加热不燃烧烟草制品与传统卷烟化学指纹分析

李勇 逄涛 师君丽 李永平 卢秀萍 孔光辉 吴玉萍

摘  要：采用气相色谱-质谱法获取了3种加热不燃烧烟草制品（HNB）和2种传统卷烟（TC）的极性和弱极性溶剂提取化学成分的指纹数据。对所获得的化学指纹数据进行相似度计算、主成分分析、化学结构鉴定和化合物含量比较，结果发现，HNB与TC化学指纹的相似度较低（0.32～0.45），在所建立的两种主成分分析模型中，传统卷烟TC-A和TC-B的距离很接近，而HNB-C则都与其他测试样品距离较远。在所获取的化学指纹中共鉴定出101个化合物，其中HNB相对TC含量较高的化合物主要为挥发性较好的醇类物质和小分子有机酸，而TC含量较高的化合物主要为挥发性弱的糖类物质。HNB的化学组成特点主要是为了满足其在较低温度下迅速释放吸食所需化学成分的要求而设计的。

关键词：加热不燃烧烟草制品;传统卷烟;化学指纹;相似度;结构鉴定

中图分类号：TS411          文章编号：1007-5119（2019）04-0076-08      DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.04.012

Chemical Fingerprint Comparison between Heat-not-burn Tobacco Products and Traditional Cigarettes

LI Yong， PANG Tao， SHI Junli， LI Yongping， LU Xiuping， KONG Guanghui， WU Yuping

（Yunnan Academy of Tobacco Agricultural Sciences， Kunming 650021， China）

 A gas chromatography mass spectrometry-based method was used for the acquisition of chemical indices from three kinds of heat-not-burn tobacco products （HNBs） and two kinds of traditional cigarettes （TCs）. Quantitative fingerprint data of chemical indices extracted using polar and less polar solvent was acquired. Similarity analysis， principal components analysis （PCA）， chemical structural elucidation， and quantitative comparison of chemical indices among different tobacco products were then performed. The similarity analysis showed that the chemical fingerprint similarity value of the HNBs and TCs was about 0.32-0.45， indicating limited similarity. PCA models of both the polar and the less polar extracts showed that the two TCs clustered better than other products on the PCA score plots. The HNB-C， a Chinese domestic brand of HNB product， located far away from other HNBs on both of the established models， showing significant chemical difference among the HNBs. Chemical structural elucidation was then performed and 101 compounds were identified. Of these compounds， volatile alcohols and organic acids were found with higher concentration in HNBs while non-volatile sugars were found with higher concentration in TCs. The concentration distribution of volatile alcohols， organic acids and sugars of the HNBs ensure the smoking necessary components to be released and taken in by smokers.

 heat-not-burn tobacco product; traditional cigarette; chemical fingerprint; similarity; structural elucidation

加熱不燃烧烟草制品（HNB）是近年来兴起的新型烟草制品之一，其特征是不直接燃烧烟支而通过加热烟草材料释放烟气，从而减少了烟草因高温燃烧裂解产生的有害成分，降低了主流烟气危害。卷烟的燃吸温度约为600～950 ℃，而HNB的加热温度为250～350 ℃，因此HNB的加热对象需要进行相应调整，以保证在相对低温下吸食时所需化学成分能得到充分的挥发释放。传统卷烟（TC）一般完全使用切丝烟叶或以切丝烟叶为主作为燃烧对象，而HNB则一般使用再造烟叶作为加热对象。

再造烟叶是以烟叶为原料，将烟叶进行浸泡、提取后使固液分离，然后采用造纸工艺将固形物做成片基，而提取液经浓缩、调配后涂布于片基形成的烟叶制品。可见在再造烟叶的制作过程中烟叶原料中的化学成分脱离了原料烟叶组织细胞的束缚，采用再造烟叶作为HNB的加热对象的原因之一可能是再造烟叶中的有效化学成分在相同的加热条件下较普通的切丝烟叶更容易挥发释放，另外在烟叶再造的过程中可以根据需要加入大量发烟剂（如丙二醇、丙三醇等）和调节吸食口味的各种添加物。

目前，人们对HNB加热释放的烟气物质开展了大量的分析研究，但对HNB的加热对象的分析研究较少。而HNB与TC在加热（或燃烧）对象上的差异，可能也是这两种烟草产品在口感、有效和有害成分释放等方面差异的重要原因。因此有必要对HNB和TC的加热（或燃烧）对象进行全面的化学成分比较，以期更加全面地剖析这两种不同烟草制品风格迥异的原因。

本研究采用气相色谱质谱法全面分析了3种HNB和2种TC制品的加热（或燃烧）对象的化学组成差异，并剖析了产生这些差异的原因。

1  材料与方法

1.1  试验材料

HNB-A和HNB-B为国外某烟草公司生产的加热不燃烧烟草制品，HNB-C为国内某烟草公司生产的加热不燃烧烟草制品。TC-A和TC-B为国内两家烟草公司生产的烤烟型卷烟产品。

1.2  实验试剂及装置

甲醇（色谱级）购买于德国Merck公司，超纯水由Millipore纯化系统制备，正十七烷、对羟基香豆酸等内标物质购买于百灵威试剂公司。

PE Clarus 600 GC-MS气相色谱-质谱仪（美国PE公司），SB-50D超声波提取仪（宁波新芝生物科技股份有限公司），DB-5MS气相色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，美国Agilent公司），MILLI-Q纯水机（德国MILLIPORE公司），Centrifuge 5804R离心机（德国Eppendorf公司），涡旋混匀器（荷兰Breda公司），CP2245分析天平（感量0.0001 g，德国Sartorious公司），CHRIST ALPHA 1-2/LD-Plus冷冻干燥机（德国Marin Christ 公司），CryoMill 磨样机（德国Retsch公司）。

1.3  样品前处理

样品制备：两种卷烟烟丝采用CryoMill 磨样机进行粉碎，磨样频率30 Hz，磨样时间1 min。三种HNB使用的再造烟叶材料具有较大的粘度，无法研磨，因此采用剪刀将其剪碎。

样品中极性溶剂提取和衍生化反应方法为：准确称量20.0 mg烟末样品，加入1 mL甲醇-水-氯仿混合溶剂（∶∶=5∶2∶2）和200 μL内标溶液（对羟基香豆酸，0.1 mg/mL，水溶液），超声萃取30 min，萃取后离心5 min（10000×），取上层清液400 μL冻干。冻干后加入100 μL 甲氧胺（20 mg/mL，吡啶溶液）溶液，37 ℃下保持90 min，加入80 mL MSTFA，37 ℃下保持30 min。将反应后溶液转入气相色谱进样小瓶（带200 μL内衬），以备气相色谱质谱分析。

样品中弱极性溶剂提取方法为：准确称量40.0 mg烟末样品，加入100 μL内标溶液（正十七烷，1 mg/mL，二氯甲烷溶液）和400 μL二氯甲烷，超声30 min，萃取后离心5 min（10000×），取上清液转入气相色谱进样小瓶（带200 μL内衬），以备气相色谱质谱分析。

以不加卷烟材料的提取和衍生化实验为空白对照。

1.4  色谱质谱分析条件

极性和弱极性溶剂提取物的气相色谱分析条件：色谱柱为DB-5MS （30 m×0.25 mm×0.25 μm）;程序升温条件为60 ℃停留1 min，以5 ℃/min的速度升至280 ℃，保持15 min;进样口温度为250 ℃;载气为氦气;柱流量为1.1 mL/min;分流比为20∶1。极性和弱极性提取物的进样体积分别为1 μL和2 μL。

质谱分析条件：极性提取物的溶剂延时为7 min，弱极性提取物的溶剂延时为1.8 min。采用EI离子源;离子源温度为230 ℃;离子扫描范围为35～450 /;质谱数据采集速度为3 Hz。

1.5  数据分析方法

化合物质谱图提取和结构鉴定：采用AMDIS V 2.7进行色谱图去卷积和峰识别，并扣除样品中的溶剂峰和杂质峰;化合物定性采用NIST MS Search 2.0，配有NIST 2017数据库、Wiley registry数据库、Fiehn 代谢组学数据库和自编烟草专用数据库。

化合物相对定量分析：根据色谱图去卷积和峰识别结果确定所有被分析化合物的定量分析离子，采用定量離子进行色谱峰积分，将获得的积分峰面积与内标化合物的色谱峰面积相除，得到化合物的相对含量。将得到的化合物相对含量进行方差均一化处理，使所有化合物具有相同的权重，采用指纹图谱相似性分析、主成分分析（PCA）、单变量分析等方法进行数据降维和差异化合物的筛选。

2  结  果

2.1  相似性分析

分别以HNB和TC的气相色谱质谱图为标准，采用皮尔森相关系数法和夹角余弦向量法进行相似度计算（表1）。结果表明，对弱极性提取物，HNB-C与TC的相似性最弱，相似性在0.12～0.25，HNB-A与TC的相似性最强，相似性在0.67～0.77之间。TC与HNB之间弱极性提取物的相似性在0.32～0.41。对极性提取物，TC与HNB的相似性在0.44～0.45之间。可见，HNB与TC之间化学组成的相似性较低，且弱极性提取物之间的差异比极性提取物之间的差异更大。而这种差异可能也是这两种烟草产品之间风味、有害成分差异的重要原因。

将气相色谱质谱获得的化学指纹数据经校正和方差均一化后进行主成分分析（图1）。结果发现，从弱极性提取物的得分图（图1a）和载荷图（图1c）看，TC-A、TC-B和HNB-A之间的距离较小，HNB-C和HNB-B比较离散，这与相似性分析中弱极性提取物建模的HNB-A与TC-A、TC-B等TC相似性较大的结果一致。从极性提取物的得分图（图1b）和载荷图（图1d）看，HNB-A和HNB-B之间的距离最小，其次是TC-A和TC-B两款卷烟产品，HNB-C与其他产品之间的距离都较大。总之，不管是极性提取物还是弱极性提取物，TC-A和TC-B这两款TC的距离都很接近，而HNB-C则与其他测试样品距离较远。

2.2  化学组成的差异

本实验共鉴定出有机酸（不包括糖酸）35个、糖酸4个、氨基酸8个、单糖9个、二糖9个、糖醇6个、醇类（不含糖醇）10个、生物碱6个、烷烃8个、其他化合物6个，共101个化合物（表2）。其中丙三醇、1，3-丙二醇、山梨糖醇、赤藓糖醇、肌醇、环己醇、尼古丁、甘油酸、柠苹酸、2，4-二羟基丁酸、4-羟基苯乙酸、2-羟基戊二酸、甲基丁二酸、2-去氧季酮酸、3-羟基吡啶、乙醇胺等化合物在HNB中含量均高于TC，而松二糖、蔗糖、槐糖、蜜二糖、3-羟基丙酸、核糖、6-甲基-吡啶-3-酚等化合物的含量则是HNB低于TC。

对鉴定出的各类化合物的含量变化趋势进行统计（图2），从各类化合物在所测样本之间的含量变化幅度看，单糖、生物碱、醇类（不含糖醇）、有机酸（不含糖酸）等化合物在所测试的不同类型烟草制品中变化幅度较小，而烷烃、二糖、糖酸、氨基酸、糖醇以及其他6个鉴定出的化合物变化幅度较大。从各类化合物在不同烟草制品中的含量趋势看，氨基酸、有机酸、糖醇、糖酸以及其他6个鉴定出的化合物整体表现为在HNB-A和HNB-B中含量较高，在TC-A、TC-B等传统烟草中含量较低;而长链烷烃、二糖等则表现为在TC-A、TC-B中含量较高。HNB-C虽和HNB-A、HNB-B同属于加热不燃烧烟草产品，但其在氨基酸、有机酸、糖醇、糖酸、生物碱等化合物的分布上却更接近于TC-A、TC-B等卷烟产品，只有在二糖的分布上接近于HNB-A和HNB-B。

3  讨  论

3.1  关于未鉴定出的化合物

本研究对HNB和TC中的极性和弱极性溶剂提取物进行了分析，得到超过500个极性物质峰（其中有部分化合物出现2个或2个以上色谱峰，实际化合物数量小于500个）和44个弱极性物质峰，

由于质谱谱库涵盖范围有限和部分化合物含量较低，仅鉴定出其中的101个化合物，仍有400个左右的化合物未被鉴定出来，这些化合物因此也未被分类列出其含量分布。不过由于本實验鉴定出的9类化合物涵盖了本实验所使用方法能检测的所有常见化合物类型，未鉴定出的化合物应是其同类化合物中不常见或含量较低的化合物，它们的缺失对本实验的分析结果影响不大。

3.2  关于HNB-C的化学特征

从HNB-C的化学特征分析结果可知，HNB-C虽和HNB-A、HNB-B同属于加热不燃烧烟草产品，但其在氨基酸、有机酸、糖醇、糖酸、生物碱等化合物的分布上却更接近于TC-A、TC-B等卷烟产品。其中的原因可能是HNB-A和HNB-B是国外混合型卷烟厂商产品，其风味设计可能参照了混合型卷烟的风味。HNB-C是国内烤烟型卷烟厂商产品，其设计时可能参照了中式卷烟（烤烟型卷烟）的配方，因此其部分化学组成更接近于同属于中式卷烟的TC-B和TC-A，而不是以混合型卷烟为原型的HNB-A和HNB-B。这也说明虽然HNB其外形、烟气物释放方式与TC完全不同，但其原料核心与卷烟产品仍有很大的关系。

3.3   HNB与TC产品化学差异的原因

从化学差异分析结果可以看出，HNB相对TC产品含量较高的主要为挥发性较好的醇类物质（丙三醇、1，3-丙二醇、山梨糖醇、赤藓糖醇、肌醇、环己醇等）和小分子有机酸（甘油酸、柠苹酸、2，4-二羟基丁酸、4-羟基苯乙酸、2-羟基戊二酸、甲基丁二酸、2-去氧季酮酸）。这些物质（特别是丙三醇和丙二醇等发烟剂）一方面可以在较低的温度下挥 发以方便吸食，另一方面，丙三醇和丙二醇等发烟剂挥发时产生的雾气能产生类似于卷烟主流烟气的视觉体验，一定程度上满足消费者对卷烟烟气的视觉需求。HNB的加热温度一般在250～350 ℃之间，而TC的燃吸温度在600～950 ℃之间，如果直接采用TC烟丝进行加热不燃烧处理，很多在高温下裂解产生的影响吸食口味的物质将无法在加热不燃烧产品中体现。因此HNB有必要在传统烟叶原料的基础上进行烟叶再造并添加可以调节吸食口味且易挥发的醇类和有机酸等物质。另外，实验发现TC产品相对HNB含量较高的化合物主要有蔗糖、槐糖、蜜二糖、松二糖、核糖等糖类物质，这些物质稳定性较好、分子量较大、难以挥发，显然不适合加热不燃烧产品，但其可以在高温下裂解，产生醛酮类化合物，是TC烟气风格形成的重要前体物质。

3.4   关于样品的代表性问题

本研究只选取了3种HNB产品与TC进行化

学组成的对比。其原因为加热不燃烧烟草产品目前在国内不易获得。虽然国内卷烟企业近年来积极开展HNB的研究，但国内企业生产的HNB产品目前尚未上市，而国外HNB产品在国内的销售也未完全开放。因此，国内相关研究涉及的HNB产品均非常有限。本研究虽然只选取了3种HNB产品进行相关研究，但获得的结果对于了解HNB和TC的化学差异仍具有一定的指导意义。今后如市场条件允许，应扩大取样范围，进行深入研究。

4  结  论

HNB之间、HNB和TC之间均存在较大的化学组成差异。相对TC产品，HNB含量较高的化学组成主要为加热易挥发的醇类物质和有机酸，含量较低的主要为热稳定性好、不易挥发、但高温裂解可产生醛酮类物质的糖类物质。HNB的化学组成特点主要是为了适应其在较低温度迅速挥发释放吸食所需化学成分而设计的。

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