卷煙揮發性香氣成分測定及煙絲加香工藝優化

李 達 李曉科 - 張 濤 許仁杰 - 袁 鵬 李 超

(1.紅云紅河煙草〔集團〕有限責任公司，云南 昆明 650231；2.云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明 650024)

卷煙的香氣成分主要通過各種樣品前處理方法與氣相色譜—質譜相結合的方法檢測。煙絲香氣的揮發性成分都是依附于煙絲基質存在的，所以避免基質干擾，提高檢測限，需對樣品進行前處理。目前，樣品前處理方法應用比較多的主要為頂空法和萃取法[1]。頂空法又分為動態頂空法(HD)[2]和靜態頂空法(HS)[3]，用于定性分析低沸點、強揮發性成分，可避免溶劑萃取法中溶劑污染問題，并具有成本低、無環境污染等優點。萃取法分為蒸餾萃取、溶劑萃取、超臨界萃取和固相微萃取(SPME)等。其中，蒸餾萃取、溶劑萃取[4]均存在萃取溶劑污染問題，而且會對痕量分析(樣品中待測組分含量低于10-6的分析方法)產生干擾。超臨界萃取需要超臨界流體作為萃取劑，萃取過程對設備要求較高[5]。SPME屬于非溶劑型選擇性萃取法，有效避免了痕量分析中溶劑污染問題，但早期存在靈敏度不夠高和回收率很低的問題[6]。有學者[7]發現在此基礎上給攪拌棒套上聚二甲基硅氧烷橡膠管，可以得到很高的測定靈敏度和回收率，該方法即攪拌棒固相微萃取(SBSE)。SBSE自發現以來，因其具有不需要有機溶劑、測試簡便、富集倍數高等優點，現已被廣泛應用于食品中農藥殘留及揮發性成分的富集收集[8-10]。劉汗青等[11]應用固相微萃取—熱解吸系統—氣相色譜—質譜(SBSE-TDS-GC-MS)處理并測定了煙草中表香揮發性成分。該方法需要加入蒸餾水、加熱、不斷攪拌及去除基體效應的相關操作，操作相對較為繁瑣。

為避免基體效應同時簡化試驗操作步驟，試驗擬在SBSE-TDS-GC-MS基礎上引入靜態頂空萃取模式，將HS-SBSE用于煙絲樣品前處理萃取，通過熱解析方式解析，再經氣相色譜—質譜檢測，以期建立一種操作簡單，靈敏度高和回收率高測定卷煙香氣揮發性成分的方法。并將該方法應用于加香工藝中的參數優化，為探求和完善香煙嗅感和加香工藝的選擇提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

1.1.1 材料及試劑

材料：同一主力品牌規格M的中國市售卷煙成品煙絲樣品，不同加香工藝下煙絲樣品，A集團工藝質量部；

萘內標：美國Sigma公司；

乙酸丙酯、丙二醇甲醚、2-甲基丁酸-3-甲基丁酯、2-乙基己基乙酸酯、乙酸、長葉烯、丙二醇、戊二酸二甲酯、芐醇、2.6-二叔丁基對甲酚、3-乙?；量?1種卷煙揮發性成分標準品：美國Sigma公司；

固態萃取攪拌棒：Gerstel Twister攪拌棒(長20 mm，厚0.5 mm)，德國Gerstel公司；

氣相色譜柱：HP-INNOWAX型(60 mm×0.25 mm×0.25 μm)，美國安捷倫科技公司。

1.1.2 儀器與設備

氣相色譜—質譜聯用儀：PerkinElmer Clarus 600型，美國PerkinElmer公司；

熱脫附儀：PerkinElmer Turbo Matrix300型，美國PerkinElmer公司；

分析天平：CP225D型，德國Sartorius公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 內標物的選擇 由于研究對象具有揮發性，采用外標法定量誤差較大，因此選擇內標法定量，并以香精香料檢測常用的低毒萘作為內標進行定量[12]。

1.2.2 標準溶液的配制 準確稱取5.00 g萘，置于50 mL容量瓶中，用無水乙醚稀釋并定容，配制質量濃度為100.0 g/L的內標儲備液；移取0.100 mL內標儲備液于10 mL容量瓶中，用無水乙醚稀釋并定容，配制質量濃度為1 000 mg/L的內標標準工作液。上述所有溶液均于4 ℃冰箱中保存，使用前恢復至室溫。

1.2.3 樣品前處理 攪拌棒在使用前放入TDS熱脫附管中老化。在室溫下，精確稱取煙絲樣品90.0 g，置于小燒杯中，并加入0.4 mL的內標標準工作液萘，之后立即取一個杯內底固定有固態萃取攪拌棒(通過大燒杯外的磁鐵進行固定)的大燒杯倒扣在裝有煙絲的小燒杯上，并進行密封，吸附時間為120 min。相對于傳統的攪拌手段，該法能有效避免成品煙絲在傳統高速攪拌下的破壁效應，使萃取到的揮發性成分更準確。其中，為了確定最佳煙絲量，分別取4種煙絲樣品30.0，50.0，70.0，90.0和110.0 g按1.2.2、1.2.4和1.2.5的試驗條件，通過檢測11種目標物含量，最終得到最優試驗條件；為了確定最佳吸附時間，分別取4種吸附時間60，80，100，120，140 min按1.2.2、1.2.4和1.2.5的試驗條件，通過檢測11種目標物含量最高的2-乙基己基乙酸酯含量，最終得到最優試驗條件。

1.2.4 熱脫附操作條件 吸附結束后，將固態萃取攪拌棒放入玻璃脫附管中部，以便使其均勻加熱，進而達到樣品完全解吸。樣品脫附管溫度180 ℃，冷阱捕集溫度-20 ℃，熱解吸溫度260 ℃，閥溫度190 ℃，傳輸線溫度200 ℃，脫附時間3 min，進口分流流速10 mL/min，出口分流流速10 mL/min。其中，為了確定熱脫附操作條件最優條件，選用L9(34)表對進熱解吸溫度、樣口冷聚焦溫度和解吸時間進行正交分析，通過檢測11種目標物含量最高的2-乙基己基乙酸酯含量，最終得到最優試驗條件。

1.2.5 氣相色譜—質譜檢測條件

(1)氣相色譜條件：采用HP-INNOWAX氣相色譜柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)，進樣口溫度250 ℃，分流進樣，載氣為氦氣(99.99%)，流速1 mL/min，程序升溫為50 ℃保持1 min，然后以5 ℃/min升溫至200 ℃，保持10 min。

(2)質譜條件：EI+離子源；電壓70 eV；離子源溫度180 ℃,傳輸線溫度250 ℃；溶劑延遲5 min。

1.2.6 定性分析 利用GC-MS聯機，將作為檢測器的質譜和氣相色譜聯用，將未知物的圖譜與NIST Library相比較，選取匹配度>85%的作為初步鑒定結果，之后分別通過https://webbook.nist.gov/chemistry/搜索初步鑒定結果的科瓦茨保留指數，與計算結果相比較，最終確定成分。

1.2.7 定量分析 由于揮發性組分的含量與其色譜峰面積呈正比，所以可以通過內標的質量、內標色譜峰面積和被測組分的色譜峰面積，得到被測組分質量，實現定量分析。并按式(1)計算揮發性組分的含量。

(1)

式中：

Xn——第n種揮發性組分的含量，μg/g；

Mi——加入的內標的質量，μg；

An——第n種揮發性組分的色譜峰面積；

Ai——內標的色譜峰面積；

m——試驗稱取的煙絲或煙末的質量，g。

1.2.8 樣品的感官評價 分別取8種工藝條件下生產的30個卷煙樣品，將卷煙樣品在恒溫恒濕箱中平衡48 h。由A集團工藝質量部，組織持有相關證件的評吸人員8名，根據GB 5606.4—2005對8組正交試驗樣品進行感官評吸中的香氣進行評價。

1.2.9 科瓦茨保留指數(KI值)測定 取正構烷烴混標標準品按1.2.2、1.2.4和1.2.5的試驗條件分析，記錄每個正構烷烴標準品出峰的保留時間，采用保留指數的線性升溫公式[式(2)]計算各揮發性組分的KI值。

(2)

式中：

KI——科瓦茨保留指數；

n——正構烷烴碳原子個數；

tx——被分析組分流出峰的保留時間，min；

tn——碳原子為n的正構烷烴混標標準品流出峰的保留時間，min；

tn+1——碳原子為n+1的正構烷烴混標標準品流出峰的保留時間，min。

2 結果與分析

2.1 卷煙香氣組分的定性和定量分析

在同樣的色譜條件下，以萘為內標，對分離得到11種揮發性組分進行分析，色譜圖見圖1。綜合考慮出峰時間、定性和定量特征離子、響應強弱等因素，對11種化合物成分進行定性分析，并結合1.2.7的定量計算公式得到卷煙香氣組分內標法相對定量結果，見表1。從表1可以看出，樣品含有大量的酯類和酸類化合物，同時還含有少量醚類和酮類化合物，這些化合物都是特征香氣的物質，能部分反映該煙絲的香氣特點。

2.2 前處理參數的選擇

2.2.1 樣品量的選擇 4種煙絲樣品30.0，50.0，70.0，90.0和110.0 g下11種目標物的檢測結果見表2。結果表明，樣品量≥70.0 g時才能同時檢出11種目標物。樣品量為110.0 g時，基質效應較大，2-甲基丁酸-3-甲基丁酯、3-乙?；量?、2-乙基己基乙酸酯等目標物的測定含量反而有所降低，當樣品量達到90.0 g時，不僅能同時檢出11種目標物，基質效應較小，而且相比于樣品量70.0 g時所測定的目標物含量高，峰形對稱，適合定量分析。綜合考慮，選擇樣品量為90.0 g作為最優條件。

圖1 云煙某品牌卷煙主流煙氣成分色譜圖

表1 云煙某品牌中部分香氣組分內標法相對定量結果

2.2.2 平衡時間的選擇 由表2可知，2-乙基己基乙酸酯的含量為11種目標物中最高，為了更便捷實現對前處理參數的合理優化，只對2-乙基己基乙酸酯進行分析。在1.2.2、1.2.4和1.2.5的最優試驗條件下，考察了不同平衡時間下2-乙基己基乙酸酯峰的強度變化。平衡時間為60，80，100，120，140 min下的2-乙基己基乙酸酯峰強度，見圖2。從圖2可知，隨著平衡時間的增加，2-乙基己基乙酸酯峰強度呈現先增加后幾乎不變的規律。平衡時間為140 min下的2-乙基己基乙酸酯峰強度與120 min下的乙基己基乙酸酯峰強度幾乎不變，因此，選擇120 min的平衡時間為最優條件。

圖2 不同平衡時間下2-乙基己基乙酸酯的峰強度

Figure 2 Peak intensity of 2-ethylhexyl acetate at different equilibrium times

2.3 熱脫附操作條件的優化

進熱解吸溫度、樣口冷聚焦溫度和解吸時間是影響萃取棒上所吸附的樣品能否實現完全解吸和試驗結果準確性的重要因素。根據以往試驗經驗和相關文獻[11-12]，確定正交優化試驗因素及水平取值見表3。以2-乙基己基乙酸酯峰的強度為被測物質，選用L9(34)表進行優化試驗。

表3 正交優化試驗因素及水平取值

Table 3 Factors and levels of orthogonal optimization test

水平A樣口冷聚焦溫度/℃B進熱解吸溫度/℃C解吸時間/min1-3024022-2026033-102804

表4 正交優化試驗方案及結果

從表4可知，冷聚焦溫度對試驗結果影響最大，其次為熱解吸溫度和解吸時間，最佳工藝組合為A2B2C2，即在260 ℃下，脫附3 min、-20 ℃的冷聚焦溫度為最優熱脫附操作條件。在最佳工藝參數，2-乙基己基乙酸酯峰的強度達到最大值，為104 098。

2.4 方法學評價

2.4.1 標準曲線、檢出限與定量下限 采用內標法進行定量分析，以各目標化合物的濃度為橫坐標，各目標化合物與內標物的峰面積比為縱坐標建立標準曲線，求得線性范圍、線性回歸方程和相關系數。在基體中進行添加回收試驗，在優化的試驗條件下，分別按3倍信噪比(S/N)和10倍信噪比(S/N)計算11種目標物的檢出限(LOD)及定量限(LOQ)。結果表明，11種化合物的相關系數均大于0.998，檢出限和定量下限分別為0.052 7～0.524，0.172～1.684 μg/g。各組分的線性范圍、回歸方程、相關系數、檢出限和定量下限如表5所示。

表5 方法評價結果

2.4.2 回收率與精密度 采用標準加入法，選取6個樣品作為空白樣品，在高、中、低3種不同濃度水平(2.5，20.0，37.5 μg/mL)上，重復進行6次加標回收率試驗，回收率和精密度試驗結果見表6。結果表明，11種目標產物平均加標回收率在85.2%～97.6%，測定結果的相對標準偏差在2.7%～6.0%，說明該方法具有較高的準確度和精密度，能夠滿足定量分析的要求。

表6 回收率與精密度結果?

? 丙二醇甲醚、2-甲基丁酸-3-甲基丁酯、2-乙基己基乙酸酯、芐醇、2,6-二叔丁基對甲酚、3-乙酰基吡咯的高、中、低3種濃度分別為2.5，20.0，37.5 μg/mL。乙酸丙酯、乙酸、長葉烯、丙二醇和戊二酸二甲酯的高、中、低3種濃度分別設定為0.125，0.750，1.500 μg/mL。

2.4.3 方法的重現性 為了考察方法的重現性，分別稱量同一樣品相同質量12份，在上述確定的優化試驗條件下進行測定，結果如表7所示。試驗結果表明，11個組分的峰面積的相對標準偏差(RSD)最大的是丙二醇，為10.3%；最小的是3-乙酰基吡咯，為3.5%。平均值為5.6%，說明該試驗方法具有良好的重現性。

2.5 卷煙加香工藝參數的優化

加香工藝參數主要有滾筒頻率和風門大小，在確保含水率在符合工藝要求的情況下，以揮發性成分總量為指標，每個因素設置4個水平，制定出試驗設計表如表8所示，結果如表10所示。

由表9可知，當滾筒頻率為40 r/min，風門大小為90%時，揮發性成分總量最大。其中乙酸丙酯、2-甲基丁酸-3-甲基丁酯、2-乙基己基乙酸酯、戊二酸二甲酯等酯類均達到最大值。這些成分能夠增加卷煙香氣，減少抽吸時的刺激性和干燥感，對卷煙質量有重要影響。酸類如可以調節煙草酸堿度調和煙草香味的乙酸，也是在滾筒頻率為40 r/min，風門大小為90%時含量達到最大值，達到0.526 μg/g。值的注意的是，在試驗序號1和2中，即滾筒頻率為30 r/min，風門大小為85%和95%時，丙二醇含量低于檢測值，未檢出。推測原因為：滾筒頻率為30 r/min時，煙絲存在相互疊加或結塊現象，存在不均勻和蓬松度不夠，進而導致加香不均勻，可能部分煙絲加香量較少，導致未檢出。結合表8可知：當滾筒頻率>40 r/min之后，所有揮發性成分均下降。其原因可能是，滾筒轉動頻率較高時，駐留時間不夠，導致某些成分無法長時間駐留在煙絲上。風門大小過大或者過小均不利于揮發性成分總量?？赡茱L門大小過小，排潮能力降低，含水率上升，香味可能不容易透發。風門大小過大，含水率過低，后續工藝過程可能導致揮發性成分的散失。因此，綜合考慮各種因素，滾筒頻率40 r/min，風門大小為90%時為最優加香工藝參數。

表7 重現試驗結果

表8 試驗設計表

表9 試驗結果

為了使檢測數據與感官評吸結果進行對比，由A集團工藝質量部，組織持有相關證件的評吸人員8名，根據GB 5606.4—2005對8組樣品進行感官評吸。發現同樣是滾筒頻率為40 r/min，風門大小為90%時，其香氣得分最高。因此HS-SBSE-TD-GC-MS法可以作為檢測卷煙香氣的有力技術手段。

3 結論

試驗建立了一種運用頂空—攪拌棒固相微萃取—熱脫附—氣相色譜—質譜聯用技術測定卷煙香氣中揮發性物質的檢測方法，該方法相對已有文獻[5-6,11]報道的方法具有操作簡便、靈敏度高、線性關系好，并有效避免了基體效應、痕量分析中溶劑污染問題等優點，且能用于卷煙香氣中11種揮發性物質的檢測，在此基礎上研究并優化了加香工藝參數，確定了最優加香工藝參數為滾筒頻率40 r/min，風門大小為90%。在今后的研究中可以拓寬該檢測方法的使用范圍，對卷煙其他工藝過程進行分析，以期為確定其他卷煙生產的最佳工藝參數提供參考。