野山茶是唇形科香薷属多年生草本植物东紫苏(Elsholtzia bodineri Vaniot)的别名，其他别名还有凤尾茶、山茶、云松茶、铁线夏枯草和半边红花等，主要分布于中国云南、贵州西部，四川、青海和甘肃等地^[1]。野山茶全草入药，性平，味辛，有发散解表、清热利湿、理气和胃的功能，嫩尖可当茶饮，具有清热解毒功效。在滇南一带以及滇中、滇西部分地区，野山茶的嫩叶或全株在民间被用来当茶饮已有悠久的历史，具有清热去火、和胃消食的作用，是云南民间重要的保健饮品，具有良好的开发利用价值^[2]。

Py-GC/MS联用技术在中草药质量控制以及烟草单体添加剂等方面已有报道^[3-4]。但烟支在燃吸过程中发生裂解变化，需经历蒸馏、裂解、合成、聚合、冷凝等一系列复杂的过程^[5-6]。一般在烟用添加剂的热裂解研究中，选取卷烟具有代表性的300、600和900 ℃作为裂解温度，分别代表挥发性物质开始进入卷烟烟气、烟草物质开始燃烧和烟支燃吸时的温度。

目前，越来越多的应用天然植物作为原料取代原有的烟草原料，以增加薄片的独特香气。将此薄片调配至卷烟中，可赋予卷烟独特香气韵调。对应用于烟草薄片中的天然植物筛选及分析手段鲜有报道。为了更好地模拟野山茶在卷烟燃吸过程中裂解产物的变化，我们研究了野山茶在不同温度下(300、600和900 ℃)裂解产物的变化，对其机理进行了初步探讨，并考察了野山茶原料对卷烟主流烟气7种有害成分释放量的影响，以期为天然植物在烟草薄片中的应用提供理论依据。

1.   材料与方法

1.1   材料

野山茶(E. bodineri Vaniot)购于云南福林堂药业有限公司，产地为云南建水；瑞叶生物薄片由云南瑞升烟草技术(集团)有限公司提供；烟管取自云南某卷烟品牌。

1.2   试验方法

1.2.1   野山茶样品制备

取一定量野山茶放入真空干燥箱中，60 ℃干燥4 h，干燥后粉碎处理，过60~80目筛，筛出物为待测样品。

1.2.2   试验方法

称取2 mg野山茶样品放入热裂解仪(CDSPyrobe 5200热裂解仪，美国CDS公司)的裂解专用石英管，并置于热裂解仪的加热丝中瞬间裂解，在空气裂解氛围中的3个设定温度(300、600和900 ℃)条件下进行热裂解。裂解完成后，将固相微萃取头(75 μm Carboxen-PDMS，Supelco，美国)置于热裂解瓶中对热裂解产物进行萃取，萃取时间为30 min、温度为70 ℃。之后，将SPME进样针插在气相色谱的高温汽化室中进行解吸附，时间为2 min。裂解产物进入气相色谱/质谱联用仪(Agilent 7890型气相色谱-5975 型质谱联用仪，美国Agilent公司)分离与鉴定，进行标准谱库检索，若不特别说明裂解产物的匹配度均大于80。

1.2.3   色谱条件

色谱柱：DB-5 ms (30 m×0.25 mm×0.25 µm)，载气：He，分流比：10∶1，柱流速：1.0 mL/min，程序升温：初始温度50 ℃，保持2 min，以5 ℃/min升温至140 ℃，保持1 min，以10 ℃升温至260 ℃，保持5 min。

1.2.4   质谱条件：

EI电离能量：70 eV，离子源温度：230 ℃，溶剂延迟：0.5 min，扫描离子质量范围：35~350 amu，质谱库：NIST08，传输线温度：280 ℃，进样口温度：280 ℃。用色谱峰面积归一化法计算各色谱峰的相对含量。利用Nist98谱库对采集到的质谱图进行检索。

1.2.5   卷烟主流烟气中7种有害成分释放量测定

使用瑞叶生物薄片作为对照样，在瑞叶生物薄片原料配方基础上，外加10%野山茶原料，其他条件均无变化。经BR30-300CB型KRK高浓磨浆机(日本熊谷理机工业株式会社)磨浆，快速凯塞法抄片器BBS-2 (德国ERNST HAAGE公司)抄造，涂布，QS-Ⅱ试样切丝机(郑州天宏自动化技术有限公司)切丝并卷制成烟后，将烟支置于温度(22±1) ℃和相对湿度(60±2)%的平衡室中平衡48 h，并对烟支进行分选，标准为(平均质量±20) mg和(平均吸阻±49) Pa。参照文献[7-9]的方法测定卷烟主流烟气总粒相物、焦油、烟碱和水分等常规成分释放量；参照文献[10-16]的方法测定卷烟烟气中CO、HCN、NNK、NH₃、B[a]P、苯酚及巴豆醛的释放量；参照文献[17]的方法计算卷烟危害性指数。

2.   结果与分析

2.1   野山茶裂解产物成分分析

野山茶的热裂解成分分析(表1)表明：300 ℃热裂解共检出化合物14种，占总峰面积的27.49%。醛类共有12.76%，酮类3.16%，萜类4.92%，苯及其衍生物5.16%，杂环类1.49%。其中相对含量较高的有：糠醛(6.07%)、3-乙烯基吡啶(1.49%)、1-甲基-3-(1-甲基乙基)-苯(2.95%)、1.8-桉树脑(4.35%)、1-甲基-4-(1-甲基乙烯基)苯(2.21%)、壬醛(1.91%)、癸醛(2.58%)、1-(2-呋喃基)-1-丁酮(2.33%)。

表  1  野山茶热裂解产物分析结果

Table  1.  The Elsholtzia bodineri Vaniot analyzed by Py-GC/MS

保留时间/min retention time	裂解成分 composition of pyrolysis	相对含量/% relative content
		300 ℃	600 ℃	900 ℃
2.21	巴豆醛 crotonaldehyde	—	1.74	0.29
2.29	苯 benzene	—	1.18	0.39
3.06	3-戊烯-2-酮 3-penten-2-one	—	0.18	0.04
3.26	2-甲基呋喃 2-methyl-furan	—	0.35	0.43
3.50	甲苯 toluene	—	0.65	0.26
4.06	己醛 hexanal	0.56	—	—
4.68	糠醛 furfural	6.07	3.83	0.43
5.14	糠醇 furfuryl alcohol	—	0.45	—
5.58	p-二甲苯 1.4-xylene	—	0.30	0.08
5.74	苯乙炔 ethynylbenzene	—	—	0.12
5.81	2-环戊烯-1.4-二酮 2-cyclopenten-1.4-dione	0.47	0.67	0.08
6.12	苯乙烯 phenylethylene	—	0.82	0.46
7.97	5-甲基-2-糠醛 5-methyl-2-furfural	—	0.43	0.03
8.04	苯甲醛 benzaldehyde	0.81	2.24	0.45
8.22	3-乙烯基吡啶 3-ethenyl-pyridine	1.49	—	—
8.36	糠酸甲酯 methyl pyromucate	—	0.24	—
8.46	苯酚 phenol	—	1.47	0.47
9.02	苯并呋喃 benzofuran	—	0.92	0.36
9.16	1-乙烯基-3-甲基苯 1-ethenyl-benzene	—	0.28	0.16
9.92	1-甲基-3-(1-甲基乙基)-苯 1-methyl-3(1-methylethyl)-benzene	2.95	0.48	0.06
10.06	D-柠檬烯 D-limonene	0.57	0.25	0.08
10.15	1.8-桉树脑 1.8-cineole	4.35	1.00	0.12
10.46	苯乙醛 phenylacetaldehyde	0.83	—	—
10.46	茚 indene	—	0.86	0.50
10.66	2-甲基苯酚 2-methyl-phenol	—	0.44	0.19
11.10	苯乙酮 acetophenone	—	0.35	0.12

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木质素、纤维素、半纤维素是植物细胞壁的组成成分。在300 ℃裂解温度下，半纤维素木聚糖侧链断裂，主链环发生断裂形成1个直链中间体，经过羰基脱水生成5-甲基糠醛和糠醛。而部分纤维素解聚后形成葡萄糖单体，再由果糖热转化也可生成5-甲基糠醛和糠醛或者开环脱水。野山茶植物中富含黄酮类、氨基酸、酚类、三萜类等成分，在一定温度下氨基酸和多酚发生非酶棕色化反应，再裂解生成吡啶等物质。而苯及其衍生物可能是由于木质素低温裂解产生的中间产物。随着温度的进一步升高，残留物发生裂解、碳化。

600 ℃热裂解共检出化合物64种，占总峰面积的46.16%。醛类共有14.08%，酮类1.88%，萜类1.25%，烯烃类4.95%，酚类5.06%，醇类0.59%，酯类0.24%，苯及其衍生物6.98%，多环芳烃6.58%，杂环类4.55%。与300 ℃下相比，裂解产物新生成有烯烃类、酚类、醇类和酯类4种，醛类、苯及其衍生物和杂环类相对含量有所上升，酮类和萜类相对含量有所下降。在裂解过程中，有300 ℃下裂解完全，600 ℃以上温度未有检测出的化合物，如己醛、3-乙烯基吡啶、癸醛等。说明此类化合物在300 ℃下均裂解完全，且未有其他物质裂解成此产物；有随着裂解温度的升高，相对含量持续降低的化合物，如糠醛、1-甲基-3-(1-甲基乙基)-苯、1.8-桉树脑、D-柠檬烯等。说明这些化合物随着温度的升高，均不同程度的裂解为其他物质。值得注意的是，2-环戊烯-1.4-二酮和苯甲醛的相对含量均是随着裂解温度的升高先增加，到900 ℃时又降低。说明这两种化合物在600 ℃时有其他物质裂解为该化合物，随着温度的进一步升高，这两种化合物键断裂、重排成其他物质。

在600 ℃下木质素逐步开始发生裂解反应，发生C-O-C键和C-C键的断裂，初始时均分解为酸酯类化合物，在高温下β-O-4键断裂为紫丁香基和愈创木基，进一步断裂为苯酚等酚类衍生物。该温度下杂环类物质均是喹啉和呋喃衍生物。其中呋喃衍生物是纤维素的典型裂解产物之一，而5-甲基-2-糠醛和糠醛是呋喃衍生物的一种。喹啉可能是氨基酸和蛋白质的热解而产生的。而热裂解产物的不凝气中有可能产生较高的烷烯烃。

900 ℃热裂解共检出化合物95种，占总峰面积的68.78%。醛类共有3.76%，酮类2.94%，萜类0.20%，烯烃类0.61%，酚类1.37%，苯及其衍生物4.83%，多环芳烃50.83%，杂环类4.24%。由表1可以看出：在900 ℃下多环芳烃相对含量急剧增加，醛类、烯烃类和酚类相对含量下降明显。相对含量较高的有：萘(3.86%)、2-甲基萘(2.34%)、2-乙基萘(3.03%)、2-乙烯基萘(2.42%)、联苯烯(4.4%)、芴(5.66%)、1-甲基-9H-芴(2.33%)、菲(4.92%)。此类多环芳烃主要是联苯和稠环芳烃类化合物。可能是由于在900 ℃高温下，芳香族化合物的官能团或侧链较不稳定，从苯环上断裂，从而气化或进一步发生其他反应。碳氢化合物在高温下也趋向于形成比较稳定的芳香烃，芳香烃则形成更稳定的稠环芳烃化合物。

2.2   野山茶裂解产物致香成分分析

野山茶植株含有挥发油，具有特殊香气，可适当用于卷烟调香中。在600 ℃及以下温度裂解产物大多是醛、酮和呋喃类成分，裂解产物主要具有甜香、焦糖、烘烤香、花香等气息，能够改善卷烟抽吸品质，降低烟气刺激、丰富烟香，增加烟气回甜感；萜类能够改进和提高烟草本香，具有香味增效的作用。这些致香成分具体表现为糠醛有类似焦糖、谷物烘烤气息、面包香和果香，可赋予卷烟木香、甜香、花香和果香；5-甲基-2-糠醛具有浓郁的辛香、甜香气味，甜的焦糖气味，可增加卷烟体香，赋予卷烟焦甜香；苯乙醛有浓郁的玉簪花香气；苯乙酮具有类似山楂气味的水果香味；苯甲醛具有类似苦杏仁的芳香气味，可协调烟香；苯乙烯存在于苏合香脂(一种天然香料)中，有特殊香气，可增加卷烟特征香；D-柠檬烯为多种水果(主要为柑橘类)、香料及蔬菜中存在的天然成分，具有柠檬香味；壬醛为无色透明液体，有柑橘和玫瑰的香气，可用于配制人造玫瑰油和玫瑰型香精等，且赋予卷烟花香气息；肉桂醛具有温和的辛香气息；吲哚有舒适的香味，广泛应用于香精的制作中。

裂解产物中有部分产物存在于烟草添加剂许可目录中，如糠醛、糠醇、苯甲醛、D-柠檬烯、苯乙酮、2.4-二甲基苯酚、吲哚等，且裂解产物的致香成分为野山茶植株自身具备，不是外加香精香料进入，若该原料使用于造纸法再造烟叶中，在抽吸品质方面可保留自身植物特有的香气，使再造烟叶具有特色化。

2.3   野山茶对卷烟主流烟气有害成分的影响

由瑞叶生物薄片对照样与外加10%野山茶的试验样制成的卷烟，检测卷烟主流烟气常规成分(表2)表明：添加野山茶的试验样卷烟主流烟气总粒相物有所降低，较对照样卷烟减少了11.51%，其中烟气烟碱量基本不变，而水分和焦油量有明显降低。可见，野山茶的添加可使卷烟燃烧更加充分。

表  2  卷烟主流烟气常规成分检测结果

Table  2.  The result of conventional chemical components in mainstream cigarette smoke

卷烟样品 samples	总粒相物 total particulate matter	水分 moisture	烟气烟碱量 smoke nicotine	焦油量 tar
对照品 control sample	6.17	1.1	0.03	5.04
试验样 experimental sample	5.46	0.89	0.04	4.53
注：瑞叶生物薄片均使用天然植物原料配方而成，未使用烟草原料，即烟气烟碱含量明显较低。 Note: The Ruiye sheets are formulated using natural plant raw materials and have not used tobacco raw materials. So, the smoke nicotine content is significantly lower.

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对照样与试验样卷烟主流烟气7种有害成分的释放量(表3)显示：野山茶的添加对卷烟主流烟气7种有害成分的释放量有较大影响。与对照样相比较，添加野山茶的试验样卷烟主流烟气中除NH₃含量未有变化外，其他指标含量均有所降低，其中CO、HCN、B[a]P、巴豆醛、苯酚及NNK分别降低了2.5%、18.4%、2.1%、32.0%、28.6%和15.1%。而HCN、巴豆醛、苯酚及NNK的减小率均高于15%。此外，为了综合评价野山茶对卷烟主流烟气有害成分的影响，计算了卷烟危害性指数。由表3可知：外加10%野山茶后，卷烟危害性指数有明显下降，下降比例为13.33%。

表  3  卷烟主流烟气7种有害成分释放量（单支）检测结果

Table  3.  The result of 7 harmful components release per cigarette in mainstream cigarette smoke

卷烟样品 samples	CO/mg	HCN/µg	B[a]P/ng	巴豆醛/µg crotonaldehyde	苯酚/µg phenol	NH3/µg	NNK/ng	危害性指数 hazardous index
对照样 control sample	11.8	76	5.80	16.73	4.05	6.0	4.16	6.45
试验样 experimental sample	11.5	62	5.68	11.37	2.89	6.0	3.53	5.59

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3.   讨论

热裂解—气相色谱质谱联用技术在烟草研究领域中的应用越来越广泛，且越来越多地应用于卷烟安全性评价。目前的研究方向主要有：(1)卷烟原料方面，包括烟叶原料和传统造纸法再造烟叶等^[18]；(2)卷烟辅料方面，包括卷烟纸和助燃剂等^[19]；(3)天然香料物质的热裂解及在卷烟中的应用等^[20]；(4)新兴技术，如加热不燃烧制品等^[21]。从前人研究的结果可以看出，热裂解技术应用于烟草领域已趋向于成熟，本研究将该技术直接应用于天然植物原料野山茶，对其进行热裂解分析。然而裂解机理一般较为复杂，蔗渣半纤维素的典型裂解产物是糠醛^[22-23]，烟草木质素的裂解产物多为苯甲醛、甲苯、苯酚等酚类衍生物^[24-25]，这些植物类原料的裂解产物有较多的相似之处。本研究主要的裂解产物是醛类、酮类、萜类、烯烃类和多环芳烃类，是由植株中含有的黄酮类、甾体及三萜类、酚类、纤维素、半纤维素、木质素、氨基酸、蛋白质等物质^[26]经过一系列键断裂、重排、环化反应而成。其中多数具有独特香味气息，在提高香气质、掩盖杂气、改善烟气细腻柔和程度等方面具有明显效果。

目前造纸法再造烟叶原料的研究多涉及天然植物及中草药等，有报道表明^[27]中草药的燃烧过程较为复杂，且安全性不能保障。但在卷烟安全性方面，特别是针对主流烟气中有害成分的释放量，烟草行业内有表征的代表性指标^[28]，除卷烟焦油和烟碱外，还有一氧化碳(CO)、氢氰酸(HCN)、4-(N-甲基-N-亚硝氨基)-1-(3-吡啶基)-1-丁酮(NNK)、苯并[a]芘(B[a]P)、氨(NH₃)、苯酚及巴豆醛等7种。7种有害成分释放量的指标不仅在初烤烟叶^[29]和滤棒^[30]等传统技术中对卷烟危害性进行表征，也在细支卷烟^[31]以及电加热雾化^[32]等新技术中应用于安全性评价。本研究对添加野山茶的瑞叶生物薄片进行卷烟主流烟气7种有害成分释放量及危害性指数对比分析，进一步评价原料的可用性，为天然植物应用于造纸法再造烟叶提供一种明确的技术手段，便于以后结合相关技术手段和原料自身特性，进一步有针对性地开发不同特色的再造烟叶产品应用于卷烟，从而打造出不同特色的中式卷烟产品。