卷烟叶丝和梗丝主流烟气中挥发性及半挥发性成分差异分析

秦亚琼，刘舒畅，罗 诚，李东亮，贾云祯，陈 黎，余晶晶，王晓瑜，王 冰，蔡君兰，郭吉兆，刘惠民*

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

2.贵州中烟工业有限责任公司，贵阳市小河经开区开发大道96 号 550009

3.四川中烟工业有限责任公司技术中心，成都市锦江区成龙大道一段56 号 610066

烟梗为烟叶的一部分，约占烟叶总质量的25%～30%［1-2］。梗丝为“三丝”掺配的重要组成部分之一，具有低焦油、低烟碱、高填充值等特点，对降低卷烟生产成本和降焦减害均有重要意义［1-2］。然而，梗丝存在烟香不足、木质气重、刺激性强等缺陷，对卷烟整体感官质量有明显的负面作用。通过优化梗丝加工工艺、梗丝加料等可改善梗丝品质，但总体效果仍不理想，制约了梗丝在卷烟生产中的使用。挥发性及半挥发性成分是影响卷烟产品风格的重要因素之一，对产品的品质有重要影响［1］。分析叶丝和梗丝主流烟气中挥发性及半挥发性成分的差异，能够为针对性加香加料及工艺加工提供参考，有助于提高梗丝感官品质。

目前，烟梗和烟叶化学成分的差异分析主要集中在燃烧前烟梗和烟叶中成分的分析方面［2-8］，而在其燃烧形成的烟气中挥发性及半挥发性成分的差异分析方面相关报道较少。Ishiguro 等［9-11］对梗丝烟气和叶丝烟气中半挥发性成分、含氮化合物、酚类物质进行了对比分析，发现梗丝烟气中大部分半挥发性成分来自细胞壁物质的裂解，而对于叶丝烟气来说，则主要为糖降解产物和烟叶挥发性组分的直接转移［9］；对于烟气碱性成分，叶丝烟气中的烟碱是梗丝烟气的7 倍以上，吡啶、麦斯明等也高于梗丝［10］；对于烟气酚类成分，叶丝烟气中4-甲基儿茶酚、4-乙基儿茶酚和4-乙烯基儿茶酚远高于梗丝烟气［11］。比较烟梗和烟叶的裂解产物可知，在相同裂解温度下，烟叶的热裂解产物种类明显多于烟梗［1］。由于烟气中香味成分直接作用于感官，对卷烟品质有直接影响，而卷烟燃烧前后的化合物种类及含量明显不同，因此，有必要对梗丝与叶丝烟气中挥发性和半挥发性成分进行剖析，以探索烟梗负面感官特征的物质基础。

本研究中以浓、中、清3 个香型烟叶产区的上、中、下3 个部位的烟叶和烟梗为研究对象，采用气相色谱-质谱法（GC-MS）对叶丝及梗丝烟气的气相、粒相物中挥发性和半挥发性成分进行检测，采用内标法半定量分析297 个目标化合物；采用主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘法判别分析（OPLS-DA），同时结合t 检验，筛选出叶丝与梗丝烟气的差异化合物，旨在从分子水平上剖析烟梗使用的制约因素，为其品质提升及科学利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

分别选择许昌、遵义和曲靖3 个典型的浓、中、清香型产区的烟叶和烟梗。其中，许昌产区不同部位的叶样品数目为8 个，梗为4 个；遵义产区，叶为7 个，梗为5 个；曲靖产区，叶为6 个，梗为5 个。按照传统制丝工艺制备叶丝和梗丝，并分别以叶丝和梗丝为原料卷制单料烟。主要辅材参数为：滤棒100/4 mm，接装纸30 mm，卷烟纸透气度60 CU，滤嘴不打孔。

氘代苯（≥99.5%，德国Dr.Ehrenstorfer 公司）；乙酸苯乙酯（≥99.5%）、反-2-己烯酸（≥99.5%）、N,O-双（三甲基硅烷基）三氟乙酰胺（BSTFA，色谱纯）（美国Aldrich 公司）；二氯甲烷、甲醇（色谱纯，美国J&T Baker 公司）。

7890B-5977A型气相色谱-质谱联用仪；DB-5MS弹性石英毛细管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）、DB-5MS弹性石英毛细管柱（60 m×0.25 mm×1.0 μm）、DB-624弹性石英毛细管柱（60 m×0.25 mm×1.4 μm）（美国Agilent 公司）；SM450 直线型吸烟机（英国Cerulean公司）；有机相针式滤器（0.45 μm，上海安谱实验科技股份有限公司）44 mm剑桥滤片（德国Borgwaldt公司）；CP224S 型电子分析天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius 公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品处理

按照GB/T 16447—2004 要求，将样品卷烟在（22±1）℃、相对湿度（60±3）%的环境中平衡48 h。之后，挑选（平均质量±0.019）g 和（平均吸阻±49）Pa 的烟支作为测试样品。

1.2.2 烟气气相和粒相物的中性、碱性成分分析

（1）样品前处理。采用ISO 抽吸模式，即每60 s 抽吸1 口，抽吸容量35 mL，抽吸持续时间2 s，在此条件下抽吸8 支卷烟。用剑桥滤片捕集卷烟主流烟气中粒相物；在剑桥滤片捕集器后连接两个串联的吸收瓶，每个吸收瓶中盛有10 mL甲醇，将其置于异丙醇-干冰冷却（-78 ℃）的冷阱中，用于捕集主流烟气中气相物。卷烟抽吸完毕后，粒相部分操作为：将剑桥滤片对折，置于4 mL样品瓶中；加入3 mL 二氯甲烷，并加入100 μL 内标溶液，用密封膜密封，超声萃取30 min；取萃取液，用针式滤器过滤后进行GC-MS 分析。气相部分操作为：准确加入100 μL 内标溶液于每个吸收瓶，搅拌均匀；各取1 mL 溶液于色谱瓶中，混匀后进行GC-MS 分析。其中，内标溶液为氘代苯和乙酸苯乙酯，质量浓度均为2 mg/mL。

（2）GC-MS 分析。气相和粒相物萃取液样品均取双份，分别在DB-5MS 和DB-624 两根色谱柱上分离分析。GC-MS 分析条件如下：

②DB-624 色谱柱：程序升温：40 ℃（30 min）进样量：1 μL；分流比：10∶1；进样口温度：220 ℃；载气：He，流速1.0 mL/min；传输线温度：240 ℃；电离方式：EI；离子源温度：230 ℃；电离能量：70 eV；四极杆温度：150 ℃；质谱质量扫描范围：20～350 amu；监测模式：全扫描模式（SCAN）和选择离子扫描模式（SIM）。CH2Cl2定时事件：0 min 检测器打开，12.10 min 检测器关闭，13.90 min 检测器打开；CH3OH 定时事件：0 min 检测器打开，11.70 min检测器关闭，13.00 min 检测器打开。

1.2.3 烟气粒相物的酸性成分、醇酚类化合物分析

（1）样品前处理。采用ISO 抽吸模式，用剑桥滤片捕集5 支卷烟的主流烟气粒相物。卷烟抽吸后，将剑桥滤片对折，置于4 mL样品瓶中；加入3 mL二氯甲烷萃取溶液（反-2-己烯酸内标为50 μg/mL），旋紧瓶盖密封，超声萃取30 min；加入500 μL BSTFA，60 ℃水浴条件下衍生50 min；冷却至室温，用针式滤器过滤，取滤液进行GC-MS 分析。

（2）仪器分析条件。色谱柱：DB-5MS；进样量：1 μL；分流比：10∶1；进样口温度：250 ℃；载气：He，流速1.5 mL/min；传输线温度：280 ℃；电离方式：EI；离子源温度：230 ℃；电离能量：70 eV；四极杆温度：150 ℃；质谱质量扫描范围：35～450 amu；监测模式全扫描（Scan）和选择离子监测（SIM）模式。

1.2.4 数据处理

在MSD 工作站打开采集的SIM 数据，利用编辑好的自动积分方法（增强型数据分析软件自动定量功能），生成一个包含样品信息、成分名称和相对含量（半定量方法，以目标物峰面积与内标峰面积的比值计）的三维矩阵。应用SIMCA 14.1 软件（Umetrics AB，Umeå，Sweden）对化合物数据进行中心化和归一化（Par，Pareto scaling）［12］处理后，进行PCA、OPLS-DA 等多变量分析。PCA 主要用于识别叶丝、梗丝烟气中挥发性、半挥发性成分间的相似性和差异性，OPLS-DA 主要用于差异化合物的筛选。应用SPSS19.0 软件对差异化合物进行单尾双样本方差t 检验。

2 结果与讨论

2.1 叶丝和梗丝卷烟的主流烟气成分整体差异

2.1.1 烟气常规化学成分和pH

叶丝和梗丝卷烟的物理参数如表1 所示，其滤嘴通风、烟支长度和圆周基本一致，梗丝卷烟的质量和硬度略低于叶丝卷烟，而吸阻略高于叶丝卷烟。由表2 可知，梗丝卷烟焦油、烟碱、CO、抽吸口数及衍生指标烟碱/焦油、CO/焦油均与叶丝存在显著性差异。梗丝卷烟焦油、烟碱、CO 分别是叶丝卷烟的33%、17%和76%。梗丝卷烟抽吸口数为3.8，远低于叶丝卷烟（6.7），说明梗丝燃烧速度显著快于叶丝，可能与梗丝中钾含量约为叶丝的2倍有关。梗丝卷烟焦油释放量仅为叶丝的1/3，一方面是因为梗丝卷烟抽吸口数少，阴燃占比较高，另一方面是由于梗丝中纤维素类成分多，其碳化后易形成较长的燃烧锥，且可挥发性蒸馏成分较少，因此生成的焦油较少。同样，梗丝卷烟的烟碱仅为叶丝卷烟的1/6，一方面是因为梗丝中烟碱含量低，另一方面是由于抽吸口数少。

表1 叶丝与梗丝卷烟物理参数Tab.1 Physical parameters of cigarettes made of cut laminar strips and cut stems

表2 叶丝与梗丝烟气常规化学成分和pH 差异Tab.2 Differences in routine chemical components and smoke pH between mainstream cigarette smoke of cut laminar strips and cut stems

2.1.2 GC-MS 检测结果

利用GC-MS 工作站的解卷积功能对共流出峰进行解析，并运用NIST 谱库进行检索（匹配度大于800）；同时，结合保留指数［13-14］鉴定化合物。初步鉴定出297 种化合物，包括羧酸类、醛酮类、酯类、醇酚类、糖类、烃类、呋喃类、氮杂环类化合物等（表3）。

对于中性和碱性成分，由于DB-5MS 色谱柱为非极性柱，而DB-624 色谱柱为中等极性柱，目标化合物在两根色谱柱上的出峰时间及分离度差异较大，其中，有158 种目标化合物在DB-5MS 色谱柱上的分离度较好，而93 种目标化合物在DB-624色谱柱上的分离度较好。因此，采用DB-5MS 色谱柱分离，采用乙酸苯乙酯内标进行半定量分析；采用DB-624 色谱柱分离，采用氘代苯内标进行半定量分析。最终，确定采用DB-5MS 色谱柱分离159 种化合物，采用DB-624 色谱柱分离94 种化合物。采用SIM 模式检测297 种化合物并进行定量分析，结果见图1。可以看出，叶丝烟气中绝大多数目标化合物的色谱峰强度大于梗丝，图1A（中性和碱性粒相成分）和图1C（硅烷化衍生后的酸性和醇酚类化合物）中的差异尤为显著。

表3 GC-MS 方法检测的目标化合物Tab.3 Target components determined by GC-MS method

表3 （续）

图1 典型梗丝和叶丝卷烟样品的主流烟气SIM 谱图Fig.1 Typical SIM chromatograms of mainstream cigarette smoke from cut laminar strips and cut stems

综上可知，梗丝卷烟和叶丝卷烟的抽吸口数、焦油释放量均呈现显著差异。对于绝大多数化合物，梗丝卷烟烟气释放量均低于叶丝卷烟烟气。为进一步揭示梗丝烟气和叶丝烟气之间的差异，后续研究中从相对比例的角度进行分析，以比较目标化合物的单位焦油释放量差异。

2.2 梗丝和叶丝卷烟主流烟气成分统计分析结果

2.2.1 主成分分析

采用主成分分析（PCA）对许昌、遵义、曲靖3个产区梗丝与叶丝卷烟烟气的挥发和半挥发性成分的数据进行降维处理，其结果在95%置信区间内，得分图见图2。可以看出，不同产区的梗丝与叶丝烟气在得分图上呈现显著差异，梗丝和叶丝易区分，并且梗丝和叶丝之间的差异远大于不同产区之间的差异。当然，不同产区之间的差异在得分图上也有体现，例如，许昌和曲靖的梗丝与叶丝能够较好地区分，但中间香型产区遵义和清香型产区曲靖的梗丝与叶丝相似性较高，区分度较差。

2.2.2 差异化合物筛选

图2 不同产区的梗丝与叶丝卷烟主流烟气中挥发和半挥发性成分PCA 得分图Fig.2 PCA score plot based on volatile and semi-volatile components in mainstream cigarette smoke of cut laminar strips and cut stems from different growing areas

为进一步分析梗丝和叶丝烟气中差异显著的成分，采用OPLS-DA 对数据进行进一步处理。图3A是数据的OPLS-DA分析结果，可以看出，在第1 维预测主成分上，两组间化合物的得分相差较大，梗丝和叶丝能够很好地区分。梗丝和叶丝样品模型包含2个主成分，其拟合参数为R2X=0.732，R2Y=0.986，Q2=0.979，表明该模型的稳定性和预测率较高。对OPLS-DA 模型进行置换检验，置换次数n=200，模型的排列验证结果如图3B 所示。由图3B 可以看出，部分样本类别信息打乱后，左侧所有的点均低于最右侧两个相同颜色的原始点，同时，相应模型的性能（R2和Q2）均下降，表明模型的稳健性较好；模型验证结果参数R2截距为0.235、Q2截距为-0.555，也表明该模型较可靠，不存在过拟合现象。因此，采用建立的OPLS-DA 模型进行后续的差异化合物筛选。

本研究中，通过OPLS-DA 分析过滤除去不相关的正交信号，从而使获得的差异化合物更加可靠。结合载荷图（图4）和变量投影重要性（variable importance in the projection，VIP）值（阈值为1.0），初步筛选出53 种差异化合物，并通过t 检验（t-test）的P 值（阈值＜0.05）对其进行进一步验证，结果见表4。53 种差异化合物包括羧酸、醛酮类、酯类、醇酚类、烃类、呋喃类、氮杂环类化合物等，烃类、羧酸类、醇酚类、氮杂环类化合物占比较高，分别为25%、19%、15%、17%。

由表5 和表6 可知，梗丝和叶丝烟气中53 种差异化合物的单位焦油释放量差异较大。

对于烃类化合物，梗丝烟气中的新植二烯、柠檬烯、月桂烯、1,4-环己二烯等化合物的单位焦油释放量均低于叶丝烟气，其梗丝/叶丝比值分别为0.06、0.13、0.08、0.51。梗丝烟气的新植二烯、柠檬烯、月桂烯的单位焦油释放量远低于叶丝烟气，而新植二烯不仅能增加烟草吸味，且影响其他香味成分的形成［15］；柠檬烯有类似柠檬的香味，具有和顺的、醇和的感官特征。梗丝烟气中的1,3-环戊二烯、苯乙烯、甲苯、2-甲基-1-丁烯、丙炔、丁烯、2-丁炔、2-戊烯（Z）、3-甲基戊烷等化合物的单位焦油释放量均高于叶丝烟气，梗丝/叶丝比值为1.09～2.07。梗丝烟气中这些烯烃类物质的释放量较高，可能与梗丝卷烟的燃烧状态有关。梗丝中纤维类成分含量高，梗丝卷烟燃烧锥较叶丝卷烟长，即燃烧时形成的焦炭量大，其进一步燃烧产生大量的小分子烃类成分；另外，梗丝中钾离子含量较高，钾盐等无机盐的存在会增加烟气中小分子烃类成分的释放量。

图3 梗丝与叶丝卷烟主流烟气中挥发和半挥发性成分OPLS-DA 分析结果Fig.3 Results of OPLS-DA generated from volatile and semi-volatile components in mainstream cigarette smoke of cut laminar strips and cut stems

图4 梗丝与叶丝卷烟主流烟气中挥发和半挥发性成分载荷图Fig.4 Loading plot from volatile and semi-volatile components in mainstream cigarette smoke of cut laminar strips and cut stems

表4 筛选出的53 个差异化合物的VIP 值和P 值Tab.4 VIP and P values of 53 screened differential components

表5 梗丝烟气中单位焦油释放量小于叶丝的差异化合物Tab.5 Differential components with release on per unit tar basis in mainstream smoke of cut stems less than that of cut laminar strips

表5 （续）

表6 梗丝烟气中单位焦油释放量大于叶丝的差异化合物Tab.6 Differential components with release on per unit tar basis in mainstream smoke of cut stems higher than that of cut laminar strips

对于羧酸类化合物，梗丝烟气中的羟基乙酸、苹果酸、3-羟基丙酸、2,3-二羟基丙酸等羟基羧酸的单位焦油释放量均高于叶丝烟气，梗丝/叶丝比值为1.37～2.56。其中，苹果酸可能来自梗丝的直接转移，其余羟基羧酸可能来自含羟基的多元酸如苹果酸、柠檬酸以及糖和纤维素的热解。烟梗中苹果酸、纤维素含量高，且高于烟叶，因此梗丝热解产生的羟基羧酸、转移的苹果酸均高于叶丝烟气。梗丝烟气中的高级脂肪酸如亚麻酸、二十酸、十六酸、十八酸的单位焦油释放量均低于叶丝烟气，梗丝/叶丝比值为0.33～0.67。高级脂肪酸对烟气质量有重要影响，对杂气、刺激性、回甜感、干燥感、细腻度等影响较大［16］。

对于醇酚类和氮杂环类化合物，梗丝烟气中此类成分的单位焦油释放量均低于叶丝烟气，梗丝/叶丝比值为0.17～0.76。这些化合物多数对香气和吸味有正面作用。其中，羟基麦芽酚具有甜味特征；苯甲醇具有弱花香的香味特征。吡啶类化合物对余味有一定影响，这可能是由于它们与呋喃酮和环戊烯酮协同作用［17］，进而降低了甜焦糖味。3-甲基吡啶和4-甲基吡啶对烟气吸味也有影响，二者可增强丰满度，具有类似白肋烟的吸味。苯酚、对甲基苯酚、邻苯二酚等酚类化合物主要来自蛋白质、绿原酸等前体化合物的热解［11,18］，而烟梗中蛋白质、绿原酸等含量远低于烟叶。

对于醛酮类化合物，梗丝烟气中的甲基乙烯基酮、2-丁酮、2,3-戊二酮、3-戊酮等化合物的单位焦油释放量均高于叶丝烟气，梗丝/叶丝比值为1.12～2.55；这些成分主要来自纤维素、糖的热解，尽管梗丝中的水溶性糖低于叶丝（比值为0.8），但梗丝中的纤维素等远高于叶丝，从而导致上述酮类化合物在梗丝烟气中的占比高于叶丝烟气。另外，梗丝卷烟燃烧时燃烧锥较大，会进一步促进其中纤维素的热解，进而产生更多的小分子酮类化合物。梗丝烟气中的苯甲醛、巨豆三烯酮的单位焦油释放量低于叶丝烟气，梗丝/叶丝比值分别为0.47 和0.09。梗丝烟气中的巨豆三烯酮的单位焦油释放量远低于叶丝烟气，其为重要的香味成分之一，具有烟草香和辛香底韵，能显著增强烟香、改善吸味［16］。

对于呋喃类化合物，梗丝烟气中的3-甲基呋喃的单位焦油释放量高于叶丝烟气，梗丝/叶丝比值为1.46；其余的苯并呋喃、2,3-二氢苯并呋喃、呋喃酮，梗丝烟气则显著低于叶丝烟气，梗丝/叶丝比值为0.13～0.47。呋喃类物质一般具有甜烤香、焦糖香特征。对于酯类化合物，其在梗丝烟气中的单位焦油释放量低于叶丝烟气，梗丝/叶丝比值为0.51～0.61。其中，十六酸甲酯和亚油酸甲酯的烟气吸味为甜、醇和，烟气香味为醇和。

在53 种差异化合物中，66%的化合物的叶丝烟气单位焦油释放量高于梗丝烟气，其中42%的化合物在2 倍以上，一些甚至在10 倍以上，例如新植二烯、柠檬烯、巨豆三烯酮等。尽管梗丝烟气化学成分与叶丝烟气化学成分的类别并无明显差异，但其比例存在很大差异。这与烟梗化学成分含量特点和梗丝卷烟燃烧状态密切相关［19-22］。梗丝烟气中小分子的烷烃类和酮类、羟基羧酸类化合物等的单位焦油释放量高于叶丝烟气外，其余成分大多较低于叶丝烟气。卷烟烟气的感官特征是化合物协同作用的结果，尽管梗丝烟气中也存在较多致香成分，但是许多成分的比例各异，使烟气呈现刺激性大、木质气重等感官特征。

3 结论

采用GC-MS 分析了叶丝及梗丝烟气中的297种挥发和半挥发性成分，并经多元统计分析筛选出53 种差异化合物。在种类上，包括烃类、羧酸类、醇酚类、氮杂环类、醛酮类、呋喃类、酯类化合物，其中，烃类、羧酸类、醇酚类、氮杂环类化合物占比较高；在相对比例上，叶丝和梗丝烟气单位焦油释放量存在较大差异，66%的化合物的叶丝烟气释放量高于梗丝烟气，42%的化合物在梗丝烟气的2 倍以上，少量成分如新植二烯、柠檬烯、巨豆三烯酮等甚至在10 倍以上。梗丝烟气中许多化合物的比例失调导致其呈现刺激性大、杂气重的烟气特征。梗丝烟气特征（梗味）并不是由于个别烟气成分的感官作用所致，而应该是烟气整体缺陷（不平衡）造成的。