基于HS-GC-IMS分析爆珠香精揮發(fā)性風(fēng)味成分差異

金 強，孫學(xué)鋒，唐 偉，胡玉軒，羅 亮，陸 飛，廖惠云

（1.南通煙濾嘴有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226014；2.江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)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(chǎn)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(fēng)格及固香期長等顯著特點，在卷煙工業(yè)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用［1-2］。目前，通過氣相色譜（GC）、氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）、紫外光譜、吹掃捕集-氣相色譜質(zhì)譜-嗅聞儀（GC-MS/O）聯(lián)用法及相關(guān)技術(shù)可對煙用爆珠中的香氣成分進(jìn)行分析［3-6］，但上述方法用于含有復(fù)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(fēng)味的及時評價，無法快速有效地指導(dǎo)樣品的一致性檢測判定。由于不同批次煙用爆珠內(nèi)容物香精存在波動，進(jìn)而會影響爆珠香氣、感官質(zhì)量的穩(wěn)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(jìn)行人工評吸的方法，無法滿足爆珠及時準(zhǔn)確的生產(chǎn)過程品質(zhì)控制及產(chǎn)品交收檢驗要求。因此，亟待建立一種快速、便捷、準(zhǔn)確的煙用爆珠風(fēng)味差異分析方法，用于爆珠香氣質(zhì)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(yōu)勢，滿足高分離度與低檢出限的分析要求［7］，不需要復(fù)雜甚至無需預(yù)處理樣本即可分析液體和固體樣本頂空的揮發(fā)物［8］。對于基質(zhì)復(fù)雜的樣品，由于其無需復(fù)雜的樣品前處理，具有簡便快捷、靈敏度高、鑒別精度高、結(jié)果可視化等優(yōu)點，GC-IMS已在食品等領(lǐng)域得到一定應(yīng)用［9-11］，而目前在煙草中的應(yīng)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(fēng)味成分，并通過感官評價結(jié)合多元統(tǒng)計分析，建立一種適合批量快速分析不同批次煙用爆珠風(fēng)味差異的方法，為HS-GC-IMS在煙用爆珠香氣風(fēng)味分析、產(chǎn)品風(fēng)味設(shè)計、香氣品質(zhì)判定控制及評價中的應(yīng)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(zé)任公司），其中樣品1#為原樣，2#、4#、6#、7#、8#為不同批次生產(chǎn)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(biāo)均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。每組樣品分別取2個重復(fù)，編號為A和B。

1.1.2 儀 器氣相離子遷移譜FlavourSpec?風(fēng)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(jīng)頂空進(jìn)樣，用氣相離子遷移譜FlavourSpec?風(fēng)味分析儀進(jìn)行風(fēng)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(jìn)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(jìn)行感官質(zhì)量評價［16］，進(jìn)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(yīng)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(shù)據(jù)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(fā)性有機物的差異譜圖，再通過自帶的NIST和IMS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定性分析。采用IBM SPSS Statistics V29專業(yè)版進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA），采用SIMCA 14.1進(jìn)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(zhì)與感官香韻屬性之間的相關(guān)性。

2 結(jié)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(jìn)行感官評吸（如圖1），發(fā)現(xiàn)爆珠樣品在卷煙中的風(fēng)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(fā)現(xiàn)：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(xiàn)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(guī)格不同批次的樣品（1#、2#、4#、6#、7#、8#）香氣風(fēng)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(fēng)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(zhì)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(diào)性具有較為明顯的促進(jìn)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(jīng)仿配處理的爆珠樣品3#、5#在感官質(zhì)量上更為接近。

表1 不同卷煙樣品的感官評價結(jié)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(fā)性組分的差異，結(jié)合以上感官分析結(jié)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(fā)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(jié)果顯示，不同爆珠中的揮發(fā)性成分在25 min 內(nèi)可實現(xiàn)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(fā)性組分存在差異，其中，仿配爆珠樣品3#中揮發(fā)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(shù)據(jù)庫及軟件進(jìn)行定性分析，從3 個不同爆珠樣品中鑒定出揮發(fā)性成分單體及部分物質(zhì)的二聚體共59種，其中34種因缺少標(biāo)準(zhǔn)品或數(shù)據(jù)庫更新問題無法定性，可明確定性的主要揮發(fā)性風(fēng)味組分有22 種。由表2 所示，爆珠樣品中可識別的揮發(fā)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(fā)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(huán)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(guān)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(fā)性成分Table 2 Main volatile compounds of 3 samples

2.3 爆珠中揮發(fā)性成分的指紋圖譜及PCA分析

為研究爆珠中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的種類和含量差異，選取待分析區(qū)域，建立指紋圖譜。如圖3所示，每一行為同一樣品所在區(qū)域，每一列為不同樣品間同一區(qū)域的對比。由圖3 可知：A 區(qū)域中爆珠樣品1#、6#與其他樣品在揮發(fā)性成分含量上有明顯差異；B 區(qū)域中爆珠樣品2#、4#的揮發(fā)性成分?jǐn)?shù)量明顯少于其他5個樣品；C 區(qū)域中8個爆珠樣品的共有揮發(fā)性成分較為一致，但在含量上有差別；D 區(qū)域中爆珠樣品3#、5#的揮發(fā)性成分一致，而樣品2#、4#、6#、7#和8#的揮發(fā)性成分一致；E 區(qū)域中爆珠樣品3#、5#的揮發(fā)性成分一致。指紋圖譜顯示：1#和6#樣品中的辛醛、苯乙酮、環(huán)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(fā)性成分差異，從而直接區(qū)分不同爆珠風(fēng)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(qū)分樣品間的風(fēng)味差異，也可以快速驗證仿配香精及其爆珠感官質(zhì)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(jiān)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(yuǎn)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(xiàn)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(guī)格不同批次樣品（2#、4#、7#、8#）集中在圖左側(cè)，而3#和5#樣品主要位于圖右側(cè)。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(jìn)行區(qū)分。

圖4 爆珠樣品揮發(fā)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(fā)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(guān)性分析

PLS-DA 可實現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)的可視化及判別分析和預(yù)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(xiàn)，并對不同批次及不同處理的爆珠樣品中重要香氣成分進(jìn)行分析。如圖5A 所示，正丙醇、辛醛、苯乙酮、環(huán)己酮、2-甲基丁酸乙酯等物質(zhì)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(zhì)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(jié)果與上述指紋圖譜分析結(jié)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(guān)鍵組分［22］。如圖5B 所示，10 種揮發(fā)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(huán)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(qū)分不同爆珠樣品差異尤為關(guān)鍵。

進(jìn)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(jìn)行相關(guān)性分析［23］。結(jié)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(guān)載荷圖中相互接近的變量具有高度的相關(guān)性。其中，2-甲基丁酸乙酯和丁酸乙酯與果香、木香呈正相關(guān)，與酒香呈負(fù)相關(guān)；苯乙酮、環(huán)己酮、辛醛和正丙醇與花香和青香呈正相關(guān)，與木香呈負(fù)相關(guān)；芳樟醇與酒香和花香呈正相關(guān)。一般來說，爆珠香精樣品的感官特征是指紋圖譜中揮發(fā)性成分種類和含量的集中感官呈現(xiàn)，不同樣品間的差異與其關(guān)鍵組分種類及含量相關(guān)。據(jù)此，可推斷出2-甲基丁酸乙酯、丁酸乙酯、苯乙酮、環(huán)己酮、辛醛、正丙醇和芳樟醇是對清新玫瑰爆珠風(fēng)味有較大貢獻(xiàn)的香味成分。

圖6 樣品中10種關(guān)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(jié) 論

本研究采用HS-GC-IMS 技術(shù)，實現(xiàn)了對不同清新玫瑰煙用爆珠中揮發(fā)性風(fēng)味成分的準(zhǔn)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(jié)合PCA、PLS-DA 及PLSR多元統(tǒng)計手段可直觀識別樣品間的風(fēng)味差異，為煙用爆珠風(fēng)味的評價提供判定依據(jù)。GC-IMS 法樣品處理及分析的溫度低，一些熱穩(wěn)定性較差的揮發(fā)性物質(zhì)能更真實地被檢出，從而可以更加深入地了解爆珠產(chǎn)品的風(fēng)味組成。因此，將GC-IMS 應(yīng)用于煙用爆珠卷煙加香材料中揮發(fā)性成分分析，有助于煙用爆珠等卷煙材料的香氣風(fēng)味成分分析、香精仿制、香氣品質(zhì)控制及評價。