利用香味成分指紋圖譜監(jiān)控卷煙質量穩(wěn)定性的研究

張麗，陶冶，徐麗霞，關體青，周碧波，張相輝

(黑龍江煙草工業(yè)有限責任公司，黑龍江 哈爾濱，150001)

利用香味成分指紋圖譜監(jiān)控卷煙質量穩(wěn)定性的研究

張麗，陶冶，徐麗霞，關體青，周碧波，張相輝

(黑龍江煙草工業(yè)有限責任公司，黑龍江 哈爾濱，150001)

借鑒指紋圖譜的研究方法，對卷煙成品煙絲揮發(fā)性香味成分進行了系統(tǒng)的GC-MS指紋圖譜研究，建立了相應的GC-MS香味成分指紋圖譜質量控制方法，采用相關系數(shù)法、夾角余弦法、歐氏距離法和改進的nei系數(shù)法分別評價了各種指紋圖譜的相似度，從而確定卷煙成品煙絲香味成分指紋圖譜相似度的合理范圍，以作為評價卷煙成品及半成品煙絲質量穩(wěn)定性的依據(jù)，并將構建的成品煙絲指紋圖譜成功地應用于質量穩(wěn)定性卷煙的鑒別。

卷煙；香味成分；指紋圖譜；相似度

煙草的質量受到多種因素的影響，比如品種、土壤、海拔、光照、濕度、生產年份、生產工藝等諸多條件，這必然給卷煙質量穩(wěn)定性控制帶來一定的難題。對于消費者來說，卷煙抽吸最主要，也是最直接的生理感官滿足感就是來自于煙草特有的香味。煙草香味是評價煙葉品質的最重要的因素，是衡量煙草質量的一個重要指標[1]。構成煙葉香味的成分眾多，各種致香成分互相影響。這些致香成分相互作用構成了煙草的獨特香味，也是決定卷煙內在品質和風格特征的重要指標[2]。因此，卷煙生產中的關鍵因素的質量波動必然會影響到卷煙中香味成分的變化，進而影響卷煙質量的控制，而卷煙質量控制又是一項非常復雜的系統(tǒng)工程。目前主要依靠一些常規(guī)指標和帶有主觀性的評吸結果來評價卷煙產品質量波動，這是不科學的，而指紋圖譜分析是一種具有整體性和模糊性的質量控制手段，首先在中藥材這種復雜物質體系上的研究最成熟，也已經在環(huán)境保護、石油勘探、食品評價等許多領域中得到廣泛應用[3-7]。本研究借鑒指紋圖譜的研究方法，針對某卷煙廠生產的某品牌卷煙成品煙絲及半成品煙絲揮發(fā)性香味成分進行了系統(tǒng)的GC-MS指紋圖譜研究，建立了相應的GC-MS香味成分指紋圖譜質量控制方法，并將構建的成品煙絲指紋圖譜成功地應用于質量穩(wěn)定性卷煙的鑒別。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試驗試劑 二氯甲烷(純度>99%，Dikma)；二氯甲烷(AR)；氯化鈉(AR)。

1.1.2 試驗儀器 FW135型中草藥粉碎機；EL-204型電子天平； HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋；KPGD5/20型低溫冷卻液循環(huán)泵；KDM-1000型可調式電熱套；Agilent 7890 GC/5975 MS氣質聯(lián)用儀(美國Agilent公司)；DHG-9145A型電熱鼓風干燥箱；同時蒸餾萃取裝置。

1.1.3 試驗材料 以某種卷煙為研究對象，取16個(1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#，8#，9#，10#，11#，12#，13#，14#，15#，16#))不同批次的合格樣品(經感官評吸及常規(guī)檢驗質量合格)作為構建標準指紋圖譜的基準樣。

1.2 試驗方法

該項目利用現(xiàn)代提取技術同時蒸餾萃取法(SDE)對不同批次相同牌號卷煙以及不同牌號卷煙中的揮發(fā)性、半揮發(fā)性中性香味成分進行提取，并利用現(xiàn)代分析檢測手段GC-MS來構建全面、準確的樣品前處理方法和分析方法；并利用卷煙香味成分的總離子色譜圖中的相對保留時間和相對峰面積來建立相同牌號卷煙成品煙絲香味成分的指紋圖譜，通過在全行業(yè)使用比較普遍的4種相似度評價方法(相關系數(shù)法、夾角余弦法、歐氏距離法和改進的nei系數(shù)法)[8-9]來監(jiān)控煙樣的質量穩(wěn)定性，以此作為卷煙成品煙絲系統(tǒng)質量控制方法，達到監(jiān)控卷煙質量穩(wěn)定性的目的。

1.2.1 煙絲香味成分GC-MS指紋圖譜的構建

1.2.1.1 樣品處理 煙葉樣品自然風干后，利用粉碎機粉碎成粉末，儲于棕色廣口瓶中并置于4℃的冰箱中備用。

稱取30 g(精確至0.1 mg)煙末樣品放入同時蒸餾萃取裝置一端的1 000 mL圓底燒瓶中，加入30 g氯化鈉和350 mL蒸餾水，用可控溫電熱套加熱，裝置的另一端為盛有60 mL CH2Cl2的濃縮瓶，60 ℃水浴加熱，同時蒸餾萃取3.0 h，結束后，加入1 mL內標乙酸苯乙酯溶液(0.821 8 g·L-1)，將其濃縮至1.0 mL，轉移至色譜瓶中，進行GC-MS分析。

1.2.1.2 色質譜條件 色譜柱為HP-5MS(60 m×0.25 mm i.d.× 0.25 μm d.f.)；進樣口溫度為280 ℃；進樣量為1 μL；分流比為10∶1；載氣為He，1.0 mL·min-1；升溫程序為50 ℃保持2 min，以4 ℃·min-1的速率升溫至280 ℃保持20 min。

質譜條件：傳輸線溫度為280 ℃；EI 源電子能量為70 eV；電子倍增器電壓為1 635 V；質量掃描范圍為30～550 amu；離子源溫度為230 ℃；四極桿溫度為150 ℃。

1.2.1.3 內標物的確定 本研究依據(jù)上述優(yōu)化后的試驗方法測定內標物-乙酸苯乙酯，其保留時間為26.337 min，如圖1。因此，其可以作為煙絲香味成分的內標參照峰。

為了使香味成分指紋圖譜更加精準，便于操作，該研究采用相對保留時間和相對峰面積作為量化數(shù)據(jù)，可以降低由預處理方法重現(xiàn)性和儀器精密度問題帶來的誤差影響。由GC-MS分析鑒定出特征指紋峰后，根據(jù)其保留時間和峰面積質譜圖匹配后，以乙酸苯乙酯內標峰為參照峰求出樣品中所有特征色譜峰的相對保留時間(α值)和相對峰面積(Sr值)，計算公式分別為:α=ti/tA。(ti為待測峰的絕對保留時間，tA為內標峰的絕對保留時間);相對峰面積Sr=Si/SA. (其中Si為待測峰的絕對峰面積，SA內標峰的絕對峰面積)。

1.2.2 煙絲香味成分GC-MS指紋圖譜在監(jiān)控卷煙質量穩(wěn)定性上的應用 取5批次(M1,M2,M3,M4,M5)不同于試驗中所用的16批次卷煙合格樣品建立煙絲香味成分GC-MS指紋圖譜，與選取國內6種(A,B,C,D,E,F)不同牌號卷煙作為非質量穩(wěn)定性卷煙進行比對，確定指紋圖譜在監(jiān)控卷煙質量穩(wěn)定性上的應用。

圖1 成品煙香味成分總粒離子流圖Fig.1 TIC of aroma components in finished tobacco product

2 結果與分析

2.1 煙絲香味成分GC-MS指紋圖譜的構建

2.1.1 成品煙煙絲香味成分定性分析結果及指紋峰和指紋圖譜的構建 按照1.2.1試驗方法色譜條件對成品煙煙絲香味成分進行提取和檢測，分析了成品煙絲中所含的揮發(fā)性香味物質成分。通過NIST11質譜庫的檢索對香味成分色譜峰定性，在分析結果中，共鑒定出57個化合物(內標除外)，對16個不同批次成品煙絲樣品的香味成分總離子流圖(圖2)進行共有色譜峰識別，其中55個色譜峰為所有樣品共有(共有率為96.5%)，另有1個色譜峰為13個批次樣品共有，1個色譜峰為15個批次樣品共有，且其峰面積和占總峰面積的93%以上。通過NIST11質譜庫的檢索，多批次圖譜峰形，峰的大小，個數(shù)的比較，并結合其各個特征峰的CAS編號，匹配度以及化學結構式，最終確定上面57個特征色譜峰可作為鑒別卷煙成品煙絲香味成分的特征指紋色譜峰。根據(jù)16個不同批次成品煙絲樣品中鑒定出的57種香味成分其相對保留時間所對應的相對峰面積的均值來構建卷煙揮發(fā)性香味成分的標準指紋圖譜，結果見表1。

圖2 不同批次成品煙絲香味成分總離子流重疊圖Fig.2 The overlap TIC chart of aroma components in different groups of finished tobacco cut

2.1.2 成品煙各個批次樣品間指紋圖譜的相似度評價 本研究采用的相似度評價方法有4種：相關系數(shù)法、夾角余弦法、歐氏距離法和改進的Nei系數(shù)法[8-9]。分別采用這4種相似度計算方法將將本試驗16個批次成品卷煙煙絲樣品中的各個香味成分的相對峰面積與標準均值圖譜的相對峰面積進行相似度計算，其結果見表2。由表2相似度計算結果可知， 16批次合格樣品與標準指紋圖譜間的相關系數(shù)、夾角余弦、歐氏距離和改進的nei系數(shù)相似度范圍分別為99.895 8%～99.984 4%，99.845 9%～99.985 9%，0.022 9～0.048 1，0.904 1～0.953 5，其中各個相似度最小值(以歐氏距離作為相似度的判斷方法與此相反)即為相似度閾值的參考值。因此，評價待鑒定卷煙樣品的質量可通過該樣品的指紋圖譜相似度的平均值與閾值比較確定，相似度值大于閾值的樣品為合格品，反之為不合格品(以歐氏距離作為相似度的判斷方法正好與此相反)。

表2 成品煙相似度計算結果Table 2 The results of similarity finished tobacco products

2.1.3 成品煙絲揮發(fā)性香味成分分析方法的驗證試驗 為檢驗該方法結果的可靠性，以成品煙為研究對象，考察試驗的穩(wěn)定性、精密度和重復性。取某一批次成品卷煙煙末，按照上面優(yōu)化后的前處理方法條件和穩(wěn)定的色譜/質譜條件，進行6次平行試驗。

同時蒸餾萃取方法提取的煙絲香味成分并利用GC-MS分析鑒定，方法重現(xiàn)性較好，樣品穩(wěn)定性較好，儀器精密度較高，完全符合構建指紋圖譜的要求，而且所建立的指紋圖譜具有很強的特征性(圖3)。

2.2 指紋圖譜在監(jiān)控卷煙質量穩(wěn)定性上的應用研究

取同種牌號生產的5種不同批次的卷煙 (M1，M2，M3，M4，M5)，另取6種不同牌號的卷煙當作該卷煙中的質量不穩(wěn)定樣品(A，B，C，D，E，F(xiàn))，其中A，B為同一廠家生產，C為與煙樣同類而不同牌號卷煙。按照第1.2試驗方法提取和分析這11個卷煙樣品煙絲中的揮發(fā)性香味成分，得到其各自的GC-MS譜圖，以2.1.2所建立的卷煙香味成分標準指紋圖譜為對照，分別計算11個卷煙樣品與標準指紋圖譜的4種相似度，結果如表3。

圖3 平行6次試驗檢測的總離子流色譜圖Fig.3 TICs of six parallel tests

由表3可知，A，B，C，D，E和F牌號卷煙的4種相似度計算值中相關系數(shù)法、夾角余弦法和改進的nei系數(shù)法的計算值分別都小于參考閾值99.895 8%，99.845 9%，0.904 1。歐氏距離計算值遠遠大于0.048 1，因此，可認為樣品質量不穩(wěn)定，其中C牌號卷煙的相似度值相對最接近參考閾值；對于M1，M2，M3，M4和M5來說，其4種相似度計算值都在參考合格范圍之內，因此，可認為樣品質量穩(wěn)定，為合格產品。由此結果很好地驗證了建立香味成分指紋圖譜監(jiān)控牌號卷煙質量的穩(wěn)定性，采用4種相似度算法能全面、準確、綜合地評價煙絲樣品質量，可應用于煙絲產品質量控制。

表3 不同牌號卷煙指紋圖譜驗證結果Table 3 Results of validation fingerprints in different brand cigarettes

3 結論

1)本研究利用現(xiàn)代化學分析檢測手段對卷煙成品煙絲樣品中的揮發(fā)性香味成分進行提取、分析和鑒定，構建了全面、準確的樣品前處理方法和分析方法，并考察了該方法的穩(wěn)定性，重復性以及精密度；通過在全行業(yè)使用比較普遍的4種相似度評價方法測試煙樣的質量穩(wěn)定性，以此作為卷煙成品煙絲的系統(tǒng)質量控制方法，達到監(jiān)控固定牌號卷煙質量穩(wěn)定性的目的，同時也能用于真假煙的鑒別，指導煙葉配方開發(fā)、維護和加工質量的穩(wěn)定性。

2)驗證了運用香味成分指紋圖譜監(jiān)控卷煙質量穩(wěn)定性方法的可行、準確、可靠，采用4種相似度算法能全面、準確、綜合地評價和監(jiān)控煙絲樣品質量。

3)本研究以煙草為研究對象構建指紋圖譜，為煙草行業(yè)中卷煙產品及半成品的質量控制提供一種客觀、簡便的方法，對以后指紋圖譜在煙草行業(yè)中的運用與發(fā)展提供理論基礎，并對卷煙品質控制具有一定的實用價值和重要的理論意義，也可以輻射至其他行業(yè)產品。

[1] 鐘科軍, ZHU L M, 李榮,等. 氣味指紋分析技術在煙草工業(yè)中的應用研究[C]. ?？冢褐袊鵁煵輰W會工業(yè)專業(yè)委員會2005煙草化學學術研討會, 2005.

[2] 毛多斌, 馬宇平, 梅業(yè)安. 卷煙配方和香精香料[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2001.

[3] 曲國福, 孟昭宇, 陸舍銘, 等. 香料香精指紋圖譜及其在煙用香精質量控制中的應用概述[J]. 煙草科技, 2006，39(5): 47-50.

[4] 孫細珍. “指紋圖譜”技術在白酒產品質量評價中的應用[J]. 釀酒科技, 2005(10): 33-36.

[5] 吳繼紅, 汪政富, 趙鐳, 等. 指紋圖譜技術在果汁質量控制中的應用[J]. 飲料工業(yè), 2005, 8(4): 6-9.

[6] 袁敏, 曾志, 宋力飛, 等. 氣相色譜指紋圖譜用于連翹的質量控制[J]. 分析化學, 2003, 31(4): 455-458.

[7] 曾志, 楊東暉,陶敬奇, 等. 高效液相色譜指紋圖譜在中藥蘆根上的應用[J]. 分析化學, 2004, 32(8): 1035-1038.

[8] FANG K T，LIANG Y Z，YU R O. Data mining and bioinformatics in chemistry and Chinese medicines[R].Beijing: Beijing University of Chinese Medicine，2004:59-73.

[9] WELSH W J，LIN W K，TERSIGNI S H,et al. Pharmaceutical fingerprinting:evaluation of neural networks and chemometric techniques for distinguishing among same product manufacturers[J]. Anal Chem，1996, 68 (19): 3473-3482.

Studyonthequalitystabilityofcigarettesbyfingerprintsofaromacomponents

ZHANG Li，TAO Ye， XU Lixia，GUAN Tiqing，ZHOU Bibo， ZHANG Xianghui

(Heilongjiang Tobacco Industry Co., Ltd., Harbin 150001, China;)

The fingerprints of volatile aroma components in tobacco products were systematic studied by GC-MS,in this paper,which was adopted for fingerprint.The corresponding quality control method of GC-MS for fingerprint chromatography was established.The similarity of fingerprints was evaluated by correlation coefficient method, angle cosine method, euclidean distance method, and modified nei coefficient method,respectively to determine the reasonable range in fingerprint similarity of the flavor component in tobacco products.The reasonable range of flavor component could be used for quality evaluation of cigarettes and semi-finished tobacco products.The fingerprint of finished tobacco product could be applied to assess the quality stability of cigarettes.

cigarette; aroma components; fingerprint; similarity

2017-04-03

黑龍江煙草工業(yè)有限責任公司項目(HY/KY2015-12)

張麗(1975-)，女，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，碩士，主要從事卷煙產品研發(fā)設計。

1000-2340(2017)06-0767-08

S 572

A

常思敏)