應用頂空氣相－離子遷移譜與相對氣味活度值法分析卷煙特征香氣物質

李登科，田 楠，田志章，吳若昕，馬立超，邢立霞，張春濤

（上海煙草集團有限責任公司技術中心 天津工作站，天津300163）

卷煙風格特征是煙草制品的重要指標，是人的生理感官對煙草香氣和吃味的綜合感受。作為參與卷煙燃燒的最重要的物質，卷煙煙絲的化學組成及其含量很大程度上決定了卷煙品質的好壞［1］。關于卷煙風格特征的剖析常用對比分析［2］、多元聚類方法［3］和主成分分析法［4］以及判別分析［5］等方法。卷煙揮發(fā)性有機物主要來源于煙草成分、外加香料及加工過程中的反應產物。近年來，基于揮發(fā)性有機物的卷煙風味評價方法研究已有較多報道［6－9］，主要分析技術有動態(tài)頂空分析［10－11］、吹掃捕集/氣相色譜－質譜聯用法［12］、熱脫附/氣相色譜－質譜聯用法［13］、固相微萃取/氣相色譜－質譜聯用［14］、氣相色譜－串聯質譜法［15］等，但這些技術存在前處理過程復雜、耗時較長、分離度低等諸多問題。因此，建立一種準確、簡便、經濟高效的卷煙揮發(fā)性有機物的分析方法，對于剖析卷煙風格、提升產品品質具有重要意義。

頂空氣相－離子遷移譜（HS－GC－IMS）技術是基于氣相色譜中不同離子在電場中遷移速率的差異對離子進行標識的一項分析技術，響應信號經氣相色譜預分離后，可得到顯著改善并能對物質精準定性。該技術具有分辨率和靈敏度高、分析高效、操作簡便、可視化程度高等諸多優(yōu)勢［16－18］，適用于揮發(fā)性及半揮發(fā)性物質的痕量分析檢測，已應用于藥品、食品及化妝品等領域［19－23］。相對氣味活度值法（ROAV）是一種評價不同感覺閾值化合物對整體香氣貢獻程度的新方法，已被用于食品中關鍵風味化合物的鑒別［24－26］，但在卷煙風格分析、品質檢測方面鮮有報道。

本研究選取5款不同風格的市售卷煙產品，采用HS－GC－IMS技術對卷煙中的揮發(fā)性成分進行分析，并通過ROAV法確定了不同香氣化合物的貢獻值，反映出不同卷煙產品的風格特征，為卷煙產品風格設計和維護提供了理論依據。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

材料：5款市售卷煙產品，依次編號為A、B、C、D、E。

設備：FlavourSpec?頂空氣相-離子遷移譜，配有CTC自動頂空進樣器、Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析軟件及GC×IMS Library Search Software定性軟件，德國G.A.S公司產品。

1.2 樣品前處理

分別取出5款市售卷煙產品煙絲，低溫研磨成固體粉末并過40目篩；隨后每個樣品各取0.5 g置于20 mL頂空進樣瓶中，待上機檢測。各樣品同時做3次平行試驗。

1.3 樣品分析及數據處理

儀器頂空自動進樣單元、氣相色譜單元及離子遷移譜單元的參數條件如表1所示。

表1 頂空氣相－離子遷移譜參數條件Table 1 Parameters of HS－GC－IMS

采用Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析軟件查看離子遷移譜圖；應用NIST數據庫和IMS數據庫對物質進行定性分析；采用Gallery Plot插件得出樣品指紋圖譜并分析不同樣品間的揮發(fā)性有機物差異；采用Dynamic PCA插件進行主成分分析。

2 結果與討論

2.1 不同卷煙產品揮發(fā)性物質的頂空氣相－離子遷移譜圖

卷煙樣品經HS－GC－IMS分析生成三維信息譜圖，進行降維處理后可得到樣品的HS－GC－IMS二維譜圖（俯視圖），如圖1所示。圖中縱坐標為氣相色譜的保留時間，橫坐標為離子遷移時間，圖譜的整個背景為藍色，橫坐標1.0處紅色豎線為反應離子峰（RIP峰），RIP峰兩側的每一個點代表一種揮發(fā)性有機物。顏色代表物質的濃度，白色表示濃度較低，紅色表示濃度較高，顏色越深表示濃度越大。可以看出，卷煙產品中揮發(fā)性成分在30 min內可實現GC分離，在IMS單元也有較好的分離度。不同風格卷煙產品中的揮發(fā)性物質較為復雜，檢出的化合物種類大致相同，但不同化合物含量之間存在一定差異，而其含量的差異性對卷煙風味具有決定性影響。

圖1 5個卷煙產品的頂空氣相－離子遷移譜圖（俯視圖）Fig.1 HS－GC－IMS topographic plots of five cigarette samples（top view）

2.2 不同卷煙產品揮發(fā)性物質含量分析

利用HS－GC－IMS內置的NIST氣相保留指數數據庫與G.A.S的IMS遷移時間數據庫進行二維定性和初步定量，發(fā)現B卷煙產品揮發(fā)性物質的總體釋放量最多，而E卷煙產品最少。針對定性出的44種化合物計算相對含量，結果如表2所示。結果表明，檢出的揮發(fā)性物質主要由酯類、醛類、醇類、酮類構成，是形成卷煙特征香氣的重要組成，另有少量酸類、噻吩類和吡嗪類物質。其中，酯類化合物含量最高，醛類和酮類化合物含量次之，醇類占比較小。這些化合物有的來自煙草中萜烯類物質的降解，有的是美拉德反應的產物，有的來自葉綠素和木質素的降解，也有的來自香精香料的添加等。不同化合物呈現出不同香韻特征［27］。

表2 5款卷煙產品中揮發(fā)性物質測定結果Table 2 Qualitative results of volatile organic compounds in 5 cigarette samples

(續(xù)表2)

5款卷煙產品中的化合物含量分布存在一定的相似性，6-甲基-5-庚烷-2-酮、肉桂酸甲酯、糠醛、乙醇、丁醛、丙酮等含量普遍較高。但每款卷煙產品又有其獨特的含量較高的成分，如在B款卷煙產品中，煙酸甲酯含量高于其他卷煙產品，C款卷煙中乙酸乙酯和壬醛的含量高于其他卷煙產品，而D樣品中大馬士革酮含量較其他幾款卷煙高。

2.3 相對氣味活度值（ROAV）計算

由于化合物化學組成、分子結構、動物鼻腔嗅覺受體細胞對化合物特異性結合程度等因素的差異，人們對于不同化合物的嗅覺敏感性差異很大，通常把人能感受到某種物質的最低濃度稱為感覺閾值。濃度一定時，感覺閾值越低的化合物越容易被感知；感覺閾值一定時，濃度越高的化合物越容易被感知。同一化合物在不同介質中的感覺閾值會有所區(qū)別［28］。氣味活度值（OAV）是指嗅感物質的絕對濃度（C）與其感覺閾值（T）之比，可以對化合物的風味貢獻進行相對客觀的評價：

但是由于樣品揮發(fā)性物質較多，絕對定量比較復雜，對樣品中關鍵物質的考察可以依據這些化合物的相對百分含量（C%）進行分析。對于同一實驗所檢出的不同組分，C、C%近似相等，即：

一般當OAV＞1時，該組分對總體風味有直接影響。但鑒于揮發(fā)性物質較多，為便于考察不同化合物之間對風味的貢獻度差異，本研究建立相對氣味活度值（ROAV）的概念對風味進行綜合評價。選取對樣品總體風味貢獻最大的組分（即OAV值最大的化合物）定義為stan，其相對氣味活度值（ROAVstan）為100，其他組分的相對氣味活度值則為：

式中，ROAVA為A組分的相對氣味活度值；OAVA為A組分的氣味活度值，由其濃度（CA）和感覺閾值（TA）根據式（1）計算而得；OAVstan為化合物stan的氣味活度值，由其濃度（Cstan）和感覺閾值（Tstan）根據式（1）計算而得；由公式（1）、（2）和（3）可得：

式中，（C%）A為A組分的相對百分含量；（C%）stan為stan組分的相對百分含量；Tstan為stan組分的感覺閾值；TA為A組分的感覺閾值。

因此，所有組分ROAV≤100，且ROAV越大的組分對樣品總體風味的貢獻越大。

當揮發(fā)性物質ROAV≥1時，認為其對卷煙香氣風格有直接影響，是卷煙主要及關鍵揮發(fā)性物質；當揮發(fā)性物質0.1≤ROAV＜1時，認為其對于卷煙香氣風格具有重要的修飾作用，可輔助和增強部分風味物質的呈味特性［24］，當ROAV＜0.1時，認為其對卷煙香氣風格貢獻很小。盡管香氣化合物之間還存在協同或抑制效應，但利用氣味活度值評估香氣化合物對卷煙香氣的貢獻仍然不失為一種有效的方法［29］。

對5個卷煙產品中查詢到感覺閾值（T）［28］的各化合物進行ROAV計算，結果如表3所示。結果表明，經ROAV計算，卷煙產品中不同化合物對卷煙香氣風格的貢獻更加客觀。對ROAV的分布進行匯總，可反映出對卷煙風格有決定性影響和修飾作用的化合物數量，結果如表4所示?？梢钥闯觯珽卷煙產品中的關鍵特征香氣物質種類最多，不同化合物之間的含量和ROAV的差異會對其最終風格有交互影響；D卷煙產品中的關鍵特征香氣物質種類最少，風格特征更加突出。

表3 5款卷煙產品中揮發(fā)性物質的ROAV值Table 3 ROAV of volatile organic compounds in 5 cigarette samples

表4 5種卷煙產品中化合物的ROAV分布Table 4 ROAV distribution in 5 cigarette samples

2.4 卷煙特征香氣剖析

2.4.1 ROAV＞1物質對特征香氣的貢獻綜合考察各卷煙產品的化合物及其ROAV值，結果表明，在A、B、C、D 4款卷煙中，糠硫醇的ROAV值最高，為風味貢獻最突出的化合物?？妨虼荚跓煵葜芯哂袧庥舻慕固鹣?，透發(fā)性強，留香持久，塑造了上述4款卷煙香氣強烈的焦甜香的風格特征。而對于E卷煙產品，ROAV值最高的為1-辛烯-3-酮，塑造了該卷煙產品特有的壤香/蘑菇香的風格特征。

對于A、B、C 3款卷煙產品，1-辛烯-3-酮、呋喃醇、3-甲基丁醛的ROAV值均＞1，為卷煙風格增添了較為顯著的壤香、可可香和堅果香，尤其是呋喃醇具有明顯的協調煙香、掩蓋雜氣、改善吃味的作用，常在卷煙調香中應用，以提升卷煙透發(fā)性。C卷煙中乙酸異戊酯也貢獻了較高的香蕉、蘋果樣的水果香氣。D卷煙中ROAV＞1的物質僅糠硫醇一種，表明該卷煙產品屬于典型的焦甜香特征，在配方設計上予以了著重強化。E卷煙產品中ROAV＞1的物質種類較多，使卷煙香氣風格更加豐富，其中3-甲基丁醛、乙酸異戊酯、2-甲基丁醛的ROAV值較高，為卷煙提供了充沛的堅果香及水果香；壬醛、苯乙醛、乙酸正己酯、丁醛等物質ROAV值次之，為卷煙風格貢獻了一定的玫瑰香氣及柑橘等清甜的果香氣息。

2.4.2 0.1＜ROAV＜1物質對特征香氣的貢獻0.1＜ROAV＜1的物質在卷煙香氣風格中主要起一定的修飾作用，烘托主要香氣特征。A、B、C 3款卷煙產品中0.1＜ROAV＜1的物質比較相似，主要包括乙酸異戊酯、壬醛、苯乙醛、乙酸乙酯等醛類和酯類，這些物質能夠為卷煙風格提供一定的花香及水果香等青香氣息，使卷煙風格更加豐富協調。D卷煙產品中介于此間的物質包括1-辛烯-3-酮、呋喃醇、乙酸異戊酯，可為卷煙修飾一定的壤香、可可香以及少許水果香氣。E卷煙產品的2-辛醇則為卷煙提供了一定的脂蠟香氣息，清新而獨特。

2.4.3 其他物質對特征香氣的貢獻值得關注的是，某些化合物雖然未查閱到相關感覺閾值數據，但根據文獻報道，其對卷煙香氣風格特征仍具有重要影響。如煙酸甲酯在B卷煙產品中的含量遠高于其他幾款卷煙產品，其特有的暖濃的藥草香和清淡的煙草香氣，為卷煙帶來與眾不同的香氣風格特征。而大馬士革酮在D卷煙產品中含量很高，其中α-大馬士革酮具有獨特的梅子味，而β-大馬士革酮則具有典型的玫瑰花香，這也為D卷煙品牌帶來特有的香氣風格。肉桂酸甲酯和己酸乙酯在各卷煙中含量也較高，它們具有菠蘿果香或草莓、葡萄香等，能夠賦予卷煙較為濃郁的水果香韻。而糠酸甲酯在A、E卷煙產品中含量較高，具有櫻桃、梅青等香氣，也在卷煙香氣風格中具有一定的貢獻度。

綜合剖析卷煙特征香氣化合物的貢獻，結果表明：A、B、C卷煙產品主要為焦甜香伴有壤香、可可香、堅果香等香氣特征，但C卷煙產品可可香相對較為濃郁，B次之，A相對較低，同時3款卷煙產品中均有花香、水果香等青香型香氣作為修飾；B卷煙產品同時呈現出特有的藥草香。D卷煙產品則呈現出典型的焦甜香，同時烘托出梅子香及花香等風格特征；E卷煙產品則主要呈現壤香/蘑菇香伴有水果香、花香、堅果香等香氣特征。

3 結論

本研究以5款市售卷煙產品為研究對象，基于HS－GC－IMS分析技術，通過指紋圖譜分析及相對氣味活度值法（ROAV）等手段，分析了不同卷煙特征香氣物質的含量和分布特征，同時剖析了對卷煙香氣風格具有重要影響和修飾作用的物質，綜合評價了不同卷煙的風格特征。本研究對卷煙品質控制、質量評價和感官品質控制等具有積極的推動作用。