卷煙主流煙氣粒相物酸味成分感官導(dǎo)向分析

史清照，柴國璧，汪軍霞，劉俊輝，范 武，毛 健，席 輝，宋瑜冰，馬 驥，王 予，陶 紅，周 瑢，歐陽路斯，屈 展，宗永立，張建勛，張啟東*，賴燕華*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院 煙草行業(yè)香料基礎(chǔ)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001

2. 廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣州市天河區(qū)林和西橫路186 號(hào) 510385

卷煙產(chǎn)品香味物質(zhì)的剖析始終是煙草領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。由于氣相色譜相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對低分子量、揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì)有優(yōu)越的分離能力且配備完備的化合物標(biāo)準(zhǔn)譜庫，卷煙香氣成分分析研究較為豐富[1-4]。相比之下，因揮發(fā)性低、熱穩(wěn)定性弱、需要進(jìn)行品嘗等不利因素，大大限制了對味覺成分的研究[5-8]。

但與嗅覺相比，味覺分類簡單明確，僅包括酸、甜、苦、咸、鮮5 個(gè)指標(biāo)，適合于以感官為導(dǎo)向的方法進(jìn)行分析，在食品行業(yè)，也常使用以感官導(dǎo)向?yàn)榛A(chǔ)的分離技術(shù)分析味覺成分[9-11]。例如，針對豪達(dá)奶酪（Gouda cheese），利用凝膠色譜分離奶酪水提物，結(jié)合味覺稀釋分析技術(shù)（Taste dilution analysis, TDA），從中定位出具有明顯苦、酸、咸、鮮的味覺特征組分，進(jìn)而分析得到豪達(dá)奶酪中苦味特征組分的16 種苦味肽，為該產(chǎn)品苦味特征的分析和調(diào)控提供了技術(shù)支持[12]。另有研究者以可可粉為研究對象，以感官導(dǎo)向分析法獲得了可可粉中澀感、殘留感、苦味、酸味等化學(xué)感覺和味覺特征組分[13]。針對牛肉湯的感官導(dǎo)向分離，獲得了苦味、鮮味、咸味、甜味、酸味和具有強(qiáng)酸味及帶來口干感的味覺特征組分，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了一種影響牛肉湯總體口味質(zhì)量，尤其是甜味和鮮味特點(diǎn)的味覺增強(qiáng)劑[14]。

酸味是5 個(gè)基本味覺指標(biāo)之一，也是中式卷煙重要的風(fēng)格特征，研究發(fā)現(xiàn)，適宜的酸味有助于增強(qiáng)煙氣成熟感，提升煙氣柔和圓潤感[15-16]。目前針對卷煙主流煙氣中酸味成分系統(tǒng)分析的報(bào)道較少，大部分研究針對煙氣中總體有機(jī)酸，或根據(jù)揮發(fā)性將有機(jī)酸進(jìn)行簡單分類，并未對其感官貢獻(xiàn)從嗅覺與味覺兩種角度加以區(qū)分[17-19]，且相關(guān)報(bào)道所涉及的研究對象并未經(jīng)過明確篩選與定位，大部分研究對象是飽和脂肪酸。而研究表明，當(dāng)脂肪酸的碳原子數(shù)大于6 時(shí)，其味覺特征主要表現(xiàn)為脂肪味、油脂味，酸味較弱[20]。

基于以上背景，借鑒感官導(dǎo)向分析方法，對卷煙主流煙氣粒相物進(jìn)行凝膠色譜分離，定位主流煙氣粒相物中酸味特征組分，并采用GC/MS 技術(shù)定性分析，剖析卷煙煙氣中具有酸味特征的成分，結(jié)合測定的閾值獲得酸味成分的味覺活性值（Taste activity value，TAV），評價(jià)其酸味貢獻(xiàn)強(qiáng)度，并通過卷煙注射加香及評吸進(jìn)一步證明特征成分對煙氣的酸味貢獻(xiàn)。通過對酸味成分的系統(tǒng)研究，旨在為卷煙產(chǎn)品酸味感官特征評價(jià)提供依據(jù)，也為卷煙產(chǎn)品風(fēng)格的定向設(shè)計(jì)和相關(guān)質(zhì)量控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

煙草添加劑安全性評估參比卷煙（上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司）；實(shí)驗(yàn)用卷煙樣品為12 個(gè)市售品牌成品卷煙，包括8 種常規(guī)烤煙型卷煙、3 種低焦油烤煙型卷煙及1 種混合型卷煙。

乙醇（色譜純，北京迪科馬科技有限公司）；超純水（10 MΩ，屈臣氏公司）；己酸（98%）、乳酸（98%）、3-甲基-2-羥基丁酸（99%）、4-甲基-2-羥基戊酸（99%）、蘋果酸（99%）（美國Sigma-Aldrich 公司）；2-羥基丁酸（95%）、3-羥基丙酸（30%）、2,3-二羥基丙酸（20%）、反式-3-己烯酸（99%）（日本Tokyo Chemical Industry 公司）；丙酮（色譜純）、吡啶（色譜純）、2-甲基丁酸（98%）、4-戊烯酸（98%）、羥基乙酸（99%）、亞甲基丁二酸（99%）（J&K Scientific 公司）；乙酰丙酸（98%，美國Alfa-Aesar 公司）；丁二酸、丁二烯酸（99%，美國Acros Organics 公司）；N，O-雙（三甲基硅烷基）乙酰胺（BSTFA，＞99%，美國Regis Technologies公司）。

7890A/5975C 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、DB-5MS 色譜柱（60 m×0.25 mm i.d. ×0.25 μm d.f.）（美國Agilent公司）；NGC Quest 10 Plus 型中高壓層析系統(tǒng)（美國Bio-Rad 公司）；凝膠色譜柱（2.6 cm×100 cm）（瑞士Büchi 公司）；Sephadex LH-20填料（瑞典GE Healthcare公司）；SM450 20 孔道直線型吸煙機(jī)（英國Cerulean公司mm劍橋?yàn)V片（英國Whatman公司）；AL204分析天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius 公司）；HY-5型振蕩器（金壇中大儀器廠）；R-210 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（瑞士Büchi 公司）；Alpha 1-2 LDplus 冷凍干燥機(jī)（德國Christ 公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙氣粒相物酸味特征組分的分離

依據(jù)參考文獻(xiàn)[4]中的方法，獲得主流煙氣粒相物的水溶性組分。凝膠滲透色譜（GPC）分離該水溶性組分。分離條件為：流動(dòng)相為蒸餾水，填料為Sephadex LH-20，流速1 mL/min，通過收集器每10 min收集一個(gè)流份，共收集40 個(gè)流份。紫外檢測儀監(jiān)測以確定收集流份的起點(diǎn)和終點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[13]中的方法，對流份進(jìn)行逐級稀釋及滋味評價(jià)，確定具有酸味的特征流份，合并酸味特征流份，冷凍干燥（預(yù)凍溫度：-18 ℃；冷凍干燥溫度：-53 ℃；冷凍干燥時(shí)間：24 h）后得到酸味特征組分。需要指出的是，滋味評價(jià)過程中，評價(jià)人員每次的樣品品嘗量為10 μL，低于一支卷煙的攝入量。

1.2.2 酸味特征組分的定性分析

采用BSTFA 衍生化法測定酸味特征組分[18]，衍生化反應(yīng)后進(jìn)行GC/MS 分析。分析條件：

進(jìn)樣口溫度：250 ℃；進(jìn)樣方式：恒流模式；分流比：50∶1；進(jìn)樣量：1 μL；載氣及流速：He（99.999%），1 mL/min；程序升溫：50 ℃（1 min）280 ℃（3 min）；電離方式：電子轟擊（EI）；電離能量：70 eV；溶劑延遲：0 min；傳輸線溫度：250 ℃；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；掃描模式：全掃描；掃描質(zhì)量數(shù)范圍：33～450 amu。采用NIST11 和Wiley 譜庫匹配定性。

1.2.3 酸味特征組分的定量分析

取2 張劍橋?yàn)V片，加入20 mL 含內(nèi)標(biāo)（反式-3-己烯酸，濃度：5 μg/mL）的丙酮溶液，室溫萃取30 min，衍生化后進(jìn)行GC/MS 分析[18]，每個(gè)樣品測定2 次，取平均值。GC/MS 分析條件同1.2.2 節(jié)；掃描模式：選擇離子掃描，根據(jù)保留時(shí)間劃分時(shí)間段。待測化合物保留時(shí)間、定性及定量離子的參數(shù)選擇見表1。

表1 酸味成分及內(nèi)標(biāo)保留時(shí)間和選擇離子Tab.1 Retention times and selected ions of sour components and internal standard

1.2.4 酸味成分味覺閾值測定和味覺活性值計(jì)算

采用GB/T 22366—2008《感官分析 方法學(xué) 采用三點(diǎn)選配法（3-AFC）測定嗅覺、味覺和風(fēng)味覺察閾值的一般導(dǎo)則》中最優(yōu)估計(jì)閾值（Best estimate threshold, BET）法測定酸味成分的味覺閾值[21]。

以品牌卷煙中各物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其味覺閾值的比值，作為該物質(zhì)在卷煙中的TAV。以所得TAV 為依據(jù)，判定各成分對于卷煙煙氣酸味的貢獻(xiàn)。

1.2.5 酸味成分在卷煙中的作用驗(yàn)證

為明確酸味成分在卷煙中的作用，對參比卷煙進(jìn)行酸味成分組群的加香注射，感官評價(jià)對比加香前后參比卷煙的感官特征差異?？紤]到各成分在側(cè)流煙氣的損失和自身轉(zhuǎn)移率的限制，所有成分的注射量均為對應(yīng)成分在參比卷煙TPM中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10倍，加香溶液的溶劑為蒸餾水。

由15 位具有省級或以上資質(zhì)的評吸人員組成卷煙感官評價(jià)小組。借鑒YC/T 497—2014[22]及YC/T 496—2014[23]推薦的中式卷煙風(fēng)格感官評價(jià)方法和卷煙感官舒適性評價(jià)方法，從味覺風(fēng)格、煙氣香韻、舒適感特性、煙氣特性4 個(gè)方面對卷煙進(jìn)行感官評價(jià)，各指標(biāo)最終評吸結(jié)果為15 位評委所給出分值的均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 主流煙氣粒相物的GPC 感官導(dǎo)向分離

實(shí)現(xiàn)主流煙氣粒相物感官特征組分分離的關(guān)鍵是選擇合適的色譜分離材料。研究表明，感官刺激物分子和人體感覺器官表面受體產(chǎn)生的相互作用是感官刺激產(chǎn)生的關(guān)鍵。而各種不同的感官受體均只能與一定空間體積和結(jié)構(gòu)的分子發(fā)生相互作用[24]。GPC分離是基于分子體積差異性的分離技術(shù)，因此有可能完成對相似感官特征分子的有效分離和富集[4]；同時(shí)，GPC 可用水作為流動(dòng)相，有利于感官評價(jià)人員直接評價(jià)分離流份的味覺特征。因此，選擇GPC 作為主流煙氣粒相物的分離手段。

主流煙氣粒相物水溶液所得分離流份滋味特征評價(jià)結(jié)果如圖1 所示。在所得流份中出現(xiàn)了辣、酸和苦味3 種味覺特征。從流份6 開始，辣感和酸味同時(shí)出現(xiàn)，且以辣感為主，從流份8 開始，辣感逐漸減弱，酸味增加，并逐漸出現(xiàn)苦味。從流份11 開始，辣感和酸味消失，出現(xiàn)較純粹苦味并持續(xù)至流份30。基于滋味特征評價(jià)結(jié)果，將具有明顯酸味特征的8～10 流份合并，冷凍干燥后得到酸味特征組分。

圖1 卷煙主流煙氣粒相物分離流份滋味特征評價(jià)結(jié)果Fig.1 Results of taste characteristics of fractions separated from TPM of mainstream cigarette smoke

2.2 主流煙氣粒相物中酸味成分的定性分析

酸味形成的生物學(xué)機(jī)理在于質(zhì)子刺激舌黏膜引起的味感，因此酸味化合物多為有機(jī)酸[25]。分析前先采用BSTFA 為衍生化試劑將其硅烷化，使其在非極性柱上的峰形更加對稱，有助于定量分析。根據(jù)定性結(jié)果（圖2）及定性成分標(biāo)準(zhǔn)品的味覺特征評價(jià)，最終鑒定出卷煙主流煙氣粒相物中15 種酸味成分（表2）。

圖2 卷煙樣品主流煙氣粒相物的總離子流圖Fig.2 Total ion chromatograms of TPM of mains tream cigarette smoke of sample

另外，為進(jìn)一步驗(yàn)證15 種酸味成分的味覺特征，將其標(biāo)準(zhǔn)品配制成兩種濃度的水溶液，評價(jià)其味覺特征，結(jié)果見表2?？芍?5 種成分均具有酸味；此外，8 種成分還具甜味，5 種成分有澀感，4-甲基-2-羥基戊酸的甜味和澀味特征明顯，3-甲基-2-羥基丁酸和亞甲基丁二酸的澀感特征明顯。

2.3 主流煙氣粒相物中酸味成分的定量分析

用選擇離子掃描的方式對TPM中的酸味成分進(jìn)行定量，標(biāo)準(zhǔn)工作溶液及卷煙樣品的選擇離子掃描圖如圖3 所示。12 種不同品牌卷煙主流煙氣粒相物中酸味成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定結(jié)果見表3。

總體來看，乙酸、乳酸兩種酸味成分在各品牌卷煙主流煙氣粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其他13種酸味成分；另外，不同品牌卷煙間乳酸在主流煙氣粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，如6 號(hào)卷煙幾乎是其他常規(guī)烤煙型卷煙的2～3 倍，這說明乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異可能是人為調(diào)控的，而同類型、不同品牌卷煙主流煙氣粒相物間乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異并不明顯。除此之外，3 種低焦油卷煙主流煙氣粒相物中乙酸

質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于常規(guī)烤煙型及混合型卷煙，所測混合型卷煙主流煙氣粒相物乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于其他類型的卷煙。

表2 15 種酸味成分及其兩種濃度水溶液中的味覺特征評價(jià)結(jié)果Tab.2 Results of taste characteristics of 15 sour components and their aqueous solutions at two concentrations

圖3 標(biāo)準(zhǔn)工作溶液及卷煙樣品的選擇離子掃描（SIM）圖Fig.3 Selected ion scan spectra of standard working solution and cigarette sample

除乙酸和乳酸外，羥基乙酸主流煙氣粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高，不同品牌卷煙主流煙氣粒相物中羥基乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異不大；與乳酸類似，混合型卷煙主流煙氣粒相物中羥基乙酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也略低于其他兩種類型的卷煙。此外，由表2 的味覺評價(jià)結(jié)果可知，乳酸及羥基乙酸除具有酸味外，還有甜味，因此這些化合物在影響卷煙酸味的同時(shí)，也極有可能對其甜味造成影響。

此外，3-羥基丙酸、乙酰丙酸、2,3-二羥基丙酸等化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于相對較高水平，在品牌間及不同類型卷煙間的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不大。丁二烯酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也相對較高，但在低焦油卷煙主流煙氣粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于常規(guī)烤煙型和混合型卷煙。2-甲基丁酸、2-羥基丁酸、3-甲基-2-羥基丁酸、4-甲基-2-羥基戊酸、亞甲基丁二酸具有澀感的成分在粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，且品牌間的差異不明顯。

2.4 酸味成分的感官貢獻(xiàn)分析

僅以不同酸味成分在主流煙氣粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低并不能判斷其對酸味貢獻(xiàn)的差異，因此，測定了15 種酸味成分的味覺閾值，結(jié)果見表4。結(jié)合各成分在12 種品牌卷煙主流煙氣粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，計(jì)算得到對應(yīng)的TAV（表5），以TAV 的大小衡量15 種成分對酸味的貢獻(xiàn)[20,26-27]。

在15 種酸味成分中，乙酸和乳酸對酸味貢獻(xiàn)較高，TAV 均遠(yuǎn)高于其他13 種化合物，這是因?yàn)閮烧叩奈队X閾值相對較低且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較其他13 種酸味成分高。將各品牌卷煙15 種酸味成分的TAV 之和、乙酸與乳酸的TAV 之和對比（圖4）發(fā)現(xiàn)兩者具有相同的變化趨勢，因此可以認(rèn)為乙酸與乳酸的TAV 之和能夠在很大程度上表征酸味成分組群對卷煙總體酸味感受的影響。

常見的研究報(bào)道中，常常將乙酸的嗅覺與味覺感受不加區(qū)分[17-19]。本研究中除了乙酸的味覺閾值外，還測定了其在乙醇中的嗅覺閾值（Oder activity value，OAV），見表4。通過計(jì)算可知乙酸的OAV 約為其TAV的2.5 倍，說明雖然乙酸是一種重要的酸味物質(zhì)，但其感官貢獻(xiàn)以嗅覺（酸香）為主。另外，乳酸的TAV 也較高，不同品牌間乳酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，其TAV 也顯示出了較大的差異，6 號(hào)卷煙乳酸的TAV 幾乎是其他卷煙乳酸TAV 的2～3 倍。

除乙酸和乳酸外，羥基乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高，其TAV 也相對較高。丁二酸的閾值在15 種酸味成分中最低，但粒相物中丁二酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不高，所以其TAV低于乙酸和乳酸。丁二烯酸在常規(guī)烤煙型及混合型卷煙主流煙氣粒相物中的TAV 也較高，但在低焦油卷煙主流煙氣粒相物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，導(dǎo)致其在低焦油卷煙中的TAV 相對較低。基于表2中的感官評價(jià)結(jié)果，乳酸、羥基乙酸及丁二酸除具有酸味外，還具有甜味感受，且其TAV 值均相對較高，因此這些化合物影響卷煙酸味感受的同時(shí)，對甜味感受也會(huì)有較大的影響。

在帶有澀感的化合物中，除了2-羥基丁酸的TAV稍高，2-甲基丁酸、3-甲基-2-羥基丁酸、4-甲基-2-羥基戊酸、亞甲基丁二酸的TAV均處于較低水平，因而與甜味相比，對卷煙澀感的影響不大。

將各品牌卷煙15 種酸味成分的TAV 加和，表征其對卷煙酸味的總體貢獻(xiàn)，結(jié)果見表5。以化合物在單支卷煙的TAV 加和計(jì)算，常規(guī)烤煙型卷煙的單支卷煙酸味強(qiáng)度要高于低焦油和混合型卷煙，而從化合物在主流煙氣粒相物中的TAV 加和來看，低焦油與常規(guī)烤煙型卷煙的酸味強(qiáng)度差異不大，但混合型卷煙的酸味強(qiáng)度較低，這與常規(guī)烤煙型和混合型卷煙抽吸的感官特征差異性一致。雖然低焦油卷煙的焦油量降低，但其酸味強(qiáng)度與常規(guī)烤煙型卷煙仍保持在同一水平，符合二者的抽吸感受。

綜上分析可知，與基于經(jīng)驗(yàn)篩選研究對象進(jìn)而通過TAV 定位關(guān)鍵物質(zhì)的研究思路不同，本研究中以TPM 為起始研究對象，感官導(dǎo)向分離其中的酸味流份，進(jìn)而從酸味流份中定位得到了15種酸味成分，獲得了脂肪酸、羥基酸、烯酸等多種對卷煙酸味貢獻(xiàn)強(qiáng)度各異的化合物，且大部分化合物除了主要的酸味外，還具有甜味、澀感等。

表4 15 種酸味成分的閾值Tab.4 Threshold values of 15 sour components(μg·g-1)

2.5 酸味成分的加香評吸結(jié)果

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圖4 12 種卷煙樣品主流煙氣粒相物中15 種酸味成分TAV 之和及乙酸和乳酸的TAV 之和Fig.4 Sum of TAVs of 15 sour components and that of acetic acid and lactic acid in mainstream cigarette smoke of 12 samples

圖5 空白卷煙（藍(lán)色）和添加酸味成分的卷煙（紅色）的感官特征對比Fig.5 Comparison of sensory characteristics between blank cigarette（blue）and cigarettes added with sour components（red）

空白卷煙和添加酸味成分的卷煙的味覺風(fēng)格、煙氣香韻、舒適感和煙氣特性對比如圖5 所示?？梢钥闯?，添加了酸味成分組群的卷煙酸味口感明顯提升，進(jìn)一步說明本研究中定位的15 種酸味成分具有有效的酸味調(diào)節(jié)作用，是卷煙重要的酸味成分；除此之外，卷煙的甜味口感也有所提升，符合部分酸味成分兼具甜味的感官感受。加入酸味成分后，煙氣的甜香、果香明顯增強(qiáng)，其余香韻基本不變；同時(shí)明顯降低了煙氣的刺激和雜氣，改善了余味，提高了煙氣的細(xì)膩程度。

3 結(jié)論

利用凝膠色譜分離技術(shù)對卷煙主流煙氣總粒相物進(jìn)行了流份分離，在感官導(dǎo)向下定位了酸味組分，并利用GC/MS 技術(shù)鑒定了15 種酸味物質(zhì)：①TAV 顯示15 種酸味成分均對卷煙味覺有貢獻(xiàn)，乙酸和乳酸對酸味的貢獻(xiàn)最大；不同卷煙品牌間乳酸的TAV 差異較大，人為調(diào)控因素較高；②部分酸味成分具有甜味及澀感表現(xiàn)；③評吸結(jié)果顯示，施加酸味成分能夠降低卷煙刺激性、改善余味，明顯提高卷煙的酸味口感、甜香香韻及甜味口感。