基于主流煙氣化學(xué)成分的卷煙風(fēng)格剖析

鄧發(fā)達(dá)，王曉瑜，羅 誠*，王 冰，何書杰，陶飛燕，張高峰，丁 玉，胡 濤，吳志英

1.四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,成都市錦江區(qū)成龍大道一段56 號 610066

2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院,鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

卷煙的風(fēng)格特征是卷煙品質(zhì)的重要屬性之一，對卷煙的風(fēng)格進(jìn)行剖析，有助于引導(dǎo)消費需求，提升品牌價值。卷煙的物質(zhì)基礎(chǔ)不僅與其感官質(zhì)量有因果關(guān)系，還與卷煙的風(fēng)格特征密切相關(guān)。從感官質(zhì)量的角度對卷煙風(fēng)格的提煉是歸納法的運用。例如：喬學(xué)義等［1］對典型產(chǎn)地?zé)熑~風(fēng)格的分析；丁才夫等［2］對恩施州烤煙風(fēng)格特征的分析；張燕等［3］對卷煙香氣風(fēng)格特征的分析。從物質(zhì)基礎(chǔ)的角度對卷煙風(fēng)格的分析是演繹法的運用。例如：李超等［4］基于化學(xué)組分對卷煙果香風(fēng)格的研究；楊超等［5］基于煙葉化學(xué)成分對葉組感官質(zhì)量和風(fēng)格的研究。顯然，基于卷煙物質(zhì)基礎(chǔ)的風(fēng)格剖析對于產(chǎn)品開發(fā)更具指導(dǎo)意義。有研究表明，煙草化學(xué)成分對卷煙香型風(fēng)格有一定影響［6-8］。同時，消費者抽吸卷煙時感受到的生理滿足感和愉悅感與煙氣中的化學(xué)成分直接相關(guān)。實際上，卷煙煙氣中的化學(xué)成分對感官的作用不是孤立的，而是相互影響、協(xié)同產(chǎn)生的，它們共同決定了卷煙產(chǎn)品的整體可接受性。因此，對不同卷煙主流煙氣進(jìn)行整體性分析非常必要。

卷煙煙氣中的化學(xué)成分有數(shù)千種，大部分物質(zhì)是在卷煙燃燒時通過氧化、裂解、聚合、縮合等反應(yīng)形成［9-10］。對卷煙主流煙氣進(jìn)行整體性分析，須在保留主要信息的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理。利用主成分分析方法［11-12］，可以有效地找出數(shù)據(jù)中主要的元素和結(jié)構(gòu)，去除噪聲和冗余信息，揭示隱藏在復(fù)雜數(shù)據(jù)背后的簡單結(jié)構(gòu)。因此，采用氣相色譜/質(zhì)譜法對卷煙主流煙氣成分進(jìn)行檢測，通過主成分分析結(jié)合獨立樣本t 檢驗的方法對卷煙主流煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，從物質(zhì)基礎(chǔ)的角度對卷煙風(fēng)格進(jìn)行分析，旨在為剖析卷煙風(fēng)格提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

25 種國內(nèi)市售烤煙型卷煙樣品（表1），以某品牌卷煙為試驗組，其余牌號卷煙為對照組。

氘代苯（內(nèi)標(biāo)，美國CIL 公司）；乙酸苯乙酯（內(nèi)標(biāo)，英國Alfa Aesar 公司）；甲醇（色譜純，美國Dikma 公司）；二氯甲烷（色譜純，美國J.T.Baker 公司）；異丙醇（AR，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司）；干冰（購于鄭州市當(dāng)?shù)厥袌觯?/p>

表1 卷煙樣品基本信息Tab.1 Basic information of cigarette samples

Agilent 7890B/5977A 氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC/MS）、4 mL 樣品瓶（美國Agilent 公司）；SM450-PC107 直線型吸煙機（英國Cerulean 公司）；劍橋濾片（直徑44 mm，德國Borgwaldt 公司）；KQ-700DE 數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）。

1.2 方法

采用兩套分析方法進(jìn)行主流煙氣中的化學(xué)成分測定。中性及堿性煙氣成分采用溶劑直接提取，氣相色譜/質(zhì)譜法檢測；酸性、酚及一些含羥基化合物采用硅烷化衍生，氣相色譜/質(zhì)譜法檢測。

1.2.1 煙氣的捕集

將樣品卷煙在（22±1）℃、相對濕度（60±2）%的環(huán)境中平衡48 h，挑選（平均質(zhì)量±0.02）g 和（平均吸阻±49）Pa 的煙支作為測試樣品。

①直接提取。采用直線型吸煙機按照ISO 標(biāo)準(zhǔn)條件抽吸卷煙，即每60 s 抽吸1 口，每口抽吸容量35 mL，抽吸持續(xù)時間2 s。單通道每組抽吸10支卷煙，用直徑為44 mm 劍橋濾片捕集卷煙主流煙氣粒相物［13］。在捕集器后連接兩個串聯(lián)的吸收瓶，每個吸收瓶中裝有10 mL 甲醇溶液，在低溫冷卻（干冰/異丙醇）條件下捕集主流煙氣氣相成分。內(nèi)標(biāo)溶液為氘代苯和乙酸苯乙酯的雙內(nèi)標(biāo)溶液，DB-624 柱使用氘代苯內(nèi)標(biāo)，DB-5MS 柱使用乙酸苯乙酯內(nèi)標(biāo)。

②硅烷化衍生。采用直線型吸煙機按照ISO標(biāo)準(zhǔn)條件抽吸卷煙，單通道每組抽吸5 支卷煙，用直徑為44 mm 的劍橋濾片捕集卷煙主流煙氣總粒相物。內(nèi)標(biāo)溶液為反式-2-己烯酸溶液。

1.2.2 粒相物成分的分析

①直接提取。將捕集10 支卷煙主流煙氣粒相物的劍橋濾片對折卷起放入4 mL 樣品瓶中，加入3 mL 二氯甲烷萃取劑，并準(zhǔn)確加入100 μL 2 mg/mL 內(nèi)標(biāo)溶液，用密封膜密封后超聲萃取30 min；取2 mL 萃取液，用0.45 μm 微孔濾膜過濾后進(jìn)行GC/MS 分析。

②硅烷化衍生。將捕集5 支卷煙主流煙氣粒相物的劍橋濾片對折卷起放入4 mL 樣品瓶中，加入3 mL 二氯甲烷萃取溶液（反式-2-己烯酸內(nèi)標(biāo)為50 μg/mL），旋緊瓶蓋后超聲萃取30 min；加入500 μL BSTFA，60 ℃水浴條件下衍生50 min；冷卻至室溫，過0.45 μm 微孔濾膜，對濾液進(jìn)行GC/MS 分析，在選擇離子監(jiān)測（SIM）模式下定量分析目標(biāo)成分。選定目標(biāo)組分的定量定性離子參數(shù)及精密度（RSD）見表2。

表2 卷煙主流煙氣中進(jìn)行硅烷化分析的目標(biāo)成分Tab.2 Target components in mainstream cigarette smoke for silylation analysis

表2 （續(xù)）

1.2.3 氣相物成分的分析

卷煙抽吸完畢后，用洗耳球分別對捕集裝置兩個吸收瓶中的吸收管進(jìn)行5 次抽吸清洗；向每個吸收瓶中準(zhǔn)確加入100 μL 內(nèi)標(biāo)溶液，并攪拌均勻；從兩個吸收瓶中各取1 mL 溶液，混勻后進(jìn)行GC/MS 分析。

1.2.4 GC/MS 分析條件

氣、粒相物樣品均取2 份，分別在DB-5MS 和DB-624 兩根色譜柱上進(jìn)樣分析。DB-5MS 柱的分析條件：

色譜柱：DB-5MS 色譜柱（60 m×0.25 mm×1.0 μm）；載氣：He，1.5 mL/min；進(jìn)樣量：1 μL；進(jìn)樣口溫度：290 ℃；分流比：10 ∶1；程序升 溫：60 ℃?zhèn)鬏斁€溫度：290 ℃；電離方式：EI；離子源溫度：230 ℃；電離能量：70 eV；四極桿溫度：150 ℃；質(zhì)量掃描范圍：26～400 amu；監(jiān)測模式：全掃描模式和SIM模式。

DB-624 色譜柱的分析條件與文獻(xiàn)［14］相同。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理與分析

按文獻(xiàn)［15］的方法進(jìn)行主流煙氣化學(xué)成分的獨立樣本t 檢驗。按文獻(xiàn)［11］的方法對25 個卷煙樣品的335 種主流煙氣化學(xué)成分進(jìn)行主成分分析并計算各樣品到樣品中心的歐氏距離，繪制樣品在主成分空間的分布圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 卷煙主流煙氣化學(xué)成分的直觀分析

對樣品的335 種主流煙氣化學(xué)成分進(jìn)行直觀分析。由于各成分釋放量存在數(shù)量級上的差異，因此對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性歸一化處理。以卷煙編號為x軸，化學(xué)成分編號為y 軸，化學(xué)成分釋放量為z 軸，繪制主流煙氣化學(xué)成分釋放量圖，如圖1 所示。

圖1 卷煙主流煙氣化學(xué)成分直觀分析Fig.1 Visual analysis of chemical components in mainstream cigarette smoke

圖1 a 為包含常規(guī)卷煙、細(xì)支卷煙的主流煙氣直觀分析圖。可以看出，常規(guī)卷煙化學(xué)成分釋放量較高，在圖中表現(xiàn)為波峰，細(xì)支卷煙化學(xué)成分釋放量較低，在圖中表現(xiàn)為波谷。為消除煙支圓周規(guī)格對分析結(jié)果的影響，對所有常規(guī)卷煙進(jìn)行了直觀分析（圖1b）。其中1～4 號為試驗組卷煙樣品，其余為對照組卷煙樣品。由于卷煙煙氣中化學(xué)成分?jǐn)?shù)量眾多，因此試驗組和對照組樣品表現(xiàn)出的差異不明顯。

以試驗組卷煙為1 個樣本、對照組卷煙為1 個樣本，對各牌號常規(guī)卷煙的煙氣化學(xué)成分進(jìn)行獨立樣本t 檢驗，根據(jù)篩選出的試驗組與對照組卷煙有較大差異的32 種化學(xué)成分（表3）繪制化學(xué)成分釋放量圖，如圖2 所示。

從表3 和圖2 可以看出，與對照組相比，試驗組卷煙中1～17 號化學(xué)成分釋放量較高，18～32 號化學(xué)成分釋放量較低。在1～17 號化學(xué)成分中，2-脫氧-戊糖酸內(nèi)酯［23-24］、己酸［16］、亞麻酸甲酯［16，25］、二羥基丙酮［18］、三醋酸甘油酯［19］及月桂烯［21-22］等6種化學(xué)成分具有增甜的效果，這表明“甜”是試驗組卷煙主流煙氣形態(tài)的一個特性。

2.2 卷煙主流煙氣化學(xué)成分的主成分分析

由于檢測得到的數(shù)據(jù)維度較高（共檢測出335種主流煙氣化學(xué)成分），因此采用主成分分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)降維處理，降維后前3 個主成分的累計方差貢獻(xiàn)率為85.1%，可以代表原數(shù)據(jù)的大部分信息。以各卷煙樣品前3 個主成分為x、y、z 軸繪制樣品主成分空間圖，以空間圖中各樣品的中心為參照點，計算各樣品到參照點的歐氏距離并連線。從圖3 可以看出：在各自方向上距離參照點較遠(yuǎn)的樣品有“白沙（和天下）”“中華（軟）”“云煙（軟珍品）”“真龍（海韻）”“芙蓉王（硬）”“南京（十二釵烤煙）”；距離參照點較近的樣品有SY-4 卷煙、“云煙（紫）”和“黃鶴樓（軟藍(lán)）”。SY-6 卷煙和“南京（十二釵烤煙）”煙氣狀態(tài)接近；SY-2 卷煙與“南京（炫赫門）”煙氣狀態(tài)接近。

表3 卷煙主流煙氣化學(xué)成分獨立樣本t 檢驗篩選指標(biāo)①Tab.3 Screened components in mainstream cigarette smoke after independent sample t test

圖2 獨立樣本t 檢驗篩選后卷煙主流煙氣化學(xué)成分直觀分析Fig.2 Visual analysis of screened components in mainstream cigarette smoke after independent sample t test

以目前市場上代表性的“云煙（軟珍品）”“芙蓉王（硬）”“南京（十二釵烤煙）”“中華（軟）”為頂點連線，可以構(gòu)成一個四面體，見圖4。可以看出，除少數(shù)樣品如“白沙（和天下）”外，大部分樣品均位于四面體內(nèi)或四面體表面附近。“云煙”系列、“玉溪（軟）”和“黃金葉”系列位于四面體一角，“南京”系列位于四面體一角，“芙蓉王（硬）”和“真龍（海韻）”位于一角，“中華（軟）”位于一角。

將試驗組各產(chǎn)品連線得到圖5。從圖5a 可以看出，試驗組除SY-3 卷煙外皆位于四面體內(nèi)，旋轉(zhuǎn)圖5a 到合適角度可以得到圖5b，從圖5b 可以看出，試驗組6 個樣品在卷煙主流煙氣主成分空間圖中基本處于同一平面。

圖3 主成分空間中卷煙樣品距離Fig.3 Distances of cigarette samples in principal component space

圖4 卷煙主流煙氣化學(xué)成分四面體Fig.4 Tetrahedron of chemical components in mainstream cigarette smoke

圖5 卷煙主流煙氣化學(xué)成分空間關(guān)系Fig.5 Spatial relationship of chemical components in mainstream cigarette smoke

圖5 （續(xù)）

圖6 主流煙氣化學(xué)成分空間關(guān)系（剔除部分多羥基化合物）Fig.6 Spatial relationship of chemical components in mainstream cigarette smoke（without some polyhydroxy compounds）

在空間圖中，樣品處于同一平面意味著具有某種共性。為了研究這種共性，將煙氣成分中的丙三醇、乙二醇、1,2-丙二醇以及核糖、葡聚糖、葡萄糖等多羥基化合物剔除，再按上述方法進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如圖6 所示。可以看出，剔除多羥基化合物后試驗組樣品都不在四面體內(nèi)，且樣品不在一個平面內(nèi)，樣品所具有的共性部分消失，這說明煙氣中多羥基化合物的組成是試驗組樣品的一個重要特征。由于煙草中的多羥基化合物可以和水分子形成氫鍵，具有保潤功能［28-30］，因此具有保潤作用的多羥基化合物的構(gòu)成是試驗組卷煙煙氣形態(tài)的另一個特性。

3 結(jié)論

對收集的6 個試驗組卷煙、19 個對照組卷煙，采用溶劑直接提取或硅烷化衍生法收集主流煙氣成分，氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用方法進(jìn)行分析，共檢測出335 種化合物。以對照組卷煙為參照，采用獨立樣本t 檢驗的方法篩選出試驗組卷煙主流煙氣中17 種含量較高的化學(xué)成分，其中6 種成分具有增甜的效果；采用主成分分析法對市售卷煙主流煙氣化學(xué)成分的輪廓進(jìn)行了整體性分析，發(fā)現(xiàn)了試驗組卷煙主流煙氣的共性特征，進(jìn)一步的研究表明，具有保潤作用的多羥基化合物的構(gòu)成與這種共性特征密切相關(guān)。本研究結(jié)果可從物質(zhì)基礎(chǔ)的角度為卷煙風(fēng)格的剖析提供參考。