煙草非揮發性有機酸、pH測定及其相關性分析

樸永革

張賈寶2

崔成哲1

劉友杰1

李河霖1

李瑞麗2

張峻松2

(1. 吉林煙草工業有限責任公司，吉林 延吉 133001；2. 鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，河南 鄭州 450001)

煙草中的有機酸大部分是非揮發性有機酸，如蘋果酸、草酸等[1]。非揮發酸雖然不直接影響煙氣香味，但可以調節煙草的pH值，在一定程度上改善煙草吃味，提升卷煙感官舒適度，弱化卷煙煙氣的噪感，并增加煙氣濃度[2-4]。

卷煙煙草pH、煙氣pH是衡量卷煙產品整體質量的重要指標之一，能在一定程度上反映卷煙配方中的酸堿平衡[5-6]。卷煙產品配方由眾多不同產地、等級的單料煙煙葉構成，各單料煙中有機酸的種類及含量會影響卷煙產品的煙草及煙氣pH。邱寶平等[7]通過測定中國卷煙非揮發酸的含量及煙氣pH，發現蘋果酸和油酸對煙氣粒相物pH影響較大，但有關非揮發酸與煙草pH之間的關聯性未見報道。目前對于卷煙煙草pH、煙氣pH的其他研究主要側重于pH的測定方法和其影響因素[8-10]，鮮見二者與有機酸之間關聯性的研究。

研究擬以34種單料煙和11種卷煙為研究對象，分別測定其非揮發性有機酸、煙草pH和卷煙主流煙氣粒相物pH，采用灰色關聯度分析、主成分分析對有機酸與pH進行相關性分析研究，為從化學分析角度確定卷煙內在品質、改善和調控煙草及煙氣pH提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

煙葉樣品：從中國貴州(T1～T4)、吉林(T5、T6)、山東(T7、T8)、福建(T9～T12)、河南(T13～T16)、湖南(T17～T21)、云南(T22～T27)代表性煙葉產區收集的上部、中部、下部烤煙煙葉以及巴西(T28、T29)、津巴布韋(T30、T31)、美國(T32～T34)煙葉樣品共34種；

卷煙樣品(見表1)：市售一類、二類、三類烤煙型卷煙共11種；

表1 卷煙樣品信息Table 1 Cigarette sample information

草酸、月桂酸、檸檬酸：純度>98%，上海華彭實業有限公司；

丙二酸、十三酸、正十五酸、軟脂酸、硬脂酸、亞麻酸：純度>98%，美國FLUKA公司；

琥珀酸、蘋果酸、油酸、亞油酸：純度>98%，百靈威科技有限公司；

二氯甲烷、甲醇：色譜純，迪科馬科技有限公司；

其余試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器設備

電子天平：PL-203型，瑞士Mettler Toledo公司；

氣相色譜儀：Agilent 8890A(FID)型，安捷倫公司；

吸煙機：RM20H型，德國博格瓦爾特公司；

pH酸度計：Mode1868型，奧立龍公司；

振蕩培養箱：F160型，太倉實驗設備廠。

1.2 方法

1.2.1 非揮發性有機酸的測定 參照邱寶平等[11]的方法，對單料煙及卷煙非揮發性有機酸進行測定，每個樣品平行測定3次。

1.2.2 煙草pH的測定 按YC/T 222—2007執行，對單料煙及卷煙煙草pH進行測定，每個樣品平行測定3次。

1.2.3 卷煙主流煙氣粒相物pH的測定 參照徐石磊等[12]的方法，對卷煙主流煙氣粒相物pH進行測定，每個樣品平行測定3次。

1.2.4 數據處理 使用Excel軟件整理數據，利用SPSSAU分析平臺進行灰色關聯度分析,采用SPSS 21軟件進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 非揮發性有機酸測定結果

2.1.1 標準曲線、檢出限和定量限 由表2可知，13種非揮發酸的回歸方程線性良好，決定系數R2>0.999，檢出限為0.50～3.83 μg/mL，定量限為1.67～12.75 μg/mL。

表2 非揮發酸回歸方程、決定系數、檢出限、定量限Table 2 Non-volatile acid regression equation, coefficient of determination, limit of detection, limit of quantification

2.1.2 方法的回收率及精密度 由表3可知，在不同的加標水平下，非揮發酸的平均回收率在88.64%～95.75%，精密度在1.29%～3.87%，回收率較高，重復性較好，適用于煙草中非揮發酸的檢測分析。

表3 方法的回收率及精密度Table 3 Recovery and precision of method (n=5) %

2.1.3 樣品的測定 卷煙非揮發性有機酸含量的測定結果見表4，單料煙非揮發性有機酸含量的測定結果見表5。

表4 卷煙非揮發性有機酸含量Table 4 The content of non-volatile organic acids in cigarettes (n=3) mg/g

表5 單料煙非揮發性有機酸含量Table 5 The content of non-volatile organic acids in single-grade tobacco (n=3) mg/g

續表5

由表4、表5可知，單料煙非揮發性有機酸含量范圍為34.30～134.60 mg/g，卷煙非揮發性有機酸含量范圍為70.18～104.25 mg/g，單料煙與卷煙中共測定出12種非揮發性有機酸。蘋果酸與草酸在單料煙與卷煙中含量較高，約占非揮發性有機酸總含量的70%～80%；琥珀酸、十三酸、正十五酸含量很低且在一部分樣品中未被檢出，與李登科等[13]的研究一致。煙葉的遺傳因素、氣候土壤條件、栽培水平以及加工差異是樣品中非揮發性有機酸含量不同的原因[14]，如不同基因型烤煙中非揮發酸的含量存在較大差異[15]、溫度對煙株在生根期和成熟期中有機酸含量的積累影響較大[16]、烘烤后煙葉中非揮發酸含量與餅肥用量顯著負相關[17]、打葉后片煙中非揮發酸含量與葉片尺寸呈負相關[18]。

2.2 煙草pH和主流煙氣粒相物pH

單料煙煙草pH的測定結果見表6，卷煙煙草pH和主流煙氣粒相物pH的測定結果見表7。

由表6、表7可知，單料煙煙草pH為4.684～6.188，RSD為0.140%～0.441%；卷煙煙草pH為4.861～5.286，RSD為0.219%～0.451%；主流煙氣粒相物pH為5.738～6.103，RSD為0.182%～0.410%。測定結果與李青青等[10]的結果較接近，同時由RSD可知pH測定結果的精密度較高。主流煙氣粒相物pH比卷煙煙草pH略低的原因可能是由于卷煙燃燒形成煙氣的過程中，非揮發性有機酸的沸點相對于煙堿等堿性物質的沸點較高，煙氣中的酸性物質較少，從而導致煙氣中的酸堿比降低，使煙氣pH值升高。

表6 單料煙煙草pH測定結果Table 6 Measurement results of the pH of single-grade tobacco (n=3)

表7 卷煙煙草pH和主流煙氣粒相物pH測定結果

2.3 灰色關聯度分析

為考察各非揮發性有機酸對pH的影響程度，根據表4～表7中測定結果，分別以單料煙煙草pH、卷煙煙草pH、主流煙氣粒相物pH為母序列，以相應的非揮發性有機酸作為特征序列，分辨系數ρ取0.5，數據經均值化處理后進行灰色關聯度分析，結果見表8。

由表8可知，單料煙煙草pH與草酸、軟脂酸、蘋果酸、油酸、檸檬酸的關聯度較大，其關聯度分別為：0.894，0.879，0.837，0.834，0.817；卷煙煙草pH與軟脂酸、蘋果酸、亞麻酸、草酸、檸檬酸的關聯度較大，其關聯度分別為：0.960，0.959，0.952，0.950，0.946；卷煙主流煙氣粒相物pH與蘋果酸、軟脂酸、亞麻酸、草酸、亞油酸的關聯度較大，其關聯度分別為：0.936，0.936，0.959，0.957，0.954；十三酸、正十五酸與3種pH的關聯度均較小，可能是二者在樣品中的含量較低造成的。因此，草酸、軟脂酸、蘋果酸、油酸、檸檬酸對單料煙煙草pH的影響程度相對較大；軟脂酸、蘋果酸、亞麻酸、草酸、檸檬酸對卷煙煙草pH的影響程度相對較大；蘋果酸、軟脂酸、亞麻酸、草酸、亞油酸對卷煙主流煙氣粒相物pH的影響程度相對較大。

表8 pH與非揮發性有機酸的關聯度Table 8 Correlation degree between pH and non-volatile organic acid

2.4 主成分分析

采用主成分分析方法對單料煙和卷煙中的非揮發性有機酸進行因子提取，并運用最大方差旋轉方法進行旋轉。根據KMO和Bartlett的檢驗，可知單料煙和卷煙中非揮發性有機酸的KMO分別為0.665，0.675，均大于0.6，說明變量間存在相關性；Bartlett球形度檢驗中單料煙和卷煙中非揮發性有機酸的P均小于0.001，說明主成分分析有意義。通過對有機酸主成分進行提取分析，并與灰色關聯度分析結果結合，可有效明確有機酸對pH的影響程度，當主成分特征值大于1時，該有機酸成分可作為主成分進行分析[19-20]。單料煙及卷煙有機酸主成分相關特征值及其貢獻率見表9、表10。

表9 單料煙有機酸相關特征值及其貢獻率

表10 卷煙有機酸相關特征值及其貢獻率

由表9可知，單料煙有機酸共提取出4個主成分，其方差貢獻率分別為37.278%，19.417%，11.360%，8.600%，累計方差貢獻率為76.66%。單料煙有機酸第1主成分包括亞油酸、亞麻酸、軟脂酸等，第2主成分包括檸檬酸、蘋果酸、草酸等，第3主成分僅包括油酸，第4主成分僅包括琥珀酸。結合灰色關聯度分析結果可知，第2主成分中的蘋果酸、草酸對單料煙煙草pH的影響程度較大。

由表10可知，卷煙有機酸共提取出3個主成分，其方差貢獻率分別為40.137%，26.953%，11.374%，累計方差貢獻率為78.46%；卷煙有機酸第1主成分包括檸檬酸、硬脂酸、丙二酸等，第2主成分包括正十五酸、軟脂酸、亞麻酸等，第3主成分僅包括草酸、亞油酸、蘋果酸等。結合灰色關聯度分析結果可知，第2、3主成分中的軟脂酸、蘋果酸對卷煙煙草pH、主流煙氣粒相物pH的影響程度較大，與邱寶平等[11]的研究結論存在共性。

對比分析結果發現，草酸對單料煙煙草pH的影響程度較大，而對卷煙煙草pH和主流煙氣粒相物pH的影響程度稍小，軟脂酸對卷煙煙草pH、主流煙氣粒相物pH的影響程度較大，而對單料煙煙草pH的影響程度稍小。其原因可能是草酸性質不如軟脂酸穩定，在100 ℃以上的溫度條件下草酸容易升華，卷煙加工過程中的膨脹、烘絲等熱處理均會使煙絲中草酸的含量減少。楊力佳等[21]發現煙絲經過膨脹后，非揮發性有機酸含量明顯降低，且在膨脹前后草酸含量的降低率大于軟脂酸，從而使草酸對煙絲酸堿度的影響減弱，最終導致草酸對卷煙煙草pH和主流煙氣粒相物pH的影響程度變小。從單料煙煙葉到制成卷煙需要經過一系列加工過程，加工過程中煙葉內部化學成分的改變最終導致單料煙和卷煙研究結果有所不同。

3 結論

煙草中不同有機酸對pH影響程度不同，利用灰色關聯度分析并結合主成分分析發現，蘋果酸、草酸對單料煙煙草pH的影響程度較大，蘋果酸、軟脂酸對卷煙煙草pH、主流煙氣粒相物pH的影響程度較大，十三酸、正十五酸對pH的影響較小。為實際改善和調控煙草pH及主流煙氣粒相物pH、弱化卷煙煙氣噪感，后期可開展在煙葉或煙絲中施加非揮發酸的相關試驗，比較蘋果酸與草酸、蘋果酸與軟脂酸在改善煙草及煙氣pH中的效果，以便提升卷煙產品的吸食品質。