范 武，張啟東，劉俊輝，史清照，毛 健，席 輝，姬凌波，夏 倩，蔡興華，宗永立，徐 建*，柴國璧*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

2.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，杭州市西湖區(qū)科海路118號 310024

有機(jī)酸是煙草及煙氣中的重要化學(xué)成分，其種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)或煙氣釋放量對卷煙感官品質(zhì)有重要影響［1-2］。在煙草及煙氣有機(jī)酸成分研究和感官質(zhì)量評價基礎(chǔ)上，有機(jī)酸與卷煙感官品質(zhì)之間的相關(guān)性也有了大量研究［3-9］。這類研究中所考慮的有機(jī)酸大多按照揮發(fā)性強(qiáng)弱進(jìn)行分類，感官評吸指標(biāo)主要涉及卷煙的品質(zhì)指標(biāo)如舒適感特性與煙氣特性，較少關(guān)注卷煙的風(fēng)格特征指標(biāo)如味覺特征和香氣特征。事實(shí)上，有機(jī)酸自身具有不同的香味特征，對卷煙煙氣的風(fēng)格特征也產(chǎn)生重要影響。卷煙煙氣口味風(fēng)格包括酸、甜、苦、凉等味覺特征［10］，有機(jī)酸如乙酸、乳酸、琥珀酸等均具有酸味，是卷煙煙氣酸味的物質(zhì)基礎(chǔ)［11］。卷煙香氣風(fēng)格是煙氣中煙熏香、焦甜香、果香、酸香等不同特征香氣的綜合效應(yīng)，而每一種特征香氣的形成均具有復(fù)雜的物質(zhì)基礎(chǔ)。一般認(rèn)為卷煙煙氣中產(chǎn)生酸香香韻的物質(zhì)主要是有機(jī)酸［12］。然而并不是所有的有機(jī)酸均具有酸香，其香氣特征往往隨化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同而各有差異。目前，對賦予卷煙煙氣酸香特征的有機(jī)酸構(gòu)成及其在煙氣中的分布特征、香氣貢獻(xiàn)尚不明確。鑒于此，本研究中系統(tǒng)篩選出既存在于卷煙煙氣中同時也能夠作為煙用香料使用的酸香特征成分組群，測定其在不同卷煙主流煙氣粒相物中的分布，結(jié)合香氣活性值（Odor activity value，OAV）確定對煙氣酸香有重要貢獻(xiàn)的有機(jī)酸成分，以期為卷煙調(diào)香提供基礎(chǔ)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)用卷煙樣品為14個市售品牌成品卷煙，卷煙類型和盒標(biāo)焦油量見表1。

表1 卷煙樣品的類型和盒標(biāo)焦油量Tab.1 Blend types and labeled tar levels of cigarette samples （mg·支-1）

乙酸（99%）、丙酸（99%）、丁酸（99.5%）、2-乙基丁酸（98%）、2-甲基丁酸（99.5%）、異戊酸（98%）、（E）-2-甲基-2-丁烯酸（99%）、3-甲基-2-丁烯酸（99%）、庚酸（98%）、己酸（98%）、2-甲基己酸（97%）、戊酸（99.5%）、2-甲基戊酸（99%）、3-甲基戊酸（97%）、4-甲基戊酸（97%）、2-甲基-2-戊烯酸（99%）、4-戊烯酸（97%）、異丁酸（98%）、2-氧代丙酸（97%）、3-苯基丙酸（98%）、3-甲氧基苯甲酸（98%）（美國Sigma Aldrich公司）；（E）-3-己烯酸（98%，內(nèi)標(biāo)）（美國Acros公司）；二氯甲烷（色譜純，美國Cleman Chemical公司）；環(huán)己烷（色譜純，美國Thermo Fisher公司）；N,O-雙（三甲基硅基）三氟乙酰胺（BSTFA，＞99%，美國Regis Technologies公司）。

1.2 方法

1.2.1 卷煙主流煙氣粒相物酸香成分定量分析

按 ISO 3308［13］和 GB/T 19609—2004［14］規(guī)定的方法抽吸煙支并收集制備主流煙氣粒相物；有機(jī)酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定參照文獻(xiàn)［15］的報道，N,O-雙（三甲基硅基）三氟乙酰胺衍生化后采用GC-MS法測定：取2片各收集有5支卷煙煙氣粒相物的劍橋?yàn)V片置于50 mL具塞錐形瓶中，加入25 mL二氯甲烷以及內(nèi)標(biāo)，室溫下超聲萃取20 min，上清液用0.45 μm尼龍濾膜過濾。取約1.5 mL濾液于2 mL色譜瓶中，加入70 μL BSTFA，在60℃水浴中反應(yīng)（衍生化）50 min，冷卻至室溫后進(jìn)行GC-MS分析，每個樣品測定2次，取平均值。GC-MS參數(shù)：

表2 21種待測化合物及內(nèi)標(biāo)的保留時間和選擇離子Tab.2 Retention times，quantitative ions，and qualitative ions of 21 analytes

1.2.2 有機(jī)酸香氣特征評價和酸香成分閾值測定

挑選12名長期從事卷煙調(diào)香、具有豐富感官分析經(jīng)驗(yàn)的人員組成固定的感官評價小組。小組成員根據(jù)文獻(xiàn)［16-17］報道收集有機(jī)酸香氣特征的描述性術(shù)語，評價人員參考描述性術(shù)語結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)和聯(lián)想，使用嗅香紙對有機(jī)酸樣品的嗅香特征進(jìn)行感官描述。依據(jù) GB/T 22366—2008［18］中針對最優(yōu)估計閾值（Best estimate threshold，BET）法測定風(fēng)味物質(zhì)閾值的描述，采用三點(diǎn)選配法（Three-alternative forced-choice（3-AFC）method）測定酸香成分在乙醇中的嗅覺閾值。

2 結(jié)果與討論

2.1 卷煙煙氣酸香特征成分組群的確定

在煙氣中存在：Rodgman等［19］的《The chemical components of tobacco and tobacco smoke》一書中列出了9 582種煙草和煙氣成分，是迄今最權(quán)威、最完整的煙草和煙氣化學(xué)成分信息的來源。一般認(rèn)為卷煙酸香香韻主要由有機(jī)酸產(chǎn)生［12］，對照Rodgman等統(tǒng)計的煙草和煙氣成分名單，初步篩查出存在于煙氣中的部分有機(jī)酸作為卷煙煙氣酸香特征來源。

具有香氣貢獻(xiàn)：為了能夠與嗅覺受體相互作用產(chǎn)生香氣，分子必須穿過黏膜層，要求其需要具備相當(dāng)?shù)偷姆肿恿浚?0］。絕大多數(shù)香氣物質(zhì)分子的質(zhì)量數(shù)均低于300。Kraft［21］指出，目前發(fā)現(xiàn)分子量最大的香氣分子是2-［1-（3，3-二甲基環(huán)己基）己氧基］-2-甲基環(huán)戊烷甲酸丙酯，其分子量為324.50。從進(jìn)化角度看，人類通過鼻子在地面1.5～2.0 m的高度探測氣味，人類嗅覺系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)化到能夠檢測出可以揮發(fā)到上述高度的物質(zhì)，然而對于絕大多數(shù)不具備揮發(fā)性的物質(zhì)，人類可能尚未進(jìn)化出相應(yīng)的嗅覺受體［22］，即使這些非揮發(fā)性物質(zhì)可以通過其他途徑進(jìn)入鼻腔也不會產(chǎn)生香氣。多元酸、氨基酸及羥基酸等由于分子間氫鍵作用較強(qiáng)等原因而揮發(fā)性很弱，一般不具有嗅覺特征。因此，對照煙氣有機(jī)酸成分名單篩查出分子質(zhì)量低于350的非多元羧酸和非氨基、非羥基類羧酸。

符合安全性要求：美國食品香料與萃取物制造者協(xié)會（Flavor and Extract Manufacturers Association，F(xiàn)EMA）不定期公布一般認(rèn)為安全的（Generally Recognized As Safe，GRAS）食品香料名單，并給每一種香料相應(yīng)的FEMA編號，其中有機(jī)酸類香料有128種［23-24］。結(jié)合有機(jī)酸成分在卷煙調(diào)香中的實(shí)際應(yīng)用情況，篩選出具有FEMA編號的21種有機(jī)酸。

目前已有大量化合物的香味特征數(shù)據(jù)被報道，國內(nèi)外最具代表性的是孫寶國等［16］在2004年撰 寫的《食用香料手冊》和 Burdock［17］在2010 年 撰 寫 的《 Fenaroli’s handbook of flavor ingredients》兩本書，其中介紹了數(shù)千種合成香料的感官特征，是香料感官特征描述的重要參考。結(jié)合文獻(xiàn)記錄，感官評價團(tuán)隊評價了候選有機(jī)酸樣品的嗅香特征，最終確定了包括21種酸香特征化合物的卷煙煙氣酸香特征成分組群，結(jié)果見表3。

表3 卷煙煙氣酸香特征成分組群Tab.3 Component groups with acidic aroma characteristic in cigarette smoke

2.2 主流煙氣酸香特征成分組群的分布

表4和表5分別為14個市售品牌成品卷煙主流煙氣中酸香特征成分組群的單支卷煙釋放量和在粒相物中質(zhì)量分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明，相同類型卷煙主流煙氣中酸香成分單支釋放量的分布呈現(xiàn)一定的相似性。在烤煙型卷煙主流煙氣中，單支釋放量最高的酸香成分均為乙酸、丙酸和2-氧代丙酸等；在混合型卷煙主流煙氣中，單支釋放量最高的酸香成分則為乙酸、丙酸和3-甲基戊酸等；3種類型卷煙主流煙氣中，單支釋放量最低的成分均為2-乙基丁酸、2-甲基己酸、2-甲基戊酸和2-甲基-2-戊烯酸等。

表4 14個卷煙樣品的主流煙氣中酸香特征成分的釋放量Tab.4 Releases of components with acidic aroma characteristic in mainstream smoke of 14 cigarette samples（μg·支-1）

表5（續(xù)）

對比不同類型卷煙主流煙氣中酸香成分的釋放量可以看出，常規(guī)焦油烤煙主流煙氣中，各酸香成分的單支釋放量普遍高于低焦油烤煙?；旌闲途頍熤髁鳠煔庵?，酸香成分單支釋放總量比常規(guī)焦油烤煙高得多，尤其是3-甲基戊酸，其單支釋放量是常規(guī)烤煙的15～27倍，這些差異主要是由卷煙葉組配方和加香加料造成的。Heckman等［25］對比了香料煙燃燒前后煙葉及煙氣中的部分有機(jī)酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)或煙氣釋放量，發(fā)現(xiàn)3-甲基戊酸、異戊酸、2-甲基丁酸、丁酸、丙酸等的煙氣釋放量是煙葉中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3～5倍，表明其煙氣中酸香成分主要產(chǎn)生于燃燒過程。例如，文獻(xiàn)［26］報道，香料煙、白肋煙煙葉中蔗糖四酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于烤煙，蔗糖四酯熱解可釋放出大量C5、C6等低級有機(jī)酸。

對比常規(guī)焦油和低焦油烤煙主流氣粒相物中酸香成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則可以看出，7#和8#低焦油卷煙主流煙氣粒相物中，各酸香成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)并未隨其單支釋放量及焦油量的下降而出現(xiàn)明顯減少，部分酸香成分及總酸香成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)還略高于一些常規(guī)焦油烤煙；9#～12#低焦油卷煙主流煙氣粒相物中，酸香成分總質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨其單支釋放量和焦油量下降而明顯減少，但減少的幅度比單支釋放量及焦油量下降的幅度小。

2.3 酸香特征成分組群對卷煙煙氣酸香的貢獻(xiàn)度

食品風(fēng)味分析中常用香氣或味覺活性值（Odor/Taste activity value，OAV/TAV）判定化合物對食品香味的貢獻(xiàn)大小［27］。OAV（TAV）是指風(fēng)味體系內(nèi)香氣（味覺）物質(zhì)的濃度與其嗅覺（味覺）閾值的比值。因此可以粗略地認(rèn)為，OAV（TAV）大于1的成分對體系具有香味貢獻(xiàn)，其值越高，貢獻(xiàn)度越大；而OAV（TAV）小于1的成分對體系香味的貢獻(xiàn)則可以忽略［28］。就卷煙煙氣而言，利用OAV可以評估不同香氣物質(zhì)對卷煙香氣特征的貢獻(xiàn)程度，篩選出對卷煙香氣特征起關(guān)鍵作用的物質(zhì)［29］?；诖耍瑴y定了21種酸香成分在乙醇中的嗅覺閾值，結(jié)合各成分在14種卷煙主流煙氣粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計算了相應(yīng)的OAV，結(jié)果見表6。根據(jù)OAV的高低判定21種酸香成分對卷煙煙氣酸香的貢獻(xiàn)度大小。

綜合來看，14個卷煙樣品煙氣中大部分酸香成分的OAV均大于1，對卷煙煙氣酸香具有貢獻(xiàn)。其中，OAV超過100的均是異戊酸、乙酸、丁酸、戊酸、3-甲基戊酸和4-甲基戊酸，是煙氣中的關(guān)鍵酸香成分；OAV為1～50的均是3-苯基丙酸、丙酸、己酸、4-戊烯酸、2-甲基丁酸、2-氧代丙酸、異丁酸、庚酸和（E）-2-甲基-2-丁烯酸等，其對煙氣酸香具有比較顯著的貢獻(xiàn)；OAV小于1的均是2-乙基丁酸、2-甲基戊酸、2-甲基己酸、2-甲基-2-戊烯酸和3-甲氧基苯甲酸等，其對煙氣酸香的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，丙酸和2-氧代丙酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高且其嗅覺閾值也較高，而其OAV不高，對酸香的貢獻(xiàn)并不是最突出；相反，異戊酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低且其嗅覺閾值也較低，而其OAV較高，對酸香的貢獻(xiàn)非常明顯。

對比不同類型的卷煙發(fā)現(xiàn)，對烤煙型卷煙煙氣酸香貢獻(xiàn)最大的化合物是異戊酸和乙酸，二者OAV加和占21種酸香成分OAV加和的75%；對混合型卷煙煙氣酸香貢獻(xiàn)最大的則是異戊酸、3-甲基戊酸和乙酸，3種酸香成分OAV加和占21種酸香成分OAV加和的90%?；旌闲途頍煙煔庵蠴AV明顯高于烤煙型卷煙的酸香成分為3-甲基戊酸和異戊酸等，尤其是3-甲基戊酸，其在混合型卷煙煙氣中的OAV是烤煙型卷煙的16～24倍。香料煙是混合型卷煙產(chǎn)品中調(diào)香和增香的重要原料，據(jù)Kalianos［30］報道，3-甲基戊酸和異戊酸在香料煙中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比烤煙高得多，其賦予了香料煙的特征香氣。有專利［31］報道加入3-甲基戊酸和異戊酸混合物的烤煙可以代替香料煙在混合型卷煙中使用。在相同焦油量的情況下，混合型卷煙煙氣中各酸香成分的OAV加和是烤煙型卷煙的2～3倍，表明混合型卷煙比烤煙型卷煙的酸香特征更加明顯，這可能是導(dǎo)致混合型卷煙煙氣呈晾曬煙香，而烤煙型卷煙煙氣呈烤煙煙香的重要原因之一。

表6 酸香特征成分的嗅覺閾值及其在14個卷煙樣品主流煙中的香氣活性值Tab.6 Olfactory thresholds of components with acidic aroma characteristic and their OAVs in mainstream smoke of 14 cigarette samples

2.4 重要酸香成分的嗅覺與味覺貢獻(xiàn)比較

乙酸、丁酸、異戊酸和戊酸等除了具有酸香特征外，也具有一定的酸味特征，文獻(xiàn)［11］報道，上述4種有機(jī)酸是烤煙主流煙氣中的關(guān)鍵酸味物質(zhì)。然而這些成分在煙氣粒相物中究竟以何種感官貢獻(xiàn)為主，目前尚鮮見對比研究。本研究中，由同一感官評價小組測定了乙酸、丁酸、異戊酸和戊酸在水中的味覺閾值，分別為60.11、5.20、1.21和0.78 μg/g。計算14個卷煙樣品主流煙氣中4種有機(jī)酸的TAV值，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，這些成分的OAV均比其TAV高2～13倍（圖1）。這在一定程度上表明，乙酸、丁酸、異戊酸和戊酸對卷煙煙氣的感官貢獻(xiàn)以酸香為主。

圖1 4種酸香特征成分的香氣活性值與味覺活性值之比Fig.1 Ratios of OAVs to TAVs of four components with acidic aroma characteristics

3 結(jié)論

①依據(jù)2013年Rodgman統(tǒng)計的煙草煙氣化學(xué)成分名單，經(jīng)多步篩查及嗅香特征評價獲得了卷煙煙氣中酸香特征成分組群，共包含21種酸香特征化合物。②烤煙型卷煙主流煙氣中，釋放量較大的酸香成分均為乙酸、丙酸和2-氧代丙酸，混合型卷煙均是乙酸、丙酸和3-甲基戊酸。③從酸香成分的單支卷煙釋放量來看，常規(guī)焦油混合型卷煙最高，常規(guī)焦油烤煙型卷煙次之，低焦油烤煙型卷煙最低。④通過OAV反映出所考察酸香成分大多均對卷煙煙氣酸香有貢獻(xiàn)，異戊酸、乙酸、丁酸、戊酸、3-甲基戊酸和4-甲基戊酸等6種有機(jī)酸是卷煙煙氣中的關(guān)鍵酸香成分，其中異戊酸和乙酸對烤煙型卷煙酸香香韻貢獻(xiàn)最大，而異戊酸、3-甲基戊酸和乙酸對混合型卷煙酸香香韻貢獻(xiàn)最大。