温度对加热卷烟酸性成分释放的影响

邓其馨，陈 辉，林 艳，张廷贵，郑泉兴，赖炜扬，马鹏飞，蓝洪桥，刘泽春，谢 卫

福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建省厦门市集美区滨水路298号 361021

近年来，加热卷烟在国外市场快速发展，菲莫国际等国外烟草巨头对其研发投入不遗余力，国内卷烟工业企业也加大了对加热卷烟产品的研发力度［1-6］。加热卷烟与传统卷烟的显著差异是加热温度不同，传统卷烟的燃烧锥温度在950℃左右，卷烟烟丝发生了蒸馏、裂解、燃烧等复杂的化学反应［7-9］，而加热卷烟的加热温度大多在400℃以下［10-12］，这也导致两种卷烟产品的感官特征及烟气组成存在明显差异。酸性成分是卷烟，特别是中式烤烟型卷烟烟气中一类重要的香味成分［13-16］，不仅与烟气pH有关，而且能改善烟气的吃味，增加舒适性和醇和度，减少刺激性，改善香味品质［17-19］；此外，在电子烟中还有调控烟碱形态，降低呛刺感，平顺烟气等作用［20］。因酸性成分的沸点大多低于400℃，且烟叶中的有机酸有游离态和结合态两种形态［21］，加热温度可能对不同形态有机酸的释放影响较大。目前关于加热卷烟酸性成分释放的研究鲜见报道。鉴于此，本研究中主要考察加热卷烟酸性成分释放特征及加热温度对其的影响，旨在为加热卷烟产品设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

3种加热卷烟样品A、B、C均为商品化加热卷烟成品，A、C自身配套的加热烟具是中心针式加热，B自身配套的加热烟具是中心片式加热，A、C的程序升温范围为350～400℃，B的程序升温范围为360～400℃。1种市售烤烟型传统卷烟成品（由福建中烟工业有限责任公司提供，盒标焦油量为10 mg/支、烟气烟碱释放量为1 mg/支、烟气CO释放量为11 mg/支）。

N，O-双（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA，AR）（美国AccuStandard公司）；异丙醇、二氯甲烷（色谱纯）、乙酸苯乙酯（AR）以及酸性成分标样甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、2-甲基丁酸、3-甲基丁酸、戊酸、3-甲基戊酸、4-甲基戊酸、乳酸、己酸、2-呋喃甲酸、庚酸、苯甲酸、辛酸、壬酸、癸酸、棕榈酸、亚油酸、油酸、亚麻酸、硬脂酸和反-2-己烯酸（内标）（色谱纯，北京百灵威科技有限公司）。

7890/5975气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent公司）；SM450直线型吸烟机（英国Cerulean公司）；AG104型电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo公司）。

1.2 方法

1.2.1 传统卷烟和加热卷烟主流烟气粒相物中酸性成分的定量分析

将3种加热卷烟产品在温度（22±1）℃和相对湿度（60±2）%的环境中平衡48 h，分别利用各产品自带的加热装置收集烟气粒相物，具体参数：抽吸容量35 mL，抽吸持续时间2 s，抽吸间隔30 s，每支抽吸10口，每个剑桥滤片收集5支加热卷烟的主流烟气粒相物。传统卷烟采用ISO抽吸模式，具体参数：抽吸容量35 mL，抽吸持续时间2 s，抽吸间隔60 s，每支抽吸6口，每个剑桥滤片收集5支卷烟的主流烟气粒相物。参考前期研究所报道的方法［22-24］分析主流烟气中22种酸性成分。

1.2.2 加热卷烟烟草材料的酸性成分释放与加热温度的关系

参考文献［5］中报道的方法，利用实验室加热装置和烟气捕集装置分别在200、250、300、350、400℃下加热3种加热卷烟产品的烟草材料并收集烟气粒相物，抽吸参数与1.2.1节一致；利用前期研究中所建立的酸性成分定量分析方法［22-24］，分别测定各加热温度下粒相物中酸性成分的释放量。

1.2.3 加热卷烟酸性成分的迁移实验

将甲酸、乙酸、乳酸分别配制成10%（质量分数）水溶液，棕榈酸配制成1%（质量分数）乙醇溶液，分别利用微量注射器按照10μL/支的量注入3种加热卷烟中，即甲酸、乙酸、乳酸添加量为1 000μg/支，棕榈酸添加量为100μg/支。按照1.2.1节中的条件平衡48 h，采用1.2.2节的实验方法考察不同加热温度下加热卷烟酸性成分的释放量和迁移量。由于添加的酸性成分均为游离态有机酸，因此，本研究中主要考察游离态有机酸的迁移情况。

2 结果与讨论

2.1 传统卷烟与加热卷烟主流烟气粒相物酸性成分分析

传统卷烟和3种加热卷烟烟气中酸性成分的释放量见表1。从酸性成分的种类上看，在传统卷烟烟气中检出22种酸性成分，而在加热卷烟样品A、B中只检出15种，样品C中检出16种。从酸性成分的释放总量看，样品A、B、C分别为43.03、230.26、215.66 μg/支，明显低于传统卷烟酸性成分释放总量（392.36μg/支）。此外，由于加热卷烟的抽吸口数为10口，大于传统卷烟，因此单口酸性成分的释放量显著低于传统卷烟。

传统卷烟主流烟气中释放量较高的酸性成分为乙酸、亚麻酸、棕榈酸、甲酸、亚油酸和乳酸，加热卷烟主流烟气中释放量较高的酸性成分为乙酸、甲酸、乳酸和丙酸等小分子有机酸，以及高级脂肪酸棕榈酸。出现上述差异可能是与高级脂肪酸（如硬脂酸、油酸等）沸点较高，在温度较低时较难迁移进入主流烟气有关。这也说明在加热温度低于400℃时，通过向加热卷烟中添加香精香料等方式模拟传统卷烟的感官风格特征存在难度。

3种加热卷烟烟气中酸性成分释放量也存在明显差异。样品A的酸性成分释放总量明显低于样品B和C，其中，乙酸、甲酸、乳酸和棕榈酸的差异较为明显，戊酸、己酸、壬酸和癸酸的差异较小。说明可以通过向烟草薄片中添加酸性成分，或改变原料比例等方式调整加热卷烟主流烟气中酸性成分的释放量，进而影响烟气的感官质量及烟气pH等。

2.2 加热卷烟烟草材料的酸性成分释放随温度的变化规律

不同加热温度下3种加热卷烟烟气中酸性成分的释放量分别见表2～表4。可见，随加热温度的升高，主流烟气中22种酸性成分的释放总量明显增加，如样品C，当加热温度为400℃时，酸性成分释放量总量相较于200℃时增幅接近14倍。当加热温度不超过250℃时，样品A和B的烟气中未检出丙酸、2-甲基丁酸、3-甲基丁酸和3-甲基戊酸等。此外，加热温度对不同样品同一酸性成分释放量的影响也不相同，见图1。对于甲酸和乙酸，在相同温度下样品B和样品C的释放量差异不大，但在350℃和400℃时样品B和样品C的释放量明显高于样品A；对于乳酸，在相同温度下样品C的释放量大于样品A和样品B；对于棕榈酸，在350℃和400℃时样品C的释放量明显大于样品B，样品B的释放量明显大于样品A。原因可能是3种加热卷烟的再造烟叶原料不同，有机酸的质量分数也不同。

图1 不同加热温度下3种加热卷烟主流烟气中4种酸性成分的释放量Fig.1 Releases of four acidic components in mainstream aerosol of three heated tobacco products at different heating temperatures

表2 不同加热温度下加热卷烟样品A的主流烟气中酸性成分的释放量①Tab.2 Releases of acidic components in mainstream aerosol of heated tobacco product sample A at different heating temperatures （μg·支-1）

表4 不同加热温度下加热卷烟样品C的主流烟气中酸性成分的释放量Tab.4 Releases of acidic components in mainstream aerosol of heated tobacco product sample C at different heating temperatures （μg·支-1）

表3 不同加热温度下加热卷烟样品B的主流烟气中酸性成分的释放量Tab.3 Releases of acidic components in mainstream aerosol of heated tobacco product sample B at different heating temperatures （μg·支-1）

随着加热温度的升高，加热卷烟烟气中不同酸性成分的释放量增长率存在差异，如图2所示。酸性成分释放量增长率的计算方法见公式（1）。由图2可知，3种样品烟气中甲酸、乙酸释放量的增长率在250～300℃温度段最大，均超过150%。样品A和样品B中棕榈酸释放量的增长率均在300～350℃温度段出现了峰值，样品C中棕榈酸释放量的增长率在250～300℃和300～350℃温度段相差不大，但均显著高于200～250℃和350～400℃。原因可能是棕榈酸的沸点为352℃，在沸点附近加热温度的变化对其释放量影响较大。样品B和样品C的乳酸释放量增长率在250～300℃温度段达到最大值，而样品A的乳酸释放量增长率则随着加热温度的升高持续增大。

图2 3种加热卷烟烟气中4种酸性成分释放量的增长率随加热温度的变化Fig.2 Increasing rates of releases of four acidic components in mainstream aerosol of three heated tobacco products at different heating temperatures

2.3 不同加热温度下加热卷烟酸性成分迁移规律

向3种加热卷烟中添加甲酸、乙酸、乳酸和棕榈酸（甲酸、乙酸和乳酸的添加量均为1 000μg/支，棕榈酸的添加量为100μg/支）后，考察不同加热温度下烟气中4种酸性成分的释放量和迁移量，结果见表5～表7。可能由于3种样品均为由混合后烟粉（复配烟粉，基质较为均匀，不同样品间的基质差异不明显）制备的加热卷烟再造烟叶，添加4种酸性成分后，在不同温度下的迁移量差异并不明显。当加热温度为200～300℃时，加热卷烟烟气中甲酸、乙酸和乳酸的释放量和迁移量快速增加，在300℃之后变化不明显。在200～350℃时，加热卷烟烟气中棕榈酸的释放量和迁移量快速增加，在350℃之后变化不明显。由于烟叶原料中的有机酸存在游离态和结合态两种形态，因此，300～400℃之间加热卷烟烟气中甲酸、乙酸和乳酸的释放量增加以及350～400℃之间棕榈酸的释放量增加可能大部分来自结合态有机酸的裂解释放［25-26］。

表5 不同加热温度下样品A添加酸性成分后主流烟气中酸性成分的释放量及迁移量①Tab.5 Release and migration amounts of acidic components in mainstream aerosol at different heating temperatures after adding acidic components to sample A （μg·支-1）

表7 不同加热温度下样品C添加酸性成分后主流烟气中酸性成分的释放量及迁移量Tab.7 Release and migration amounts of acidic components in mainstream aerosol at different heating temperatures after adding acidic components to sample C （μg·支-1）

图3为不同加热温度下3种加热卷烟中4种酸性成分的迁移率，迁移率的计算方法见公式（2）。由于甲酸、乙酸和乳酸的沸点较低，在加热温度为200～300℃时，加热卷烟烟气中甲酸、乙酸和乳酸的迁移率快速增加，在300℃之后变化不明显。棕榈酸沸点较高，当加热温度为200～350℃时，加热卷烟烟气中棕榈酸的迁移率快速增加，在350℃之后变化不明显。加热卷烟烟具的加热温度约在350～400℃之间，添加的游离态甲酸和乙酸的迁移率约为40%，乳酸的迁移率约为8%，棕榈酸的迁移率约为0.80%。加热卷烟有机酸的迁移率与其沸点相关，沸点越高，添加的游离态有机酸的迁移率越低。

图3 不同加热温度下3种加热卷烟中4种酸性成分的迁移率Fig.3 Migration rates of four acidic components in three heated tobacco products at different heating temperatures

表6 不同加热温度下样品B添加酸性成分后主流烟气中酸性成分的释放量及迁移量Tab.6 Release and migration amounts of acidic components in mainstream aerosol at different heating temperatures after adding acidic components to sample B （μg·支-1）

3 结论

①加热卷烟主流烟气中酸性成分的释放量和种类均低于传统卷烟，不同加热卷烟酸性成分的释放量也存在明显差异。②甲酸、乙酸和乳酸的释放量在加热卷烟主流烟气酸性成分中所占比例较大，当加热温度为200～300℃时，其释放量和迁移量快速增加，在300℃之后增幅减缓。在200～350℃时，棕榈酸的释放量和迁移量快速增加，在350℃之后增幅减缓。③加热卷烟游离态有机酸的迁移率与其沸点相关，沸点越高，迁移率越低。