通风分配对卷烟主流烟气酮类化合物释放量的影响

王洪波，刘克建，朱先约，范 忠，谭 涛，彭 斌，秦亚琼，刘惠民，翟玉俊*，蔡君兰*

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

2.甘肃烟草工业有限责任公司技术中心，兰州市滨河南路1111号 730050

3.广西中烟工业有限责任公司技术中心，南宁市北湖南路28号 530001

卷烟通风设计是烟草行业最重要的降焦技术手段，通常包括滤嘴通风和卷烟纸通风两种方式。通风改变了卷烟燃烧锥空气的流态，从而影响了烟丝的裂解和蒸馏过程，造成烟气成分稀释、扩散与截留的改变，影响了烟气成分的释放，最终影响卷烟感官品质［1-7］。卷烟通风分配是指相同总通风率条件下的纸通风率和滤嘴通风率的组合搭配。以往有关通风分配对卷烟主流烟气影响的研究更多关注于感官质量［1-2］，烟气常规成分［3-4,8-9］，有害成分［4,6］，酸性、中性和碱性香味成分［9-16］等的影响，如：连芬燕等［6］研究认为随滤嘴通风率增加，卷烟燃烧温度的高温区体积分布呈下降趋势，有害成分释放量也呈下降趋势，但对7种代表性有害成分释放量的影响程度存在差异；蔡君兰等［9］研究了滤嘴通风度为0、10%、25%、40%、54%和64%下，卷烟主流烟气常规成分和气粒相中32种中性香味成分的释放量，认为香味成分的总释放量随滤嘴通风率的增加而降低，滤嘴通风率影响酮类化合物在气粒相的分布，香味成分降低速率高于烟碱降低速率。以上研究表明：滤嘴通风的增大，不仅改变了卷烟燃烧锥温度，而且降低了香味成分释放量，也改变了烟气中香味成分的比例。酮类成分作为重要的一类中性香味成分，多为卷烟燃烧裂解产生，对提升烟气感官质量有重要贡献。由于卷烟通风影响卷烟燃烧过程，而滤嘴通风和卷烟纸通风是卷烟设计的重要环节，因此，有必要研究由滤嘴通风和卷烟纸通风引起的卷烟通风分配对烟气中酮类香味成分释放量的影响。

为此，设计了不同卷烟纸通风和滤嘴通风卷烟样品，采用GC-MS法测定了主流烟气中酮类化合物释放量，研究了卷烟纸通风率、滤嘴通风率及卷烟总通风率对主流烟气主要酮类化合物释放量的影响规律，旨在为卷烟配方设计及卷烟加香加料提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

常规卷烟样品由云南中烟工业有限责任公司技术中心提供，卷烟实测参数见表1。表1中，卷烟总通风率（V，%）为滤嘴通风率（VF，%）和纸通风率（CP，%）之和。

二氯甲烷（色谱纯），内标：氘代苯（99.5%）、乙酸苯乙酯（99.8%，北京百灵威科技有限公司）。

7980型气相色谱-6973型质谱联用仪（美国Agilent公司）；SM450直线型吸烟机、Ø0.45μm有机微孔滤膜（英国Cerulean公司）；Ø44 mm剑桥滤片（英国Whatman公司）。

1.2 方法

1.2.1 烟气的捕集

将卷烟样品在（22±1）℃、相对湿度（60±2）%的环境中平衡48 h，挑选平均质量±0.015 g和平均吸阻±49 Pa的烟支作为测试样品。

用直线型吸烟机抽吸卷烟，每组抽吸10支，用剑桥滤片捕集卷烟主流烟气粒相物，在捕集器后面连接两个串联的吸收瓶，在每个吸收瓶中加入10 mL甲醇，并在低温冷却（干冰-异丙醇）条件下捕集主流烟气气相成分。

1.2.2 主流烟气粒相成分分析

收集捕集10支卷烟主流烟气粒相物的剑桥滤片，折叠后放入4 mL样品瓶中，加入3 mL二氯甲烷萃取剂，并准确加入100μL内标溶液（2 mg/mL）；用密封膜密封，超声萃取30 min，取萃取液，用微孔滤膜过滤，滤液进行GC-MS分析，选择离子监测（SIM）模式定量分析目标成分。

1.2.3 主流烟气气相成分分析

卷烟抽吸后，用洗耳球分别对捕集装置两个吸收瓶中的吸收管抽吸5次进行清洗，每个吸收瓶中准确加入100μL内标溶液，搅拌均匀后，各取两个吸收瓶中1 mL溶液混匀进行GC-MS分析。取样时，要尽快并盖紧色谱瓶盖以防止挥发性成分损失。

为实现高通量分析烟气化学成分（如：中性、碱性成分，挥发性酸和酚类成分）释放量，采用双分析柱进行分析，其中DB-624色谱柱使用氘代苯为内标，DB-5MS色谱柱使用乙酸苯乙酯为内标，各酮类化合物均采用内标法相对定量。

1.2.4 GC-MS参数

GC-MS参数设置见表2。

表2 GC-MS分析参数Tab.2 Parameters for GC-MSanalysis

2 结果与讨论

2.1 烟气中酮类化合物释放量

2.1.1 分析方法评价

由于涉及烟气中56种酮类化合物，对于有标准样品的化学成分采用外标法-内标校正标准曲线定量，并采用最低浓度标准溶液进行5次平行测定，以5次测定结果的3倍标准偏差作为该化合物的检出限（表3）；同时进行低、中、高3水平加标回收率实验；用实际样品进行5次平行测定，考察方法的精密度（表3）。对于没有标准样品的化学成分采用内标校正定量，且没有进行标准曲线和检出限的测定。

表3 （续）

表3 方法的精密度和加标回收率①（n=5）Tab.3 Repeatabilities and spiked recoveries of this method（n=5）

从表3可以看出，采用DB-5MS色谱柱可定量分析37种酮类化合物，DB-624MS色谱柱可定量分析19种酮类化合物，RSD在2.5%~11.6%之间，样品加标回收率在91.5%~112.1%之间，表明采用双分析柱通过二次进样，可定性鉴别出56种酮类化合物。

2.1.2 酮类化合物释放量

卷烟样品主流烟气中酮类化合物释放量的测定结果（表4）表明：有27种酮类化合物的释放量＞1μg/支，如1-羟基-2-丙酮、甲基乙烯基酮、丁酮和香豆酮等，这些成分的释放量之和占酮类化合物释放总量的91%以上，表明这些成分是烟气中重要的酮类化合物。

表4 （续）

表4 （续）

表4 实验卷烟样品烟气酮类化合物的释放量Tab.4 Ketone releases in mainstream smoke of experimental cigarette samples （μg·支-1）

2.2 卷烟纸通风率和滤嘴通风率对酮类化合物释放量的影响

2.2.1 卷烟纸通风率和滤嘴通风率对烟气中酮类化合物释放总量的影响

卷烟纸通风率和滤嘴通风率对烟气酮类化合物释放总量的影响结果（图1）表明：在卷烟纸通风率基本一致的条件下，随滤嘴通风率的增加，酮类化合物释放总量呈降低趋势；在滤嘴通风率一致的条件下，随卷烟纸通风率的增加，酮类化合物释放总量整体上呈降低趋势，但卷烟纸通风率对酮类化合物释放总量的影响幅度远小于滤嘴通风率。

图1 滤嘴通风率和卷烟纸通风率对烟气酮类化合物释放总量的影响Fig.1 Effects of filter ventilation rate and cigarette paper ventilation rate on total ketone releases in mainstream cigarette smoke

2.2.2 卷烟纸通风率和滤嘴通风率对烟气中各酮类化合物释放量的影响

卷烟纸通风率和滤嘴通风率对烟气中1-羟基-2-丙酮释放量的影响结果（图2）表明：①在卷烟纸通风率基本一致条件下，当卷烟纸通风率为0~4%时，随滤嘴通风率的增加，1-羟基-2-丙酮释放量呈降低趋势；当卷烟纸通风率为8%~12%时，随滤嘴通风率的增加，1-羟基-2-丙酮释放量呈先降低后又升高趋势；在滤嘴通风率一致条件下，随卷烟纸通风率的增加，1-羟基-2-丙酮释放量大致呈降低趋势，但卷烟纸通风率对1-羟基-2-丙酮释放量的影响幅度远小于滤嘴通风率。卷烟纸通风率和滤嘴通风率对烟气中其他酮类化合物也有同样的影响规律。

图2 滤嘴通风率和卷烟纸通风率对烟气1-羟基-2-丙酮释放量的影响Fig.2 Effects of filter ventilation rate and cigarette paper ventilation rate on release of 1-hydroxy-2-acetone

2.3 卷烟总通风率对酮类化合物释放量的影响

2.3.1 卷烟总通风率对酮类化合物释放总量的影响考察了卷烟总通风率对烟气酮类化合物释放总量的影响，结果（图3）表明：随卷烟纸通风率的增加，酮类化合物释放总量呈线性（决定系数＞0.95）降低趋势。

图3 卷烟总通风率变化对烟气酮类化合物释放总量的影响Fig.3 Effect of total ventilation rate of cigarette on total ketone release in mainstream cigarette smoke

2.3.2 卷烟总通风率对烟气中56种酮类化合物释放量的影响

考察了卷烟总通风率对烟气中1-羟基-2-丙酮释放量的影响，结果（图4）表明：随卷烟纸通风率的增加，1-羟基-2-丙酮释放量呈线性（决定系数＞0.95）降低趋势。同理研究了卷烟总通风率对其他酮类化合物释放量的影响，变化规律相似（表5），表明卷烟总通风率与烟气中各酮类化合物释放量呈线性负相关关系。

图4 卷烟总通风率变化对烟气1-羟基-2-丙酮释放量的影响Fig.4 Effect of total ventilation rate of cigarette on release of 1-hydroxy-2-acetone in mainstream cigarette smoke

2.4 通风分配对酮类化合物释放总量的影响

在V一致的情况下，考察通风分配对烟气酮类化合物释放总量的影响，建立了酮类化合物释放总量与VF和CP的线性方程：Y=151.611 6-1.574 7VF-2.845 7CP。结果表明：卷烟烟气中酮类化合物释放总量与VF和CP二元线性模型的决定系数为0.985 9，RMSECV为2.452 0，表明模型预测能力较好；此外，表5方程中VF和CP对应的斜率分别为：-1.574 7和-2.845 7，表明酮类化合物释放总量受卷烟纸通风率的影响大于滤嘴通风率。

表5 卷烟总通风率与烟气中56种酮类化合物释放量的关系Tab.5 Relationships between total ventilation rate of cigarette and 56 ketone compounds releases in mainstream smoke

在V=10%、20%、30%、40%条件下，根据V=VF+CP，将表5中常规卷烟的方程变换为酮类化合物释放总量与VF的关系，结果见图5。可知，在V一致的情况下，随卷烟VF增加，酮类化合物释放总量均升高。这是由于在总通风率不变前提下，酮类化合物释放总量与V和VF的线性方程变为Y=151.611 6-2.845 7V+1.271 0VF，V保持不变的条件下，VF斜率变化为1.271 0，表明随VF增加酮类化合物释放总量呈增加趋势，即：相同酮类化合物释放总量，可采用不同的滤嘴通风率和卷烟纸通风率组合设计实现。总之，通过调节滤嘴通风率和卷烟纸通风率可实现烟气中酮类化合物释放总量的调控。

图5 相同卷烟总通风率下滤嘴通风率对烟气酮类化合物释放总量的影响Fig.5 Effects of filter ventilation rate on total ketone release at the same total ventilation rate of cigarette

3 结论

①随卷烟纸通风率和滤嘴通风率的增加，烟气中56种酮类化合物释放量及其释放总量呈现降低趋势；②卷烟总通风率与56种酮类化合物释放量及其释放总量呈负相关关系；③滤嘴通风率和卷烟纸通风率与酮类化合物释放量呈负相关关系，滤嘴通风率对酮类化合物释放总量的影响大于卷烟纸通风率；④通风分配影响烟气中酮类化合物的释放，且相同酮类化合物释放总量可以采用不同卷烟纸通风率和滤嘴通风率的组合设计实现。