嘴卷煙。兩種濾嘴對二烯煙堿的截留率均最高，其中，活性炭濾嘴對新煙草堿的截留能力最弱，而普通濾嘴對可替寧的截留能力最弱。

兩種卷煙濾嘴對生物堿截留率的差異是由活性炭導致的，濾嘴對生物堿截留率的降低率越大則說明活性炭對該生物堿的截留能力越弱。由1.2.5節的方法計算活性炭濾嘴對8 種生物堿截留的降低率可知，活性炭對8種生物堿的截留能力由大到小依次為二烯煙堿、假木賊堿、煙堿、可替寧、麥斯明、2,3'-聯吡啶、新煙草堿、降煙堿。

向濾嘴中添加活性炭后，生物堿在濾嘴中的流通狀態會發生改變，這可能會導致絲束部分對生物堿的截留能力發生變化［21］。為明確向濾嘴添加活性炭后絲束部分減少對生物堿截留能力的影響，以普通濾嘴絲束長度計算單位長度絲束對8 種生物堿的截留量，再根據活性炭濾嘴絲束長度計算活性炭卷煙濾嘴絲束部分對生物堿的理論截留量，并與實際截留量對比。由圖3可知，活性炭濾嘴中絲束部分對降煙堿、新煙草堿和2,3'-聯吡啶的實際截留量低于理論截留量，其余5種均高于理論截留量。這表明向濾嘴中添加活性炭后活性炭復合濾嘴中絲束部分對這3種生物堿的截留能力降低，對其余幾種生物堿的截留能力則會增加。可能的原因：① 與濾嘴對生物堿的截留量有關，對應于絲束截留能力增加的5種生物堿的濾嘴截留量相對于下降的3 種生物堿明顯較高；② 樣品中添加的活性炭的孔隙結構以微孔為主，含有少量中孔，這說明其對分子量較小的物質具有較大的吸附能力，降煙堿、新煙草堿和2,3'-聯吡啶的分子量相對較小，與結果相符。

圖3 活性炭濾嘴絲束8種生物堿理論截留量與實際截留量Fig.3 Theoretical and actual retention amounts of eight alkaloids in tow of activated carbon filter

從煙氣中生物堿釋放量來看，活性炭濾嘴卷煙主流煙氣中8 種生物堿釋放量均高于普通濾嘴卷煙，其中，對勁頭影響最大的煙堿釋放量差值為24.48 μg/支，遠高于其他7 種生物堿總量的差值11.59 μg/支。從濾嘴截留生物堿的量看，活性炭濾嘴對8種生物堿的截留量相比于普通濾嘴均不同程度地降低。從濾嘴截留率看，活性炭濾嘴對生物堿的截留率均低于普通濾嘴卷煙。綜上所述，活性炭復合濾嘴對主流煙氣中8 種生物堿的截留能力略低于普通濾嘴，這表明向濾嘴中添加活性炭會使卷煙勁頭微有增加。

3 結論

①萃取劑體積35 mL、超聲萃取時間30 min，NaOH 添加量5 mL 為抽吸后活性炭濾嘴卷煙活性炭顆粒中煙堿的最優提取工藝。② 活性炭顆粒僅對煙堿具有較高的截留量，其他幾種生物堿截留量均未達到檢出限。③ 活性炭濾嘴卷煙主流煙氣中8種生物堿釋放量稍高于普通濾嘴卷煙，這表明活性炭濾嘴卷煙可保持較好的勁頭，滿足消費者的吸食體驗。④ 活性炭顆粒對8 種生物堿的截留能力從大到小依次為二烯煙堿、假木賊堿、煙堿、可替寧、麥斯明、2,3'-聯吡啶、新煙草堿、降煙堿。