不同煙堿鹽對電子煙煙堿釋放行為的影響

各會杰，張 博，趙國玲，尹新強，李燕春，張峻松*

1. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)科學(xué)大道136號 450002 2. 湖南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)研發(fā)中心，長沙市雨花區(qū)勞動中路386 號 410007

電子煙（Electronic cigarette，簡稱E-cig）主要由電池、霧化器和煙彈等元器件組成，通過電加熱方式霧化電子煙液而產(chǎn)生氣溶膠，近年來受到科研人員的關(guān)注［1-4］。電子煙在抽吸過程中加熱溫度較低，氣溶膠中有害成分的釋放量低于傳統(tǒng)卷煙煙氣［5-7］。目前，電子煙已成為國際煙草企業(yè)的研發(fā)熱點之一 。

煙堿是電子煙液的關(guān)鍵成分之一，可以給使用者提供生理滿足感［12］，但長時間存儲中煙堿易氧化生成煙酸、氧化煙堿、煙堿烯等成分，這會影響電子煙的抽吸品質(zhì)［13］。同時，煙堿揮發(fā)性較強，會導(dǎo)致電子煙抽吸時前后感官品質(zhì)差異較大［14］。煙堿鹽的性質(zhì)較穩(wěn)定，可以作為煙堿的替代品。目前，國內(nèi)關(guān)于煙堿鹽的研究較少［15］，煙堿鹽對電子煙氣溶膠中煙堿釋放行為的影響研究鮮見報道。據(jù)報道，使用煙堿鹽調(diào)配電子煙液時，志愿者抽吸電子煙后血液中煙堿含量達到最大值所用的時間、心率升高的速率與抽吸傳統(tǒng)卷煙相當或更優(yōu)，而使用游離煙堿調(diào)配電子煙液時，志愿者抽吸電子煙后在0～5 min 內(nèi)血液中煙堿的攝取率、心率升高的速率與抽吸卷煙存在明顯的差異［16］。David 等［17］的研究表明，在電子煙抽吸過程中，含煙堿鹽的電子煙液產(chǎn)生的氣溶膠粒徑更適于向肺部遞送，可以降低氣溶膠對咽喉部的刺激性，增強滿足感。

不同煙堿鹽釋放行為存在差異，這可能與煙堿鹽的微觀結(jié)構(gòu)及熱釋放溫度有關(guān)［14］。Seeman等［18］的研究表明，乙酸煙堿鹽釋放煙堿峰值溫度約110～120 ℃，酒石酸煙堿鹽釋放煙堿峰值溫度約200 ℃。Riggs 等［19］利用熱重分析法對煙堿鹽進行了研究，結(jié)果表明，煙堿鹽的熱穩(wěn)定性與其存在的形態(tài)有關(guān)，隨著溫度的升高，液體態(tài)煙堿鹽穩(wěn)定性最差，其次為結(jié)晶態(tài)煙堿鹽，最后為無定形態(tài)煙堿鹽。在本研究中，以酒石酸、蘋果酸、苯甲酸和水楊酸的煙堿鹽為研究對象，考察濃度及抽吸口數(shù)對電子煙氣溶膠中煙堿釋放行為的影響，旨在為煙堿鹽在電子煙液中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

4 種煙堿鹽（表1）、煙堿、EGO 電子煙（電池桿電池容量1 300 mA·h，充滿電時可供應(yīng)1 500 口抽吸，工作電壓為4.2 V，發(fā)熱元件為鎳鉻發(fā)熱絲）（湖南中煙工業(yè)有限責任公司提供）。

1,2-丙二醇、丙三醇（AR，天津市富宇精細化工有限公司）；異丙醇（色譜純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；正十七烷（≥98.5%，北京市百靈威科技有限公司）。

表1 4 種煙堿鹽基本信息Tab.1 Basic information on four nicotine salts

RM20H 轉(zhuǎn)盤型吸煙機（德國Borgwaldt 公司）；EL204 型電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；7890B 氣相色譜儀（美國Agilent 公司）；HZQ-F160 型全溫振蕩培養(yǎng)箱（太倉市實驗設(shè)備廠）。

1.2 方法

1.2.1 煙堿標準工作溶液的配制

內(nèi)標儲備液：準確稱取正十七烷0.5 g，于1 L容量瓶中用異丙醇定容。標準儲備液：準確稱取煙堿0.01 g，于10 mL 棕色容量瓶中用內(nèi)標儲備液定容。分別移取不同體積標準儲備液，于10 mL棕色容量瓶中用內(nèi)標儲備液定容，得到煙堿質(zhì)量濃 度 分 別 為0.001、0.010、0.050、0.250、0.500、1.000 mg/mL 的系列標準工作溶液。

1.2.2 電子煙液的配制

據(jù)調(diào)查，目前市售各品牌煙液中霧化劑主要為1,2-丙二醇與丙三醇的混合液，因此本研究中選擇1,2-丙二醇與丙三醇的質(zhì)量比為2∶1［20］。分別稱取不同質(zhì)量的煙堿鹽于25 mL 容量瓶中，用霧化劑定容至刻度，得到煙堿鹽溶液中煙堿的質(zhì)量濃度分別為3、6、12、25、35、60 mg/mL。準確移取1.6 mL 煙液于一次性煙彈中，每次抽吸前確保煙具電壓保持在4.2 V。

1.2.3 電子煙氣溶膠粒相物的捕集

采用轉(zhuǎn)盤型吸煙機，參照CORESTA 電子煙特別小組提議的方法捕集電子煙氣溶膠，即抽吸曲線為方波，抽吸容量為55.0 mL，抽吸持續(xù)時間為3 s，抽吸間隔30 s［21］。采用92 mm 的劍橋濾片捕集氣溶膠粒相物。抽吸口數(shù)為50、100、150、200、250 口。

1.2.4 樣品的制備與檢測

將捕集粒相物的劍橋濾片置于150 mL 錐形瓶中，加入60 mL 內(nèi)標儲備液，室溫下振蕩30 min，取上清液過有機濾膜后進行GC 分析，采用內(nèi)標工作曲線定量。GC 分析條件：

色譜柱：HP-5MS 毛細管色譜柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm）；進樣口溫度：250 ℃；載氣：氦氣（≥99.999%）；恒流模式流速：1.0 mL/min；進樣量：1 μL；分流比：5∶1；FID 檢測器溫度：270 ℃；升溫程 序：110 ℃保 持2 min，以10 ℃/min 升 溫 至250 ℃并保持10 min。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 軟件對抽吸口數(shù)與煙堿釋放量、煙堿鹽濃度與煙堿釋放量進行回歸分析。采用SPSS 21.0 軟件對分析數(shù)據(jù)進行三因素方差分析-效應(yīng)估計，以了解煙堿鹽種類、煙堿鹽濃度及抽吸口數(shù)對氣溶膠中煙堿釋放量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品處理條件的確定

2.1.1 萃取溶劑體積的選擇

將60 mg/mL 蘋果酸煙堿鹽溶液加入到煙彈中進行抽吸，抽吸口數(shù)為250 口，比較萃取劑體積為30、40、50、60、70 mL 時煙堿的萃取效果。結(jié)果表明，萃取劑體積為60 mL 時煙堿已萃取完全，因此確定萃取劑體積為60 mL。

2.1.2 萃取時間的選擇

將60 mg/mL 蘋果酸煙堿鹽溶液加入到煙彈中進行抽吸，抽吸口數(shù)為250 口，比較萃取時間為10、20、30、40 min 時煙堿的萃取效果。結(jié)果表明，當萃取劑時間為30 min 時，煙堿已萃取完全，因此確定萃取時間為30 min。

2.2 方法驗證

2.2.1 工作曲線、檢出限和定量限

以煙堿與內(nèi)標的峰面積之比對其濃度之比進行線性回歸分析，得到煙堿的工作曲線。采用最低濃度的標樣重復(fù)進樣10 次，以測定結(jié)果的3倍和10 倍標準偏差計算檢出限和定量限。結(jié)果顯示，煙堿的回歸方程為y=1.406 3x-0.012 7，R2=0.999 8，檢出限、定量限分別為0.276 6、0.922 0 μg/mL。這表明方法的靈敏度較好，適合于電子煙氣溶膠中煙堿的定量分析。

2.2.2 精密度和回收率

將60 mg/mL 蘋果酸煙堿鹽溶液加入到煙彈中進行抽吸，抽吸口數(shù)為250 口，重復(fù)測定5 次，計算得到煙堿含量的相對標準偏差（RSD）為4.78%，表明方法的重復(fù)性較好。采用標樣加入法進行回收率實驗，在劍橋濾片上加入50%、100%、150%水平的標樣。按照優(yōu)化后的前處理條件處理樣品，并根據(jù)測定量、加標量和原含量計算回收率。結(jié)果（表2）顯示，加標回收率為92.50%～96.36%，表明方法準確性較高。

表2 方法回收率Tab.2 Precision of the method ［mg·（250口）-1］

2.3 不同煙堿鹽濃度及抽吸口數(shù)對煙堿釋放量的影響

將濃度為3、6、12、25、35、60 mg/mL 的煙堿鹽溶液加入煙彈中進行抽吸，抽吸口數(shù)分別為50、100、150、200、250 口，為減少實驗誤差，均平行測定3次，結(jié)果取平均值，煙堿釋放量測定結(jié)果見表3。

將濃度為60 mg/mL 的蘋果酸煙堿鹽溶液加入到煙彈中進行抽吸，抽吸口數(shù)分別為50、100、150、200、250 口，比較不同抽吸口數(shù)下氣溶膠中煙堿和煙液中煙堿的質(zhì)量分數(shù)。結(jié)果（表4）顯示，隨著抽吸口數(shù)的增加，氣溶膠中煙堿的質(zhì)量分數(shù)和抽吸前后煙液中煙堿的質(zhì)量分數(shù)波動較小。氣溶膠中煙堿的質(zhì)量分數(shù)小于抽吸前后煙液中煙堿的質(zhì)量分數(shù)，這可能是由于電子煙霧化溫度低于蘋果酸煙堿鹽煙堿完全釋放的溫度所致。

表3 不同煙堿鹽濃度及抽吸口數(shù)下煙堿的釋放量①（n=3）Tab.3 Nicotine release at different nicotine salt concentrations and puff numbers（n=3） （mg）

表3（續(xù)） （mg）

2.3.1 煙堿鹽濃度對煙堿釋放量的影響

煙堿鹽濃度與煙堿釋放量的線性擬合結(jié)果見圖1，回歸方程參數(shù)見表5?？梢钥闯?，隨著煙堿鹽溶液濃度的增加，煙堿釋放量呈現(xiàn)增加的趨勢，這與文獻［10］的結(jié)果一致。煙堿釋放量與煙堿鹽溶液濃度擬合方程的R2均大于0.9，表明該方程可以預(yù)測相同抽吸口數(shù)和不同濃度條件下含煙堿鹽電子煙液的氣溶膠中煙堿釋放量。

表4 氣溶膠中煙堿釋放量和電子煙液中煙堿的質(zhì)量分數(shù)Tab.4 Nicotine release in aerosol and nicotine content in e-liquid

圖1 煙堿釋放量與煙堿鹽濃度的線性擬合圖Fig.1 Linear fitting chart of nicotine release and nicotine salt concentration

表5 煙堿釋放量與煙堿鹽濃度的回歸方程參數(shù)①Tab.5 Regression equation parameters of nicotine release and nicotine salt concentration

表5（續(xù)）

2.3.2 抽吸口數(shù)對煙堿釋放量的影響

抽吸口數(shù)與煙堿釋放量的線性擬合結(jié)果見圖2，回歸方程參數(shù)見表6?？梢钥闯觯S著抽吸口數(shù)的增加，煙堿釋放量呈增加趨勢，這與文獻［1］中報道的結(jié)果一致。煙堿釋放量與抽吸口數(shù)擬合方程的R2均大于0.9，表明該方程可以預(yù)測相同濃度和不同抽吸口數(shù)條件下含煙堿鹽電子煙液的氣溶膠中煙堿釋放量。

圖2 煙堿釋放量與抽吸口數(shù)的線性擬合圖Fig.2 Linear fitting chart of nicotine release and puff number

表6 煙堿釋放量與抽吸口數(shù)的回歸方程參數(shù)①Tab.6 Regression equation parameters of nicotine release and puff number

表6（續(xù)）

2.3.3 煙堿釋放量的影響因素比較

煙堿鹽濃度、抽吸口數(shù)及煙堿鹽種類對煙堿釋放量均有一定的影響，為進一步分析這3 種因素的影響程度，對表3 中數(shù)據(jù)進行了三因素方差分析-效應(yīng)估計，結(jié)果見表7?？梢钥闯觯瑹焿A鹽濃度、抽吸口數(shù)及煙堿鹽種類對煙堿釋放量均有顯著影響。η2值可以直觀反映每個因素對總體變異的貢獻，偏η2值可以反映某個因素與誤差的關(guān)系，因此選擇偏η2值衡量3 種因素的影響程度［12］。由表7 可知，煙堿鹽濃度、抽吸口數(shù)及煙堿鹽種類的偏η2值分別為0.726、0.477、0.183，表明煙堿鹽濃度對煙堿釋放量的影響程度大于抽吸口數(shù)及煙堿鹽種類。

表7 3 種煙堿釋放量影響因素的方差分析及偏η2值Tab.7 Variance analysis and partial η2 value of three factors influencing nicotine release

2.4 煙堿鹽煙堿釋放量差異性比較

為更加直觀地反映4 種煙堿鹽煙堿釋放量的差異，以每50 口抽吸為單位，比較相同抽吸口數(shù)下煙堿釋放量的大小。結(jié)果（表8）表明，抽吸51～250 口時，苯甲酸煙堿鹽煙堿釋放量較大。原因可能是：①苯甲酸煙堿鹽分子量較小，相同質(zhì)量下物質(zhì)的量較大，故在抽吸過程中煙堿釋放量較大［22］；②蘋果酸煙堿鹽釋放煙堿峰值溫度約為165 ℃［18］，水楊酸煙堿鹽釋放煙堿峰值溫度約為115 ℃［19］，酒石酸煙堿鹽釋放煙堿峰值溫度約為200 ℃［18］，不同酸形成的煙堿鹽的熱穩(wěn)定性及釋放煙堿峰值溫度存在差異［15］。

對于蘋果酸煙堿鹽，3 mg/mL 下抽吸50 口時煙堿釋放量較大；6 mg/mL 下抽吸101～150 口煙堿釋放量較大；12、25、35、60 mg/mL 下抽吸151～200口煙堿釋放量較大。對于水楊酸煙堿鹽，3、6、12、25 mg/mL 下抽吸51～100 口煙堿釋放量較大；35、60 mg/mL 下抽吸151～200 口煙堿釋放量較大。對于苯甲酸煙堿鹽，3、6 mg/mL 下抽吸50 口煙堿釋放量較大；12 mg/mL 下抽吸101～150 口煙堿釋放量較大；25、35、60 mg/mL 下抽吸151～200 口煙堿釋放量較大。對于酒石酸煙堿鹽，3、6 mg/mL 下抽吸50 口煙堿釋放量較大；12、25、35、60 mg/mL下抽吸151～200 口煙堿釋放量較大。隨著抽吸口數(shù)的增加，煙堿鹽煙堿釋放量存在明顯波動。其中抽吸201～250 口，煙堿釋放量呈下降趨勢，原因可能是：①蘋果酸煙堿鹽釋放煙堿峰值溫度約為165 ℃［18］，水楊酸煙堿鹽釋放煙堿峰值溫度約為115 ℃［19］，酒石酸煙堿鹽釋放煙堿峰值溫度約為200 ℃［18］，不同酸形成的煙堿鹽的熱穩(wěn)定性及釋放煙堿峰值溫度存在差異［15］；②隨著抽吸口數(shù)的增加，電子煙電壓衰減，導(dǎo)致煙堿釋放量出現(xiàn)波動［23］；③煙堿鹽受熱分解過程中可能在加熱絲上形成結(jié)焦，影響傳熱?？梢姡陔娮訜熞赫{(diào)配過程中應(yīng)選擇適宜比例的煙堿鹽，使電子煙在抽吸過程中煙堿的釋放量趨于穩(wěn)定。

表8 電子煙每抽吸50 口時煙堿的釋放量Tab.8 Nicotine release per 50 puffs of the test e-cigarette ［mg·（50 口）-1］

3 結(jié)論

①建立了檢測電子煙氣溶膠中煙堿的氣相色譜方法，本方法前處理簡單，重復(fù)性良好，回收率較高，適用于電子煙氣溶膠中煙堿的定量分析。②優(yōu)化后前處理條件為：萃取劑體積60 mL，萃取時間30 min。③隨著煙堿鹽濃度及抽吸口數(shù)的增加，煙堿釋放量線性增加，R2＞0.9。④方差分析表明，煙堿鹽濃度、抽吸口數(shù)及煙堿鹽種類均對煙堿釋放量有顯著影響，其中煙堿鹽濃度的影響程度大于抽吸口數(shù)及煙堿鹽種類。⑤相同抽吸口數(shù)下，苯甲酸煙堿鹽煙堿釋放量較高。本研究結(jié)論可為電子煙液中煙堿鹽的調(diào)配提供參考。