基于HS-GC-IMS分析爆珠香精揮發性風味成分差異

金 強，孫學鋒，唐 偉，胡玉軒，羅 亮，陸 飛，廖惠云

（1.南通煙濾嘴有限責任公司，江蘇 南通 226014；2.江蘇中煙工業有限責任公司，江蘇 南京 210019）

煙用爆珠是卷煙材料常見的一種加香載體，因其不參與燃燒，沒有裂解產物，濾嘴對香精的截留少，具有改善吃味、可賦予卷煙獨特的特征香氣風格及固香期長等顯著特點，在卷煙工業企業得到廣泛應用［1-2］。目前，通過氣相色譜（GC）、氣相色譜-質譜（GC-MS）、紫外光譜、吹掃捕集-氣相色譜質譜-嗅聞儀（GC-MS/O）聯用法及相關技術可對煙用爆珠中的香氣成分進行分析［3-6］，但上述方法用于含有復雜未知成分的煙用爆珠檢測費時費力，且成本較高，不適用于香氣特征及整體風味的及時評價，無法快速有效地指導樣品的一致性檢測判定。由于不同批次煙用爆珠內容物香精存在波動，進而會影響爆珠香氣、感官質量的穩定性。目前，爆珠的感官評價采用先制成爆珠濾棒，再接裝卷煙進行人工評吸的方法，無法滿足爆珠及時準確的生產過程品質控制及產品交收檢驗要求。因此，亟待建立一種快速、便捷、準確的煙用爆珠風味差異分析方法，用于爆珠香氣質量的快速判定。

氣相色譜-離子遷移譜（GC-IMS）融合氣相色譜（GC）和離子遷移譜（IMS）各自的優勢，滿足高分離度與低檢出限的分析要求［7］，不需要復雜甚至無需預處理樣本即可分析液體和固體樣本頂空的揮發物［8］。對于基質復雜的樣品，由于其無需復雜的樣品前處理，具有簡便快捷、靈敏度高、鑒別精度高、結果可視化等優點，GC-IMS已在食品等領域得到一定應用［9-11］，而目前在煙草中的應用不多，主要用于卷煙、煙葉鑒別以及賦香卷煙紙分析等［12-15］。本研究采用頂空氣相色譜-離子遷移譜（HS-GC-IMS）定性分析煙用爆珠中的香氣風味成分，并通過感官評價結合多元統計分析，建立一種適合批量快速分析不同批次煙用爆珠風味差異的方法，為HS-GC-IMS在煙用爆珠香氣風味分析、產品風味設計、香氣品質判定控制及評價中的應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

1.1.1 材 料不同批次煙用清新玫瑰爆珠樣品1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#和8#（南通煙濾嘴有限責任公司），其中樣品1#為原樣，2#、4#、6#、7#、8#為不同批次生產的爆珠樣品，3#和5#為仿配香精制成的爆珠樣品（儲存時間間隔6個月），8種爆珠樣品的各項物理指標均符合企業標準要求。每組樣品分別取2個重復，編號為A和B。

1.1.2 儀 器氣相離子遷移譜FlavourSpec?風味分析儀（德國G.A.S. 公司）；CP2245 型電子天平（感量0.000 1 g，德國Sartorius公司）。

1.2 樣品處理

8 種清新玫瑰爆珠樣品分別隨機取10 粒放入20 mL 頂空瓶中，擠爆，60 ℃孵化10 min 后，經頂空進樣，用氣相離子遷移譜FlavourSpec?風味分析儀進行風味分析。

1.3 分析條件

色譜柱：SE54（15 m×0.53 mm×0.5 μm），色譜柱溫度為40 ℃，進樣口溫度為80 ℃；遷移管溫度為45 ℃；漂移氣和載氣為高純氮氣；漂移氣控制模式：恒流模式，流速：150 mL/min；載氣流速：起始流速2 mL/min，2～15 min線性上升至100 mL/min，15～25 min維持150 mL/min。

1.4 感官評價

卷煙樣品制備：分別將8種煙用爆珠樣品制成中支爆珠濾棒，再分別將8種爆珠濾棒接裝成中支卷煙。對接裝卷煙進行感官質量評價［16］，進一步采用香味輪廓法評價不同清新玫瑰爆珠在卷煙中的應用效果［17-18］。由感官評吸成員討論并確定清新玫瑰爆珠樣品在卷煙中的呈香屬性，分別為花香、木香、果香、青香、甜香和酒香。

1.5 數據處理與分析

采用Laboratory Analytical Viewer和GC×IMS Library Search Software分析軟件，得到樣品中揮發性有機物的差異譜圖，再通過自帶的NIST和IMS數據庫進行定性分析。采用IBM SPSS Statistics V29專業版進行單因素方差分析（ANOVA），采用SIMCA 14.1進行主成分分析（PCA）和偏最小二乘判別分析（PLS-DA）。利用Unscrambler 10.4軟件通過偏最小二乘回歸法（PLSR）分析香味物質與感官香韻屬性之間的相關性。

2 結果與討論

2.1 爆珠樣品在卷煙中的感官特征分析

通過對清新玫瑰爆珠樣品制備的卷煙進行感官評吸（如圖1），發現爆珠樣品在卷煙中的風格特征主要以花香、果香、木香為主，并輔以一定的青香、甜香與酒香香韻。比較各香韻屬性間差異發現：8種樣品在花香和果香屬性上具有顯著差異（p＜0.05），其余香韻無顯著差異，其中1#和6#樣品表現出較強的花香味，3#和5#樣品的果香香韻明顯高于其他樣品，2#、4#、7#和8#樣品的酒香香韻高于其他樣品，且具有較為接近的青香韻。綜合比較整體的香味輪廓圖，可以看出同一規格不同批次的樣品（1#、2#、4#、6#、7#、8#）香氣風格較接近，但在一些香味屬性強度上存在明顯差異；仿配樣品3#和5#的香韻屬性較為接近，但與其他樣品在風格上具有一定差異。

圖1 不同爆珠卷煙樣品的香味輪廓評價Fig.1 Aroma profile evaluation of different cigarette samples

爆珠樣品對卷煙感官質量的影響如表1 所示，清新玫瑰爆珠中的花香韻及果香韻對卷煙煙香、整體諧調性具有較為明顯的促進作用。其中，不同批次的爆珠樣品（2#、4#、7#、8#）的香氣特征較為接近；而1#、6#與經仿配處理的爆珠樣品3#、5#在感官質量上更為接近。

表1 不同卷煙樣品的感官評價結果Table 1 Results of sensory evaluation of different cigarette samples

2.2 爆珠香精的GC-IMS譜圖分析

利用GC-IMS分析爆珠樣品揮發性組分的差異，結合以上感官分析結果，選取3個代表性爆珠樣品（1#、2#、3#）的GC-IMS譜圖，如圖2所示。揮發性成分的含量可通過顏色深淺表示，顏色越深代表該成分的含量越高，整個譜圖代表爆珠樣品的全部頂空成分。結果顯示，不同爆珠中的揮發性成分在25 min 內可實現GC 分離，且不同樣品間的含量存在一定差異。圖2 顯示3 個爆珠樣品中揮發性組分存在差異，其中，仿配爆珠樣品3#中揮發性組分的種類和濃度明顯多于樣品1#和2#。

圖2 煙用爆珠樣品的氣相離子遷移譜圖Fig.2 GC-IMS chromatograms of cigarette breakable capsules

利用FlavourSpec?儀器自帶的數據庫及軟件進行定性分析，從3 個不同爆珠樣品中鑒定出揮發性成分單體及部分物質的二聚體共59種，其中34種因缺少標準品或數據庫更新問題無法定性，可明確定性的主要揮發性風味組分有22 種。由表2 所示，爆珠樣品中可識別的揮發性化合物包括：醇類8 種、酯類3種、酮類3種、醛類3種、烯烴類3種、酸類1種、吡嗪類1種，主要揮發性成分為芳樟醇、α-萜品醇、桉葉油醇、苯乙酮、糠基硫醇、2-甲基丁酸乙酯、環己酮、正己醇、正丙醇、正丁醇、正辛醛、乙酸乙酯等。其中，樣品中含量較高的芳樟醇、2-甲基丁酸乙酯、苯乙酮及萜烯類等屬于具有明顯香氣特征的化合物［19-20］。如芳樟醇有紫丁香、玫瑰和鈴蘭的花香氣息，是玫瑰香型天然原料及香精中的關鍵香氣成分；2-甲基丁酸乙酯具有青香、花香、甜的果香，可增強花香型香精的清新及果甜感。

表2 3種樣品的主要揮發性成分Table 2 Main volatile compounds of 3 samples

2.3 爆珠中揮發性成分的指紋圖譜及PCA分析

為研究爆珠中揮發性風味物質的種類和含量差異，選取待分析區域，建立指紋圖譜。如圖3所示，每一行為同一樣品所在區域，每一列為不同樣品間同一區域的對比。由圖3 可知：A 區域中爆珠樣品1#、6#與其他樣品在揮發性成分含量上有明顯差異；B 區域中爆珠樣品2#、4#的揮發性成分數量明顯少于其他5個樣品；C 區域中8個爆珠樣品的共有揮發性成分較為一致，但在含量上有差別；D 區域中爆珠樣品3#、5#的揮發性成分一致，而樣品2#、4#、6#、7#和8#的揮發性成分一致；E 區域中爆珠樣品3#、5#的揮發性成分一致。指紋圖譜顯示：1#和6#樣品中的辛醛、苯乙酮、環己酮、2-甲基丁酸乙酯、桉葉油醇、α-萜品醇等含量較高，α-萜品醇具有紫丁香的清香、花香氣味；苯乙酮具有令人愉悅的山楂、橙花樣氣味；辛醛具有果香、青香氣味。2#、4#、7#、8#樣品中芳樟醇、糠基硫醇、正丁醇、正己醇等成分的含量較高，其中，正丁醇和正己醇具有果香、清香及醇甜氣味。3#、5#樣品含有較多的丁酸乙酯、正戊醇、檸檬烯、α-蒎烯、β-蒎烯、苯甲醛等，其中，丁酸乙酯具有強烈的甜果香氣味；檸檬烯具有強烈的甜橙、檸檬氣味。綜上可知，通過指紋圖譜可直接分析比較不同爆珠樣品間的揮發性成分差異，從而直接區分不同爆珠風味。因此，無需定量和額外建立檢測方法，指紋圖譜便可直接快速區分樣品間的風味差異，也可以快速驗證仿配香精及其爆珠感官質量。

圖3 爆珠樣品的GC-IMS指紋圖譜Fig.3 GC-IMS fingerprinting of cigarette breakable capsules*：dimer

使用無監督的PCA 分析不同爆珠樣品的差異，樣品之間距離近則代表差異小，距離遠則代表差異明顯。如圖4所示，主成分1（PC1）和2（PC2）的累計方差貢獻率為85.7%，表明其可有效反映樣品的總體特征。組間距離表明：1#與6#樣品較為接近，不同批次的2#、4#、7#和8#樣品較為相似，仿配的3#和5#樣品較為相似。同時從圖中可看出，同一規格不同批次樣品（2#、4#、7#、8#）集中在圖左側，而3#和5#樣品主要位于圖右側。爆珠樣品（1#～8#）之間的差異主要集中在PC1（59.4%）。由此可知，通過PCA分析可對不同批次及仿配處理的爆珠樣品進行區分。

圖4 爆珠樣品揮發性主成分的PCA分析Fig.4 PCA analysis of volatile principal components in cigarette breakable capsules

圖 5 不同樣品中揮發性化合物的PLS-DA分析Fig.5 PLS-DA analysis of volatile compounds in different samples

2.4 不同爆珠樣品的PLS-DA及相關性分析

PLS-DA 可實現復雜數據的可視化及判別分析和預測［21］。PLS-DA 因子載荷圖可直觀地反映每一個變量在得分圖上的貢獻，并對不同批次及不同處理的爆珠樣品中重要香氣成分進行分析。如圖5A 所示，正丙醇、辛醛、苯乙酮、環己酮、2-甲基丁酸乙酯等物質是1#和6#樣品的特征香氣成分；芳樟醇、正己醇、糠基硫醇等物質是2#、4#、7#和8#樣品的主要香氣成分；仿配樣品3#和5#含有較高含量的丁酸乙酯、檸檬烯、α-蒎烯、β-蒎烯、苯甲醛等香氣成分。因此，不同爆珠樣品中的重要香氣成分分析結果與上述指紋圖譜分析結果一致。

利用變量投影重要性（VIP）篩選對爆珠樣品有重要影響的關鍵組分［22］。如圖5B 所示，10 種揮發性化合物在判別中具有重要作用（VIP＞1），分別為2-甲基丁酸乙酯、環己酮、芳樟醇、苯乙酮、丁酸乙酯、乙酸乙酯、辛醛、糠基硫醇、正己醇和正丙醇。由于VIP 值越大，差異越顯著，因此以上10種組分對于區分不同爆珠樣品差異尤為關鍵。

進一步以10 個顯著差異（VIP＞1、p＜0.05）化合物為自變量（X），6 種香韻屬性為因變量（Y），運用PLSR 對樣品進行相關性分析［23］。結果如圖6 所示，前兩個主成分累計解釋X變量的方差為83%，且大部分組分位于r2=0.5 及r2=1.0 之間，表明模型可以很好地解釋這些變量，在相關載荷圖中相互接近的變量具有高度的相關性。其中，2-甲基丁酸乙酯和丁酸乙酯與果香、木香呈正相關，與酒香呈負相關；苯乙酮、環己酮、辛醛和正丙醇與花香和青香呈正相關，與木香呈負相關；芳樟醇與酒香和花香呈正相關。一般來說，爆珠香精樣品的感官特征是指紋圖譜中揮發性成分種類和含量的集中感官呈現，不同樣品間的差異與其關鍵組分種類及含量相關。據此，可推斷出2-甲基丁酸乙酯、丁酸乙酯、苯乙酮、環己酮、辛醛、正丙醇和芳樟醇是對清新玫瑰爆珠風味有較大貢獻的香味成分。

圖6 樣品中10種關鍵組分與6種香味屬性的偏最小二乘回歸分析圖Fig.6 Partial least squares regression analysis of 10 key compounds and 6 fragrance properties in the samples

3 結 論

本研究采用HS-GC-IMS 技術，實現了對不同清新玫瑰煙用爆珠中揮發性風味成分的準確快速分析。在無需樣品前處理的前提下，通過GC-IMS 指紋圖譜非靶向分析，并結合PCA、PLS-DA 及PLSR多元統計手段可直觀識別樣品間的風味差異，為煙用爆珠風味的評價提供判定依據。GC-IMS 法樣品處理及分析的溫度低，一些熱穩定性較差的揮發性物質能更真實地被檢出，從而可以更加深入地了解爆珠產品的風味組成。因此，將GC-IMS 應用于煙用爆珠卷煙加香材料中揮發性成分分析，有助于煙用爆珠等卷煙材料的香氣風味成分分析、香精仿制、香氣品質控制及評價。