活性炭滤嘴对卷烟主流烟气中香味成分截留规律的影响

胡超，吴东川，务文涛，吕阳波，宋凌勇，潘海洋，李志华，张峻松

1.广西中烟工业有限责任公司 技术中心，广西 南宁 530000；2.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450001

0 引言

活性炭作为一种吸附材料，因其表面疏松多孔的结构而具有较强的吸附性能[1-2]。向滤嘴中添加活性炭颗粒制成复合滤嘴是烟草行业内一种有效的“降焦减害”方式[2-6]。已有研究表明，活性炭复合滤嘴能有效改善卷烟吸味，有利于提升卷烟品质[7-11]，还能有效降低主流烟气中多种有害成分[12-15]。曾万怡等[16]的研究结果表明活性炭复合滤嘴能有效降低主流烟气中低分子醛酮类化合物含量；沈凯等[17]制备的活性炭复合滤嘴，在保持焦油量不变的情况下能有效降低主流烟气中氰化氢和巴豆醛含量。陈浩等[18]的研究表明，活性炭滤嘴对环戊烯酮类香味成分具有较高的吸附效率。朱景溯[19]发现活性炭复合滤嘴对烟丝中薄荷醇的吸附能力大于纯醋纤滤嘴。可见，活性炭颗粒在降焦减害的同时也会一定程度地吸附某些香味物质，从而影响卷烟吃味。

目前，关于活性炭滤嘴对主流烟气中各类香味成分截留规律的系统性研究仍相对较少。基于此，本文以活性炭滤嘴和普通滤嘴卷烟为研究对象，采用单因素试验优化活性炭颗粒、丝束中香味成分的萃取条件，利用气相色谱-质谱技术(GC-MS)对两种卷烟抽吸后的烟蒂及主流烟气中的香味成分进行检测分析，比较两种卷烟主流烟气中香味成分的差异性，以期明确活性炭滤嘴对卷烟主流烟气中香味成分的截留规律，进而为活性炭卷烟产品的进一步开发提供数据支撑。

1 实验方法

1.1 材料、试剂与仪器

主要材料：无水乙醇、正己烷，均为色谱纯，购于天津市大茂化学试剂厂；甲醇(色谱纯)、二氯甲烷(色谱纯)、乙酸苯乙酯(质量分数≥99%)，购于迪马科技有限公司。

主要仪器：SB-3200DT超声萃取仪，宁波新芝生物科技股份有限公司产；RM20 H转盘式吸烟机，德国Borgwaldt KC公司产；EL204电子天平，瑞士Mettler Toledo公司产；DHG-9145A电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司产；7890A/5977A气相色谱-质谱联用仪，美国安捷伦科技有限公司产。

卷烟：活性炭滤嘴卷烟烟支58 mm、烟丝端丝束10 mm、活性炭颗粒段6 mm、口腔端丝束10 mm、圆周24.5 mm，结构如图1所示；普通滤嘴卷烟烟支58 mm、醋纤滤嘴26 mm、圆周24.5 mm，除滤嘴外其他指标均与活性炭滤嘴卷烟一致，由广西中烟工业有限责任公司提供。

图1 活性炭滤嘴卷烟烟支结构

1.2 实验方法

1.2.1 溶液的配制剑桥滤片内标溶液：称取20 mg乙酸苯乙酯置于100 mL容量瓶中，使用二氯甲烷定容至刻度线，摇匀后得到乙酸苯乙酯质量浓度为0.2 mg/mL的剑桥滤片内标溶液。

活性炭颗粒内标溶液：称取2 g乙酸苯乙酯置于10 mL容量瓶中，使用适合活性炭颗粒中香味成分萃取的萃取剂定容至刻度线，摇匀后得到乙酸苯乙酯质量浓度为0.2 g/mL的活性炭颗粒内标溶液。

丝束内标溶液：称取3份20 mg乙酸苯乙酯,分别置于100 mL容量瓶中，使用无水乙醇、甲醇或正己烷定容至刻度线，摇匀后得到乙酸苯乙酯质量浓度为0.2 mg/mL的丝束内标溶液，用于丝束中香味成分的萃取。由于二氯甲烷易使醋纤丝束溶解，影响其他成分的定量结果，因此溶剂不再选择二氯甲烷。

1.2.2 香味成分萃取及条件优化按照标准《常规分析用吸烟机定义和标准条件》(GB/T 16450—2004)[20]的要求，利用吸烟机抽吸两种卷烟，用剑桥滤片收集卷烟的总粒相物，将抽吸后的活性炭滤嘴卷烟烟蒂的丝束与活性炭颗粒剥离，备用。

将剑桥滤片置于100 mL锥形瓶中，加入40 mL剑桥滤片内标溶液超声振荡萃取30 min，萃取完成后取1 mL萃取液过膜后进行GC-MS分析。

将剥离出的活性炭颗粒转移至50 mL锥形瓶中，加入一定量的萃取剂，在适宜温度下萃取一定时间，萃取完成后取10 mL的萃取溶液加入10 μL活性炭颗粒内标溶液，混合均匀后取1 mL过膜后进行GC-MS分析。采用单因素试验，分别使用不同的萃取剂(甲醇、二氯甲烷、无水乙醇或正己烷)进行萃取，加入不同体积(15 mL、20 mL、25 mL、30 mL、35 mL)的萃取剂，采用不同的萃取温度(15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃)，萃取不同的时间(15 min、20 min、25 min、30 min、35 min)，根据GC-MS分析结果确定最优萃取条件。

将剥离出的丝束置于150 mL锥形瓶中，加入一定量的萃取剂，在适宜温度下萃取一定时间，萃取完成后取1 mL萃取液过膜后进行GC-MS分析。采用单因素试验，分别使用不同的丝束内标溶液进行萃取，加入不同体积(40 mL、50 mL、60 mL、70 mL、80 mL)的萃取剂，采用不同的萃取温度(15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃)，萃取不同的时间(25 min、30 min、35 min、40 min、45 min)，根据GC-MS分析结果确定最优萃取条件。

1.2.3 GC-MS 分析条件GC分析条件：色谱柱为HP-5 MS(60 m×0.25 mm×0.25 μm)；载气为He，流量为1.0 mL/min；进样口温度为280 ℃；进样量为1 μL；分流比为5∶1。升温程序：初温50 ℃，保持2 min，以3 ℃/min的速率升温至100 ℃，保持10 min，再以5 ℃/min的速率升温至280 ℃，保持10 min。

MS分析条件：传输线温度为280 ℃；EI源电子能量为70 eV；电子倍增器电压为1750 V；扫描方式为全扫描；离子源温度为230 ℃；四极杆温度为150 ℃；溶剂延迟为5 min。

1.2.4 滤嘴对主流烟气中香味成分截留率的计算按照下式计算滤嘴对主流烟气中香味成分的截留率(E)。

式中，C0为活性炭颗粒中香味成分的含量；C1为主流烟气中香味成分的含量；C2为丝束中香味成分的含量。普通滤嘴卷烟中无C0项，计算时该项为0。

2 结果与讨论

2.1 香味成分萃取条件优化结果

2.1.1 活性炭颗粒中香味成分萃取条件优化结果分析活性炭颗粒中香味成分萃取方法的单因素试验结果如图2所示。由图2可知，二氯甲烷对活性炭颗粒中香味成分的萃取效率最高；随着萃取剂体积、萃取温度和萃取时间的增加，活性炭颗粒中香味成分的萃取效率均呈现先增加后降低的趋势。当以二氯甲烷为萃取剂，萃取剂体积为25 mL、萃取温度为25 ℃、萃取时间为25 min时，活性炭颗粒中香味成分的萃取效率最高，达273.8 μg/支。

图2 活性炭颗粒中香味成分萃取条件的单因素试验结果

2.1.2 丝束中香味成分萃取条件优化结果分析丝束中香味成分萃取方法的单因素试验结果如图3所示。由图3可知，无水乙醇对活性炭颗粒中香味成分的萃取效率最高；随着萃取剂体积、萃取温度和萃取时间的增加，丝束中香味成分的萃取效率均呈现先增加后降低的趋势。当使用无水乙醇为萃取剂，萃取剂体积为50 mL、萃取温度为30 ℃、萃取时间为35 min时，丝束中香味成分的萃取效率最高，达847.2 μg/支。

图3 丝束中香味成分萃取条件的单因素试验结果

2.2 卷烟各部位香味成分分析

2.2.1 活性炭颗粒中香味成分分析活性炭颗粒中香味成分种类及含量见表1。由表1可知，活性炭颗粒共截留17种香味物质，其中酮类6种，2-环戊烯酮含量最高，为36.06 μg/支，其次是甲基环戊烯醇酮，为16.03 μg/支；烯烃类7种，d-柠檬烯含量最高，为78.02 μg/支，其次是苯乙烯，为14.71 μg/支；醛类3种，含量最高的是糠醛，为26.89 μg/支，其次是5-甲基糠醛，为12.12 μg/支；醇类1种，为L-薄荷醇，含量为2.34 μg/支。结合各物质相对分子质量进行分析，发现活性炭颗粒截留物质的相对分子质量介于82.10～278.50之间，其中相对分子质量为82.10～138.25的香味成分较多，而对茄酮、新植二烯等相对分子质量相对较大的物质截留量较少，这可能是因为活性炭颗粒孔径较小，对小分子的物质具有更强的吸附作用[21-22]。

表1 活性炭颗粒中香味成分种类及含量

2.2.2 两种滤嘴丝束中香味成分分析活性炭滤嘴卷烟及普通滤嘴卷烟丝束中香味成分种类及含量如表2所示。由表2可知，两者检测出酚类、酮类、酯类、醛类、醇类、杂环类和其他类共7种类别的香味成分，其中截留酮类香味成分的总含量最高，活性炭滤嘴卷烟和普通滤嘴卷烟分别为257.50 μg/支和312.15 μg/支；其次是醛类，总含量分别为189.68 μg/支和222.92 μg/支，截留酯类香味成分最少，总含量分别为31.87 μg/支和41.58 μg/支。活性炭滤嘴卷烟和普通滤嘴卷烟丝束截留的7类香味物质中含量差别最大的物质分别是苯酚、甲基环戊烯醇酮、丙酮酸甲酯、糠醛、糖醇、3-甲基吡啶、新植二烯。普通滤嘴卷烟丝束对各类香味成分的截留量均大于活性炭滤嘴卷烟，可能是因为相比于活性炭卷烟的滤嘴，普通卷烟滤嘴多了约1/3的丝束，导致其对大部分香味成分的截留效果较活性炭滤嘴卷烟更明显。

综上所述，活性炭滤嘴对主流烟气中香味成分的截留效率明显低于普通滤嘴，说明向滤嘴中添加活性炭不会造成卷烟香气不足。

2.2.3 卷烟主流烟气粒相物中香味成分分析活性炭滤嘴卷烟及普通滤嘴卷烟主流烟气粒相物中香味成分种类及含量如表3所示,—表示未检测到。由表3可知，主流烟气中检测出酚类、酮类、酯类、醛类和其他类共5种类别的香味成分，活性炭滤嘴卷烟主流烟气粒相物中5种类别香味成分含量均高于普通滤嘴卷烟，其原因与活性炭滤嘴对大部分香味成分的截留量远低于普通滤嘴有关。各类物质中含量相差较大的分别是苯酚、DDMP、棕榈酸甲酯、5-羟甲基糠醛、d-柠檬烯、新植二烯。其中活性炭滤嘴卷烟主流烟气中并未检测出d-柠檬烯，可能是d-柠檬烯沸点低、挥发性强，一部分在燃吸过程中发生散逸，另一部分则被活性炭颗粒截留。

表3 活性炭滤嘴卷烟及普通滤嘴卷烟主流烟气粒相物中香味成分种类及含量

2.3 活性炭滤嘴对卷烟主流烟气中香味成分的截留规律分析

以主流烟气和丝束中共有的17种香味成分为指标，考查活性炭滤嘴和普通滤嘴对香味成分的截留率，结果见表4。由表4可知，两种卷烟滤嘴对主流烟气中17种香味成分的截留率范围分别为27.52%～87.63%和42.08%～91.65%，活性炭滤嘴截留率明显低于普通滤嘴卷烟，这与前文活性炭滤嘴对香味成分的截留量较低的结论一致。对比两种滤嘴对相对分子质量较大的新植二烯、棕榈酸和棕榈酸甲酯的截留率可知，相比于普通滤嘴，活性炭滤嘴对这3种物质截留率较低。新植二烯对烟气的直接作用是降低烟气刺激性、醇和烟气及增加青香韵；棕榈酸是烟叶中重要的香气前体物，其含量与卷烟香吃味品质呈正相关；棕榈酸甲酯能醇和烟气、增加甜感。这些物质对卷烟的感官品质均起到正面作用，若截留率较高会导致普通滤嘴卷烟香气的损失。

表4 活性炭滤嘴及普通滤嘴对主流烟气中香味成分的截留率

3 结论

本文以活性炭滤嘴卷烟、普通滤嘴卷烟为研究对象，考查了不同萃取条件对活性炭颗粒、丝束中香味成分含量的影响，结果表明以二氯甲烷作为萃取溶剂、萃取液体积为25 mL、萃取时间为25 min、萃取温度为25 ℃时活性炭颗粒对香味成分萃取效率较高；以乙醇作为萃取溶剂、萃取液体积为50 mL、萃取时间为35 min、萃取温度为30 ℃时丝束对香味成分萃取效率较高。利用GC-MS对两种卷烟抽吸后的烟蒂及主流烟气中的香味成分检测，发现活性炭颗粒截留的香味成分多为小分子易挥发的物质，这可能与活性炭孔径大小有关；活性炭滤嘴丝束对香味成分的截留量低于普通滤嘴，其原因可能是活性炭滤嘴卷烟相较于普通滤嘴卷烟要少1/3的丝束部分；活性炭滤嘴卷烟主流烟气粒相物中香味成分总含量略高于普通滤嘴卷烟，其中酚类物质和其他种类物质含量差异较大。活性炭滤嘴主流烟气中大多数香味成分的截留率均低于普通滤嘴，对17种特征香味成分的截留率范围分别为27.52%～87.63%和42.08%～91.65%，其中对大分子物质的截留率差异明显，而对小分子物质的截留率的差异相对较小。该研究结果可为活性炭在卷烟中的应用及活性炭滤嘴卷烟的进一步开发提供参考，后续可继续研究活性炭截留的香味成分对卷烟感官品质的影响。