加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料香气成分的差异及综合评价

郭成金，蒋丽红，唐石云，彭世鸿，刘志华，蒋 薇，刘春波

(1 昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明650500；2 云南中烟工业有限责任公司技术中心 云南省烟草化学重点实验室，云南 昆明 650231)

加热卷烟专用稠浆法薄片作为加热卷烟芯基材的重要来源之一，对其挥发性香气成分的分析有助于提升加热卷烟的感官品质。近年来对再造烟叶工艺过程中香味成分的转移与释放以及烟叶原料中挥发性成分的分析研究已有报道[1-3]。李华雨等[4]研究再造烟叶生产中浓缩液香味成分的变化，结果发现提取液在浓缩过程中香味成分挥发损失一部分，同时向蒸发冷凝水中转移了一部分香味成分。沈进等[5]研究发现，茶香再造烟叶制备工艺中存储时间、松丝回潮、增温增湿和烘丝过程会降低香味成分含量。Dusautoir等[6]研究表明，加热卷烟的烟碱、羰基化合物即醛酮类成分释放含量低于传统卷烟。然而对烟叶原料与加热卷烟专用稠浆法薄片之间特征香气成分释放的比较研究尚未见报道。

由于再造烟叶挥发性香气成分具有种类多和基质复杂的特征，采用GC/MS分析需要经过一定前处理后才能进样。常用前处理方法包括液液萃取[5]、同时蒸馏萃取[4]、静态顶空[7]等。但液液萃取操作繁琐、萃取效率低；同时蒸馏萃取由于长时间加热提取造成小分子类易挥发香气成分流失较大；静态顶空分析无富集介质，其灵敏性较差，仅适用于浓度较高的挥发性香气成分。而顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用技术(HS-SPME-GC/MS)具有用量少、重现性好、灵敏度高、操作简便等优势，被广泛应用于食品、水体、饮料等挥发性成分的分析与检测[8-10]。香气活力值(OAV)是根据香气成分含量与阈值阐述香气成分对食品中主体风味的贡献度[11]。OAV应用于加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料中香气成分对比分析的研究还鲜有报道。

本研究以加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料为试验对象，通过对萃取纤维头、萃取温度、萃取时间、解吸时间、样品量进行优化，建立一种适用于加热卷烟专用再造烟叶HS-SPME-GC/MS的分析方法；采用优化HS-SPME-GC/MS方法对加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料之间香气成分的含量进行分析，并以OAV值表征加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料中关键香气成分的释放差异，旨在为加热卷烟专用稠浆法薄片在后期增添烟草本源香气成分和丰富外源香味成分提供分析技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

2个批次的烟叶原料粉末(YL-1、YL-2)、加热卷烟专用稠浆法薄片(BP-1、BP-2)，均由云南中烟工业有限责任公司提供。

所用试剂有乙酸苯乙酯(上海安谱科技股份有限公司，纯度≥99.5%)和乙醇(美国Sigma-Aldrich公司，色谱级)。

1.2 仪器与设备

8890C/5977B气相色谱-串联质谱联用仪(美国Agilent 公司)；7种SPME萃取纤维头(美国Supelco公司)；CTC多功能进样器(瑞士Combi-PAL)；E12140型电子分析天平(精度0.000 1 g，瑞士OHAUS公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 HS-SPME条件优化 对影响顶空固相微萃取效果的试验因素(SPME纤维头类型、萃取温度、萃取时间、样品量和解吸时间)进行单因素考察，以加热卷烟专用稠浆法薄片为试验对象，香气成分的总峰面积为考察指标。

SPME纤维头类型：称取0.20 g加热卷烟专用稠浆法薄片于顶空瓶中，加入20 μL 22.422 μg/mL乙酸苯乙酯溶液(内标)，迅速使用带有聚四氟乙烯垫片盖子封口，保持加热器摇晃转速250 r/min，萃取温度80 ℃，萃取时间15 min，解吸时间1 min，考察7种不同极性SPME纤维头对烟草中香气成分吸附效果的影响，各萃取头性能参数见表1。每个样品平行做3次。

表1 7种SPME萃取纤维头的性能参数

萃取温度：在上述优化最佳萃取头试验下，保持萃取时间15 min，样品量0.20 g和解吸时间1 min，考察萃取温度(50，60，70，80，90，100 ℃)对香气成分萃取效果的影响。

萃取时间：使用优化萃取头和萃取温度条件下，保持样品量0.20 g，解吸时间1 min，研究萃取时间(15，25，35，45，55 min)对香气成分萃取效果的影响。

样品量：在上述优化试验条件下，保持解吸时间1 min，研究不同样品量(0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 g)对香气成分萃取效果的影响。

解吸时间：在上述优化试验条件下，研究不同解吸时间(1，2，3，4，5 min)对香气成分萃取效果的影响。

1.3.3 挥发性成分的定性与定量分析 采用NIST 17.L谱库自动检索进行定性分析，选择匹配度≥80%；各化合物相对含量以化合物峰面积与内标物峰面积的比值进行半定量计算。 假定各香气成分相对内标物校正因子为1，按下式计算：

式中：ci为i组分的相对含量，μg/g；w与wt分别为样品质量和内标物t的质量，g；At与Ai为内标物t和i组分的峰面积。

1.4 香气活力值的计算

参考文献[12]，采用香气活力值(OAV)评价加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料的香气成分对总体香气的贡献。OAV按下式计算：

式中：Ci表示第i种挥发性香气成分的绝对含量，μg/g；Ti表示第i种香气成分在水中的觉察阈值，μg/g。

OAV≥1表示加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料的香气成分为特征香气组分；0.1

1.5 数据处理

利用SPSS 21.0软件对样品所得数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，所得数据结果用Origin 2021作图和聚类热图分析，采用平方欧氏距离对烟叶原料与加热卷烟专用稠浆法薄片部分香气成分进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 烟叶香气成分前处理条件优化

2.1.1 萃取头类型 根据“相似相溶原理”不同类型SPME纤维头对香气成分的富集效果有较大差异，并且烟叶中绝大部分的香气成分由弱极性和小部分非极性成分组成，因此需要对萃取头进行优化[13]。考察不同极性涂层纤维萃取头捕集到香气成分总峰面积，结果如图1所示。

C1～C7所指萃取纤维头类型与表1相同。图柱上标不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同

图1表明，除C2(85 μm Carboxen/PDMS)外，

C4(50/30 μm DVB/CAR/PDMS)萃取头萃取到香气成分的总峰面积显著高于其他类型萃取头(P<0.05)。因此，选用50/30 μm DVB/CAR/PDMS中等极性纤维萃取头进行后续试验。

2.1.2 萃取温度 萃取温度是影响气-固相传质中传质系数的关键参数。由图2可知，随着萃取温度的升高，萃取到的香气成分总峰面积呈现先显著增加后趋于平稳。温度升高对顶空瓶中样本香气成分的快速挥发有促进作用，同时涂层纤维与香气成分的吸附呈负相关[14]，但温度过高也会影响纤维头的使用寿命。因此，选择萃取温度为90 ℃。

图2 萃取温度对香气成分萃取效果的影响

2.1.3 萃取时间 纤维萃取头对香气成分的吸附是气固相传质过程，香气成分在纤维涂层上吸附与解吸附需要一定的时间[15]。由图3可以看出，随着萃取时间的延长，香气成分的总峰面积呈先增加后降低的趋势。当萃取时间为45 min时总峰面积最大，之后随着时间推移，总峰面积略有下降。这可能是由于萃取时间增加，一些低沸点的小分子化合物从萃取头上脱附造成的[16]。因此萃取时间确定为45 min。

2.1.4 样品量 由图4可以看出，当样品量从0.10 g增至0.20 g时，香气成分的萃取效果呈逐渐变好的趋势，当样品用量为0.20 g时萃取效果最佳，当样品用量大于0.20 g后，香气成分的萃取效果又开始逐渐变差。这可能是由于样品量的增加，导致样品间传热不均匀，影响香气成分在气-固相间吸附平衡[17]。此外当样品量逐渐增加时，香气成分在萃取头纤维涂层上竞争吸附，导致部分香气成分从纤维涂层脱附[18]。故而选择样品用量为0.20 g。

图4 样品量对香气成分萃取效果的影响

2.1.5 解吸时间 由图5可知，随着解吸时间的延长，香气成分总峰面积逐步增加，3 min时达到最大，之后香气成分的总峰面积有减小趋势。可能的原因是解吸时间过长，高温导致部分香气成分分解[19]。故确定解吸时间为3 min。

2.2 加热卷烟专用稠浆法薄片和烟叶原料挥发性成分的GC/MS定性分析

在HS-SPME-GC/MS优化条件下，对2个批次的加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料进行检测分析，结果见图6和表2。由表2可以看出，2个批次的加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料共检出76种香气成分，其中醇类9种、醛酮类26种、酚类3种、有机酸类5种、酯类16种、烃类7种以及杂环化合物类10种。2个批次的加热卷烟专用稠浆法薄片(BP-1、BP-2)与烟叶原料(YL-1、YL-2)中分别检出47，50和59，57种香气成分，其中含量较高的成分为烟碱(397.99～990.57 μg/g)、新植二烯(116.50～450.22 μg/g)、2，3-二氢-3，5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮(2.07～23.60 μg/g)、β-榄香烯(10.18～14.63 μg/g)和棕榈酸甲酯(4.28～12.68 μg/g)。除β-榄香烯仅在BP-1和YL-1中检出外，其他4种香气成分在2个批次样品均有检出。烟碱、棕榈酸甲酯、2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮的含量在2个批次加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料中有较大差异(P<0.05)，表现为烟叶原料中含量均显著高于加热卷烟专用稠浆法薄片，这与Dusautoir等[6]的结果一致。新植二烯在BP-1和YL-1中差异不大，但在BP-2和YL-2中差异较大，这可能是烟叶原料产地差异造成的。从2个样本各香气成分的含量来看，含氮与含氧类化合物在加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料中占比较高，但醇类、醛类、酮类等香气成分的含量在加热卷烟专用稠浆法薄片中低于烟叶原料。

图6 加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料香气成分的GC/MS总离子流图

表2 加热卷烟专用稠浆法薄片和烟叶原料的挥发性成分及含量

表2(续) Continued table 2

由表2可见，加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料除了26种共有的香气成分外， YL-1特有香气成分为2,3-丁二醇、1,3-丁二醇、亚甲基环辛烷、壬醛、苯乙醛、苯乙酸甲酯；仅在YL-2中检出的香气成分有苯甲醇、2,3-二氢苯并呋喃； BP-2中检出特有香气成分有1,2-丙二醇-1-醋酸酯、1,2-丙二醇-2-醋酸酯。BP-1与BP-2共有的凉味剂成分薄荷醇，是烟草香料添加剂，能使卷烟烟气有清凉感。

2.3 加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料的香气活力值

为了有效地评价加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料中香气成分对主体香气的贡献，利用查询到的加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料中部分香气成分的香气阈值[20]，计算香气活力值(OAV)，结果见表3。由表3可以看出，醇类香气成分中苯乙醇具有玫瑰花香，能提升卷烟香气，是YL-1和YL-2的关键香气成分；苯甲醇仅在YL-2中检出，也是关键香味成分，具有微弱且甜的花香味[21]。糠醇具有甜且像面包的香味，对YL-1和YL-2的主体香气有修饰作用。

酮类化合物中大马酮、香叶基丙酮的含量在加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料中都普遍偏低，但其香气阈值较低，因此是2个烟草样本的关键香气组分。它们有青草香味，且可增加香气浓度，能显著丰富卷烟抽吸时的香气[22]。β-紫罗酮仅在YL-2和BP-2中检出，表现出花香、木香韵，能改善烟气顺口感，是BP-2和YL-2中的关键香气组分。甲基庚烯酮带有典型的清香滋味，是BP-1、YL-1和YL-2中的关键香气组分，但在BP-2中未检出。

烟草中醛类香气成分如苯丙氨酸降解产生的苯甲醛、苯乙醛等具有清甜香、花香等香味[23]。其中苯甲醛除是YL-1的关键香气成分外，对BP-1、BP-2和YL-2的香气质均有一定的修饰效果。苯乙醛对YL-1的主体香气具有关键贡献。糠醛表现出甜、花香、焦甜香型，在2个批次加热卷烟专用稠浆薄片和烟叶原料中均检出，其对BP-1和YL-1总体香气质感有修饰作用，而对BP-2和YL-2的香气贡献度较小。壬醛仅在YL-1中检出，其可提升卷烟清香和脂肪味特征，是构成YL-1的关键香气成分。

烟草中杂环化合物类香气成分中含量较高的成分是烟碱，它会影响消费者在抽吸卷烟时的吸味，同时使抽吸者获得一定的生理满足感[24]。烟碱也对加热卷烟专用稠浆法薄片和烟叶原料中主体香气质有关键贡献。此外在YL-1与BP-1中检出的香气成分2，6-二甲基吡嗪表现出草本甜味，对YL-1和BP-1的香气贡献了修饰效果。2-乙酰基吡咯表现出花香、清香的香味，是YL-1和YL-2中的关键香气成分，但在2个批次加热卷烟专用稠浆法薄片均未检出。

酚类成分在加热卷烟专用稠浆法薄片和烟叶原料中的含量很低，其对烟草外观质量以及香吃味有重要影响[25]。4-乙基愈创木酚、丁香酚在2批次烟草样本中都检出，其表现出烟熏的香气感，是加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料的关键香气组分。2，4-二叔丁基苯酚具有甜的香草味，能提升烟气温和感，是YL-1的关键香气成分，对BP-1则只有一定的修饰作用。

有机酸类成分中的苯甲酸、苯乙酸、壬酸由于其较高的香气阈值，除苯甲酸、壬酸对YL-1与YL-2的总体香气有修饰作用外，它们对加热卷烟专用稠浆法薄片的香气度贡献效果有限；苯乙酸对所有的烟草样品香气提升甚微。高级脂肪酸中棕榈酸对BP-1和YL-1、YL-2的香气有修饰作用。亚麻酸仅在BP-2和YL-2中检出，是其关键香气组分。但亚麻酸会破坏烟气醇和感，提升烟气的刺激感[26]。

烟草中酯类成分具有降低刺激性，提升烟草香味协调性的作用[27]。其中棕榈酸甲酯具有脂肪味，是BP-1、BP-2、YL-1和YL-2的关键香气组分。γ-十一内酯是BP-2和YL-2的关键香气成分，赋予烟草强烈的桃子香味。

尽管未查询到烃类成分中叶绿素降解产物新植二烯的香气阈值，但其在2个烟草样品中均有检出，含量占比超过10%，其表现出清香气，且能改善烟气的醇和感。

综上分析，醛类成分中苯甲醛、壬醛、苯乙醛以及酚类中的2，4-二叔丁基苯酚构成YL-1的关键香气成分，苯甲醇是YL-2的关键香气成分。有机杂环中2-乙酰基吡咯构成YL-1和YL-2的共有关键香气成分。大马酮、香叶基丙酮、β-紫罗酮、甲基庚烯酮、烟碱、4-乙基愈创木酚、丁香酚、亚麻酸、棕榈酸甲酯、γ-十一内酯等成分在加热卷烟专用稠浆法薄片和烟叶原料中的OAV均>1，因此构成加热卷烟专用稠浆法薄片和烟叶原料的特征香气成分。

2.4 加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料的聚类分析

对加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料中的香气成分(表3)进行聚类热图分析，结果如图7所示。

图上数字1～24与表3中的化合物一一对应；YL和BP中的“1-1～1-3”是3次平行测定结果

由图7可以看出，2个批次的加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料被分成3个类别。其中2个批次加热卷烟专用稠浆法薄片的香气成分较为相似，如壬酸、4-乙基愈创木酚、烟碱等。棕榈酸、烟碱、4-乙基愈创木酚、β-紫罗酮、苯乙醇等在YL-2中OAV值较高，对其主体香气贡献较大；2-乙酰基吡咯、棕榈酸甲酯、苯甲酸、壬醛、大马酮和香叶基丙酮等香气成分在YL-1中OAV值较大，对其主体香气的构成有显著贡献。聚类热图的结果表明，加热卷烟专用稠浆法薄片和烟叶原料在特征香气释放上具有较高的区分度。

3 讨论与结论

本研究采用HS-SPME-GC/MS对加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料香气成分的释放差异进行研究，通过聚类热图分析确定加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料的特征香气成分差异性，结果表明烟碱在加热卷烟专用稠浆法薄片中的释放量低于烟叶原料，这与Dusautoir等[6]的研究结果基本一致。与烟叶原料相比，加热卷烟专用稠浆法薄片中醛酮、酯类、酚类、烃类以及有机酸类等香味成分含量普遍低于烟叶原料，这可能是薄片生产阶段(包括粉碎与干燥温度等操作)导致部分含量低的挥发性酮类成分损失。这与刘鸿等[28]的研究结果“加热卷烟气溶胶致香成分释放量较传统卷烟烟气低”一致。加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料之间的主体香气释放成分差异，可能是由于再造烟叶的原料组成、片基结构等因素对香气成分的释放产生影响。

本研究结果表明，从加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料中共检出76种挥发性成分，其中醇类9种、醛酮类26种、酚类3种、酯类16种、杂环化合物类10种、有机酸类5种以及烃类7种。基于OAV值确定了香气成分对加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料中特征香气成分，结果表明，大马酮、香叶基丙酮、β-紫罗酮、甲基庚烯酮、烟碱、4-乙基愈创木酚、丁香酚、亚麻酸、棕榈酸甲酯、γ-十一内酯等香气成分构成加热卷烟专用稠浆法薄片与烟叶原料的特征香气成分。本研究结果可以为加热卷烟专用稠浆法薄片丰富烟草本香设计提供技术参考。