電子鼻氣味指紋數據對煙絲加香質量的評價

于宏曉，徐海濤，馬 強，趙國慶，劉永新

(山東中煙工業公司技術中心青島研發基地，青島 266101)

煙絲加香是制絲工藝過程中的一個重要環節，煙絲加香質量是影響卷煙質量的重要因素之一，加香精度和均勻度是卷煙生產過程中的重要工藝指標，直接影響卷煙的內在質量。正確、客觀評價煙絲加香質量可以為卷煙配方設計提供技術依據，對于卷煙新產品的研發具有重要意義。目前煙絲加香質量的評價主要依靠訓練有素、經驗豐富的專家通過評吸來完成，評定結果的準確性難以保證[1]。到目前為止，國內對煙絲加香質量監控缺乏一種快速而有效的方法。電子鼻是用來分析、識別和檢測復雜嗅味和大多數揮發性成分的傳感器陣列，又叫氣味指紋掃描儀，與人類嗅覺判別相比，它的測定不受主觀因素影響，更客觀。它的研究始于 20世紀90年代[2]，是根據仿生學原理，由傳感器陣列和自動化模式識別系統所組成。它是一種新穎的分析、識別和檢測復雜氣味和大多數揮發性成分的儀器。與普通的化學分析儀器，如色譜儀、光譜儀等不同，分析得到的不是被測樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結果，而是給予樣品中揮發性成分的整體信息，也稱“指紋”數據[3-4]，該技術在復雜介質和成分之間具有協同作用的樣品氣味分析方面具有較為明顯的優勢[5-6]。電子鼻在食品[7-9]、環境[10-11]等領域的應用取得了較好的效果，目前正向食品、煙草、藥品、香料產品質量評價和質量控制等方面進一步拓展應用。筆者將電子鼻用于對加香煙絲的揮發性成分檢測和區分，基于電子鼻檢測技術和化學計量學方法，建立了加香煙絲的揮發性組分整體性質的人工智能評價方法，用于質量保證(QA)和生產流程的質量控制(QC)。

1 材料與方法

1.1 儀器

電子鼻系統α FOX 4000(法國Alpha MOS公司)，由18個金屬氧化物傳感器組成，空氣發生器和HS-100型自動進樣器，Alpha Soft V11軟件控制儀器和處理數據，電子天平(梅特勒，瑞士)。

1.2 樣品

選取加香工序前后各6個不同取樣點的煙絲，稱取0.400g煙絲樣品置于10 mL電子鼻專用樣品瓶中，密封備用。每個樣品重復檢測6次。

1.3 方法

為了使電子鼻不同傳感器的檢測數據最大值處于0.25～0.85之間的數目盡可能多，增加電子鼻檢測數據的準確性和分析速度，優化了電子鼻的測試條件的參數，電子鼻檢測的煙絲樣品最佳實驗參數如下：載氣，凈化空氣；流速，150 mL/min；頂空加熱溫度，35 ℃；頂空加熱時間，1800 s；攪動速度，250 r/min；進樣體積，750 μL；進樣速度，750 μL/s；進樣針溫度，40 ℃；數據采集時間，120 s；延滯時間，1080 s。

1.4 數據獲取

用電子鼻測定樣品氣味指紋數據[12]。該電子鼻系統中共有 18個金屬氧化物傳感器。傳感器室1(Sensor chamber 1)中6個傳感器分別為：LY/LG，LY2/G，LY2/AA，LY2/GH，LY2/gCTL，LY2/gCT；傳感器室2(Sensor chamber 2)中6個傳感器分別為：T30/1，P10/1，P10/2，P40/1，T70/2，PA2；傳感器室 3(Sensor chamber 3)中 6個傳感器分別為：P30/1，P40/2，P30/2，T40/2，T40/1，TA2。

2 結果與討論

2.1 對比加香前后煙絲電子鼻氣味指紋數據

圖1A和1B分別顯示了電子鼻分析加香工序前后煙絲氣味的典型性指紋數據。加香工序前后煙絲氣味指紋數據有明顯的差異，加香后煙絲的氣味指紋數據響應值明顯高于加香前煙絲的氣味指紋數據響應值，這說明電子鼻能夠敏感的響應加香煙絲的揮發性成分，明顯區分加香工序前后煙絲氣味。

2.2 主成分分析(PCA)加香工序前后不同取樣點的煙絲氣味

從圖 2 PCA分析可以看出加香前后煙絲的氣味指紋數據聚集于各自不同的獨立區域，這進一步表明電子鼻能夠明顯的區分加香前后煙絲的氣味。同時，對比不同取樣點的加香前后煙絲的氣味指紋數據，可以得出對于不同取樣點，加香前煙絲氣味指紋數據分布的區域更加集中，不同取樣點之間煙絲的氣味差異性小，而加香后煙絲氣味指紋數據分布的區域更加離散，不同取樣點之間煙絲的氣味差異性明顯。這表明加香后煙絲氣味指紋數據分散性不是由加香前煙絲本身的氣味造成的，而是由加香過程中煙絲加香的不均勻性，導致加香后煙絲在不同取樣點的揮發性成分的不均勻性，從而使加香后煙絲在不同取樣點的氣味指紋數據分布更加分散。

2.3 統計質量控制分析(SQC)評價加香后煙絲氣味均勻性

根據同批次和不同批次加香后煙絲的氣味指紋數據，建立了SQC可接受品質的氣味指紋模型，對加香后煙絲的氣味品質進行生產過程中的質量監控，若加香后煙絲的氣味指紋數據超出了可接受氣味指紋模型，表示其品質不符合要求，藉以作為調整加香過程參數和監督加香工序的參考。通過監控發現，同一批次的加香后煙絲氣味在不同取樣點的均勻性一般(圖3)，有的取樣點加香后煙絲的氣味指紋數據超出了可接受氣味指紋模型范圍。為了改善加香后煙絲不同取樣點的均勻性，增加了加香后煙絲在貯絲柜的貯存時間，發現加香后煙絲在貯絲柜貯存4 h后，可以明顯改善加香后煙絲氣味的均勻性(圖4)，使加香后煙絲的氣味指紋數據落在可接受氣味指紋模型范圍內。這主要是因為加香后煙絲在貯絲柜貯存一定時間后，能使香精香料充分吸附滲透于煙絲中，使香精香料在整批的煙絲中均勻的擴散，提高加香的均勻性，同時還可以使煙絲的水分和溫度逐漸趨于平衡。

圖1 加香前后煙絲電子鼻檢測的典型響應值曲線Fig.1 Typical response curves of cut tobacco before and after flavoring process

圖2 加香工序前后不同取樣點煙絲氣味的PCA分析Figure 2 PCA graph of cut tobacco in different sampling points before and after flavoring process

2.4 貨架壽命分析加香煙絲氣味對貯絲柜的貯存時間變化

圖3 加香后不同取樣點煙絲氣味的質量控制分析Figure 3 SQC graph of cut tobacco in different sampling points after flavoring process

圖5顯示了電子鼻貨架壽命分析的加香煙絲氣味對貯絲柜的貯存時間變化，考察了貯存時間對加香煙絲揮發性成分的影響。通過對在 25 ℃貯存不同時間的加香煙絲進行電子鼻檢測得出：電子鼻可以準確地區分不同貨架期的加香煙絲，電子鼻氣味指紋數據隨加香煙絲貯存時間的延長而減弱，表明加香煙絲揮發性成分隨著貯存時間的延長逐漸減少，尤其是低沸點的香精香料單體散失更多[13-15]。但是加香煙絲隨著貯絲柜的貯存時間延長，可以明顯提高和改善加香煙絲氣味的均勻性。綜合考慮，加香煙絲的均勻性和加香煙絲揮發性成分損失兩個方面，加香煙絲在貯絲柜的最佳貯存時間是在 4小時之后，在此時間之后，加香煙絲的貯存時間越短越好。溫度對貯藏加香煙絲的品質影響較顯著，實驗結果表明，貯絲柜溫度升高，電子鼻氣味指紋數據隨加香煙絲貯存時間延長減弱的趨勢加速，加速影響貯存加香煙絲的質量和風味。

圖4 加香后煙絲在貯絲柜貯存4 h后不同取樣點氣味的質量控制分析Fig.4 SQC graph of the different sampling points after flavored cut tobacco storage for four hours

圖5 貨架壽命分析加香煙絲氣味隨貯存時間的變化Fig.5 Shelf life graph of the flavored cut tobacco odor change with the storage time

3 結 論

煙絲加香是卷煙生產過程中的一個重要環節，煙絲與香料的配比及煙絲受香的均勻度直接影響卷煙內在品質的穩定與否。該文基于電子鼻檢測技術和化學計量學方法,研究建立了加香前后煙絲揮發性組分的人工智能評價方法，并用于加香后煙絲揮發性成分的整體質量評價。在對以加香前后煙絲分析中，運用氣味指紋分析儀方法，樣品不需要前處理，因而不需要擔心樣品不同前處理方法中可能造成的風味喪失或改變。PCA和SQC分析模型提供了一個客觀的分析工具，不但能夠有效區分加香前后的煙絲，而且還能夠有效評價煙絲加香的均勻性，對加香后煙絲的氣味品質進行生產過程中的質量監控，得到的分析結果簡單、明確，極高的分析速度確保了可以在不同的測試條件下進行大量的數據測試，并在第一時間作出正確的決定。

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