毛文龙,朱梦薇,饶先立,徐如彦,梁淼,胡玉轩,石怀斌,郑晓云*
加热卷烟中酯类香料单体的转移行为
毛文龙1,朱梦薇2,饶先立1,徐如彦1,梁淼2,胡玉轩1,石怀斌1,郑晓云1*
1 江苏中烟工业有限责任公司,江苏南京 210019;2 郑州轻工业大学,食品与生物工程学院,河南郑州 450002
【目的】在加热卷烟香精调配中更加科学合理地使用酯类香料单体。【方法】采用气相色谱技术建立加热卷烟主流烟气中酯类香料的检测方法,研究酯类香料在加热卷烟抽吸前后的转移规律。【结果】①25种酯类香料的烟芯持留率、散失率、烟芯残留率、滤嘴截留率和烟气转移率分别介于6.33%~81.95%、13.12%~76.60%、3.86%~26.00%、6.47%~41.00%和3.03%~33.47%之间。②肉桂酸异戊酯、δ-十二内酯、γ-十二内酯、葫芦巴内酯、乙酸茴香酯和乙酸薄荷酯等6种香料的烟气转移率﹥30%,可为提升加热卷烟的香气丰富性提供支撑。③香料的沸点与烟芯持留率、烟气转移率、烟芯残留率和滤嘴截留率之间存在良好的正相关关系,与滤嘴迁移率、降温段迁移率和散失率之间存在负相关关系。④互为同系物或同分异构体的酯类香料随碳链增长、结构稳定性增强,在烟芯持留率和烟气转移率加大,环境散失率降低。
电加热卷烟;酯类香料;持留率;迁移率;转移率;截留率;散失率
加热卷烟是在低温条件下对烟草材料进行加热释放出香味物质、烟碱等成分,以满足吸烟者的生理需求[1-2]。相较于传统卷烟,加热卷烟虽然减少了烟草材料因高温燃烧裂解产生的有害成分,但卷烟的感官质量和满足感亦会有所降低,影响消费者对加热卷烟产品的满意度[3-4]。因此,进行加热卷烟香味成分增补研究显得尤为重要,其中通过香精香料进行补偿、修饰卷烟香味是一种重要手段[5-6]。目前,国内已对单体香料在加热卷烟中的释放行为开展了一系列基础研究,郑峰洋等[7]以自制加热卷烟为载体,采用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分析方法,研究了焦甜香单体香料在两种添加量下的逐口转移规律。徐如彦等[8]采用气相色谱(GC)分析方法,研究了醇类香料单体在加热卷烟抽吸前后的转移规律。
酯类香料是烟草制品常添加的香料之一,通常具有果香、花香、酒香[9],其中内酯类香料具有典型奶香和花果香气[10],混合酯类香料可赋予卷烟优美的特征香味[11],使烟草香味柔和,改善卷烟烟气的吃味[12]。但酯类香料单体在加热卷烟中的转移行为尚未见报道。为此,本文以25种酯类香料单体为研究对象,测定加热卷烟中的烟芯持留率、迁移率和散失率,以及抽吸后酯类香料单体向主流烟气粒相物中的转移率、烟芯残留率和滤嘴截留率,有利于丰富香料单体基础研究数据库,为酯类香料单体在加热卷烟烟芯香原料的选择和香精的调配提供理论基础和数据支撑。
肉桂酸甲酯、肉桂酸丙酯、肉桂酸异戊酯、γ-己内酯、γ-庚内酯、γ-癸内酯、δ-癸内酯、γ-十二内酯、δ-十二内酯、异戊酸丁酯、异戊酸乙酯、戊酸异戊酯、戊酸戊酯、乙酸异戊酯、乙酸戊酯、丁酸异戊酯、丁酸戊酯、乙酸香叶酯、乙酸芳樟酯、乙酸苯乙酯、乙酸薄荷酯、乙酸茴香酯、葫芦巴内脂、邻氨基苯甲酸甲酯、二氢茉莉酮酸甲酯、苯乙酸苯乙酯(内标)(色谱纯,百灵威科技有限公司);二氯甲烷(色谱级,迪马科技有限公司);无水乙醇、正己烷、异丙醇(色谱级,天津大茂化工试剂厂)。
RM20H型转盘式吸烟机(德国博瓦特凯西公司);7890B型气相色谱仪(美国Agilent公司);SB-3200DT型恒温恒湿箱(德国弗兰茨宾德有限公司);HZQ-F160型全温振荡培养箱(苏州培英实验设备有限公司);EL204型电子天平(感量0.0001 g,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)。
加热不燃烧卷烟[(12 mm烟芯+8 mm中空+15 mm特殊材料+10 mm醋纤滤嘴)×圆周22 mm](江苏中烟工业有限责任公司),烟支结构见图1;使用烟具为iQOS 3 MULTI。
图1 加热卷烟烟支结构组成示意图
配制以异丙醇为溶剂、质量浓度为36.2 μg/mL苯乙酸苯乙酯的内标溶液。准确称取一定质量的各酯类香料标品于容量瓶中,用内标溶液逐级稀释,得到质量浓度为0.972、1.94、3.89、7.78、13.0、21.6、36.0、60.0 µg/mL的系列标准工作溶液。
筛选平均重量偏差±30 mg范围内的空白加热卷烟烟支作为试验烟支。分别精确称取25种酯类香料单体0.0500 g(精确至0.0001 g),用异丙醇定容至10 mL,摇匀,作为加香溶液。采用中心注射法向空白烟支中注入加香溶液,每支卷烟注射量为10 μL(烟支的香精添加量为烟芯质量的0.5%)。然后在密封袋内于恒温恒湿(22℃±2℃,RH60%±5%)环境放置48 h。
1.4.1 加香加热卷烟贮存期间酯类香料的分析
随机抽取加香加热卷烟和筛选后的空白加热卷烟各6支,迅速将烟支分为烟芯段、降温段和滤嘴段,将三段剥离后分别转移至50 mL锥形瓶中,各加入12 mL含36.2 μg/mL苯乙酸苯乙酯(内标)的异丙醇溶液,分别超声萃取20 min,将萃取液过膜后进行GC分析。
1.4.2 加香加热卷烟抽吸后酯类香料的分析
随机抽取加香加热卷烟和筛选后的空白加热卷烟各6支,按照加拿大深度抽吸模式(HCI)的标准要求[13]使用RM20H转盘式吸烟机进行抽吸。抽吸参数:抽吸容量55 mL、持续时间3 s、抽吸间隔30 s、抽吸11口,用直径44 mm的剑桥滤片捕集加热卷烟的气溶胶,保留烟支。抽吸结束后,分别将捕集烟气的剑桥滤片、滤嘴以及烟芯分别转移至50 mL的锥形瓶中,分别加入12 mL含36.2 μg/mL苯乙酸苯乙酯(内标)的异丙醇溶液,将剑桥滤片摇床振荡20 min、烟芯和滤嘴超声萃取20 min,所得萃取液分别过膜后进行GC分析。
1.5.1 贮存过程中持留率、迁移率、散失率测定
式中:Y1为烟芯持留率,%;Y2为滤嘴迁移率,%;Y3为降温段迁移率,%;Y4为散失率,%;m为外加香料量,µg/支;m0为空白卷烟烟芯中的香料量,µg/支;m1为加香卷烟烟芯中香料量,µg/支;m2为空白卷烟滤嘴中的香料量,µg/支;m3为加香卷烟滤嘴中香料量,µg/支;m4为空白卷烟降温段中香料量,µg/支;m5为加香卷烟降温段中香料量,µg/支。
1.5.2 抽吸过程中烟气转移率、烟芯残留率及滤嘴截留率测定
式中:Y5为主流烟气粒相转移率,%;Y6为滤嘴截留率,%;Y7为烟芯残留率,%;M0为空白卷烟主流烟气粒相物中香料量,µg/支;M1为加香卷烟主流烟气粒相物中香料量,µg/支;M2为空白卷烟抽吸后滤嘴中香料量,µg/支;M3为加香卷烟抽吸后滤嘴中香料量,µg/支;M4为空白卷烟抽吸后烟芯中香料量,µg/支;M5为加香卷烟抽吸后烟芯中香料量,µg/支;m为外加香料量,µg/支。
GC条件:色谱柱:HP-5MS毛细管柱(30 m ×0.25 mm ×0.25 μm);进样口温度:250℃;检测器(FID)温度:280℃;载气:氦气(≥99.999%),柱流速为1.0 mL/min;分流比:15:1,进样量:1 μL;升温程序:50℃(保持2 min),24℃/min升到102℃,再以4℃/min升到148℃,再以0.5℃/min升到150℃,再以4℃/min升到164.4℃,再以0.1℃/min升到165.6℃,再以4℃/min升到176.4℃,再以3℃/min升到184.4℃,再以4℃/min升到248℃(保持10 min)。
所有统计分析均应用Origin 2019软件和SPSS 21软件进行,对香料沸点和转移行为测定结果进行相关性分析,计算皮尔逊相关系数,并计算香料转移行为测定结果之间的线性相关性方程。
按照1.4.2节的方法,分别依次考察不同萃取溶剂种类、萃取方式、萃取时间、萃取液体积对酯类香料单体萃取效果的影响,结果见图2。其中异丙醇溶剂对酯类香料的萃取效果最佳,萃取方式为摇床振荡、萃取时间为20 min、萃取液体积为12 mL时,对所选25种酯类香料的萃取量均达到最大值,因此前处理条件选定为萃取溶剂为异丙醇、萃取方式为摇床振荡、萃取时间为20 min、萃取液体积为12 mL。
2.2.1 工作曲线、精密度、检出限、定量限
标准工作溶液进行GC分析,横坐标为各酯类香料单体与内标物的峰面积比,纵坐标为其浓度比,作各酯类香料单体的标准工作曲线,并计算5次重复试验的相对标准偏差(RSD),结果见表1。结果显示,25种酯类香料单体在质量浓度0.972~60.0 μg/mL范围内线性良好(R≥0.9991),检出限为0.04~0.23 μg/mL,定量限为0.13~0.76 μg/mL,RSD值为0.97%~3.58%,该方法重复性较好。
表1 25种酯类香料单体的线性方程、相关系数、RSD、检出限和定量限
Tab.1 Linear equation, correlation coefficient, RSD, detection limit and quantification limit of 25 kinds of ester flavor monomers
注:检出限按最低浓度的标准偏差的3倍计算,定量限按最低浓度的标准偏差的10倍计算。
Note: The detection limit is calculated by 3 times the standard deviation of the lowest concentration, and the quantification limit is calculated by 10 times the standard deviation of the lowest concentration.
2.2.2 溶液稳定性与加标回收率
向混合香料溶液中加入内标物制备各酯类香料质量浓度为50.0 μg/mL的混合溶液,在室温条件下放置0、4、6、8、10、24 h后进样测定,计算各酯类香料单体与内标物的峰面积比,考察溶液稳定性。以3份加香加热卷烟样品为研究对象,分别加入低、中、高3个不同浓度水平的混标溶液,测定不同加标水平下的回收率。结果见表2,25种酯类香料单体的溶液稳定性RSD为0.69%~4.92%(n=3);平均回收率为95.23%~114.12%(n=3),可见样品溶液在24 h内稳定,且该方法回收率较高,适用于加热不燃烧卷烟剑桥滤片中酯类香料单体的测定。
表2 25种酯类香料单体的溶液稳定性和加标回收率测定结果
Tab.2 Determination of solution stability and recovery rate of 25 kinds of ester flavor monomers
续表2
名称溶液稳定性RSD/%低水平中水平高水平 回收率/%RSD/%回收率/%RSD/%回收率/%RSD/% 戊酸戊酯3.13103.451.62106.450.6499.131.61 乙酸芳樟酯0.69104.231.71104.780.55105.231.55 乙酸苯乙酯1.38105.231.61101.451.3299.780.61 乙酸薄荷酯1.46100.550.9197.882.1196.230.52 邻氨基苯甲酸甲酯1.01104.121.30106.220.88106.820.64 乙酸香叶酯1.51111.231.11105.460.64114.121.21 肉桂酸甲酯1.0998.651.5199.560.81103.111.64 乙酸茴香酯1.29106.580.91100.450.61101.771.82 γ-癸内酯4.14103.211.61104.230.71107.561.45 δ-癸内酯1.3497.252.11107.921.2296.181.31 肉桂酸正丙酯2.27103.560.81102.452.15101.230.54 二氢茉莉酮酸甲酯1.79102.452.3197.561.6296.450.64 γ-十二内酯4.41102.340.61106.241.22106.452.61 δ-十二内酯2.81105.241.4199.870.7197.561.52 肉桂酸异戊酯1.90102.871.31105.230.61101.591.11
按照1.4.1节的方法,测定加热卷烟中各酯类香料单体在贮存期间的转移率,结果见表3。可知:(1)25种酯类香料单体的烟芯持留率总体介于6.33%~81.95%之间,其中肉桂酸异戊酯的烟芯持留率最大,其次是δ-十二内酯、乙酸茴香酯、肉桂酸丙酯、γ-十二内酯;(2)香料向降温段的迁移率介于0.45%~6.33%之间,向滤嘴段的迁移率介于0.91%~13.23%之间,除乙酸薄荷酯和δ-癸内酯外,绝大多数酯类香料的滤嘴迁移率高于降温段迁移率,可能与滤嘴段材质对香料的吸附能力较强有关;(3)贮存期间酯类香料的散失率分布于13.12%~76.60%之间,其中肉桂酸异戊酯的散失率最小,其次是乙酸茴香酯、δ-十二内酯、γ-十二内酯、葫芦巴内酯。整体而言,香料在烟芯中的持留率越高,其空气散失率通常越低,线性拟合发现两者间存在负相关关系(图3),拟合关系式为y=-0.8789x+84.61,R为0.9824。此外,采用皮尔逊分析法对沸点、烟芯持留率、滤嘴迁移率、降温段迁移率和散失率进行相关分析(表4),结果表明,沸点与烟芯持留率呈极显著正相关(0.870),与滤嘴迁移率呈极显著负相关(-0.787),与降温段迁移率呈极显著负相关(-0.514),与散失率呈极显著负相关(-0.827)。
表3 25种酯类香料单体在卷烟抽吸前的转移行为分析
Tab.3 Analysis of the transfer behavior of 25 ester flavor monomers before cigarette smoking
续表3
名称分子量沸点/℃烟芯持留率/%滤嘴迁移率/%降温段迁移率/%散失率/% 肉桂酸甲酯16226167.547.021.8523.60 乙酸茴香酯180251.477.406.792.5113.29 γ-癸内酯17028172.671.521.1324.68 δ-癸内酯170267.265.060.911.5432.50 肉桂酸丙酯19028377.162.200.5120.14 二氢茉莉酮酸甲酯226307.867.724.102.4325.75 γ-十二内酯198294.776.434.901.9216.75 δ-十二内酯198295.278.815.630.4515.11 肉桂酸异戊酯21831081.953.960.9813.12
表4 沸点与烟芯持留率、滤嘴迁移率、降温段迁移率和散失率的相关性分析结果
Tab.4 Correlation analysis between boiling point of ester flavor and retention rate of cigarette core, transfer rate of filter rod, and mobility rate and loss rate during cooling section
注:**表示极显著相关(<0.01)
Note:**represents extremely significant correlation(<0.01).
加热卷烟抽吸时,烟芯中的香料受热后多以原型蒸发形式转移,在随气溶胶传输过程中由于降温冷凝作用被烟支不同部分截留吸附后,最终转移进烟气气溶胶中,采用1.4.2节的的方法,测定各酯类香料单体在抽吸过程中向烟支不同部分的转移率(表5)。结果表明:(1)25种酯类香料单体向主流烟气粒相物转移率介于3.03%~33.47%之间,其中肉桂酸异戊酯向主流烟气粒相物转移率最高,其次是δ-十二内酯、γ-十二内酯、葫芦巴内酯、乙酸茴香酯。(2)香料单体在烟芯的残留率介于3.86%~26.00%之间,其中异戊酸乙酯的烟芯残留率最低,其次是乙酸香叶酯、乙酸异戊酯、葫芦巴内脂、乙酸戊酯。(3)25种酯类香料单体在滤嘴中的截留率分布于6.47%~41.00%之间,其中戊酸戊酯的滤嘴截留率最低,其次是异戊酸丁酯、乙酸异戊酯、丁酸戊酯、戊酸异戊酯。整体而言,酯类香料在烟芯中持留率较大时,向主流烟气转移率越高,二者间呈线性相关关系,拟合关系式为y=0.3563x+3.527,2为0.8966(图4)。其中,异戊酸丁酯、乙酸异戊酯、乙酸戊酯、异戊酸乙酯4种香原料主流烟气粒相物转移率低于10%,肉桂酸异戊酯、δ-十二内酯、γ-十二内酯、葫芦巴内酯、乙酸茴香酯和乙酸薄荷酯6种香料单体主流烟气粒相物转移率高于30%,且这6种香料单体的烟芯持留率也较高,具有较好的加热卷烟香精调配应用潜力。采用皮尔逊分析法对沸点、主流烟气粒相物转移率、烟芯残留率和滤嘴截留率进行相关分析(表6)。结果表明:沸点与主流烟气粒相物转移率呈极显著正相关(0.775),与烟芯残留率呈极显著正相关(0.840),与滤嘴截留率呈极显著正相关(0.633)。
表5 25种酯类香料单体在卷烟抽吸后的转移行为分析
Tab.5 Analysis of the transfer behavior of 25 ester flavor monomers before cigarette smoking
图4 烟芯持留率与主流烟气粒相物转移率的相关性
表6 沸点与烟芯残留率、滤嘴截留率和主流烟气粒相物转移率的相关性分析结果
Tab.6 Correlation analysis between boiling point of ester flavor and retentioinrate of cigarette core, rejection rate of filter rod, and transfer rate of MS
注:*和**分别表示显著相关(<0.05)和极显著相关(<0.01)。
Note: *represents significant correlation(<0.05), **represents extremely significant correlation (<0.01).
进一步分析互为同系物的香料单体的转移行为,如图5所示。随着分子量增大、沸点增高,互为同系物的戊醇羧酸酯类、肉桂酸酯类以及内酯类香料单体的烟芯持留率、烟芯残留率、主流烟气粒相物转移率逐渐增大,散失率逐渐减小,降温段迁移率先减小后增加,滤嘴迁移率和滤嘴截留率变化规律不明显。其中,六种戊醇羧酸酯的散失率较高,整体均≥48.55%,烟芯持留率较低,这与其碳链较短,沸点较低有关(≤202℃);肉桂酸酯类单体香料分子结构中存在共轭效应,沸点均≥261℃,性质较稳定,烟芯持留率均≥65%,向主流烟气粒相物转移率相对较高,散失率、迁移率相对较低;内酯类香料单体的烟芯持留率以及散失率变化幅度较大,原因可能是内酯类物质随着侧链的增长和分子质量的增加,分子间的相互作用力增加,沸点逐渐升高,物质结构更加稳定,4种内酯类香料单体沸点差别较大所致。
图5 互为同系物的戊醇羧酸酯类(a)、肉桂酸酯类(b)和内酯类(c)香料单体的转移情况
图6为互为同分异构体酯类香料的转移行为,互为主链碳原子个数异构、碳链异构、立体异构和官能团位置异构的酯类香料单体随着分子结构稳定性增强,其烟芯持留率和向主流烟气粒相物转移率均增高,散失率均呈降低趋势。
在相对分子质量相同的情况下,互为主链碳原子个数异构的乙酸异戊酯与乙酸戊酯、丁酸异戊酯与丁酸戊酯、戊酸异戊酯与戊酸戊酯,遵循支链越多,分子间距越大,稳定性降低和挥发性增加的规律,表现为烟芯持留率、残留率和MS转移率逐渐降低。互为碳链异构的异戊酸乙酯与乙酸异戊酯、异戊酸丁酯与丁酸异戊酯,其中乙酸异戊酯和丁酸异戊酯的分子对称性较好,色散力较大,具有较高的结构稳定性,散失率较小。
互为立体异构的δ-癸内酯与γ-癸内酯、γ-十二内酯与δ-十二内酯,由于五元环的张力比六元环的大,δ-癸内酯比γ-癸内酯的结构更稳定,而γ-十二内酯与δ-十二内酯的转移行为差别较小,可能与分子间的化学键有关;互为官能团位置异构体的乙酸香叶酯、乙酸芳樟酯,由于乙酸芳樟酯结构较为紧密,故而其分子结构相对乙酸香叶酯更稳定,不易发生逸散,具有较高的烟芯持留率和主流烟气粒相物转移率。
图6 互为主链碳原子个数异构(a)、碳链异构(b)、立体异构(c)和官能团位置异构(d)的酯类香料单体的转移情况
本文将25种酯类香料单体添加到加热卷烟烟芯中,采用GC/FID建立了加热卷烟主流烟气中酯类香料单体的检测分析方法,并研究了25种酯类香料在加热卷烟中的转移规律。
(1)25种酯类香料的烟芯持留率为6.33%~81.95%、降温段迁移率为0.45%~6.33%、滤嘴迁移率为0.91%~13.23%、散失率为13.12%~76.60%;主流烟气粒相物转移率为3.03%~33.47%、烟芯残留率为3.86%~26.00%、滤嘴截留率为6.47%~41.00%。
(2)香料的转移行为与其挥发性密切相关,沸点与烟芯持留率、主流烟气粒相物转移率、烟芯残留率和滤嘴截留率呈显著正相关关系,与滤嘴迁移率、降温段迁移率以及散失率呈显著负相关关系。
(3)互为同系物或同分异构体的酯类香料单体随沸点升高,其在烟芯持留率和向烟气转移率加大,环境散失率降低。其中,肉桂酸酯类香料沸点均≥261℃,烟芯持留率均≥65%,烟气转移率≥27.11%,性质较稳定。
(4)肉桂酸异戊酯、δ-十二内酯、γ-十二内酯、葫芦巴内酯、乙酸茴香酯和乙酸薄荷酯等6种香料稳定性好,烟芯持留率以及烟气转移率较高,具有较好的加热卷烟香精调配应用潜力。
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Transfer behavior of ester flavor monomers in heated tobacco products
MAO Wenlong1, ZHU Mengwei2, RAO Xianli1, XU Ruyan1, LIANG Miao2, HU Yuxuan1, SHI Huaibin1, ZHENG Xiaoyun1*
1 China Tobacco Jiangsu Industrial Co., Ltd., Nanjing 210019, China;2 College of Food and Bioengineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China
This study aims to use ester flavor monomers more scientifically and rationally in heated tobacco products for flavor enhancement. The analytical method of measuring esters in the mainstream smoke of heated tobacco products was established using GC. The transfer law of ester flavor monomers before and after suction was determined. The results showed that: ① For heated tobacco with 25 kinds of ester flavor monomers, the retention rate, loss rate, the retention rate of cigarette core, the rejection rate of filter rod, and the transfer rate of smoke were 6.33%-81.95%, 13.12%-76.60%, 3.86%-26.00%, 6.47%-41.00% and 3.03%-33.47%, respectively. ② Isoamyl cinnamate, δ-dodecalactone, γ-dodecalactone, fenugreen, fennel acetate and menthol acetate have high transfer rate (﹥30%), which can provide support for improving the aroma richness of heated tobacco products. ③ There was a significant positive correlation between the boiling point of flavor and the retention and rejection rates of the cigarette core, the transfer rate of smoke, and the filtration rate of filter rod. There was a significant negative correlation between the boiling point of flavor and the mobility rate of the filter rod, and the mobility rate and loss rate during the cooling section. ④For ester flavors that are homologues or isomers, with the growth of carbon chain and the enhancement of structural stability, the retention rate of cigarette core and transfer rate of smoke increase gradually, leading to decrease in the environmental loss rate .
heat-not-burn tobacco product; ester spices; retention rate; mobility rate; transfer rate; rejection rate; loss rate
. Email:zhengxy@jszygs.com
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单体香原料热失重及在加热卷烟中的释放行为研究项目(Q/JSZY/GL—13.18-6)
毛文龙(1980—),本科,工程师,卷烟叶组配方研究,Tel:13913352515,Email:maowl@jszygs.com
郑晓云(1972—),Tel:13813920668,Email:zhengxy@jszygs.com
2022-03-28;
2022-08-24