卷烟主流烟气焦甜、奶香和豆香特征成分组群的分布特征和感官贡献

胡安福，范武，夏倩，张启东，史清照，周国俊，徐建，蔡兴华，宗永立，蒋健*，柴国璧*

1.浙江中烟工业有限责任公司技术中心，杭州市西湖区科海路118号310024

2.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

焦甜香和奶香是食品中常见的两类香韵，其成分广泛分布于面包［1］、咖啡［2-3］和茶叶［3］等热处理加工的产品中。就结构特征而言，焦甜香成分同奶香成分具有一定相似性，典型焦甜香成分如甲基环戊烯醇酮、麦芽酚、4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮，典型奶香成分如丁二酮、2,3-己二酮等均具有邻二酮结构或其变体。从产生途径看，这些焦甜香成分和奶香成分通常来自糖类在美拉德反应中经Amadori产物降解生成的α-二酮中间体［4-7］，因此，两种香韵成分常常相伴出现；另一方面，奶香和豆香香韵也常常相伴出现，合成香料如γ-壬内酯、γ-戊内酯等兼具奶香和豆香香韵特征，天然香料如香荚兰提取物同时呈现奶香、豆香韵调。对卷烟而言，3种香韵均是烟气特征的重要组成［8］，但目前除焦甜香通过感官导向分离的方式获取了4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮、甲基环戊烯醇酮等部分关键成分外［9］，卷烟中构成奶香和豆香两种特征的物质基础目前尚不清楚。鉴于此，本研究中系统筛选出既存在于卷烟烟气中同时又能够作为烟用香料使用的焦甜、奶香和豆香特征成分组群，测定其在不同卷烟主流烟气粒相物中的分布，结合香气活性值技术确定对烟气有重要贡献的成分，旨在为传统卷烟、加热不燃烧卷烟和电子烟香韵的精准调配提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

实验用卷烟样品为9个市售主流品牌成品卷烟，其中一类卷烟4个，二类卷烟3个，三类卷烟2个，卷烟类型和盒标焦油量见表1。

2,3-戊二酮（97%）、2,3-己二酮（94%）、2,3-庚二酮（＞97%）、羟基丙酮（95%）、γ-戊内酯（98%）、2-氧代丁酸（96%）、2-甲基四氢呋喃-3-酮（98%）（美国Alfa Aesar公司）；乳酸丁酯（＞98%）、γ-丁内酯（＞99%）、γ-庚内酯（＞98%）、2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮（＞98%）、乙基环戊烯醇酮（＞97%）、δ-己内酯（＞99%）、二氢香豆素（＞98%）、巴豆酸（97%）（日本TCI公司）；γ-己内酯（98%）、丁二酮（98%）、3,4-二甲基-1,2-环戊二酮（98%）、反式-3-己烯酸（97%）（北京百灵威科技有限公司）；3,5-二甲基-1,2-环戊二酮（＞97%）、4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮（＞99%）、5-甲基糠醛（99%）、四氢糠醇（97%）、5-甲基-2-呋喃甲醇（98%）（美国Sigma-Aldrich公司）；乙基麦芽酚（99%）、甲基环戊烯醇酮（＞98%）、3-羟基-2-丁酮（97%）（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；乙基香兰素（97%）、香兰素（99%）、3,4-己二酮（96%）、麦芽酚（98%）、糠醇（98%）、γ-壬内酯（98%）、6-甲基香豆素（98%）、1-羟基-2-丁酮（98%）、3-甲基-2-环戊烯-1-酮（98%）、丙酸苏合香酯（98%）（美国Acros Organics公司）；3-戊烯-2-酮（95%）、糠醛（99%）、藜芦醛（96%）（北京伊诺凯科技有限公司）；N,O-双（三甲基硅基）三氟乙酰胺（＞99%，美国Regis Technologies公司）；丙酮、二氯甲烷（色谱纯，德国Merck公司）。

表1卷烟样品的类型和盒标焦油量Tab.1 Types and labeled tar levels of cigarette samples（mg·支-1）

SM450型20孔道 吸烟 机（英国Cerulean公司）；44 mm剑桥滤片（英国Whatman公司）；7890A/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）；0.22μm滤膜（中国天津津腾公司）；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 卷烟主流烟气焦甜、奶香和豆香特征成分的筛选与评价

以Rodgman和Perfetti［10］的《The chemical components of tobacco and tobacco smoke》一书中列出的6 010种烟气成分为数据来源，按照对烟气香气直接贡献的可能性、成分自身的安全性、卷烟加香使用规范性3个原则进行筛选，并选择市场上主流化学试剂和香精香料供应商（包括Sigma Aldrich、Acros、TCI、Alfa Aesar、伊诺凯、百灵威、阿拉丁、奇华顿、芬美意、华宝、花臣等）能够提供标准品的化学成分，得到候选成分。

（1）对烟气香气直接贡献的可能性原则

剔除分子量高于350的成分、非萜类脂肪烃、多羟基或多羧基类化合物、甾族化合物、酸酐类化合物、酰胺类化合物、氨基酸类化合物、生物碱类化合物、无机化合物和超过12个碳原子的饱和直链脂肪酸、醇、酯。

（2）成分自身的安全性原则

剔除稠环芳烃及其衍生物、无稠环芳烃、芳香胺类化合物、脂肪胺类化合物、亚硝胺类化合物、重氮和偶氮化合物、农药成分、硝基化合物、醌类化合物、卤代烃及其衍生物、邻苯二甲酸类化合物、8种低分子量醛酮（甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、巴豆醛、丙烯醛、丙酮、丁酮）、甲酚、香豆素、丙烯酸甲酯、4类杂环化合物（呋喃、咪唑、喹啉、联吡啶）及其烃基衍生物。

（3）卷烟加香使用规范性原则

筛选出GB 2760—2014［11］和美国食品香料和萃取物制造商协会（FEMA，The Flavor and Extract Manufacturers Association of the United States）许可使用的添加剂成分。

挑选12名长期从事卷烟调香工作、具有丰富感官分析经验的人员组成固定的感官评价小组。小组成员根据文献［12-13］收集香气特征的描述性术语，参考描述性术语结合自身经验和联想，使用闻香纸对候选成分的嗅香特征进行感官描述，最终从中确定卷烟烟气焦甜、奶香和豆香特征成分组群。

1.2.2 卷烟主流烟气粒相物焦甜、奶香和豆香成分定量分析

按ISO 3308:2012［14］和GB/T 19609—2004［15］规定的方法抽吸烟支并收集制备主流烟气粒相物；取2片各收集有5支卷烟烟气粒相物的剑桥滤片置于50 mL具塞锥形瓶中，加入20 mL丙酮及内标，室温振荡30 min，上清液用滤膜过滤。取2 mL滤液，进行GC/MS分析，每个样品测定2次取平均值。分析条件：

色谱柱：DB-WAXetr毛细管柱（60 m×0.25 mm×0.25µm）；载气：He；柱流量：1 mL/min；进样口 温 度：250℃；程 序 升 温：50℃（0 min）250℃（10 min）；不分流模式；GC/MS传输线温度：250℃；电离方式：EI；离子源温度：230℃，四极杆温度：150℃；电子能量：70 eV；扫描模式：选择离子扫描，根据保留时间划分时间段。待测化合物（不包括2-氧代丁酸和巴豆酸）保留时间、定性及定量离子的参数选择见表2。

表2 36种待测化合物及内标的保留时间和选择离子Tab.2 Retention times,quantitative ions and qualitative ions of 36 analytes and the internal standard

表2（续）

2-氧代丁酸和巴豆酸为有机酸，参照文献［16-17］的报道：取2片各收集有5支卷烟烟气粒相物的剑桥滤片置于50 mL具塞锥形瓶中，加入25 mL二氯甲烷以及反式-3-己烯酸（内标），室温下超声萃取20 min，上清液用滤膜过滤。取滤液约1.5 mL于2 mL色谱瓶中，加入70μLN,O-双（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA），在60℃水浴中反应（衍生化）50 min，冷却至室温后进行GC/MS分析，每个样品测定2次，取平均值。分析采用DB-5MS毛细管柱（60 m×0.25 mm×0.25μm），程序升温采用℃（3 min），分流比采用5∶1，待测化合物保留时间、定性及定量离子的参数选择见表3，其余参数同前述分析条件。

1.2.3 香韵成分阈值测定及OAV计算

感官评价小组依据GB/T 22366—2008［18］中针对最优估计阈值（Best estimate threshold,BET）法测定风味物质阈值的描述，采用三点选配法（Three-alternative forced-choice method,3-AFC法）测定香韵成分在乙醇中的嗅觉阈值。以成分在单支卷烟烟气中的释放量与实测总粒相物的比值作为该成分在粒相物中的质量分数；以成分在粒相物中的质量分数与嗅觉阈值之比作为该成分的OAV［17,19］。

表3 2-氧代丁酸、巴豆酸和内标的保留时间及选择离子Tab.3 Retention times,quantitative ions and qualitative ions of 2-ketobutyric acid,crotonic acid and the internal standard

2 结果与讨论

2.1 卷烟烟气焦甜、奶香和豆香特征成分组群的确定

本研究中组织感官评价团队，在充分参考《食用 香料 手册》［12］和《Fenaroli’s handbook of flavor ingredients》［13］中关于香气特征描述的基础上，对351种候选成分逐一进行嗅香评价，最终确定了包括18种焦甜香化合物、15种奶香化合物和5种豆香化合物的卷烟烟气特征成分组群（表4）。焦甜香特征成分组群主要包含环戊二酮类、呋喃类、呋喃酮类和吡喃酮类化合物，部分成分在表现出焦甜香的同时还兼具烘烤香、坚果香等特征；奶香特征成分组群主要包含邻二酮类、香兰素类和内酯类化合物，香气特征主要表现为奶香和甜香；豆香特征成分组群主要包含香豆素类和内酯类化合物。值得注意的是2-氧代丁酸和巴豆酸虽然属于典型的有机酸，但香气评价结果显示其分别具有焦甜香韵和奶香香韵，并不表现出酸香特征。

表4卷烟烟气焦甜、奶香和豆香特征成分组群Tab.4 Components with burnt-sweet,creamy and bean aroma characteristics in cigarette smoke

2.2 主流烟气焦甜、奶香和豆香特征成分组群的分布

表5和表6分别为9种市售品牌成品卷烟主流烟气焦甜、奶香和豆香特征成分组群的单支卷烟释放量和在粒相物中的质量分数。可知，各成分单支释放量的分布呈现一定的相似性：3种类型卷烟主流烟气中，单支释放量最高的成分均为羟基丙酮、丁二酮、甲基环戊烯醇酮和4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮等；单支释放量最低的成分均为四氢糠醇、2,3-庚二酮和γ-庚内酯等。对比不同类型卷烟主流烟气中各成分的单支释放量可以看出，常规焦油烤烟型卷烟普遍高于低焦油烤烟型和常规焦油混合型，常规焦油混合型卷烟略高于8 mg低焦油烤烟型卷烟，焦油降低使各香韵成分单支释放量明显下降。

表5 9种卷烟样品主流烟气中焦甜、奶香和豆香香韵特征成分的单支释放量Tab.5 Releases of components with burnt-sweet,creamy and bean aroma note characteristics in mainstream smoke of 9 cigarette samples（μg·支-1）

表6焦甜、奶香和豆香特征成分组群在9种卷烟主流烟气粒相物中的质量分数Tab.6 Contents of components with burnt-sweet,creamy and bean aroma characteristics in TPM of mainstream smoke of 9 cigarette samples （μg·g-1）

对比常规焦油和低焦油烤烟型卷烟主流烟气粒相物中各成分的质量分数可以看出，低焦油卷烟主流烟气粒相物中，各成分质量分数并未随其单支释放量及焦油量的下降而明显降低，部分成分质量分数还略高于一些常规焦油烤烟型卷烟；混合型卷烟各成分的质量分数明显低于烤烟型卷烟。

2.3 焦甜、奶香和豆香特征成分组群对卷烟烟气的贡献度

食品风味分析中常用香气或味觉活性值（Odor/Taste activity value，OAV/TAV）判定化合物对食品香味的贡献大小［20-21］。OAV（TAV）是指风味体系内香气（味觉）物质的浓度与其嗅觉（味觉）阈值的比值。因此可以粗略地认为，OAV（TAV）＞1的成分对体系有香味贡献，其值越高，贡献度越大；而OAV（TAV）＜1的成分对体系香味贡献则可以忽略［22］。就卷烟烟气而言，利用OAV可评估不同香气物质对卷烟香气特征的贡献程度，筛选出对卷烟香气特征起关键作用的物质［17,19,23］。基于此，测定了38种成分的嗅觉阈值，结合各成分在9种卷烟主流烟气粒相物中的质量分数，计算了相应的OAV（表7），根据OAV的高低判定18种焦甜香成分、15种奶香成分和5种豆香成分对卷烟烟气的贡献度大小。

38种卷烟焦甜香、奶香和豆香成分中，OAV最高的依次为4-羟基-2,5-二甲基-3（2H）-呋喃酮、3,4-二甲基-1,2-环戊二酮和丁二酮，均超过1 000。对卷烟焦甜香而言，18种成分中OAV较高的均为4-羟基-2,5-二甲基-3（2H）-呋喃酮、3,4-二甲基-1,2-环戊二酮、甲基环戊烯醇酮和乙基环戊烯醇酮，其OAV加和占所有成分OAV加和的90%以上，是构成烟气焦甜香韵的关键成分；15种奶香成分中，OAV较高的依次为丁二酮、乙基香兰素和香兰素，其OAV均远高于其他成分，是构成烟气奶香香韵的关键成分；5种豆香成分中，6-甲基香豆素和二氢香豆素的OAV较高，是构成烟气豆香香韵的关键成分。从OAV概念和计算公式来看，仅以物质质量分数的高低并不能评估其香气贡献度，还必须考虑相应的嗅觉阈值：虽然羟基丙酮的单支释放量和质量分数很高，但其嗅觉阈值也较高，其OAV并不高，对奶香的贡献不突出；相反，乙基香兰素的质量分数较低且其嗅觉阈值也较低，其OAV较高，对奶香的贡献较为明显。另一方面，3种香韵中焦甜香成分的OAV加和最高，奶香比焦甜香低了一个数量级，而豆香比奶香又低一个数量级，说明3种香韵中，焦甜香对卷烟烟气的贡献权重最大，奶香次之，豆香最小。

表7焦甜、奶香、豆香特征成分组群的嗅觉阈值及其在9种卷烟主流烟中的香气活性值Tab.7 Olfactory thresholds of components with burnt-sweet,creamy and bean aroma characteristics and their OAVs in mainstream smoke of 9 cigarette samples

表7（续）

3 结论

①依据2013年Rodgman和Perfetti统计的烟草烟气化学成分名单，经系统筛查及嗅香特征评价获得了卷烟烟气中焦甜、奶香和豆香特征成分组群，其中包含18种焦甜香化合物、15种奶香化合物和5种豆香化合物。②采用GC/MS对38种成分在卷烟中的分布特征进行了考察，不同类型卷烟释放量较大的成分均为羟基丙酮、丁二酮、甲基环戊烯醇酮和4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮等，混合型卷烟主流烟气中38种成分的总释放量显著低于烤烟型卷烟。③通过OAV明确了各成分组群对卷烟烟气的感官贡献，3种香韵中，焦甜香对卷烟烟气的贡献权重最大，其关键成分为4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮、3,4-二甲基-1,2-环戊二酮、甲基环戊烯醇酮和乙基环戊烯醇酮；奶香次之，其关键成分为丁二酮、乙基香兰素和香兰素；豆香最小，其关键成分为6-甲基香豆素和二氢香豆素。