基于煙絲動態(tài)頂空香氣成分的卷煙品牌分析

賴燕華，肖明禮，盧嘉健，韓 冰

（廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣州 510385）

卷煙煙絲的香氣特征（香氣質(zhì)與香氣量）是評價煙草制品的重要指標(biāo)，卷煙產(chǎn)品的香味是人的生理感官對煙草香氣和吃味的綜合感受，是卷煙煙氣特有的風(fēng)格和風(fēng)味。人們所感受到的煙氣濃度、生理強(qiáng)度和味道與卷煙煙絲中的揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分密切相關(guān)，其主要來源于煙草本體成分、外加香精香料以及加工過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物[1]。卷煙煙絲中的揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分不僅可以反映卷煙外加香精香料組成，而且與煙草的內(nèi)在感官品質(zhì)和風(fēng)格緊密相關(guān)。

關(guān)于卷煙煙絲中的揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分的分析研究，國內(nèi)外有大量的文獻(xiàn)報道[2-5]。樣品前處理方法各種各樣，例如溶劑提取[6]、同時蒸餾萃取[7]、固相微萃取[8]、靜態(tài)頂空分析[9-10]、動態(tài)頂空分析[11]等。溶劑提取法易造成揮發(fā)性成分的散失；同時蒸餾萃取法提取條件劇烈，會導(dǎo)致美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)加劇，副產(chǎn)物較多；固相微萃取裝置價格昂貴，涂層種類有限，選擇性較差。動態(tài)頂空分析即吹掃捕集技術(shù)，適用于從液體或固體樣品中萃取沸點低于200℃，溶解度小于2%的揮發(fā)性或半揮發(fā)性有機(jī)物，廣泛用于食品與環(huán)境監(jiān)測等部門[12]，在煙草行業(yè)也有一定應(yīng)用[13-14]。吹掃捕集法具有操作簡單、靈敏度高和不使用有機(jī)溶劑的特點，在近似室溫條件下達(dá)到平衡狀態(tài)時進(jìn)行吹掃，檢測煙絲自然揮發(fā)出的化學(xué)成分的量[13]，因此用于直接測定煙絲香氣成分具有獨特的優(yōu)勢。采用吹掃捕集和氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，在接近室溫條件下模擬卷煙嗅香，可快速分析卷煙煙絲揮發(fā)性、半揮發(fā)性香氣成分。本文采用主成分分析（PCA）和聚類分析（HCA）兩種無監(jiān)督模式識別方法對兩個不同品牌的煙絲頂空香氣成分進(jìn)行解析和研究，探索利用煙絲頂空香氣化學(xué)成分對卷煙品牌進(jìn)行表征和區(qū)別的可能性。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

卷煙樣品選取不同廠家2個牌號市售烤煙型商品卷煙，每個牌號各選取8個烤煙型卷煙共16個樣品，分別標(biāo)記為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8 和 B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8。

儀器：Eclipse4660吹掃捕集樣品濃縮儀（美國O-I-Analytical公司），配7#吹掃捕集阱；Agilent 7890B-5977A氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀；BS423S型電子天平（感量：0.001 g，德國Sartorius公司）。

1.2 卷煙煙絲動態(tài)頂空煙氣成分分析

[11,13]報道的吹掃捕集-氣質(zhì)聯(lián)用法測定卷煙煙絲中的揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分。

樣品前處理：準(zhǔn)確稱取2.00 g剛拆包的卷煙煙絲，迅速裝入25 mL的吹掃捕集管中，加入10 μL 66.60 μg/mL十六烷-1,2-13C2的二氯甲烷（內(nèi)標(biāo)）溶液，然后裝載到吹掃捕集儀中進(jìn)行吹掃捕集-GC/MS分析。

吹掃捕集條件：吹掃氣體為高純氦氣（純度99.999%），流量50 mL/min；吹掃溫度40℃；吹掃、解吸、烘烤時捕集阱的溫度分別為室溫（吹掃時間40 min）、200℃（解吸時間1 min）和220℃（烘烤時間10 min）；吹掃、解吸、烘烤時水管理器的溫度分別為220℃、室溫和240℃；傳輸線和六通閥溫度均為220℃。

GC/MS分析條件：色譜柱為DB-WAXer毛細(xì)管色譜柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）。

載氣：高純He，純度99.999%，流速1.0 mL/min；進(jìn)樣口溫度：220℃；進(jìn)樣模式：分流進(jìn)樣；分流比：40∶1；升溫程序：40℃ 10 min，2.0℃/min升溫至200℃，穩(wěn)溫5 min；離子源：電子轟擊(EI)；電子能量：70 eV；離子源溫度：230℃；傳輸線溫度：220℃；質(zhì)量分析器：四級桿；掃描模式：SCAN質(zhì)量掃描；掃描范圍：40～450 amu。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

主成分分析（PCA）、聚類分析（CA）和方差分析均用Matlab軟件進(jìn)行。聚類分析中采用歐氏距離按類平均法度量樣本之間的相似程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 吹掃捕集參數(shù)優(yōu)化

影響吹掃捕集效率的因素主要有捕集阱材料、吹掃流量、吹掃時間、吹掃溫度、解吸溫度、解吸時間和干吹時間。其中，不同的捕集阱材料對揮發(fā)性成分的捕集效果存在較大差異。本文比較了7號捕集阱（tenax）、8號捕集阱（tenax/硅膠）、9號捕集阱（tenax/硅膠/木炭）、10號捕集阱（tenax/硅膠/碳分子篩）、11號捕集阱（VOCARB 3000）和12號捕集阱[BTEX(Carbopack B/Carbopack C)]的捕集效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)填充材料為tenax的7號捕集阱對煙絲揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分的捕集效果最好，捕集的香氣成分種類最多，因此最后選擇7號阱作為煙絲頂空香氣成分的捕集阱。

本研究的目標(biāo)組分為煙絲自然揮發(fā)出的香味物質(zhì)的量，為了盡量反映嗅香的真實組成，又不至于受室溫波動的影響，選擇了盡可能接近室溫又能保持恒定的40℃為吹掃溫度。另外，為了保證香氣成分解吸完全，將解吸溫度設(shè)置為較高溫度200℃。Eclipse4660吹掃捕集樣品濃縮儀配備的水管理器系統(tǒng)可將水分除去，同時為了減少目標(biāo)物的損失，在動態(tài)頂空取樣過程中未設(shè)置干吹過程。對吹掃流量、吹掃時間和解吸時間，考慮到它們之間的交叉影響，采用L9（34）正交表設(shè)計了3因素3水平的正交試驗，考察對象為香氣成分的數(shù)目和總的峰面積（以相對峰面積計），結(jié)果見表1。

表1 正交試驗安排及結(jié)果Table 1 The treatments and results of intercross test

從香氣成分?jǐn)?shù)量來看，第8號試驗獲得的香味成分?jǐn)?shù)量最多，它的水平組合是：吹掃流量50 mL/min，吹掃時間40 min，吹掃溫度40℃，解吸時間2 min。另外，根據(jù)各因素在各水平上試驗指標(biāo)之和，計算平均香氣成分?jǐn)?shù)，由表中結(jié)果可知，吹掃流量、吹掃時間和解吸時間的最優(yōu)水平分別為50 mL/min、60 min和1 min。對比其極差發(fā)現(xiàn)，吹掃流量對香氣成分?jǐn)?shù)量的影響最大，解吸時間次之。

從香氣成分峰面積之和來看，獲得香氣成分總量最多的也是第8號試驗。而根據(jù)各因素在各水平上試驗得到的平均香氣成分量，最優(yōu)水平組合為吹掃流量50 mL/min，吹掃時間40min，解吸時間1 min。綜上，得到2個較好的水平組合：（1）吹掃流量50 mL/min，吹掃時間40 min，解吸時間1 min；（2）吹掃流量50 mL/min，吹掃時間60 min，解吸時間1 min。但它們都是未經(jīng)過試驗的，于是將這2個水平組合和已做過的9次試驗中最好的水平組合（第8號試驗）再進(jìn)行對比試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吹掃流量50 mL/min，吹掃時間40 min，解吸時間1 min時，獲得的香氣成分?jǐn)?shù)目最多，當(dāng)吹掃時間增至60 min時，香氣成分峰面積之和略有增加，但香氣成分?jǐn)?shù)量明顯減少，這很可能是因為隨著吹掃時間的增加，某些物質(zhì)隨吹掃氣流從廢液口排出。

另外，由于吹掃流量50 mL/min為邊界試驗條件，為了考察進(jìn)一步增大吹掃流量對結(jié)果的影響，將吹掃流量設(shè)置為57 mL/min（儀器的極限值），發(fā)現(xiàn)與吹掃流量50 mL/min時相比，香味成分?jǐn)?shù)量和總量無明顯變化。因此，最后選定的條件為：吹掃流量50 mL/min，吹掃時間40 min，解吸時間1 min。

2.2 方法重復(fù)性

在上述吹掃捕集條件下，采用DB-WAXer毛細(xì)管色譜柱對捕集的香氣成分進(jìn)行分離，總離子流圖（以卷煙A1為例）見圖1。為考察方法的重復(fù)性，取6份卷煙A1煙絲，按1.2所述方法平行測定，每兩次測定中間插入兩個空白樣本（即吹掃捕集管中不加入樣品），以清除樣品記憶效應(yīng)。卷煙A1的煙絲中測得128種香氣成分，計算其相對峰面積的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，22種香氣成分RSD≤5%，占總峰數(shù)目17.18%；87種香氣成分5%

圖1 卷煙煙絲頂空成分總離子流Fig.1 TIC chromatogram of volatile aroma components in cut tobacco

2.3 煙絲動態(tài)頂空香氣成分分析

對16個樣品卷煙煙絲進(jìn)行吹掃捕集-GC/MS分析，每個樣品平行測定3次，相對峰面積取平均值。共鑒定出158種揮發(fā)性、半揮發(fā)性成分，選取其中匹配度較高的118種香氣成分（與NIST標(biāo)準(zhǔn)譜庫中質(zhì)譜圖匹配度>80）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，具體如表2所示。這些香氣成分主要來源于煙草本體成分、外加香精香料以及加工過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，不同品牌卷煙煙絲香氣成分的差異即體現(xiàn)了其葉組配方和外加香精香料的差異。

表2 煙絲動態(tài)頂空香氣成分信息表Table 2 Information of the volatile aroma components in cut tobacco

表2 煙絲動態(tài)頂空香氣成分信息表（續(xù)）Table 2 Information of the volatile aroma components in cut tobacco（continued）

以118種煙絲動態(tài)頂空香氣成分為基礎(chǔ)，采用方差分析對16個卷煙樣品進(jìn)行分析，尋找不同品牌卷煙之間存在顯著差異的揮發(fā)性、半揮發(fā)性香氣成分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A品牌與B品牌的16種香氣成分存在顯著性差異（F值大于臨界值4.6，如圖2所示），其余的102種香氣成分則不存在顯著差異。從圖中可以看出，兩品牌間差異顯著的16種香氣成分中，A品牌卷煙煙絲含量較高的有15種，包括：β-水芹烯、2-丁基四氫呋喃、α-松油醇、4-烯丙基苯甲醚、苯甲酸乙酯、2-蒎烯、苯甲酸己酯、2-乙酰基吡咯、β-大馬酮、(+)-檸檬烯、戊醛、苯乙醇、2-甲基己酸、苯乙酸甲酯和2-甲基丁醛；B品牌卷煙煙絲含量較高的香味成分僅有順-2-戊烯醇1種。

2.4 煙絲動態(tài)頂空香氣成分的聚類分析結(jié)果

對兩個品牌16個樣品的煙絲頂空香氣成分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，按歐式距離類平均法進(jìn)行聚類，結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，16個樣品被聚為兩類，第一類包括B1～B8樣品，第二類包括A1～A8樣品，兩個品牌卷煙樣品各自聚為一類，說明煙絲頂空香氣成分可以很好地將不同品牌卷煙區(qū)分開，煙絲頂空香氣成分很好地體現(xiàn)了不同品牌卷煙各自的香氣特征以及品牌間的差異。

圖2 兩個品牌卷煙煙絲間存在顯著性差異的頂空香味成分Fig.2 The significantly different volatile aroma components in cut tobacco between brand A and B

圖3 煙絲頂空香氣成分的聚類分析Fig.3 Cluster analysis results of different cigarette brands based on the volatile aroma components in cut tobacco

2.5 煙絲動態(tài)頂空香氣成分的主成分分析

基于在兩個品牌間存在顯著差異的頂空香氣成分，16個卷煙樣品進(jìn)行主成分分析，樣品在第一和第二主成分上的得分分布如圖4（a）所示。從圖中可以看出，在主成分空間中，A品牌卷煙樣品（A1～A8）聚集成一簇，B品牌卷煙樣品（B1～B8）聚集成另一簇，表明相同品牌的卷煙存在較好的相似性；A品牌卷煙在第一主成分上的得分均大于0，B品牌卷煙在第一主成分上的得分均小于0，兩個品牌卷煙在主成分空間被很好的區(qū)分開，表明不同品牌卷煙的香味成分存在較大的差異，與聚類分析的結(jié)果一致。

圖4（b）為香氣成分在第一主成分和第二主成分上的載荷圖。從圖中可以看出β-水芹烯、2-丁基四氫呋喃、α-松油醇、4-烯丙基苯甲醚、苯甲酸乙酯、2-蒎烯、苯甲酸己酯、2-乙酰基吡咯、β-大馬酮、(+)-檸檬烯、戊醛、苯乙醇、2-甲基己酸、苯乙酸甲酯和2-甲基丁醛等15種成分在第一主成分上的載荷大于0，表明它們在A品牌中的含量較高；順-2-戊烯醇在第一主成分上的載荷小于0，表明B品牌順-2-戊烯醇含量較高，與方差分析的結(jié)果一致。

由此可以將A、B兩個品牌卷煙的煙絲頂空化學(xué)成分主要特征概括為：（1）在所檢測的118種頂空香氣成分中，大部分成分在兩個品牌卷煙間不存在顯著性差異，這些成分主要來源于煙草本體揮發(fā)性化學(xué)成分；（2）兩個品牌的煙絲頂空香氣成分的差別主要在于A品牌卷煙煙絲中還有更豐富的外加香化學(xué)成分，其中包括苯甲酸乙酯、苯甲酸己酯、苯乙酸甲酯、β-大馬酮、(+)-檸檬烯、苯乙醇等果香和甜香[15]化學(xué)成分，以及α-松油醇、4-烯丙基苯甲醚和2-蒎烯等化學(xué)成分。

圖4 煙絲動態(tài)頂空香氣成分的主成分分析(a)得分圖和(b)載荷圖Fig.4 Score plot(a)and loading plot(b)of principle component analysis of different cigarette brands based on the volatile aroma components in cut tobacco

3 結(jié)論

采用吹掃捕集-GC/MS方法測定了兩種品牌卷煙煙絲的頂空香氣化學(xué)成分，并結(jié)合聚類分析和主成分分析方法建立了不同品牌的分類模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)同一品牌卷煙的頂空香氣化學(xué)成分能很好地聚成一類，而不同品牌卷煙樣品在聚類分析樹狀圖和主成分分析得分圖中均能很好地相互區(qū)分，說明不同品牌卷煙的香氣風(fēng)格存在較大的差異。因此采用聚類分析和主成分分析方法對卷煙煙絲頂空香氣化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行無監(jiān)督模式識別處理，可以有效表征和區(qū)分卷煙品牌，為卷煙品牌風(fēng)格表征和質(zhì)量評價及控制提供有益的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]DAVIS D L，NIELSEN M T.煙草——生產(chǎn)，化學(xué)和技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]吳麗君，石鳳學(xué)，劉晶，等.煙草香氣成分分析研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2014，30（21）：251-257.

[3]LEFFING J C.Nitrogen components of leaf and their relationship to smoking quality and aroma[J].Recent advances in tobacco science,1976,2:1-31.

[4]王兵，楊凱，陳磊，等.不同產(chǎn)地?zé)熑~中半揮發(fā)性香氣成分的指紋圖譜[J].煙草科技，2014（8）：42-46.

[5]VON GROB K,V?LLMIN JA.Analyse der"Semi-Volatiles"aus Cigarettenrauch mit Hilfe einer Kombination von hochaufl?sender Gaschromatographie mit Massenspektrometrie[J]. Beitr?ge zur Tabakforschung,1969,5(2):52-57.

[6]許燕娟，鐘科軍，白長敏，等.溶劑萃取-氣相色譜/質(zhì)譜法分析煙草中的主要甾醇[J].色譜，2006，24（3）：315-316.

[7]李炎強(qiáng)，冼可法.同時蒸餾萃取法與水蒸氣蒸餾法分離分析煙草揮發(fā)性、半揮發(fā)性中性成分的比較[J].煙草科技，2000（2）：18-21.

[8]劉百戰(zhàn)，張映，孫磊，等.卷煙煙絲香氣成分的固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法分析[J].分析測試學(xué)報，2000，19（4）：28-31.

[9]HASEBE H,SUBARA S.The quality estimation of different tobacco types examined by headspace vapor analysis[J].Beitr?ge Zur Tabakforschung,1999,18(5):213-222.

[10]姬厚偉，楊敬國，王芳，等.靜態(tài)頂空-氣相色譜法在煙草行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].理化檢驗（化學(xué)分冊），2014，50（9）：1188-1192.

[11]郜強(qiáng)，沙云菲，金永明，等.溫度、水分、時間和添加劑對煙絲揮發(fā)性及半揮發(fā)性化學(xué)成分的影響[J].中國煙草學(xué)報，2010，16（z1）：70-74.

[12]李寧，劉杰民，溫美娟，等.吹掃捕集-氣相色譜聯(lián)用技術(shù)在揮發(fā)性有機(jī)化合物測定中的應(yīng)用[J].色譜，2003，21（4）：343-346.

[13]張麗，劉紹鋒，王曉瑜，等.吹掃捕集-氣相色譜/質(zhì)譜法分析卷煙煙絲的嗅香成分[J].煙草科技，2013（4）：63-70.

[14]劉春波，陸舍銘，李希強(qiáng)，等.吹掃捕集-GC法檢測卷煙包裝材料中揮發(fā)性有機(jī)化合物[J].煙草科技，2009（2）：42-45.

[15]陸龍建，陳磊，余苓，等.多元因子分析在卷煙風(fēng)格特征剖析中的應(yīng)用[J].煙草科技，2012（10）：36-40.