三段式加热传统卷烟烟气中主要成分的逐口释放行为研究

于 淼，卢凤菊，沈伯雄，陈潮先，黄富荣，刘 斌

（1.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401；2.深圳市你我网络科技有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

香烟释放的化学物质成分复杂，对吸烟者和被动吸烟者都有严重的健康危害。随着香烟管控条件愈来愈严格，新型烟草产品的研发和发展势在必行，其中加热不燃烧卷烟设备以较低温的加热方式（＜350 ℃）取代高温燃烧（600～900 ℃），可以减少有害烟气组分和致癌物的释放，进而降低对环境和个人的不利影响。其中烟碱是烟草中的主要生物碱，在烟草中约占生物碱总量的95%以上[1]，卷烟产品中除烟碱外其他生物碱含量都很低[2-3]。1，2-丙二醇和甘油等醇类化合物可以保持烟草的含水率，可以促进加热状态下的烟气释放，有研究证实甘油可以促进烟碱的分解释放[4]。加热不燃烧常规卷烟烟气中其他气溶胶物质包括各种致香物质，需对其烟气粒相物成分进行分析。

已有大量研究对常规卷烟、细支卷烟及电子烟烟液中的生物碱类和醇类化合物进行了检测分析。肯生叶等[5]采用IQOS中心加热方式，选取了6种不同口味的特制卷烟为实验材料，GC-TCD法同时测定了烟气中的水、烟碱、1，2-丙二醇和甘油。龚淑果等[6]以IQOS 中心加热和GLO 包围两段式加热的烟草器具为研究对象，对特制烟中逐口烟碱的释放行为进行了考察分析。目前加热不燃烧卷烟的相关研究文献主要集中在中心加热和两段式加热方面，且研究对象多数为特制烟。3种不同加热方式具有不同的特点，中心加热型同时加热整个烟体，由于发热体温度分布不均易导致烟草外缘烘烤不充分；包围两段加热型的加热均匀性优于中心加热；三段式加热从烟丝底部开始分段加热，使得各阶段的烟丝加热更加充分，有望成为加热不燃烧卷烟的技术发展方向。已报道的烟草中烟气粒相物的检测方法有：溶剂萃取-气相色谱法（GC）[7-10]、气相色谱串联质谱（GC-MS/MS）[11]、固相微萃取-气相色谱质谱法（SPME-GC-MS）[12-13]、液相色谱法（LC）[14-15]、超高效合相色谱法（UPC2）[16]、裂解-气相色谱法（PGC）[17-18]等，其中溶剂萃取-气相色谱法因其高灵敏度和精准性被广泛用于分析烟气粒相物中的生物碱和醇类化合物；气相色谱-质谱联用可同时测定多种香味物质。

以常规卷烟为材料、采用三段式加热方式分析逐口烟碱含量的研究鲜有报道，基于该现状，选择同一品牌、不同规格的3种常规卷烟，通过三段式的加热方式进行抽吸实验，分析烟气粒相物中烟碱、1，2-丙二醇和主要香味物质的逐口递送规律。实验方案采用智能型吸阻测试仪进行抽吸，玻璃纤维滤片捕集烟气粒相物，采用GC-FID对烟碱、1，2-丙二醇进行定性和定量分析，GC-MS对主要香味物质进行逐口检测分析，为加热不燃烧卷烟产品的进一步研发提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 仪器、材料和试剂

仪器：智能型吸阻测试仪（东莞弘为试验设备有限公司）；GC-2010plus气相色谱仪+FID检测器（日本SHIMADZU 公司）；GCMS-QP2020 气相色谱-质谱联用仪（日本SHIMADZU 公司）；Practum 电子天平（感量：0.0001 mg，德国Sartorius 公司）；玻璃纤维滤片（GB/T 16450，直径ø47 mm）；玻璃纤维滤片夹持器（内径ø47 mm）。

材料：国产加热不燃烧卷烟设备（购自深圳市你我网络科技有限公司）；市售同一品牌的3种常规卷烟样品，规格如表1所示。

试剂：烟碱（HPLC＞98%）；2-甲基喹啉（纯度＞98%）；1，2-丙二醇（AR）；甘油（AR）；1，4-丁二醇（AR）；异丙醇（HPLC），甲醇（色谱级），以上试剂均购自成都麦卡希有限公司。

1.2 国产加热不燃烧卷烟工作方式及抽吸方案

加热不燃烧卷烟的加热方式主要包括电加热型、燃料加热型和理化反应加热型等，国产加热不燃烧卷烟设备为电加热型卷烟，以常规卷烟为核心材料，对卷烟采用非插入式包裹的形式，将常规卷烟放进卷烟设备的金属筒内，以烟丝外缘到内部的方式电加热烟丝，热解卷烟，再经过特制的滤嘴过滤部分有害物质，达到刚好可以挥发烟碱和香味物质的目的。该加热装置的工作方式为外包围三段式加热，从烟丝底部开始分段加热，加热时间约为3.2 min，预热时间为25 s左右，各加热阶段的卷烟如图1所示。

图1 各加热阶段的卷烟样品Fig.1 Cigarette sample at each heating stage

参照ISO抽吸模式设置智能型吸阻测试仪参数：吸烟速率17.5 mL/s；每口容量35 mL；吸烟持续时间2 s；吸吐间隔3 s；为更直观地考察逐口释放量，将抽吸时间间隔60 s缩短至10 s。按照该吸烟机的条件进行抽吸，每支加热不燃烧卷烟抽吸15口。

1.3 样品前处理

准备15 个滤片夹持器、15 个锥形瓶（带瓶塞）和充足的玻璃纤维滤片，从1～15 对滤膜夹和锥形瓶进行编号，对应每口进行抽次，每抽吸一口更换一次滤片夹持器。为保证结果的精确性，每个样品抽吸50 支，即单口收集50 次，随后将捕集滤片放进相应的萃取溶液中。水浴恒温振荡器以25 ℃的温度振荡30 min，对萃取溶液依次进行GC-FID和GCMS分析。

1.3.1 烟碱和1，2 丙二醇的逐口检测

分别精确称取一定浓度的烟碱、1，2-丙二醇和甘油，按下列浓度范围建立待测物的标准工作曲线，烟碱的系列标准浓度范围为5 μg/mL、25 μg/mL、50 μg/mL、100 μg/mL、250 μg/mL。

1，2-丙二醇和甘油的系列标准浓度范围：2.5 μg/mL、12.5 μg/mL、25 μg/mL、50 μg/mL、125 μg/mL。GC-FID参数设置：升温程序为初温100 ℃，保持1 min，以15 ℃/min的速率升至220 ℃，保持6 min；进样口温度250 ℃；进样量1 μL，分流比25∶1；检测器温度275 ℃；载气为氦气，流速1.5 mL/min；尾吹气流量：氦气30 mL/min；空气450 mL/min；氢气40 mL/min。

1.3.2 主要香味物质的逐口检测

采用溶剂萃取结合气相色谱-质谱联用仪分析烟气粒相物中的主要香味成分，标准谱库检索方法定性。将逐口抽吸得到的玻璃纤维滤片依次放入甲醇萃取溶液中，振荡萃取30 min 后进行气相色谱/质谱分析。GC参数设置：升温程序为初温40 ℃，保持6 min，以20 ℃/min的速率升至230 ℃，保持4 min；进样口温度为250 ℃；进样量为1 μL，分流比为15∶1；载气为氦气，流量为1.5 mL/min。MS参数设置：离子源温度为230 ℃；接口温度为230 ℃；溶剂延迟时间1 min。

2 结果与讨论

2.1 烟碱和1，2-丙二醇的逐口测定分析

2.1.1 方法学评价

按照GC-FID 的条件，将五级标准工作溶液按浓度从小到大的顺序依次进行色谱分析，采用内标法进行线性回归分析，通过拟合得出烟碱、1，2-丙二醇和甘油的标准工作曲线（表2）。由表2可知在确定的线性浓度范围内，3种标准物的相关系数均大于0.999，满足检测需求。将最低浓度的混合标准溶液重复进样10次，烟碱、1，2-丙二醇和甘油的最低浓度分别为5 μg/mL、2.5 μg/mL和2.5 μg/mL，计算检测结果的标准偏差，将检测限和定量限分别定义为3倍和10倍的标准偏差。

采用标准加入法计算回收率，以标样中的烟碱、1，2-丙二醇和甘油浓度为基准，分别加入低、中、高3个浓度水平的标准品，每个水平进行5次平行测定，根据原含量、添加量和检测量计算加标回收率和相对标准偏差（RSD），见表2。

表2 3 种化合物的标准工作曲线、检测限、定量限及重复性Tab.2 Linear equation、LODs、LOQs and precision of three compounds

2.1.2 烟碱、1，2-丙二醇色谱峰定性

根据烟碱、1，2-丙二醇和甘油的标准物在色谱图上的停留时间确定3种待测物的位置。本方法采用弹性石英毛细管柱作为分离柱，由色谱图2a）～c）可以看出：该色谱柱可以很好的分离烟碱、2-甲基喹啉、1，4-丁二醇和1，2-丙二醇，峰位置无重合，峰形良好，分析时间较短，在15 min内可以检测完全。由标准物的色谱图可知，甘油的停留时间为（14.043±0.021）min，在3种加热不燃烧卷烟样品的色谱图中均未检测到甘油峰。为确定原因，采用同一卷烟样品，对燃烧卷烟得到的释放物进行检测，由图2d）可知，出现了甘油峰，说明卷烟产品本身含有甘油物质。因此经加热和燃烧2种方式对比分析可得到结论：该加热不燃烧卷烟装置的加热温度低于300 ℃，而常规燃烧卷烟的中心部位燃烧温度在700 ℃以上，可推测出该加热不燃烧卷烟装置的温度未达到甘油的沸点290.9 ℃，导致甘油在加热过程中的释放受阻。

图2 加热不燃烧卷烟样品及燃烧卷烟的色谱图Fig.2 Chromatograms of heat-not-burn cigarettes samples and burning cigarette

2.1.3 样品GC-FID 检测分析

应用方法对加热不燃烧卷烟主流烟气中的烟碱、1，2-丙二醇进行逐口含量检测，为保证结果的精确性，每组抽吸实验分别平行进行3次。检测结果表明：1）每次实验中均检测出了烟碱和1，2-丙二醇，均未检测出甘油，其中烟碱、1，2-丙二醇的单支含量经合计分别为0.4318～0.521 6 mg/支、0.236 8～0.322 2 mg/支，与烟碱的盒标值相比，三段式加热方式起到了降低烟碱含量的作用；2）由图3a）可以得出：烟碱的逐口释放规律一致，3种样品均在第7口出现峰值，分别为0.0606 mg/口、0.0569 mg/口、0.0556 mg/口；3）由图3b）可以得出：3种样品释放的1，2-丙二醇逐口传递规律相同，在第1加热阶段（第1至第5口）和第2加热阶段（第6 口至第10 口）分别出现了1 个峰值，单口抽吸最大峰值出现在第8 口，分别为0.0313 mg/口、0.0258 mg/口、0.0238 mg/口；在第4 口均出现1 个较小的峰值，分别为0.0268 mg/口、0.0245 mg/口、0.0233 mg/口。

图3 烟碱、1，2-丙二醇逐口释放含量递送规律Fig.3 Variation of nicotine and 1，2-propanediol per puff release content

龚淑果等[6]以中心加热和包围两段式加热的特制烟草为实验对象，本研究以三段式加热的常规卷烟为研究目标，两者进行对比分析。从总体传递规律的角度进行对比分析得到：三段式加热方式与中心加热方式的逐口烟碱递送规律基本一致，均呈现出先上升至峰值再下降的趋势，峰值均在第7口出现；与包围两段式加热的逐口烟碱释放规律有明显差异。中心加热型的单口峰值浓度高于0.08 mg；包围两段式加热的单口峰值浓度在0.05～0.06 mg之间；本实验中三段式加热型的单口峰值浓度在0.0483～0.0569 mg之间，通过烟碱释放量比较得出：以常规卷烟为对象，采用三段式加热的方式可以切实降低烟碱含量。

2.2 其他主要烟气粒相物的逐口测定分析

2.2.1 主要香味物质

将滤片上的粒相物萃取到捕集溶液中，对烟气粒相物中主要的香味物质进行气相色谱-质谱分析。如图4所示，主要的香味物质分离良好，通过标准谱图检索对几种代表性香味物质进行逐口释放行为分析，如5-羟甲基糠醛、3-哌啶醇、蜜二糖、甘油醋酸酯、戊酸、叶绿醇以及酞酸等。

图4 主要香味物质的色谱图Fig.4 Chromatogram of the main particles

2.2.2 主要香味物质的逐口释放递送规律

对香味物质的逐口变化规律进行综合分析，3种样品测得的的香味物质峰面积具有显著差异，香味物质综合峰面积从大到小依次为：样品1＞样品2＞样品3，如图5所示。由烟气粒相物中各香味物质的峰面积可以得出规律：同一品牌的3种不同规格卷烟各香味物质逐口递送规律基本一致，其中5-羟甲基糠醛的峰面积最大，呈现出先升高后降低的趋势；叶绿醇和甘油醋酸酯峰面积居中，呈现出两段先上升后下降的趋势；其余香味物质峰面积均较小，酞酸呈现出上升的趋势，3-哌啶醇、戊酸和蜜二糖的逐口递送规律比较持平，有细微的上升趋势。

图5 主要香味物质逐口变化规律Fig.5 Variation of the main aroma particles per puff release

3 结论

以同一品牌、不同规格的常规卷烟为实验材料，通过三段式加热的方式考察烟气粒相物中的主要成分。采用GC-FID结合双内标法的检测方法，检测出各物质的色谱峰分离良好，研究表明：所有样品中均检测出了烟碱和1，2-丙二醇，均未检测出甘油。3种样品中的烟碱逐口释放规律呈现先上升至峰值再下降的趋势；1，2-丙二醇呈现出两阶段先上升再降低的趋势，其中烟碱检测量显著低于烟碱盒标量。采用GCMS测定主要香味物质，随着抽吸口数的递进，主要香味物质的大致趋势均为先上升后下降，其中5-羟甲基糠醛占比最大，3-哌啶醇、戊酸、蜜二糖和占比较小，这5种香味物质大致趋势均为先上升后下降；叶绿醇和甘油醋酸酯占比居中，且表现为两段先升高再降低的趋势。甘油在卷烟样品中可以降低刺激性并改善口感，本加热不燃烧卷烟未检测出甘油，可以从此处展开思考，进而对加热不燃烧卷烟产品的加热设备作进一步的优化。该三段式加热不燃烧卷烟的测定结果可作为加热不燃烧卷烟设备研发的参考数据。