基于電子鼻技術(shù)的煙絲受蟲(chóng)害前后揮發(fā)性成分差異分析

收稿日期：2023-04-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31401498）；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2022CFB461）；湖北省工業(yè)微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（202209KF04）；湖北工業(yè)大學(xué)細(xì)胞調(diào)控與分子藥物“111”引智基地青年學(xué)者國(guó)際合作項(xiàng)目（XBTK-2022006）

作者簡(jiǎn)介：史姜維（1982-），男，河南開(kāi)封人，工程師，主要從事煙草工藝質(zhì)量檢測(cè)分析工作，（電話(huà)）13476805721（電子信箱）12588585@qq.com；通信作者，張楚安（1973-），男，湖北浠水人，高級(jí)工程師，主要從事煙草工藝設(shè)備和煙蟲(chóng)防治工作，（電話(huà)）18986297306（電子信箱）489408265@qq.com。

史姜維，王瀟灑，劉普明，等. 基于電子鼻技術(shù)的煙絲受蟲(chóng)害前后揮發(fā)性成分差異分析［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，63（7）：165-170．

摘要：針對(duì)煙草（Nicotiana tabacum L.）中煙草甲（Lasioderma serricorne）檢測(cè)技術(shù)不完善，檢測(cè)結(jié)果不可靠等問(wèn)題，以電子鼻檢測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，通過(guò)主成分分析法（PCA）和 Loading分析法對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，4種煙絲的主要揮發(fā)物質(zhì)為硫類(lèi)物質(zhì)、短鏈烷烴、醇醚醛酮、小分子氮氧化合物等，蟲(chóng)樣及性激素的主要揮發(fā)性物質(zhì)是小分子氮氧化合物、硫化物。受蟲(chóng)害后煙絲中硫類(lèi)化合物明顯降低，在對(duì)無(wú)機(jī)硫化物敏感的傳感器（W1W）中濃香蟲(chóng)害煙絲的響應(yīng)值比濃香煙絲下降48.33%，清香蟲(chóng)害煙絲比清香煙絲下降59.48%；在對(duì)有機(jī)硫化物敏感的傳感器（W2W）中濃香蟲(chóng)害煙絲的響應(yīng)值比濃香煙絲下降35.72%，清香蟲(chóng)害煙絲比清香煙絲下降48.55%。PCA結(jié)果顯示，4種煙絲樣品表現(xiàn)出非常好的區(qū)分度，雌蟲(chóng)、雄蟲(chóng)樣品在占比高達(dá)99.70%的主成分1上幾乎沒(méi)有差別。Loading分析結(jié)果顯示，煙絲樣品中氣味主要成分為硫類(lèi)物質(zhì)，煙草甲蟲(chóng)樣氣味主要成分是小分子氮氧化物，其次為硫類(lèi)物質(zhì)。

關(guān)鍵詞：煙草（Nicotiana tabacum L.）；煙絲；蟲(chóng)害；煙草甲（Lasioderma serricorne）；電子鼻；揮發(fā)性成分

中圖分類(lèi)號(hào)：S379.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2024）07-0165-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.07.027 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Analysis of differences in volatile components of cut tobacco before and after pest infestation based on electronic nose technology

SHI Jiang-wei1， WANG Xiao-sa2， LIU Pu-ming2， KUANG Ying2， YANG Yi-chen2， LIU Meng-long2， ZHANG Chu-an1

（1. China Tobacco Hubei Industrial LLC.， Wuhan 430040， China；

2. School of Life and Health Sciences，Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： In response to the problems of incomplete detection technology and unreliable detection results for Lasioderma serricorne in Nicotiana tabacum L.，based on the results of electronic nose detection， the data results were analyzed using principal component analysis （PCA） and loading analysis. The results showed that the main volatile substances of the four cut tobacco were sulfur compounds， short-chain alkanes， alcohol ether aldehydes and ketones， small molecule nitrogen oxides， etc. The main volatile substances of insect like and sex hormones were small molecule nitrogen oxides and sulfides.After being damaged by insects， the sulfur compounds in cut tobacco decreased significantly. In the sensor（W1W） sensitive to inorganic sulfides， the response value of strong aroma insect cut tobacco decreased by 48.33% compared to strong aroma cut tobacco， and light aroma insect cut tobacco decreased by 59.48% compared to light aroma cut tobacco；in the sensor （W2W） sensitive to organic sulfides， the response value of the strong aroma pest cut tobacco decreased by 35.72% compared to the strong aroma cut tobacco， and the light aroma pest cut tobacco decreased by 48.55% compared to the light aroma cut tobacco. The PCA results showed that the four cut tobacco samples exhibited excellent discrimination， with almost no difference in principal component 1， which accounted for 99.70%， between female and male samples. The loading analysis results showed that the main odor component in the cut tobacco sample was sulfur compounds， while the main odor component in the tobacco beetle sample was small molecule nitrogen oxides， followed by sulfur compounds.

Key words： Nicotiana tabacum L.； cut tobacco； pest infestation； Lasioderma serricorne； electronic nose； volatile components

煙草（Nicotiana tabacum L.）是中國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物［1］。在煙草的儲(chǔ)存過(guò)程中，非常容易受到蟲(chóng)害影響［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)每年煙草由于病蟲(chóng)害造成的煙葉損失占總倉(cāng)儲(chǔ)煙葉數(shù)量的1.64%，其中煙草甲造成的損失接近總損失的98%［3］。煙草甲（Lasioderma serricorne）屬竊蠹科，又名煙草標(biāo)本蟲(chóng)［4-6］，煙草甲可以直接取食煙葉使其質(zhì)量減少，其排泄物還會(huì)污染煙葉從而導(dǎo)致香煙的品質(zhì)下降［7，8］。每年煙廠會(huì)投入大量資金進(jìn)行煙草甲的檢測(cè)和防治工作。

現(xiàn)行檢測(cè)手段仍存在較多問(wèn)題，比如，根據(jù)誘捕的蟲(chóng)口數(shù)量對(duì)蟲(chóng)情進(jìn)行預(yù)測(cè)，但這種方法存在較大偏差［9］。因此煙草甲檢測(cè)裝置與預(yù)警技術(shù)的研發(fā)需要新的思路與方法。煙葉中含有多種揮發(fā)性物質(zhì)并且體系非常復(fù)雜，與香氣有關(guān)的成分有700余種［10-16］。煙草在儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)形成自身獨(dú)特的氣味。煙草受到蟲(chóng)害后，煙草的揮發(fā)性成分由于蟲(chóng)體代謝產(chǎn)生的信息素、分泌的排泄物及蟲(chóng)體本身的揮發(fā)性成分的影響會(huì)發(fā)生改變，并且這些揮發(fā)性成分可能會(huì)發(fā)生相互作用，使得其揮發(fā)性風(fēng)味化學(xué)物質(zhì)與正常煙草具有較大差異。因此，煙草的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)可以作為煙草質(zhì)量判斷的重要指標(biāo)［17-19］。

現(xiàn)階段對(duì)揮發(fā)性成分的檢測(cè)主要有w8QuuQaZGtc2Q+u/pPoLqw==人工感官評(píng)價(jià)、頂空分析、頂空固相微萃取、電子鼻（Electronic nose，EN）等。人工感官評(píng)價(jià)受限于感官閾值及對(duì)結(jié)果判斷的主觀性，一般用于定性分析。頂空分析、頂空固相微萃取設(shè)備體積較大且檢測(cè)成本較高，無(wú)法滿(mǎn)足便攜式快速檢測(cè)的需求。電子鼻是一種模擬嗅覺(jué)系統(tǒng)的仿生學(xué)檢驗(yàn)儀器，可以看作是人鼻的延伸，主要用來(lái)檢測(cè)和分析待檢測(cè)樣品中揮發(fā)性成分的信息。電子鼻的優(yōu)點(diǎn)在于能夠客觀反映出接收到的信息。Cheng等［20］利用電子鼻結(jié)合高光譜成像技術(shù)，收集了240個(gè)不同凍融循環(huán)下的豬肉樣品數(shù)據(jù)，使用優(yōu)化決策融合信息的方法有效提高了凍融豬肉水分預(yù)測(cè)性能；Oates等［21］基于MQ系列氣體傳感器電子鼻，使用默認(rèn)的、非優(yōu)化的控制參數(shù)，成功區(qū)分未變質(zhì)的羊肉、鱈魚(yú)、三文魚(yú)、牛肉、豬肉和雞肉樣品；Pan等［22］基于電子鼻結(jié)合氣象離子遷移譜技術(shù)，探究低溫等離子體加工對(duì)大眼金槍魚(yú)生魚(yú)片揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響。

本研究通過(guò)電子鼻檢測(cè)并分析濃香煙絲樣品、濃香蟲(chóng)害煙絲樣品、清香煙絲樣品、清香蟲(chóng)害煙絲樣品、煙草甲樣品、性激素樣品的主要揮發(fā)性成分，探究煙絲受蟲(chóng)害前后揮發(fā)性物質(zhì)的差異及變化情況，進(jìn)而探究可能引起這些變化的機(jī)理，為快速檢測(cè)煙草受煙草甲侵害情況提供新的思路，為完善煙草甲快速檢測(cè)技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

濃香煙絲、清香煙絲均由武漢卷煙廠提供；濃香蟲(chóng)害煙絲、清香蟲(chóng)害煙絲均為受煙草甲侵染后的煙絲；煙草甲、性激素均由武漢卷煙廠提供；PEN3型電子鼻購(gòu)自德國(guó)AIRSENSE公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

1）煙草甲培養(yǎng)：用90%的全麥面粉飼養(yǎng)煙草甲。

2）蟲(chóng)害煙絲制備：分別取20 g 濃香煙絲、清香煙絲置于瓶中，每瓶接種40只煙草甲（雌雄各50%），為確保煙草甲可以在煙絲上完成1個(gè)世代，繁殖3代后取樣。

3）無(wú)蟲(chóng)害煙絲制備：與蟲(chóng)害煙絲條件相同，但不接入煙草甲。

4）4種煙絲樣品制備：4種煙絲樣品各取5 g，粉碎后裝瓶密封，其中蟲(chóng)害煙絲樣品中無(wú)煙草甲的卵、蛹、幼蟲(chóng)及成蟲(chóng)。

5）煙草甲蟲(chóng)體樣品：挑取實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)2～3周的成蟲(chóng)，其中雄蟲(chóng)、雌蟲(chóng)及混合蟲(chóng)樣品各50只。

1.2.2 頂空吸氣法 4種煙絲樣品各取1 g，放入100 mL燒杯中，雙層保鮮膜封口，密封1 h后上機(jī)測(cè)試；將50只煙草甲蟲(chóng)放入100 mL燒杯中，雙層保鮮膜封口，密封1 h后上機(jī)測(cè)試；將性激素樣品置于100 mL燒杯中，雙層保鮮膜封口，密封1 h后上機(jī)測(cè)試。測(cè)定條件參考劉麗麗等［23］的方法略作修改：采樣時(shí)間為1 s/組，傳感器自清洗時(shí)間為150 s，傳感器歸零時(shí)間為5 s，樣品準(zhǔn)備時(shí)間為5 s，進(jìn)樣流量為400 mL/min，分析時(shí)間為80 s。

1.3 數(shù)據(jù)處理

主成分分析（PCA）圖和傳感器區(qū)別貢獻(xiàn)率（Loading）圖由儀器自帶插件繪制，特征圖譜和雷達(dá)圖由Origin 2021軟件繪制。表1為電子鼻傳感器的性能描述。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品特征圖譜

以進(jìn)樣時(shí)間為橫坐標(biāo)、傳感器電阻響應(yīng)值為縱坐標(biāo)作圖，得到各樣品的特征圖譜。響應(yīng)值為樣品揮發(fā)性物質(zhì)經(jīng)過(guò)電子鼻傳感器艙引起的電阻變化（G）與空氣經(jīng)過(guò)傳感器艙引起的電阻變化（G0）的比值，從傳感器的響應(yīng)值可以觀察出各樣品間具有一定的差別。由圖1可知，各樣品可以被電子鼻明顯應(yīng)答，不同樣品間氣味差異較明顯；響應(yīng)比較敏感的傳感器主要有W2W（有機(jī)硫化物）、W1W（無(wú)機(jī)硫化物）、W2S（醇醚醛酮）、W1S（甲烷等短鏈烷烴）、W5S（小分子氮氧化物），其他傳感器在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中無(wú)明顯變化，響應(yīng)值較低；靜置期間煙絲及性激素在富集過(guò)程會(huì)形成較大濃度的頂空峰值，達(dá)到峰值后緩慢下降，后期響應(yīng)值較平穩(wěn)。

2.2 電子鼻測(cè)試72 s響應(yīng)值

在電子鼻采樣過(guò)程中，觀察各時(shí)間點(diǎn)每傳感器的響應(yīng)值，由此確定樣品揮發(fā)出的主要特征氣體。樣品在72 s時(shí)響應(yīng)值處于平穩(wěn)狀態(tài)，因此，提取樣品72 s時(shí)各傳感器的響應(yīng)值，如表2所示。各煙絲樣品在10個(gè)傳感器上的響應(yīng)值差異較明顯。在受蟲(chóng)害后，清香煙絲、濃香煙絲樣品的響應(yīng)值均產(chǎn)生明顯的下降，其中傳感器W1W（無(wú)機(jī)硫化物）下降最明顯，在受到蟲(chóng)害后濃香煙絲無(wú)機(jī)硫化物的響應(yīng)值從11.449下降至5.915，清香煙絲無(wú)機(jī)硫化物的響應(yīng)值從16.572下降至6.715。這是由于硫元素在蛋白結(jié)構(gòu)和酶活性中具有重要作用［24］。此外，W1W（無(wú)機(jī)硫化物）、W2W（有機(jī)硫化物）對(duì)性激素也有較高的響應(yīng)值。因此，可以推斷煙草甲在啃食煙絲時(shí)會(huì)攝入大量的硫元素供自身性激素合成及保持體內(nèi)酶活性，以供自身生命活動(dòng)及繁殖的需求。無(wú)論是否受到蟲(chóng)害，清香煙絲樣品化合物響應(yīng)值整體高于濃香煙絲樣品。

2.3 72 s響應(yīng)值雷達(dá)圖譜

為了更好地觀察和分析煙絲和蟲(chóng)害煙絲之間同種揮發(fā)性成分的差異，根據(jù)10個(gè)傳感器的響應(yīng)值繪制72 s煙絲、蟲(chóng)體及性激素雷達(dá)圖（圖2）。圖2a為煙絲的雷達(dá)圖，其中對(duì)硫化物敏感的傳感器（W1W、W2W）響應(yīng)值范圍為4～18，煙絲和蟲(chóng)害煙絲中硫化物存在明顯的差異；W1W傳感器中濃香蟲(chóng)害煙絲的響應(yīng)值比濃香煙絲下降48.33%，清香蟲(chóng)害煙絲比清香煙絲下降59.48%。W2W傳感器中濃香蟲(chóng)害煙絲的響應(yīng)值比濃香煙絲下降35.72%，清香蟲(chóng)害煙絲比清香煙絲下降48.55%。對(duì)短鏈烷烴（W1S）、醇醚醛酮（W2S）、小分子氮氧化合物（W5S）敏感的傳感器響應(yīng)值范圍為2～6，W3S、W1C、W3C、W6S、W5C傳感器的響應(yīng)值均低于2。結(jié)果表明，4種煙絲的主要揮發(fā)物質(zhì)為硫類(lèi)物質(zhì)、短鏈烷烴、醇醚醛酮、小分子氮氧化合物等。4種煙絲樣品72 s響應(yīng)值雷達(dá)圖具有相似的形狀及變化趨勢(shì)，說(shuō)明所產(chǎn)生的揮發(fā)物類(lèi)型基本相同。

圖2b為蟲(chóng)體及性激素雷達(dá)圖，有明顯應(yīng)答的傳感器為W5S、W1W、W2W，說(shuō)明蟲(chóng)體、性激素樣品的主要揮發(fā)物質(zhì)為小分子氮氧化合物、硫化物等。性激素樣品的響應(yīng)值遠(yuǎn)高于蟲(chóng)樣，混合蟲(chóng)樣品的響應(yīng)值略低于雌蟲(chóng)、雄蟲(chóng)樣品。

2.4 煙絲主成分分析

主成分分析（PCA）是一種多元統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)傳感器多指標(biāo)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和降維，再對(duì)降維后的特征向量進(jìn)行線(xiàn)性分類(lèi)，在PCA時(shí)，可以根據(jù)不同樣品間的距離判別每個(gè)主成分下不同種類(lèi)樣品區(qū)分的狀況，距離越遠(yuǎn)區(qū)分越明顯。同時(shí)可以根據(jù)同一樣品的位置判別相同樣品的重復(fù)性，同一樣品的平行距離越近，說(shuō)明樣品的重現(xiàn)性越好［25］。

圖3為煙絲樣品的PCA結(jié)果，同種煙絲樣品的3次測(cè)量結(jié)果一致，說(shuō)明同種煙絲表現(xiàn)出優(yōu)異的重復(fù)性。主成分1和主成分2的貢獻(xiàn)率之和達(dá)99.99%，基本上涵蓋了樣本的大部分原始信息，其中主成分1占比99.70%，主成分2占比0.29%。在主成分1中，煙絲間的整體區(qū)分度表現(xiàn)得非常明顯，煙絲氣味強(qiáng)弱表現(xiàn)為清香煙絲>濃香煙絲>清香蟲(chóng)害煙絲>濃香蟲(chóng)害煙絲。

樣品區(qū)分度又叫樣品鑒別力，它是指樣品對(duì)不同水平被試反應(yīng)的區(qū)分程度和鑒別能力。表3為煙絲樣品PCA區(qū)分度（數(shù)值越接近于1說(shuō)明樣品的區(qū)分越明顯），不同煙絲間的區(qū)分度均大于0.990，說(shuō)明不同煙絲樣品在被電子鼻測(cè)試后有明顯的區(qū)分度。

2.5 煙絲樣品Loading分析

Loading分析法與PCA是相關(guān)的，它們都基于同一種算法，但不同的是Loading算法主要是對(duì)傳感器進(jìn)行研究，利用該方法可以確認(rèn)各傳感器對(duì)4種煙絲揮發(fā)性物質(zhì)區(qū)分的貢獻(xiàn)率大小，在主成分1或主成分2上絕對(duì)值越大，其對(duì)物質(zhì)區(qū)分的貢獻(xiàn)率越高。因此，可以根據(jù)傳感器的貢獻(xiàn)率以及其對(duì)哪一類(lèi)氣體敏感，考察在樣品區(qū)分過(guò)程中哪一類(lèi)氣體起了主要區(qū)分作用。

從圖4可知，W1W（無(wú)機(jī)硫化物）、W2W（有機(jī)硫化物）傳感器在主成分1上的貢獻(xiàn)率較高，其次是W1S（短鏈烷烴）、W2S（醇醚醛酮）、W5S（小分子氮氧化合物）傳感器；此外，W5S（小分子氮氧化合物）傳感器在主成分2上的貢獻(xiàn)最大，其次為W1S（短鏈烷烴）、W2S（醇醚醛酮）傳感器。Loading分析中可以判斷煙絲樣品中氣味主要成分為硫類(lèi)物質(zhì)。

2.6 蟲(chóng)樣主成分分析

混合蟲(chóng)樣的響應(yīng)值略低于雌蟲(chóng)、雄蟲(chóng)樣品，雌蟲(chóng)、雄蟲(chóng)的響應(yīng)值無(wú)明顯差別。主成分分析（圖5）可知，雌蟲(chóng)、雄蟲(chóng)2種樣品在占比高達(dá)99.70%的主成分1上幾乎沒(méi)有差別。

2.7 蟲(chóng)樣Loading分析

由圖6可知，樣品在主成分1上主要響應(yīng)傳感器為W5S（小分子氮氧化合物）、W1W（無(wú)機(jī)硫化物）、W2W（有機(jī)硫化物），同時(shí)W1S（短鏈烷烴）、W2S（醇醚醛酮）也有一定的響應(yīng)。在主成分2上主要響應(yīng)傳感器為W1S（短鏈烷烴）和W5S（小分子氮氧化合物），其次是W6S（氫氣）。由傳感器貢獻(xiàn)率大小及傳感器的氣味敏感類(lèi)型判斷，煙草甲蟲(chóng)樣氣味主要成分是小分子氮氧化物，其次為硫類(lèi)物質(zhì)。

3 小結(jié)與討論

本研究基于電子鼻對(duì)煙絲受蟲(chóng)害前后、蟲(chóng)體和性激素?fù)]發(fā)性成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明，4種煙絲的主要揮發(fā)物質(zhì)為硫類(lèi)物質(zhì)、短鏈烷烴、醇醚醛酮、小分子氮氧化合物等，蟲(chóng)樣及性激素的主要揮發(fā)性物質(zhì)是小分子氮氧化合物、硫化物。性激素樣品的響應(yīng)值遠(yuǎn)高于蟲(chóng)樣，混合蟲(chóng)樣品的響應(yīng)值略低于雌蟲(chóng)、雄蟲(chóng)樣品。

受蟲(chóng)害后煙絲中硫類(lèi)化合物明顯降低，在對(duì)無(wú)機(jī)硫化物敏感的傳感器（W1W）中濃香蟲(chóng)害煙絲的響應(yīng)值比濃香煙絲下降48.33%，清香蟲(chóng)害煙絲比清香煙絲下降59.48%；在對(duì)有機(jī)硫化物敏感的傳感器（W2W）中濃香蟲(chóng)害煙絲的響應(yīng)值比濃香煙絲下降35.72%，清香蟲(chóng)害煙絲比清香煙絲下降48.55%。結(jié)合電子鼻檢測(cè)到的性激素中揮發(fā)性成分，推斷煙草甲在啃食煙絲時(shí)會(huì)攝入大量的硫元素供自身性激素合成及保持體內(nèi)酶活性，以供自身生命活動(dòng)及繁殖的需求。PCA結(jié)果顯示，4種煙絲樣品表現(xiàn)出非常好的區(qū)分度，雌蟲(chóng)、雄蟲(chóng)樣品在占比高達(dá)99.70%的主成分1上幾乎沒(méi)有差別。Loading分析結(jié)果顯示，煙絲樣品中氣味主要成分為硫類(lèi)物質(zhì)，煙草甲蟲(chóng)樣氣味主要成分是小分子氮氧化物，其次為硫類(lèi)物質(zhì)。

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