典型电加热卷烟与传统卷烟烟气粒相成分比较研究

卢乐华，任举，毕艳玖，刘鸿，李典，高峄涵*

研究简报

典型电加热卷烟与传统卷烟烟气粒相成分比较研究

卢乐华1，任举1，毕艳玖2，刘鸿2，李典3，高峄涵1*

1 上海新型烟草制品研究院有限公司，上海市浦东新区秀浦路3733号 201315；2 上海烟草集团有限责任公司技术中心，上海市浦东新区秀浦路3733号 201315；3 广西中烟工业有限责任公司，广西南宁市北湖南路28号 530001

【背景和目的】加热卷烟具有烟草的感官特征，但由于受热方式不同，香气风格特征与传统卷烟存在较大区别。为明确加热卷烟烟气组成特征，开展代表性产品烟气成分对比研究。【方法】通过在线液相色谱-气相色谱/质谱联用系统对代表性的传统卷烟及加热卷烟产品进行烟气成分分析。【结果】（1）4种加热卷烟烟气成分种类和含量均低于传统卷烟。（2）4种不同类型加热卷烟产品烟气组成差异不大，但HTP-1烟气组分特征接近于混合型卷烟。（3）加热卷烟烟气特征香气成分包括大马酮、羟基丙酮、糠醇、γ-丁内酯、β-石竹烯、植醇、芳樟醇等，体现了加热卷烟烟草本香、烘焙、烤甜香的典型风格特征。【结论】4种代表性的加热卷烟烟气组成总体上属于传统卷烟烟气组成的子集，同时具有自身的特征。烟气组成是影响加热卷烟和传统卷烟烟气风格特征差异的主要原因。

加热卷烟；烟气组成；液相色谱-气相色谱/质谱联用；主成分分析；风格特征

加热卷烟使用专用再造烟叶作为原料，以低温加热为特征，加热温度一般不超过350℃[1]。最大程度保留了烟草特征风格和感官体验，同时减少了高温裂解产生的有害成分，更容易被卷烟使用者接受并发生转化[2-3]。

张虎等[4]总结了加热卷烟气溶胶化学成分分析常用的抽吸模式、捕集方法及分析检测技术。刘钻福 等[5]通过热裂解手段研究了烘烤工艺对加热卷烟原料香气成分释放的影响。杨雪燕[6]研究了加热卷烟和传统卷烟原料热裂解指纹图谱，发现两种原料能够被完全区分。司晓喜等[7]对28种加热卷烟气溶胶成分进行测定，发现5-羟甲基糠醛、麦芽酚、糠醇、石竹烯等物质是含量较高的共有组分。王颖等[8]分析了不同加热卷烟和传统卷烟主流烟气成分，发现加热卷烟中来源于烟草本身的香气质和香气量均较低。Mark C. Bentley等[9]对IQOS加热卷烟产品气溶胶进行了非靶向成分分析，明确了加热卷烟气溶胶全成分的组成轮廓。目前，加热卷烟烟气研究主要集中于原料裂解分析[5-6]、主要成分研究[7-9]、烟气安全毒理评价[10-11]等方面，烟气全成分非靶向研究较少，存在检出成分少、组分干扰严重等缺点。

本研究运用新型分析方法，对典型加热卷烟和传统卷烟开展烟气全成分研究，通过比较加热卷烟与传统卷烟烟气成分的异同，构建主流加热卷烟产品烟气化学特征，为开发风格特征更接近传统卷烟的加热卷烟产品提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 仪器、试剂与材料

在线LC-GC/MS联用系统，包括第一维液相色谱仪（Agilent 1290，美国安捷伦公司）和第二维气相色谱-质谱联用仪（Agilent 7890A/5975C，美国安捷伦公司），其中，LC配备二极管阵列（DAD）检测器，GC/MS配备On-Column[12]进样口。

茴香脑（＞99%，百灵威科技有限公司），异丙醇、正己烷、乙醇（色谱纯，美国TEDIA公司）

样品包括传统卷烟和加热卷烟，传统卷烟为不同风格的市场产品，加热卷烟为国外市场主流产品与行业单位自主开发产品。样品信息见表1。

表1 样品信息

Tab.1 Sample information

1.2 方法

1.2.1 样品处理

传统卷烟按照GB/T 16450—2004[13]要求进行抽吸，加热卷烟按照ISO 20778—2018[14]要求进行抽吸。样品均抽吸4支，烟气粒相物捕集于1张44 mm剑桥滤片，20 mL含茴香脑内标（50 μg/mL）的异丙醇萃取30 min，0.45 μm有机滤膜过滤，装入色谱瓶中待测。

1.2.2 色谱分析

LC条件：色谱柱为氰基柱（2.1 mm i.d.×100 mm，5 µm），流动相为正己烷和乙醇，进样量：5.0 µL；梯度洗脱条件：0 min，100%正己烷；20 min，40%乙醇；20～40 min，100%乙醇；50 min，100%正己烷。流速0.2 mL/min。DAD检测器，检测波长分别为210 nm、250 nm和290 nm。根据不同检测波长下的出峰结果，将样品进行六段切割，分别进行GC-MS分析。

GC-MS条件：色谱柱为DB-WAX（60 m×0.25 mm i.d.×0.25 µm df），载气：He，流速：1.5 mL/min，升温程序：50℃保持1 min，4℃/min升至240℃保持15 min。传输线温度为240℃，离子源温度为230℃，四级杆温度为150℃，扫描范围33～450 Da。

1.2.3 数据处理

化合物以NIST和Wiely谱库进行定性，定性标准为正反匹配度均大于80%。内标法定量。数据作图及主成分分析由Graphpad Prism完成。

2 结果与讨论

2.1 烟气粒相成分比较

传统卷烟烟气粒相成分分别为88和86种，加热卷烟分别为56种、49种、42种和39种。总体上加热卷烟烟气成分不如传统卷烟丰富，但不同类型化合物也有所不同。以香味成分为目标，比较两类烟草产品之间的烟气组分分布规律。

2.1.1 萜烯类化合物

新植二烯是烟叶中叶绿素降解产物叶绿醇脱水后的产物，是具有清香气息的重要前体物[15]。同时还能进一步转化为小分子香气成分，如植物呋喃等[16-17]。新植二烯在传统卷烟和加热卷烟中均为最主要的萜稀化合物，HTP-1中的含量略高于传统卷烟。具有甜、果香气的柠檬烯、罗勒烯主要存在于传统卷烟和加热卷烟HTP-1中，而具有辛香、木香气息的石竹烯、长叶烯等则主要存在于加热卷烟产品中，这与产品风格设计所要求的加香加料差异有关。

图1 烟气中萜烯类化合物含量分布

2.1.2 醇类化合物

传统卷烟烟气中的醇类化合物比加热卷烟更为丰富，加热卷烟中以3-氧代-α-紫罗兰醇、3-氧代-7,8-二氢紫罗兰醇、苯甲醇、苯乙醇、芳樟醇等为主。其中3-氧代-α-紫罗兰醇、3-氧代-7,8-二氢紫罗兰醇为叶黄素降解物，苯甲醇和苯乙醇为芳香族氨基酸的重要代谢产物，对烟草特征香气具有重要影响。芳樟醇具有典型的花香、清香特征，能增加烟气青香及木香香韵，天然存在于烤烟及白肋烟烟叶中[18]。

图2 烟气中醇类化合物含量分布

2.1.3 酚类化合物

加热卷烟中的愈创木酚、DDMP等致香成分显著低于传统卷烟，酚类香气组成较弱。苯酚来源于卷烟抽吸过程中的糖、含氮化合物及多酚类化合物经过高温裂解等反应[19]，低温条件下生成率低，含量相对较低。

图3 烟气中酚类化合物含量分布

2.1.4 醛酮类化合物

加热卷烟烟气中的酮类化合物比较丰富[20]，但含量普遍低于传统卷烟。巨豆三烯酮、茄酮、MCP和吡喃酮在加热卷烟中均有检出，大马酮和羟甲基环戊烯酮仅在加热卷烟的HTP-1中检出，这些组分是烟草特征香气风格的关键组分。羟基丙酮在加热卷烟中含量显著高于传统卷烟，与烘焙香风格密切相关[21]。因此，加热卷烟既保留了烟草特征香气，又具有其自身独特风格。

图4 烟气中醛酮类化合物含量分布

2.1.5 酯类化合物

脂肪酸酯本身香气较弱，但可以柔和烟气并作为香味载体，在传统卷烟中含量较高。加热卷烟中的γ-丁内酯和当归内酯与传统卷烟相当，其中γ-丁内酯具有奶油、焦糖香味，当归内酯具有药草、烟草气息，能够提升烟香，改进吸味。有研究表明[22]，莨菪亭是影响中间香型烤烟感官质量的准优因素、莨菪亭仅在HTP-2中检出，说明HTP-2具有烤烟香型的特征。

图5 烟气中酯类化合物含量分布

2.1.6 呋喃类化合物

除植物呋喃外，呋喃类化合物在加热卷烟和传统卷烟中均有检出，加热卷烟中的糠醇含量高于传统卷烟。呋喃类化合物主要为烘烤、焦甜香韵[18]，容易在低温加热条件下生成，是加热卷烟香气风格的重要组成部分。

图6 烟气中呋喃类化合物含量分布

2.1.7 杂环类化合物

加热卷烟烟气中主要以2,3-联吡啶、3-羟基吡啶、2-吡咯烷酮和2-乙酰基吡咯为主，含量显著偏低于传统卷烟。该类组分主要来源于烟草非酶促棕色化反应及各种含氮前体物的热解[20]，香气阈值低，对香气风格有重要影响。

图7 烟气中杂环类化合物含量分布

2.18 酸性化合物

酸性成分主要来源于烟叶大分子物质的转化和抽吸时转移[20]。异戊酸和3-甲基戊酸是香料烟的特征香气成分，在混合型卷烟CT-2和加热卷烟HTP-1中检出，说明HTP-1烟气风格与CT-2较相似。加热卷烟烟气中其他酸性成分很少，与传统卷烟区别较大。

图8 烟气中酸性化合物含量分布

2.2 烟气成分主成分分析

为考察加热卷烟与传统卷烟烟气组成的差异，以及造成差异的关键特征成分，对烟气粒相成分进行主成分分析（PCA），PC1和PC2累积方差为88.52%，模型解释能力良好。

得分图PC1维度上，传统卷烟与加热卷烟在烟气组成上具有显著特征差异。PC2维度上，加热卷烟HTP-1与混合型卷烟CT-2均位于上侧，说明HTP-1和CT-2在烟气成分组成上具有相似性，香气风格具有混合型特征。HTP-2和HTP-3的烟气组分特征与烤烟和混合型卷烟均无显著相关性，这可能与原料选择及再造烟叶工艺有关。

载荷图PC1维度上，大多数烟气成分均分布于左侧，说明成分协同作用强，加热卷烟也具有传统卷烟烟气的基本风格特征。大马酮（Ke-3）、羟基丙酮（Ke-11）、糠醇（Fu-1）、γ-丁内酯（Es-1）、β-石竹烯（Te-9）、植醇（Alc-10）、薄荷醇（Alc-11）、芳樟醇（Alc-12）等为加热卷烟烟气中的特征成分。除了薄荷醇外，这些成分提供了加热卷烟烟草本香、烘烤、焦甜、坚果香的烟草特征香气，共同构建了加热卷烟在低温加热条件下的独特香气风格特征。

注：（a）得分图（b）载荷图。

Note: (a) Score plot (b) Loadings plot.

图9 烟气成分主成分分析

Fig.9 PCA analysis of smoke components

3 结论

（1）4种典型的加热卷烟烟气成分种类与含量均少于传统卷烟，成分丰富性较弱，表现为传统卷烟烟气的子集。同时，加热卷烟中通过裂解产生的有害物成分种类更少，含量更低。

（2）4种典型加热卷烟烟气特征成分主要包括大马酮、羟基丙酮、糠醇、芳樟醇、γ典丁内酯、β内石竹烯、植醇等，共同形成了自身的典型风格特征，表现出烟草本香、烘焙、烤甜香气风格。

（3）HTP-1烟气中的成分种类与含量均更丰富，与混合型卷烟的风格特征呈现正相关性。其他加热卷烟与传统卷烟的相关性均不明显，烟草风格特征偏弱，反映在烟气成分上，体现为醇类和醛酮类关键香气成分含量偏低或缺失。

[1] Stéphanie Boué, Walter K Schlage, David Page, et al. Toxicological assessment of Tobacco Heating System 2.2：Findings from an independent peer review[J]. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 2019, 104: 115-127.

[2] Simon Poynton, Joseph Sutton, Sharon Goodall, et al. A novel hybrid tobacco product that delivers a tobacco flavour note with vapour aerosol (Part 1): Product operation and preliminary aerosol chemistry assessment[J]. Food Chem Toxicol, 2017, 106: 522-532.

[3] Damien Breheny, Jason Adamson, David Azzopardi, et al. A novel hybrid product that heats tobacco through controlled aerosol release (part 2): In vitro biological assessment and comparison with different tobacco-heating products[J]. Food Chem Toxicol, 2017, 106: 533-546.

[4] 张虎，段沅杏，杨柳，等. 加热卷烟气溶胶化学成分分析研究进展[J]. 中国烟草学报，2021, 27(06): 120-126.

ZHANG Hu, DUAN Yuanxing, YANG Liu, et al. Research progress on chemical composition analysis technology of aerosols of heated tobacco products [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2021, 27(6) : 120-126.

[5] 刘钻福，窦玉青，张本强，等. 烘烤工艺对加热卷烟烤烟原料香气成分及感官质量的影响[J]. 中国烟草科学，2022, 3(3): 57-63.

LIU Zuanfu, DOU Yuqing, ZHANG Benqiang, et al. Effects of Different Curing Techniques on Aroma Components and Sensory Quality of Flue-cured Tobacco Raw Materials for Heated Tobacco Cigarette Products[J]. Chinese Tobacco Science 2022, 43(3): 57-63.

[6] 杨雪燕，段勤，田飞宇，等. 加热不燃烧卷烟与传统卷烟热裂解指纹图谱分析评价[J]. 湖北农业科学，2021, 60(24):178-183.

YANG Xueyan, DUAN Qin, TIAN Feiyu, et al. Analysis and evaluation of heat-not-burn cigarette and traditional cigarette pyrolysis products by fingerprint[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2021, 60(24):178-183.

[7] 司晓喜，向本富，蒋薇，等. 加热卷烟气溶胶中香气成分的GC-MS/MS同时测定和比较[J]. 食品与机械. 2021,37(06): 86-96.

SI Xiaoxi, XIANG Benfu, JIANG Wei, et al. Determination and comparison of aroma components in different heated cigarette aerosols by GC-MS/MS[J]. Food and Machinery. 2021,37(06): 86-96.

[8] 王颖，杨文彬，王冲，等. 加热不燃烧卷烟产品主流烟气中香气成分的比较[J]. 食品与机械，2019, 35(6):64-68.

WANGYing, YANG Wenbin, WANG Chong, et al. Comparative analysis of the aroma components in mainstream aerosol of heat-not-burn tobacco product[J]. Food and Machinery, 2019, 35(6):64-68.

[9] Mark C, Bentley, Martin Almstetter, Daniel Arndt, et al. Comprehensive chemical characterization of the aerosol generated by a heated tobacco product by untargeted screening[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2020, 412(11): 2675-2685.

[10] Poussin C, van der Toorn M, Scheuner S, et al. Systems toxicology study reveals reduced impact of heated tobacco product aerosol extract relative to cigarette smoke on premature aging and exacerbation effects in aged aortic cells in vitro[J]. Arch Toxicol. 2021, 95(10):3341-3359.

[11] Phillips BW, Schlage WK, Titz B, et al. A 90-day OECD TG 413 rat inhalation study with systems toxicology endpoints demonstrates reduced exposure effects of the aerosol from the carbon heated tobacco product version 1.2 (CHTP1.2) compared with cigarette smoke. I. Inhalation exposure, clinical pathology and histopathology[J]. Food Chem Toxicol. 2018, 116: 388-413.

[12] 高峄涵，郑赛晶，刘百战. 在线LC-GC/MS联用技术开发及其在电子烟液香味成分分析中的应用[C]. 中国烟草学会学术年会优秀论文集. 中国烟草学会，2017.

GAO Yihan, ZHENG Saijing, LIU Baizhan. Development of online LC-GC/MS combined technology and its application in the analysis of aroma components in electronic cigarette liquids[C]. 2017 Annual Excellent Papers Compilation of China Tobacco Society, China Tobacco Society, 2017.

[13] GB/T 16450—2004卷烟用常规分析用吸烟机测定定义和标准条件[S]. 2004. GB/T 16450-2004 Routine analytical cigarette – smoking machine – Definitions and standard conditions[S]. 2004.

[14] ISO 20778-2018 Cigarettes – Routine analytical cigarette smoking machine – Definitions and standard conditions with an intense smoking regime[S]. 2018.

[15] 邵惠芳，李爱军，代惠娟，等. 烟草质体色素研究进展[J]. 中国农学通报，2007, 23(12): 128-132.

SHAO Huifang, LI Aijun, DAI Huijuan, et al. The research progress of tobacco plastid pigment[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2007, 23(12): 128-132.

[16] Amir-Shapira D, Goldschmide E E, Altman A. Chlorophyll catabolism in senescing plant tissue: Invivo breakdown intermediates suggest different degradative pathways for Citrus fruit and parsley leaves[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1987, 84: 1901-1905.

[17] Leffingwell J C, Leffingwell D. Chemical and sensory aspects of tobacco flavor : An overview[J]. Rec Adv Tob Sci, 1988 (14) : 169-218.

[18] 谢剑平. 烟草香原料[M]. 北京：化学工业出版社., 2009: 95, 418-419.

XIE Jianping. Tobacco aroma raw materials[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2009: 95,418-419.

[19] 程传玲，唐琦，汪文良，等. 单料烤烟主流烟气中主要酚类化合物及其与感官质量相关性分析[J]. 郑州轻工业学院学报（自然科学版），2011, 26(1)：5-8.

CHENG Chuanling，TANG Qi，WANG Wenliang，et al. Correlation analysis between the major phenolic compounds in flue-cured tobacco MS with smoking quality[J]. Journal of Zhengzhou University of Light Industry (Natural Science), 2011, 26(1)：5-8.

[20] 谢剑平. 烟草与烟气化学成分[M]. 北京：化学工业出版社，2010: 37.

XIE Jianpin. Tobacco and smoke chemistry composition[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2010:37.

[21] 徐秀娟，茅中一，杨春强，等. 基于烟草水提物的Maillard反应产物影响因素[J]. 烟草科技，2022, 55(3): 39-49.

XU Xiujuan, MAO Zhongyi, YANG Chunqiang, et al. Factors influencing Maillard reaction products from tobacco aqueous extracts[J]. Tobacco Science & Technology, 2022, 55(3): 39-49.

[22] 李志刚. 烤烟不同香型烟叶质量特点及判别分析[D]. 河南农业大学，2011.

LI Zhigang. Analysis on characteristics and discriminant of aroma types of flue-cured tobacco[D]. Henan Agriculture University, 2011.

Comparative study on the components of smoke particulate matter between representative electrically heated tobacco products and combustion cigarettes

LU Lehua1, REN Ju1, BI Yanjiu2, LIU Hong2, LI Dian3, GAO Yihan1*

1 New Tobacco Product Research Institute, Shanghai 201315, China;2 Technology Center, Shanghai Tobacco Group Co., Ltd., Shanghai 201315, China;3 China Tobacco Guangxi Industrial Co., Ltd, Nanning 530001, China

Electrically heated tobacco products (e-HTPs) share basic sensory characteristics with combustion cigarettes. However, due to their different heating mode, they differ significantly from combustion cigarettes in aroma characteristics. To elucidate the aroma characteristics of e-HTPs, a comparative study on the smoke composition between representative e-HTPs and combustion cigarettes was conducted.The smoke composition of typical combustion cigarettes and representative e-HTPs were analyzed using an online liquid chromatography - gas chromatography/mass spectrometry (LC-GC/MS) system to compare the compositional differences between e-HTPs and combustion cigarettes.(1) e-HTPs contain fewer smoke components than those in combustion cigarettes. (2) little difference was observed in the smoke composition among the four different types of e-HTPs, but the aroma characteristics of HTP-1 closely resembled those of blended combustion cigarettes. (3) Damascone, Hydroxyacetone, β-caryophyllene, phytol, and Linalool are the characteristic components of e-HTPs, reflecting their typical sensory characteristics of e-HTPs including tobacco’s original aroma, baking, and roasting sweet aromas.The smoke composition of the four representative e-HTPs exhibits specific characteristics, but essentially represents a subset of combustion cigarette smoke. Moreover, smoke composition significantly influences the flavor characteristics between e-HTPs and combustion cigarettes.

heated tobacco products; smoke composition; LC-GC/MS; Principal component analysis (PCA); flavor characteristics

. Email：gaoyh@sh.tobacco.com.cn

国家烟草专卖局新型卷烟研制重大专项项目“加热卷烟专用再造烟叶配方适用性研究及应用”[No.110202101019(XX-05)]

卢乐华（1986—），硕士，工程师，主要从事新型烟草制品基础研究，Tel：021-61661838，Email：lulh@sh.tobacco.com.cn

高峄涵（1984—），Tel：021-61661835，Email：gaoyh@sh.tobacco.com.cn

2022-09-22；

2023-11-16

卢乐华，任举，毕艳玖，等. 典型电加热卷烟与传统卷烟烟气粒相成分比较研究[J]. 中国烟草学报，2024，30（1）. LU Lehua, REN Ju, BI Yanjiu, et al. Comparative study on the components of smoke particulate matter between representative electrically heated tobacco products and combustion cigarettes[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2024,30(1). doi:10.16472/j.chinatobacco.2022.165