多步逐级裂解技术研究卷烟燃时香味成分形成与温度之间的关系

罗昌荣，张 乾，印黔黔，曾令杰，王 兵，顾文博，谢雯燕

（1.上海烟草集团有限责任公司，上海 201315；2.上海牡丹香精香料有限公司，上海 201200）

卷烟燃吸过程主要存在3 个区域，分别为高温燃烧区、裂解蒸馏区和低温冷凝区。燃烧区位于烟支的前部，主要由炭化体组成，抽吸时，其温度变化范围为600～900 ℃。后面是裂解蒸馏区，温度变化范围为300～600 ℃。从裂解蒸馏区到烟支的末端称为低温冷凝区，烟气的温度由300 ℃降至室温[1-3]。在卷烟燃吸时，烟叶中的成分会发生干馏转移、裂解、裂解合成、聚合等复杂的物理和化学反应，最后形成烟气。因此，卷烟燃烧的温度、烟叶化学组成对卷烟香气和卷烟风格具有非常重要的影响。但是，卷烟燃烧温度对烟气化学成分的影响、烟叶化学成分和烟气化学成分之间的关系非常复杂，难以揭示清楚。

目前已有大量学者对卷烟燃吸机理、燃烧温度对烟气化学成分的影响以及卷烟化学成分和烟气化学成分之间的关系进行了研究[4-9]，其中裂解是最常用的技术手段，但是目前裂解技术大都采用恒温裂解、程序升温裂解[7，10]，不能很好地揭示裂解温度、化学成分和裂解产物之间的关系，其中的反应机理和变化规律难以得到真正的发现。基于此，采用多步裂解技术对烟叶进行逐级升温裂解，每一次裂解都是在前次裂解后残留的样品上进行，把每一步裂解的产物转移到气相色谱进行分离和质谱鉴定，因此可以更加真实和准确地推算烟叶裂解时形成的组分和温度之间的关系，对揭示卷烟燃吸时香味物质的形成规律具有良好的借鉴作用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

烟叶粉末：来自云南红河烟叶产区；裂解石英管及石英杆、石英棉（农残级）：美国CDS Analytical公司产品。

1.2 仪器与设备

CDS5250T 热裂解仪：美国CDS Analytical 公司产品；Agilent 7890-5975C 气相色谱-质谱联用仪：美国Agilent 公司产品；XP603S 分析天平：瑞士Mettler Toledo 公司产品。

1.3 实验方法

1.3.1 样品准备取裂解样品管一根，放入一根裂解石英杆于裂解管中，在中央位置装填适量石英棉（用量约1 mg，缠绕成团），称取2 mg 左右的烟草粉末样品置于石英棉上，再在样品上端装填1～2 mg石英棉并压实，防止样品被裂解时所使用的气流吹入裂解腔，然后将裂解管放入裂解仪中待裂解[11]。

1.3.2 烟叶的多步逐级裂解升温程序在样品不出裂解腔的情况下，对同一烟草粉末样品采取10步逐级裂解方式进行裂解，具体方法如下：

1）100 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升温至150 ℃并保持60 s；

2）150 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升温至200 ℃并保持60 s；

3）200 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升温至250 ℃并保持60 s；

4）250 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升温至300 ℃并保持60 s；

5）300 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升温至400 ℃并保持60 s；

6）400 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升温至500 ℃并保持60 s；

7）500 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升温至600 ℃并保持60 s；

8）600 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升温至700 ℃并保持60 s；

9）700 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升温至800 ℃并保持60 s；

10）800 ℃保持5 s，以150 ℃/s 升温至900 ℃并保持60 s。

1.3.3 烟叶的多步逐级裂解和GC-MS 条件裂解氛围：氧气和氮气体积比9 ∶91；裂解气流量：70 mL/min；阀箱温度：280 ℃；传输线温度：280 ℃；裂解产物捕集条件：采用冷阱捕集，冷阱温度-60 ℃；热脱附进样条件：将捕集阱温度由-60 ℃升至280 ℃，5 min 内完成脱附。色谱柱：DB-5MS 弹性毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；载气流量：1.0 mL/min；分流体积比：30∶1；升温程序：40 ℃（保持3 min），以5 ℃/min 升温至240 ℃，再以10 ℃/min 升温至280 ℃（保持10 min）；进样口温度：250 ℃；质谱传输线温度：280 ℃；离子源温度：230 ℃；四极杆温度：150 ℃；电离方式：电子轰击电离（EI）；电子能量：70 eV；扫描范围：m/z29～450；溶剂延迟时间：1.5 min。

1.3.4 裂解气相成分分析热裂解产物采用RTE积分方式，峰面积大于最大峰峰面积0.1%的予以积分，并应用质谱库进行检索定性。产物含量采用峰面积归一化进行计算，以两次平行测定的平均值为测定结果。

2 结果与讨论

2.1 烟草多步逐级裂解温度对挥发性和半挥发性组分形成的影响

2.1.1 150～200 ℃裂解从表1可知，烟叶在150 ℃时，只检测到尼古丁、烟碱烯、麦斯明和新植二烯，这时烟草中的化合物主要以蒸馏的方式挥发出来。尼古丁是烟草中一种主要的生物碱，主要以3 种形式存在，分别为游离态、单质子化和二质子化的尼古丁。绝大部分尼古丁是与有机酸以单质子化形式结合成盐而存在，比如单质子化的柠檬酸尼古丁和苹果酸尼古丁，而游离的尼古丁占总烟碱质量不到5%。在150 ℃裂解时，游离烟碱以蒸馏的方式转移到裂解产物中。这与前人的研究结论[12]非常一致，纯的尼古丁转移到气相的温度是135～150 ℃；并且利用热重测定尼古丁和乙酸尼古丁转移到气相的温度大约是110～125 ℃，当尼古丁和苹果酸的质量比为1.00∶0.56～1.00∶1.00 时，尼古丁转移到气相的温度为110～210 ℃，而尼古丁和苹果酸的质量比为1∶2时，转移到气相的温度大约是160～210 ℃。酒石酸尼古丁的降解温度为195～230 ℃。烟草样品中的尼古丁转移到气相中的温度大约是160～220 ℃。新植二烯是烟草中一种重要的烃类化合物，沸点是124～126 ℃，在该温度范围释放的是游离态的新植二烯。但在400～500 ℃裂解时也检测到新植二烯的存在，推断是烟叶中前体物植醇（phytol）的裂解所致，植醇脱水就可以形成新植二烯。实验中没有检测到烟草中其他香味化合物的存在，可能是因为样品量比较小（2 mg），分流比较高，导致游离的香味化合物相对较少。

表1 烟叶150 ℃主要裂解产物Table 1 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 150 ℃

从表2可知，在200 ℃以前，除了尼古丁、烟碱烯、麦斯明和新植二烯以外，未能检测到其他挥发性、半挥发性风味化合物，可能是烟叶通过蒸馏挥发出来的风味化合物的浓度比较低，或者是在150℃和200 ℃作用的时间不够长的缘故。

表2 烟叶200 ℃主要裂解产物Table 2 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 200 ℃

2.1.2 200～250 ℃裂解200～250 ℃裂解是质子化尼古丁裂解和碳水化合物初步降解阶段。由表3可知，当裂解温度达到250 ℃时，尼古丁的释放有非常明显地增长，可能因为烟草中结合态的尼古丁盐开始发生裂解，这从柠檬酸尼古丁盐和苹果酸尼古丁盐的裂解可以得到佐证。另外，其他生物碱，比如麦斯明、烟碱烯和2，3’-联吡啶又重新释放出来。但在250 ℃时进行裂解，没有检测到新植二烯，说明游离的新植二烯已经完全得到挥发[11]。

表3 烟叶250 ℃主要裂解产物Table 3 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 250 ℃

糖类降解形成的某些产物开始出现，如：2，3-二氢-3，5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、羟基麦芽酚、麦芽酚、糠醛、糠醇、2，5-二糠醛等。但5-甲基糠醛、5-羟甲基糠醛以及葡萄糖、果糖和蔗糖脱水形成的左旋葡萄糖酮、左旋葡聚糖、1，6-脱水-α-D-呋喃半乳糖、1，4：3，6-二脱水-α-D-吡喃葡萄糖等产物还没有形成，说明在200～250 ℃条件下，提供的热量只能供碳水化合物进行初步降解。烟草中碳水化合物降解的行为与葡萄糖和蔗糖单独降解行为有些不同[13]，葡萄糖和蔗糖单独降解时，在250 ℃尚未检测到降解产物，直至300 ℃时才检测到它们的降解产物。

烟草在250 ℃裂解时，检测到茄酮的存在，茄酮是烟草中一种非常重要的致香成分，是烟草中西柏烷类物质的降解产物，同时，西柏烷类物质在降解时还会形成茄醇、降茄二酮、螺岩兰草酮（solavetivone）和6-甲基-2，5-庚二酮等物质。

2.1.3 300～600 ℃裂解众所周知，香料物质的沸点基本在300 ℃以下。在250 ℃以前，采用多步逐级裂解技术主要是模拟烟草中自身香味物质的蒸馏和蒸发。在300～600 ℃，主要是模拟烟草中香味前体物质的裂解和裂解合成。从表1至表6可知，烟叶裂解形成的香味化合物主要发生在300～500 ℃，该温度区形成的香味化合物远远高于300 ℃以前产生的香味物质。150～250 ℃裂解所形成的总挥发性化合物的峰面积为150～600 ℃裂解所形成的总挥发性化合物峰面积的5.74%，150～300 ℃裂解所形成的总挥发性化合物的峰面积为150～600 ℃裂解所形成的总挥发性化合物峰面积的28.73%。这与Baker 的研究结果一致，其研究发现，在烟支点燃的过程中，当温度上升到300 ℃时，烟丝中的挥发性成分开始挥发而形成烟气；上升到450 ℃时，烟丝开始焦化；上升到600 ℃时，烟支被点燃并开始燃烧[2]。在300 ℃之前，只有尼古丁和其他生物碱等少数物质直接从烟丝转移到烟气中；在300～500 ℃时，烟丝中的许多物质，比如萜烯类、植物甾醇类（如豆甾醇）、石蜡类、糖类、氨基酸类、纤维素类等，在该温度区进行剧烈、复杂的化学反应（主要包括热分解、裂解合成、干馏、聚合、缩合等反应），形成了大量的挥发性、半挥发性物质，烟气中大约5 000个香味物质都是在燃烧区后端的裂解蒸馏区形成的，这是烟草香味物质形成的主要阶段。而燃烧区（600～900 ℃）是形成二氧化碳、一氧化碳、氢气、甲烷等简单气体的区域[11]。也就是说卷烟燃烧时，烟气中的香味物质只有5.74%来自烟叶中蒸馏的游离香味物质，绝大多数来自烟叶中前体物质的裂解。因此，决定烟叶抽吸风格的可能是烟叶裂解所产生的风味物质，而不是烟叶自身所含有的挥发性、半挥发性物质。

在300 ℃时，烟叶中碳水化合物裂解形成的糠醛、糠醇、5-甲基糠醛、2，3-二氢-3，5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮、5-羟基麦芽酚、5-羟甲基糠醛等产物开始增加。同时，巨豆三烯酮、3-羟基-β-二氢大马酮、3-氧代-α-紫罗兰醇开始产生，这些物质可能是烟草中的β-胡萝卜素、叶黄素以及类胡萝卜素类物质的脂肪酸酯在有氧条件下裂解所形成的。另外烟草中还存在月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、油酸、亚油酸和亚麻酸等长链脂肪酸，以及β-隐黄素、花药黄质、辣椒黄素、玉米黄质、紫黄素、辣椒红素等类胡萝卜素类物质的单酯或二酯。

400～500 ℃是烟叶裂解的主要阶段，也是碳水化合物裂解、氨基酸和香料前体物降解、美拉德反应最剧烈的阶段。该阶段形成了大量的金合欢基丙酮、香叶基丙酮、香叶醛、金合欢醛、金合欢醇等香味化合物，这些化合物是烟草中的无环异戊二烯类化合物（acyclic isoprenoids）在有氧条件下热降解所形成的，烟草中的无环异戊二烯类物质主要包括茄尼醇、植烯（phytene）和新植二烯等，这些物质在降解的过程中形成大量的中链酮类和醇类物质，比如6-甲基-5-庚烯-2-酮、香叶基丙酮、香叶醇、6-甲基-3，5-庚二烯-2-酮、法尼基丙酮、法尼醇等重要致香成分，这些物质可以赋予卷烟良好的清甜香韵[11]。另外，400～500 ℃有氧裂解形成了吡啶、吡咯、甲基吡啶、甲基吡咯等物质。这些物质可能是烟草中氨基酸和生物碱热裂解的产物[11]。

烟叶在600 ℃裂解时，则形成了大量的苯、甲苯、乙苯、二甲苯、萘以及其他稠环芳香类化合物，同时也形成了腈类物质。同时，烟草物质在600 ℃裂解，形成了大量的含氮杂环化合物，比如甲基吡啶、甲基吡咯、二甲基吡啶和二甲基吡咯类化合物等[11]。由于烟草中的尼古丁在400 ℃以前就已经完全裂解，脯氨酸在600 ℃以前也已经基本裂解完成，因此，烟叶在600 ℃裂解所形成的甲基吡啶、甲基吡咯、二甲基吡啶等含氮杂环化合物以及腈类化合物都可能来自烟草中蛋白质的降解。这与前人的研究相符合，研究者认为蛋白质存在3 个失重区，200～480 ℃、480～680 ℃和680～820 ℃[14]。而丙氨酸、亮氨酸和异亮氨酸等氨基酸在260～290 ℃左右就已经完成了绝大部分的裂解，但是脯氨酸在200～380 ℃完成第一次失重，第二次失重要持续到700 ℃左右。

表4 烟叶300 ℃主要裂解产物Table 4 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 300 ℃

续表4

表5 烟叶400 ℃主要裂解产物Table 5 Main volatiles of tobacco leaf pyrolyzed at 400 ℃

续表5

续表5

续表5

续表5

续表5

2.1.4 700～900 ℃裂解烟草在700～900 ℃的裂解，其温度相当于卷烟燃烧区的温度。在该温度区裂解，基本上没有新产物出现，也可能是裂解产生了简单气体，而这些气体组分在实验分析条件下得不到检测。这说明烟叶在600 ℃裂解后，基本上已经裂解完全，裂解后就剩下了碳，而在700、800 ℃和900 ℃裂解时，由于氧气的存在，碳与氧在700～900 ℃的高温下，形成大量气体，比如二氧化碳、一氧化碳、水、氢气、甲烷等化合物。这与前人的研究结论[5]一致，他们认为卷烟燃吸时，在燃烧区，氧与碳化的烟草进行反应形成了二氧化碳、一氧化碳和氢气等简单气体[11]。

3 结 语

利用多步逐级裂解技术可以很好地用来研究裂解温度对烟叶裂解所释放的挥发性和半挥发性物质的影响，从而可以用来揭示卷烟燃吸时所释放的物质与温度之间的关系和卷烟燃烧时的反应途径和机理。

在250 ℃以下裂解时，形成的香味物质的量很少，主要是游离的尼古丁、其他生物碱和新植二烯可以直接从烟叶蒸馏转移到烟气中。300～500 ℃是烟草中的碳水化合物、氨基酸、色素、色素长链脂肪酸酯、开链异戊二烯类、西柏烷类物质等前体物的裂解阶段，是绝大多数挥发性、半挥发性物质形成的主要温度区；烟叶在600 ℃裂解主要产物是苯系物、稠环芳烃和腈类物质，烟草在700～900 ℃裂解时，主要是碳化的烟草和氧燃烧形成二氧化碳、一氧化碳等简单气体。

多步逐级裂解技术表明：卷烟在燃烧时，自烟叶中蒸馏的游离香味物质只占很少一部分，绝大多数来自烟叶中前体物质的裂解。既然卷烟风格特征是由卷烟燃吸时产生的香味物质决定的，而燃吸所产生的香味物质绝大多数来自烟叶的裂解，蒸馏所产生的香味物质只占极少的一部分（5.74%），因此卷烟风格特征可能是由烟叶高温裂解所形成的物质决定，而不是取决于烟叶中存在的挥发性和半挥发性物质。