基于氣相離子遷移譜技術的加香工藝研究

張榮亞，文 武，劉 洋，溫若愚，劉民昌，楊小琴，曾正蓉，何玲英，吉笑盈，李天笑，朱貝貝

（四川中煙工業有限責任公司技術中心，四川成都 610066）

加香工序的參數適配性直接決定了香精在最終卷煙產品中的作用效果。其中，排潮風速的大小會直接影響香精在煙絲中的施加效果，其對揮發性香味成分的影響尤其顯著。

氣相離子遷移譜即Gas Chromatography-Ion Mobility Spectrometry（GC-IMS），是結合了氣相色譜和離子遷移譜的新型檢測技術，在揮發性香味成分的檢測方面具有獨特的優勢[1-3]。該檢測技術克服了離子遷移譜檢測分離度較差的缺點，待檢測物質先經過氣相色譜預分離后，再經離子遷移譜二次分離，顯著改善了信號的響應峰強度。此外，在原來單一氣相色譜信息的基礎上，GC-IMS補充了漂移時間信號，使得檢測得到的化學信息更加豐富。因此，氣相離子遷移譜具備了2種技術的優點，操作簡便、檢測高效、靈敏度高、不需要前處理[4-8]。基于此，試驗借助氣相離子遷移譜技術圍繞煙絲加香工序開展工藝研究，以充分彰顯產品潤甜香特色，提高產品質量穩定性。

1 材料與方法

1.1 材料儀器

材料：嬌子某牌號不同加香排潮風速條件所生產加香煙絲。

不同排潮風速條件加香樣品信息見表1。

表1 不同排潮風速條件加香樣品信息

儀器：氣相離子遷移譜，德國G.A.S公司產品；配置有頂空孵化進樣器、可視化分析軟件LAV（Laboratory Analytical Viewe）r、定性和定量分析軟件（Library Search）。

1.2 試驗方法

1.2.1 煙絲樣品制備方法

取不同加香排潮風速下生產加香后煙絲1 g，放入頂空孵化瓶用于檢測。

1.2.2 頂空氣相色譜-離子遷移譜檢測步驟

對煙絲樣品進行頂空-氣相色譜-離子遷移譜分析，獲取其三維譜圖；在采集到的煙絲樣品三維譜圖中選取特征分析區域；對特征分析區域進行分析，探索加香工序排潮風速對加香后煙絲揮發性香味成分的影響。其中，頂空氣相色譜-離子遷移譜（GC-IMS） 結構示意圖如圖1所示，圖中Drift gas為漂移氣體，Carrier gas為載氣，T1為遷移譜漂移管溫度，T2為色譜柱溫度，T3為進樣口溫度，IMS為離子遷移譜儀，EPC1為遷移譜漂移氣體流量，EPC2為載氣流速，sample為樣品。

頂空氣相色譜-離子遷移譜（GC-IMS） 結構示意圖見圖1。

圖1 頂空氣相色譜-離子遷移譜（GC-IMS）結構示意圖

1.2.3 GC-IMS檢測參數及條件

（1）頂空進樣條件。頂空加熱器的孵化溫度為80℃；在孵化器中孵化5 min；孵化過程采用振蕩加熱；頂空進樣針的溫度與孵化溫度一致為80℃；進入檢測器的樣品量為250.0μL，進樣采用不分流模式；純度大于99.999%的高純氮氣為載氣，載氣同時用于清洗進樣針；每次清洗進樣針的時間為0.50 min。

（2）氣相色譜條件。氣相色譜的色譜柱溫度設定為60℃；色譜運行時間為10 min；色譜所需載氣為純度大于99.999%的高純氮氣；載氣流速設置如下：初始載氣流速為8 mL/min，保留初始載氣流速40 s后，在4 min后程序控制載氣流速升高至50 mL/min，5 min時載氣流速升高至150 mL/min，并保持至8.0，8.5 min時降低到初始載氣流速8 mL/min。

（3）離子遷移譜條件。離子漂移管的溫度為45℃，漂移氣為純度大于99.999%的高純氮氣，漂移氣流速為150 mL/min，離子遷移譜檢測器溫度為45℃。

2 排潮風速對感官品質的影響研究

排潮風速排序為3#<1#<2#，感官品質排序為3#>1#>2#。

不同加香排潮風速卷煙樣品的感官評吸結果見表2。

表2 不同加香排潮風速卷煙樣品的感官評吸結果

從表2可以看出，排潮風速越小，感官得分越高，在保證加香霧化效果及加香出口為微負壓狀態的前提下，降低加香工序排潮風速更有利于香精中的揮發性香味成分施加到煙絲中，有利于增加產品的香氣豐富程度，提高產品的潤感、降低煙氣刺激性，增加口腔生津感。

不同加香排潮風速煙絲樣品的氣相離子遷移譜見圖2。

圖2呈現了不同加香排潮風速所生產煙絲樣品的氣相離子遷移譜圖，樣品的氣相色譜保留時間以縱坐標表示，而其離子遷移時間以橫坐標表示。圖形以藍色為底色，其中橫坐標的起始點1.0處的紅色垂直線表示經過歸一化處理的反應離子峰RIP峰，該反應離子峰兩側不同的點代表不同的揮發性物質。顏色的深淺表明了物質濃度的大小，其中顏色越淺表明該物質的濃度越低，顏色越深表明該物質的濃度越高。由圖2可知，3種煙絲中的揮發性有機物種類基本一致，但揮發性有機物含量在3種煙絲中差異較大。其中，樣品3中揮發性物質含量較多，說明在保證加香霧化效果及加香出口為微負壓狀態的前提下，降低加香工序排潮風速，更有利于香精中的揮發性香味成分施加到煙絲中。結合感官評吸的結果，說明降低加香工序排潮風速更有利于增加產品的潤感和香感。

圖2 不同加香排潮風速煙絲樣品的氣相離子遷移譜

不同加香排潮風速煙絲樣品的GC-IMS差圖譜見圖3。

圖3 不同加香排潮風速煙絲樣品的GC-IMS差圖譜

GC-IMS可視化分析軟件LAV軟件通過差譜圖可以直觀顯示樣品之間的差異，方便快捷地比較不同樣品之間的區別。分析過程如下：以一個加香煙絲樣品的圖譜作為背景，用其他待分析煙絲樣品的譜圖扣除掉該背景。如果2種樣品中的揮發性成分的種類和濃度一致，那么差譜圖得到的背景會顯示為白色，如果顏色顯示為紅色則表明待分析樣品中的該物質濃度高于背景參比中的濃度；反之，藍色則表示待分析樣品該物質的濃度低于背景參比。如圖3所示差異圖，以揮發性物質含量最高的樣品3為參比，樣品1和樣品2中大部分揮發性物質顯示為藍色，說明樣品1和樣品2中揮發性物質比樣品3中含量少。此外，樣品1和樣品2對比，樣品1中紅色點比樣品2中多，說明樣品1中揮發性成分含量高于樣品2。該結果解釋了感官評吸的結果，樣品3感官評分最高，其香氣豐富、刺激性較小、余味有生津感，而樣品1略優于樣品2。

2.1 不同樣品揮發性物質指紋圖譜對比

不同加香排潮風速煙絲樣品的指紋圖譜見圖4。

不同煙絲樣品的指紋圖譜以不同的行呈現，縱向列表示同一種揮發性香味成分在3種不同樣品中的峰的強度，樣品的顏色越深表示其濃度越大，從圖中可以看出，樣品之間揮發性有機物的差異。由圖4可以看出，樣品3中揮發性物質的顏色較深，說明樣品3中揮發性香味成分的含量高于樣品1和樣品2。借助氣相離子遷移譜儀器內置的遷移譜庫和NIST數據庫可以實現對待測物質的定性分析，根據定性結果可將3種樣品采集的指紋圖譜大致劃分成9個不同顏色的區域。其中，S1為揮發性酸類，S2為揮發性酮類，S3為揮發性酯類，S4為揮發性醇類，S5為揮發性烯類，S6為揮發性醛類，S7為揮發性醚類，S8為揮發性雜環類，S9為揮發性芳合香烯類。各區域樣品3的濃度高于樣品1和樣品2，該結果闡釋了樣品3感官評分最高，其香氣豐富、刺激性較小、余味有生津感。

2.2 不同樣品揮發性物質峰體積強度對比

不同加香排潮風速煙絲樣品的總離子強度圖見圖5。

圖5 不同加香排潮風速煙絲樣品的總離子強度圖

圖5為不同加香排潮風速煙絲樣品的三維總離子強度圖，樣品3中檢測到的總離子強度最高，證實了樣品3中揮發性香味成分的含量最高。此外，根據圖4指紋圖譜的劃分區域，統計了S1~S9各區域不同揮發性物質的峰體積強度如表3所示。表3也證實了特征峰S1~S9各區域，除S4外，均表現為樣品3的離子峰強度最大，該結果闡釋了樣品3中揮發性香味成分的含量最高。S4區域為醇類物質，為保潤物質。雖然樣品3的強度（39 429.15） 略低于樣品1（41 851.74），但是該現象是由于樣品中起保潤作用的揮發性醇類物質在煙絲樣品中含量較高，并且樣品3中其他揮發性物質含量均高于樣品1和樣品2，造成GC-IMS供樣品3-S4區域成分結合的水合質子峰強度不夠，導致表觀檢測結果樣品3的強度（39 429.15） 略低于樣品1（41 851.74）。此外，樣品3中起保潤作用的揮發性醇類物質也已達到感官保潤作用的閾值，因此樣品3感官評吸未表現出刺激性。綜上所述，不同加香排潮風速煙絲樣品特征峰強度結果也闡釋了感官評吸結果中樣品3香氣最為豐富、刺激性較小、余味有生津感。

不同加香排潮風速煙絲樣品的特征峰強度見表3。

表3 不同加香排潮風速煙絲樣品的特征峰強度

3 結論

離子遷移譜具有操作簡便、高效、靈敏度高、不需要前處理等優點。近年來，在食品風味揮發物的定性和定量分析中運用廣泛，但在煙草揮發物的定性定量分析中應用較少。借助離子遷移譜優化了加香工序的排潮風速，研究結果表明可以利用GCIMS檢測揮發性風味成分及含量來判斷排潮風速對揮發性香味成分施加效果的影響，提高了香精在煙絲中的利用率。GC-IMS經軟件對數據處理后可快速獲取痕量揮發性有機物的指紋圖譜、差譜圖、峰強度等，可以直觀地表征不同樣品之間的差異性，并且其內置分析軟件使得其對物質的定性、定量分析簡單快捷，有望在其他工藝參數對香氣組分影響的研究中發揮積極作用，有一定的應用前景。