于 淼，盧鳳菊，沈伯雄，陳潮先，黃富榮，劉 斌

（1.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；2.深圳市你我網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

香煙釋放的化學(xué)物質(zhì)成分復(fù)雜，對(duì)吸煙者和被動(dòng)吸煙者都有嚴(yán)重的健康危害。隨著香煙管控條件愈來愈嚴(yán)格，新型煙草產(chǎn)品的研發(fā)和發(fā)展勢(shì)在必行，其中加熱不燃燒卷煙設(shè)備以較低溫的加熱方式（＜350 ℃）取代高溫燃燒（600～900 ℃），可以減少有害煙氣組分和致癌物的釋放，進(jìn)而降低對(duì)環(huán)境和個(gè)人的不利影響。其中煙堿是煙草中的主要生物堿，在煙草中約占生物堿總量的95%以上[1]，卷煙產(chǎn)品中除煙堿外其他生物堿含量都很低[2-3]。1，2-丙二醇和甘油等醇類化合物可以保持煙草的含水率，可以促進(jìn)加熱狀態(tài)下的煙氣釋放，有研究證實(shí)甘油可以促進(jìn)煙堿的分解釋放[4]。加熱不燃燒常規(guī)卷煙煙氣中其他氣溶膠物質(zhì)包括各種致香物質(zhì)，需對(duì)其煙氣粒相物成分進(jìn)行分析。

已有大量研究對(duì)常規(guī)卷煙、細(xì)支卷煙及電子煙煙液中的生物堿類和醇類化合物進(jìn)行了檢測(cè)分析。肯生葉等[5]采用IQOS中心加熱方式，選取了6種不同口味的特制卷煙為實(shí)驗(yàn)材料，GC-TCD法同時(shí)測(cè)定了煙氣中的水、煙堿、1，2-丙二醇和甘油。龔淑果等[6]以IQOS 中心加熱和GLO 包圍兩段式加熱的煙草器具為研究對(duì)象，對(duì)特制煙中逐口煙堿的釋放行為進(jìn)行了考察分析。目前加熱不燃燒卷煙的相關(guān)研究文獻(xiàn)主要集中在中心加熱和兩段式加熱方面，且研究對(duì)象多數(shù)為特制煙。3種不同加熱方式具有不同的特點(diǎn)，中心加熱型同時(shí)加熱整個(gè)煙體，由于發(fā)熱體溫度分布不均易導(dǎo)致煙草外緣烘烤不充分；包圍兩段加熱型的加熱均勻性優(yōu)于中心加熱；三段式加熱從煙絲底部開始分段加熱，使得各階段的煙絲加熱更加充分，有望成為加熱不燃燒卷煙的技術(shù)發(fā)展方向。已報(bào)道的煙草中煙氣粒相物的檢測(cè)方法有：溶劑萃取-氣相色譜法（GC）[7-10]、氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜（GC-MS/MS）[11]、固相微萃取-氣相色譜質(zhì)譜法（SPME-GC-MS）[12-13]、液相色譜法（LC）[14-15]、超高效合相色譜法（UPC2）[16]、裂解-氣相色譜法（PGC）[17-18]等，其中溶劑萃取-氣相色譜法因其高靈敏度和精準(zhǔn)性被廣泛用于分析煙氣粒相物中的生物堿和醇類化合物；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用可同時(shí)測(cè)定多種香味物質(zhì)。

以常規(guī)卷煙為材料、采用三段式加熱方式分析逐口煙堿含量的研究鮮有報(bào)道，基于該現(xiàn)狀，選擇同一品牌、不同規(guī)格的3種常規(guī)卷煙，通過三段式的加熱方式進(jìn)行抽吸實(shí)驗(yàn)，分析煙氣粒相物中煙堿、1，2-丙二醇和主要香味物質(zhì)的逐口遞送規(guī)律。實(shí)驗(yàn)方案采用智能型吸阻測(cè)試儀進(jìn)行抽吸，玻璃纖維濾片捕集煙氣粒相物，采用GC-FID對(duì)煙堿、1，2-丙二醇進(jìn)行定性和定量分析，GC-MS對(duì)主要香味物質(zhì)進(jìn)行逐口檢測(cè)分析，為加熱不燃燒卷煙產(chǎn)品的進(jìn)一步研發(fā)提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 儀器、材料和試劑

儀器：智能型吸阻測(cè)試儀（東莞弘為試驗(yàn)設(shè)備有限公司）；GC-2010plus氣相色譜儀+FID檢測(cè)器（日本SHIMADZU 公司）；GCMS-QP2020 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（日本SHIMADZU 公司）；Practum 電子天平（感量：0.0001 mg，德國(guó)Sartorius 公司）；玻璃纖維濾片（GB/T 16450，直徑?47 mm）；玻璃纖維濾片夾持器（內(nèi)徑?47 mm）。

材料：國(guó)產(chǎn)加熱不燃燒卷煙設(shè)備（購(gòu)自深圳市你我網(wǎng)絡(luò)科技有限公司）；市售同一品牌的3種常規(guī)卷煙樣品，規(guī)格如表1所示。

試劑：煙堿（HPLC＞98%）；2-甲基喹啉（純度＞98%）；1，2-丙二醇（AR）；甘油（AR）；1，4-丁二醇（AR）；異丙醇（HPLC），甲醇（色譜級(jí)），以上試劑均購(gòu)自成都麥卡希有限公司。

1.2 國(guó)產(chǎn)加熱不燃燒卷煙工作方式及抽吸方案

加熱不燃燒卷煙的加熱方式主要包括電加熱型、燃料加熱型和理化反應(yīng)加熱型等，國(guó)產(chǎn)加熱不燃燒卷煙設(shè)備為電加熱型卷煙，以常規(guī)卷煙為核心材料，對(duì)卷煙采用非插入式包裹的形式，將常規(guī)卷煙放進(jìn)卷煙設(shè)備的金屬筒內(nèi)，以煙絲外緣到內(nèi)部的方式電加熱煙絲，熱解卷煙，再經(jīng)過特制的濾嘴過濾部分有害物質(zhì)，達(dá)到剛好可以揮發(fā)煙堿和香味物質(zhì)的目的。該加熱裝置的工作方式為外包圍三段式加熱，從煙絲底部開始分段加熱，加熱時(shí)間約為3.2 min，預(yù)熱時(shí)間為25 s左右，各加熱階段的卷煙如圖1所示。

圖1 各加熱階段的卷煙樣品Fig.1 Cigarette sample at each heating stage

參照ISO抽吸模式設(shè)置智能型吸阻測(cè)試儀參數(shù)：吸煙速率17.5 mL/s；每口容量35 mL；吸煙持續(xù)時(shí)間2 s；吸吐間隔3 s；為更直觀地考察逐口釋放量，將抽吸時(shí)間間隔60 s縮短至10 s。按照該吸煙機(jī)的條件進(jìn)行抽吸，每支加熱不燃燒卷煙抽吸15口。

1.3 樣品前處理

準(zhǔn)備15 個(gè)濾片夾持器、15 個(gè)錐形瓶（帶瓶塞）和充足的玻璃纖維濾片，從1～15 對(duì)濾膜夾和錐形瓶進(jìn)行編號(hào)，對(duì)應(yīng)每口進(jìn)行抽次，每抽吸一口更換一次濾片夾持器。為保證結(jié)果的精確性，每個(gè)樣品抽吸50 支，即單口收集50 次，隨后將捕集濾片放進(jìn)相應(yīng)的萃取溶液中。水浴恒溫振蕩器以25 ℃的溫度振蕩30 min，對(duì)萃取溶液依次進(jìn)行GC-FID和GCMS分析。

1.3.1 煙堿和1，2 丙二醇的逐口檢測(cè)

分別精確稱取一定濃度的煙堿、1，2-丙二醇和甘油，按下列濃度范圍建立待測(cè)物的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，煙堿的系列標(biāo)準(zhǔn)濃度范圍為5 μg/mL、25 μg/mL、50 μg/mL、100 μg/mL、250 μg/mL。

1，2-丙二醇和甘油的系列標(biāo)準(zhǔn)濃度范圍：2.5 μg/mL、12.5 μg/mL、25 μg/mL、50 μg/mL、125 μg/mL。GC-FID參數(shù)設(shè)置：升溫程序?yàn)槌鯗?00 ℃，保持1 min，以15 ℃/min的速率升至220 ℃，保持6 min；進(jìn)樣口溫度250 ℃；進(jìn)樣量1 μL，分流比25∶1；檢測(cè)器溫度275 ℃；載氣為氦氣，流速1.5 mL/min；尾吹氣流量：氦氣30 mL/min；空氣450 mL/min；氫氣40 mL/min。

1.3.2 主要香味物質(zhì)的逐口檢測(cè)

采用溶劑萃取結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析煙氣粒相物中的主要香味成分，標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)檢索方法定性。將逐口抽吸得到的玻璃纖維濾片依次放入甲醇萃取溶液中，振蕩萃取30 min 后進(jìn)行氣相色譜/質(zhì)譜分析。GC參數(shù)設(shè)置：升溫程序?yàn)槌鯗?0 ℃，保持6 min，以20 ℃/min的速率升至230 ℃，保持4 min；進(jìn)樣口溫度為250 ℃；進(jìn)樣量為1 μL，分流比為15∶1；載氣為氦氣，流量為1.5 mL/min。MS參數(shù)設(shè)置：離子源溫度為230 ℃；接口溫度為230 ℃；溶劑延遲時(shí)間1 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 煙堿和1，2-丙二醇的逐口測(cè)定分析

2.1.1 方法學(xué)評(píng)價(jià)

按照GC-FID 的條件，將五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)工作溶液按濃度從小到大的順序依次進(jìn)行色譜分析，采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行線性回歸分析，通過擬合得出煙堿、1，2-丙二醇和甘油的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線（表2）。由表2可知在確定的線性濃度范圍內(nèi)，3種標(biāo)準(zhǔn)物的相關(guān)系數(shù)均大于0.999，滿足檢測(cè)需求。將最低濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液重復(fù)進(jìn)樣10次，煙堿、1，2-丙二醇和甘油的最低濃度分別為5 μg/mL、2.5 μg/mL和2.5 μg/mL，計(jì)算檢測(cè)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，將檢測(cè)限和定量限分別定義為3倍和10倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

采用標(biāo)準(zhǔn)加入法計(jì)算回收率，以標(biāo)樣中的煙堿、1，2-丙二醇和甘油濃度為基準(zhǔn)，分別加入低、中、高3個(gè)濃度水平的標(biāo)準(zhǔn)品，每個(gè)水平進(jìn)行5次平行測(cè)定，根據(jù)原含量、添加量和檢測(cè)量計(jì)算加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD），見表2。

表2 3 種化合物的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線、檢測(cè)限、定量限及重復(fù)性Tab.2 Linear equation、LODs、LOQs and precision of three compounds

2.1.2 煙堿、1，2-丙二醇色譜峰定性

根據(jù)煙堿、1，2-丙二醇和甘油的標(biāo)準(zhǔn)物在色譜圖上的停留時(shí)間確定3種待測(cè)物的位置。本方法采用彈性石英毛細(xì)管柱作為分離柱，由色譜圖2a）～c）可以看出：該色譜柱可以很好的分離煙堿、2-甲基喹啉、1，4-丁二醇和1，2-丙二醇，峰位置無重合，峰形良好，分析時(shí)間較短，在15 min內(nèi)可以檢測(cè)完全。由標(biāo)準(zhǔn)物的色譜圖可知，甘油的停留時(shí)間為（14.043±0.021）min，在3種加熱不燃燒卷煙樣品的色譜圖中均未檢測(cè)到甘油峰。為確定原因，采用同一卷煙樣品，對(duì)燃燒卷煙得到的釋放物進(jìn)行檢測(cè)，由圖2d）可知，出現(xiàn)了甘油峰，說明卷煙產(chǎn)品本身含有甘油物質(zhì)。因此經(jīng)加熱和燃燒2種方式對(duì)比分析可得到結(jié)論：該加熱不燃燒卷煙裝置的加熱溫度低于300 ℃，而常規(guī)燃燒卷煙的中心部位燃燒溫度在700 ℃以上，可推測(cè)出該加熱不燃燒卷煙裝置的溫度未達(dá)到甘油的沸點(diǎn)290.9 ℃，導(dǎo)致甘油在加熱過程中的釋放受阻。

圖2 加熱不燃燒卷煙樣品及燃燒卷煙的色譜圖Fig.2 Chromatograms of heat-not-burn cigarettes samples and burning cigarette

2.1.3 樣品GC-FID 檢測(cè)分析

應(yīng)用方法對(duì)加熱不燃燒卷煙主流煙氣中的煙堿、1，2-丙二醇進(jìn)行逐口含量檢測(cè)，為保證結(jié)果的精確性，每組抽吸實(shí)驗(yàn)分別平行進(jìn)行3次。檢測(cè)結(jié)果表明：1）每次實(shí)驗(yàn)中均檢測(cè)出了煙堿和1，2-丙二醇，均未檢測(cè)出甘油，其中煙堿、1，2-丙二醇的單支含量經(jīng)合計(jì)分別為0.4318～0.521 6 mg/支、0.236 8～0.322 2 mg/支，與煙堿的盒標(biāo)值相比，三段式加熱方式起到了降低煙堿含量的作用；2）由圖3a）可以得出：煙堿的逐口釋放規(guī)律一致，3種樣品均在第7口出現(xiàn)峰值，分別為0.0606 mg/口、0.0569 mg/口、0.0556 mg/口；3）由圖3b）可以得出：3種樣品釋放的1，2-丙二醇逐口傳遞規(guī)律相同，在第1加熱階段（第1至第5口）和第2加熱階段（第6 口至第10 口）分別出現(xiàn)了1 個(gè)峰值，單口抽吸最大峰值出現(xiàn)在第8 口，分別為0.0313 mg/口、0.0258 mg/口、0.0238 mg/口；在第4 口均出現(xiàn)1 個(gè)較小的峰值，分別為0.0268 mg/口、0.0245 mg/口、0.0233 mg/口。

圖3 煙堿、1，2-丙二醇逐口釋放含量遞送規(guī)律Fig.3 Variation of nicotine and 1，2-propanediol per puff release content

龔淑果等[6]以中心加熱和包圍兩段式加熱的特制煙草為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，本研究以三段式加熱的常規(guī)卷煙為研究目標(biāo)，兩者進(jìn)行對(duì)比分析。從總體傳遞規(guī)律的角度進(jìn)行對(duì)比分析得到：三段式加熱方式與中心加熱方式的逐口煙堿遞送規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)出先上升至峰值再下降的趨勢(shì)，峰值均在第7口出現(xiàn)；與包圍兩段式加熱的逐口煙堿釋放規(guī)律有明顯差異。中心加熱型的單口峰值濃度高于0.08 mg；包圍兩段式加熱的單口峰值濃度在0.05～0.06 mg之間；本實(shí)驗(yàn)中三段式加熱型的單口峰值濃度在0.0483～0.0569 mg之間，通過煙堿釋放量比較得出：以常規(guī)卷煙為對(duì)象，采用三段式加熱的方式可以切實(shí)降低煙堿含量。

2.2 其他主要煙氣粒相物的逐口測(cè)定分析

2.2.1 主要香味物質(zhì)

將濾片上的粒相物萃取到捕集溶液中，對(duì)煙氣粒相物中主要的香味物質(zhì)進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜分析。如圖4所示，主要的香味物質(zhì)分離良好，通過標(biāo)準(zhǔn)譜圖檢索對(duì)幾種代表性香味物質(zhì)進(jìn)行逐口釋放行為分析，如5-羥甲基糠醛、3-哌啶醇、蜜二糖、甘油醋酸酯、戊酸、葉綠醇以及酞酸等。

圖4 主要香味物質(zhì)的色譜圖Fig.4 Chromatogram of the main particles

2.2.2 主要香味物質(zhì)的逐口釋放遞送規(guī)律

對(duì)香味物質(zhì)的逐口變化規(guī)律進(jìn)行綜合分析，3種樣品測(cè)得的的香味物質(zhì)峰面積具有顯著差異，香味物質(zhì)綜合峰面積從大到小依次為：樣品1＞樣品2＞樣品3，如圖5所示。由煙氣粒相物中各香味物質(zhì)的峰面積可以得出規(guī)律：同一品牌的3種不同規(guī)格卷煙各香味物質(zhì)逐口遞送規(guī)律基本一致，其中5-羥甲基糠醛的峰面積最大，呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)；葉綠醇和甘油醋酸酯峰面積居中，呈現(xiàn)出兩段先上升后下降的趨勢(shì)；其余香味物質(zhì)峰面積均較小，酞酸呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，3-哌啶醇、戊酸和蜜二糖的逐口遞送規(guī)律比較持平，有細(xì)微的上升趨勢(shì)。

圖5 主要香味物質(zhì)逐口變化規(guī)律Fig.5 Variation of the main aroma particles per puff release

3 結(jié)論

以同一品牌、不同規(guī)格的常規(guī)卷煙為實(shí)驗(yàn)材料，通過三段式加熱的方式考察煙氣粒相物中的主要成分。采用GC-FID結(jié)合雙內(nèi)標(biāo)法的檢測(cè)方法，檢測(cè)出各物質(zhì)的色譜峰分離良好，研究表明：所有樣品中均檢測(cè)出了煙堿和1，2-丙二醇，均未檢測(cè)出甘油。3種樣品中的煙堿逐口釋放規(guī)律呈現(xiàn)先上升至峰值再下降的趨勢(shì)；1，2-丙二醇呈現(xiàn)出兩階段先上升再降低的趨勢(shì)，其中煙堿檢測(cè)量顯著低于煙堿盒標(biāo)量。采用GCMS測(cè)定主要香味物質(zhì)，隨著抽吸口數(shù)的遞進(jìn)，主要香味物質(zhì)的大致趨勢(shì)均為先上升后下降，其中5-羥甲基糠醛占比最大，3-哌啶醇、戊酸、蜜二糖和占比較小，這5種香味物質(zhì)大致趨勢(shì)均為先上升后下降；葉綠醇和甘油醋酸酯占比居中，且表現(xiàn)為兩段先升高再降低的趨勢(shì)。甘油在卷煙樣品中可以降低刺激性并改善口感，本加熱不燃燒卷煙未檢測(cè)出甘油，可以從此處展開思考，進(jìn)而對(duì)加熱不燃燒卷煙產(chǎn)品的加熱設(shè)備作進(jìn)一步的優(yōu)化。該三段式加熱不燃燒卷煙的測(cè)定結(jié)果可作為加熱不燃燒卷煙設(shè)備研發(fā)的參考數(shù)據(jù)。