卷烟烟气内源性酸香成分的加香贡献度

史清照，范 武，柴国璧，马 骥，宋瑜冰，毛 健，徐秀娟，刘俊辉，席 辉，宗永立，屈 展，张建勋，汪军霞，陶 红，王 予，林宝敏，张启东*，赖燕华*

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.广东中烟工业有限责任公司技术中心，广州市天河区林和西横路186 号 510385

食品体系中众多风味成分往往具有不同的感官贡献度，判断各风味成分感官贡献度的差异对于解释风味指标的物质基础，进而指导相应的风味设计与调控工艺具有重要意义。风味属于化学感官（Chemosensory）的范畴，是一类特殊的心理物理学效应［1］，与视觉和听觉等由物理性刺激引发的感官类型相比，引发风味的外界刺激形式更加复杂和丰富。衡量风味成分的感官贡献应当考虑外界刺激的强度和引发感官体验的能力两个维度。一般而言，风味成分在体系中的质量分数能够反映外界刺激的强度，而引发感官效应的能力则可由风味阈值表征。以风味成分质量分数和其感官阈值比值计算获得的香气/味觉活性值（Odor/Taste activity value,OAV/TAV）是判断风味成分感官贡献度的重要指标。研究者利用OAV［2-6］和TAV［7-11］对大量食品体系的风味成分贡献度进行了系统研判，发现相比于单纯使用定量分析的结论，整合了质量分数和阈值的OAV/TAV 能够更加有效地反映复杂体系中关键性的风味成分。

卷烟的消费方式决定了其风味特征主要源于主流烟气中的风味成分，因此卷烟加香工艺的效果一定程度上取决于加香成分进入主流烟气的能力。通过测定不同香气成分的主流烟气粒相转移率，能够为卷烟加香工艺设计提供有效参考［12-18］。然而，转移率主要反映加香成分被消费者感知到的量的大小，并未反映不同香气成分引发感官效应的能力差异。例如，部分阈值很低的成分即使具有较低的转移率，仍可能在加香后产生较大的风味贡献；而部分阈值很高的成分，即使具有较高的转移率，其加香后的风味贡献也可能并不显著。

同时，以往主流烟气粒相转移率的报道主要针对具有相同官能团的香气成分［14-15］，然而具有相同的官能团并非香气成分香韵类型的决定因素［19］。例如尽管均属于有机酸，乙酸具有醋样酸香特征，丁酸和2-甲基丁酸具有奶酪样酸香特征，2-氧代丁酸主要为焦甜香特征，肉桂酸为膏香特征，草莓酸为果香特征，月桂酸和油酸等高级脂肪酸仅具微弱的蜡质气息，而苹果酸和柠檬酸等多元酸则表现酸味特征而没有嗅觉特征［20］。调香师在设计加香香精时常常需要对比同类香韵的不同成分，因此评价同类香韵各成分加香后的感官贡献度，提供“加香贡献度”数据，对于调香师的生产实践将更具参考价值。

本研究中参考OAV 和TAV 判断风味成分贡献度的方式，将加香成分转移率和其嗅觉阈值有效结合，定义二者的比值为香气成分的“加香贡献度”，考察了存在于卷烟烟气且符合卷烟添加剂使用规范的15 种酸香香韵有机酸在进行卷烟注射加香后的主流烟气粒相转移率，计算了各成分的加香贡献度，旨在更加全面地反映卷烟加香技术环节不同香气成分的应用特点，为其加香应用提供更全面的数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

实验用卷烟样品为市售常规烤烟型卷烟。

乙酸（99%）、丙酸（99%）、丁酸（99.5%）、2-甲基丁酸（99.5%）、异戊酸（98%）、反式-2-甲基-2-丁烯酸（99%）、庚酸（98%）、己酸（98%）、2-甲基己酸（97%）、正戊酸（99.5%）、2-甲基戊酸（99%）、3-甲基戊酸（97%）、异丁酸（98%）、2-氧代丙酸（97%）、3-苯基丙酸（98%）（美国Sigma Aldrich 公司）；反式-3-己烯酸（99%）（日本Tokyo Chemical Industry 公司）；二氯甲烷（色谱纯，美国Cleman Chemical 公司）；环己烷（色谱纯，美国Thermo Fisher 公司）；N,O-双（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA，＞99%，美国Regis Technologies 公司）；乙醇（色谱纯，德国Merck 公司）。

SM450 型20 孔 道 吸 烟 机（英 国Cerulean 公司）；44 mm 剑桥滤片（英国Whatman 公司）；7895A/5975C 气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent公司）；CP224S 型电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius 公司）；HY-5 型振荡器（江苏金坛中大仪器厂）；0.22 μm 超滤膜（天津津腾公司）；一次性使用无菌注射器（1 mL，河南曙光健士医疗器械集团股份有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品前处理

依据ISO 3308［21］及GB/T 19609—2004［22］规定的方法抽吸烟支并收集制备主流烟气粒相物；有机酸的质量分数利用N,O-双（三甲基硅基）三氟乙酰胺衍生化后采用气质联用仪测定，衍生化及GC/MS 分析条件参照文献［23］的方法。

1.2.2 香料单体在卷烟主流烟气中转移率的测定

以乙醇为溶剂，将酸香成分组群配制成10 mg/mL 的溶液，将卷烟于温度（22±2）℃，相对湿度（60±5）%的恒温恒湿箱中密封放置48 h 后，以每支卷烟10 μL 的量对卷烟进行注射加香，按标准抽吸并收集主流烟气总粒相物［21-22］，采用1.2.1 节的条件进行前处理和定量分析，计算加香卷烟抽吸后主流烟气粒相转移率。

式中：C1代表加香后单支卷烟主流烟气粒相物中香料的释放量，μg/支；C0表示加香前单支卷烟主流烟气粒相物中香料的释放量，μg/支；C 代表单支卷烟加香量，μg/支。

1.2.3 加香贡献度的计算

根据各香料单体烟丝加香后的主流烟气粒相转移率及嗅觉阈值［23］，计算各香料单体的加香贡献度。

式中：Tr 代表酸香成分主流烟气粒相转移率；T 代表嗅觉阈值（μg/g）。

2 结果与讨论

卷烟特殊的消费形式决定了其感官特征的物质基础主要源于烟气。卷烟烟气的化学构成非常复杂，依据2013 年Rodgman［24］统计的烟草烟气化学成分名单，卷烟烟气中已知成分的数量已达6 010 种，许多成分是食品和烟草工业领域的常用香料。卷烟调香中有效应用这些烟气内源性香味成分，有利于保持产品风格的协调性。

本研究中所涉及的15 种有机酸是前期研究［23］确定的存在于卷烟主流烟气中、以酸香为主要嗅觉特征且可作为烟用香料的成分，各成分的香气特征描述见表1。可以看出即使均属于酸香香韵类型，各成分表现出的嗅觉特征细节也存在差异，例如乙酸表现为醋样的酸香，异戊酸则具有强烈的奶酪和酸败的气味，2-甲基戊酸带有甜香，3-甲基戊酸还具有药草、青香，2-甲基己酸除具有酸香外还有果香等。各异的感官特征决定了每种香料均具有独特的作用。

表1 15 种酸香成分的香气描述、转移率及嗅觉阈值Tab.1 Aroma characteristics,transfer rates and olfactory thresholds of 15 acidic aroma components

2.1 酸香成分的主流烟气粒相转移率

影响卷烟加香成分主流烟气粒相转移率的因素很多，例如成分的挥发性影响其加香后的烟丝持留率，进而影响转移率；成分的沸点和极性通过影响其迁移和冷凝的难易程度，也会影响转移率；成分的热稳定性则通过卷烟燃烧过程的物质消耗影响转移率。从文献数据来看，从戊醇到十六醇的转移率呈先增高后降低再增高的趋势［12］，己酸转移率比3-甲基戊酸高，戊酸的转移率低于异戊酸［13］，这些均反映出转移率影响因素的复杂性。因此，很难通过不同香味成分的结构特征有效预测其转移率的差异，这也是调香工作中常常需要测定香味成分转移率的原因。

加香后的平衡时间对转移率测定结果有重要影响，部分研究将加香后的卷烟平衡时间设定为1周［12-15］；而在针对挥发性更强的酯类香料转移率研究中，加香后的平衡时间被缩短至48 h［16-18］，且即便如此，许多重要香料如丁酸乙酯、异戊酸乙酯、乙酸异戊酯的转移率仍无法测得。在针对醇类香料单体转移行为的报道中，平衡1 周后戊醇的转移率也无法测得，而碳数更少的醇则没有涉及［12］。对有机酸类香料在主流烟气粒相物中转移率的报道相对较少，鲜见涉及碳原子数少于5 的成分的转移率。蔡君兰等［13］研究了卷烟中C5～C14共计10 种脂肪酸的转移行为，发现在平衡1 周后，各香料主流烟气粒相转移率大部分低于3%；戊酸的转移率无法测得，碳数更少的有机酸没有涉及。小分子有机酸香气表现的强度和丰富性往往高于大分子有机酸，为了对比小分子有机酸对卷烟感官特征的影响能力，本研究中直接抽吸加香后的卷烟，获取主流烟气粒相物，进而测定相应的转移率数据。15 种酸香成分的转移率见表1，总体来看，乙酸的转移率明显高于其他14 种成分；异戊酸、2-甲基戊酸、己酸的转移率接近，在15.28%～15.38%范围内；丙酸、丁酸、反式-2-甲基-2-丁烯酸的转移率在10.20%～10.26%的范围内；异丁酸的转移率最低。

2.2 酸香成分的加香贡献度

主流烟气粒相转移率主要反映加香成分被递送至卷烟烟气粒相物中的量占加香总量的比例，并未兼顾不同成分引发感官效应能力的差异。加香贡献度在转移率的基础上，结合了不同成分嗅觉阈值，有助于更加全面地反映不同香料的差异。需要指出的是，“加香贡献度”的概念是基于挥发性香气成分的加香应用需求提出的，并不适用于非挥发性成分的加香效果评价。另外，挥发性香气成分的加香应用通常是以提升相应香气特征为主要目的，虽然对烟气感官作用的影响还包含不同香气特征成分间的协同作用，以及由于香气成分的加成、裂解等反应而生成新物质等间接方面，但挥发性香气成分进入烟气后的直接感官贡献仍是调香人员关注的重点。本研究中提出的“加香贡献度”概念即是为了描述挥发性香气成分对烟气中相应香气特征产生的直接贡献，暂不考虑由于协同作用及化学反应等因素而产生的间接影响。

15 种酸香成分的加香贡献度见图1。可以看出，引入嗅觉阈值获得的加香贡献度排序明显不同于各成分主流烟气转移率排序。如乙酸的转移率约为异戊酸的2.4 倍，是转移率最高的酸香成分，而异戊酸却是加香贡献度最高的成分，约为乙酸的37 倍。以等量的乙酸与异戊酸进行卷烟加香，异戊酸向主流烟气中转移能力虽低于乙酸，却能带来远高于乙酸的感官作用效果。此外，转移率数据中看不出明显差异的成分，其加香贡献度却显著不同，如丙酸与丁酸的转移率仅相差0.02个百分点，但两者的加香贡献度存在近50 倍的差异；异戊酸和3-甲基戊酸的转移率分别比2-甲基戊酸低0.01 个百分点和0.69 个百分点，但二者的加香贡献度分别是2-甲基戊酸的近100 倍和30倍。在卷烟调香工作中，相比于其他酸香成分，调香人员往往需要更加谨慎地调控异戊酸和3-甲基戊酸的使用量。这两种成分少量的添加即可带来非常显著的感官变化，其原因即在于异戊酸和3-甲基戊酸的阈值更低，而二者的转移率并不明显低于其他酸香成分，因此其加香贡献度更大。相反，对于加香贡献度相对较低的异丁酸、2-甲基丁酸和2-甲基戊酸而言，调香人员反而会获得相对更大的应用自由度。可见，与转移率相比，各酸香成分加香贡献度所体现出的差异显然与卷烟调香中各香料的使用经验更加吻合。

图1 15 种酸香成分的转移率及加香贡献度Fig.1 Transfer rates and flavoring contributions of 15 acidic aroma components

从主流烟气粒相转移率看，除乙酸最高外（36.61%），其余成分均分布在相对狭小的范围（9.67%～17.15%）内。从加香贡献度看，异戊酸最高（169.76），3-甲基戊酸、正戊酸、丁酸相对较高（分布范围：14.25 ～52.13），乙酸、己酸、3-苯基丙酸、2-甲基戊酸和2-甲基丁酸相对较低（分布范围：1.59 ～4.55），而异丁酸、庚酸、2-甲基己酸、反式-2-甲基-2-丁烯酸、丙酸和2-氧代丙酸最低（均小于1.00）。相比于转移率，加香贡献度能更直观和清晰地表征不同酸香香料所具备的感官贡献潜力，将隶属同类香韵的不同香料按感官贡献能力的差异划分在层次分明的不同区间，结合各酸香香料感官特征的细节差异（表1），能够为这些香料在卷烟调香中的工艺控制提供更加便利的数据参考。

3 结论

依据15 种卷烟烟气内源性酸香成分的主流烟气粒相转移率和嗅觉阈值，定义并获得了15 种酸香成分的“加香贡献度”，结果表明：①乙酸的转移率为36.61%，其他14 种成分的转移率在9.67%～17.15%范围内；②异戊酸的加香贡献度为169.76，远高于其他14 种成分；3-甲基戊酸、戊酸、丁酸的加香贡献度在14.25 ～52.13 间，处于较高的水平；乙酸、2-甲基丁酸、2-甲基戊酸、己酸、3-苯基丙酸的加香贡献度在1.59 ～4.55 间；其余酸香成分的加香贡献度＜1.00。③加香贡献度整合了主流烟气转移率和嗅觉阈值，可更加全面和真实地反映不同加香成分对卷烟烟气感官特征影响的差异，对卷烟调香具有指导意义。