利用香味成分指纹图谱监控卷烟质量稳定性的研究

张丽，陶冶，徐丽霞，关体青，周碧波，张相辉

(黑龙江烟草工业有限责任公司，黑龙江 哈尔滨，150001)

利用香味成分指纹图谱监控卷烟质量稳定性的研究

张丽，陶冶，徐丽霞，关体青，周碧波，张相辉

(黑龙江烟草工业有限责任公司，黑龙江 哈尔滨，150001)

借鉴指纹图谱的研究方法，对卷烟成品烟丝挥发性香味成分进行了系统的GC-MS指纹图谱研究，建立了相应的GC-MS香味成分指纹图谱质量控制方法，采用相关系数法、夹角余弦法、欧氏距离法和改进的nei系数法分别评价了各种指纹图谱的相似度，从而确定卷烟成品烟丝香味成分指纹图谱相似度的合理范围，以作为评价卷烟成品及半成品烟丝质量稳定性的依据，并将构建的成品烟丝指纹图谱成功地应用于质量稳定性卷烟的鉴别。

卷烟；香味成分；指纹图谱；相似度

烟草的质量受到多种因素的影响，比如品种、土壤、海拔、光照、湿度、生产年份、生产工艺等诸多条件，这必然给卷烟质量稳定性控制带来一定的难题。对于消费者来说，卷烟抽吸最主要，也是最直接的生理感官满足感就是来自于烟草特有的香味。烟草香味是评价烟叶品质的最重要的因素，是衡量烟草质量的一个重要指标[1]。构成烟叶香味的成分众多，各种致香成分互相影响。这些致香成分相互作用构成了烟草的独特香味，也是决定卷烟内在品质和风格特征的重要指标[2]。因此，卷烟生产中的关键因素的质量波动必然会影响到卷烟中香味成分的变化，进而影响卷烟质量的控制，而卷烟质量控制又是一项非常复杂的系统工程。目前主要依靠一些常规指标和带有主观性的评吸结果来评价卷烟产品质量波动，这是不科学的，而指纹图谱分析是一种具有整体性和模糊性的质量控制手段，首先在中药材这种复杂物质体系上的研究最成熟，也已经在环境保护、石油勘探、食品评价等许多领域中得到广泛应用[3-7]。本研究借鉴指纹图谱的研究方法，针对某卷烟厂生产的某品牌卷烟成品烟丝及半成品烟丝挥发性香味成分进行了系统的GC-MS指纹图谱研究，建立了相应的GC-MS香味成分指纹图谱质量控制方法，并将构建的成品烟丝指纹图谱成功地应用于质量稳定性卷烟的鉴别。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

1.1.1 试验试剂 二氯甲烷(纯度>99%，Dikma)；二氯甲烷(AR)；氯化钠(AR)。

1.1.2 试验仪器 FW135型中草药粉碎机；EL-204型电子天平； HH-4数显恒温水浴锅；KPGD5/20型低温冷却液循环泵；KDM-1000型可调式电热套；Agilent 7890 GC/5975 MS气质联用仪(美国Agilent公司)；DHG-9145A型电热鼓风干燥箱；同时蒸馏萃取装置。

1.1.3 试验材料 以某种卷烟为研究对象，取16个(1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#，8#，9#，10#，11#，12#，13#，14#，15#，16#))不同批次的合格样品(经感官评吸及常规检验质量合格)作为构建标准指纹图谱的基准样。

1.2 试验方法

该项目利用现代提取技术同时蒸馏萃取法(SDE)对不同批次相同牌号卷烟以及不同牌号卷烟中的挥发性、半挥发性中性香味成分进行提取，并利用现代分析检测手段GC-MS来构建全面、准确的样品前处理方法和分析方法；并利用卷烟香味成分的总离子色谱图中的相对保留时间和相对峰面积来建立相同牌号卷烟成品烟丝香味成分的指纹图谱，通过在全行业使用比较普遍的4种相似度评价方法(相关系数法、夹角余弦法、欧氏距离法和改进的nei系数法)[8-9]来监控烟样的质量稳定性，以此作为卷烟成品烟丝系统质量控制方法，达到监控卷烟质量稳定性的目的。

1.2.1 烟丝香味成分GC-MS指纹图谱的构建

1.2.1.1 样品处理 烟叶样品自然风干后，利用粉碎机粉碎成粉末，储于棕色广口瓶中并置于4℃的冰箱中备用。

称取30 g(精确至0.1 mg)烟末样品放入同时蒸馏萃取装置一端的1 000 mL圆底烧瓶中，加入30 g氯化钠和350 mL蒸馏水，用可控温电热套加热，装置的另一端为盛有60 mL CH2Cl2的浓缩瓶，60 ℃水浴加热，同时蒸馏萃取3.0 h，结束后，加入1 mL内标乙酸苯乙酯溶液(0.821 8 g·L-1)，将其浓缩至1.0 mL，转移至色谱瓶中，进行GC-MS分析。

1.2.1.2 色质谱条件 色谱柱为HP-5MS(60 m×0.25 mm i.d.× 0.25 μm d.f.)；进样口温度为280 ℃；进样量为1 μL；分流比为10∶1；载气为He，1.0 mL·min-1；升温程序为50 ℃保持2 min，以4 ℃·min-1的速率升温至280 ℃保持20 min。

质谱条件：传输线温度为280 ℃；EI 源电子能量为70 eV；电子倍增器电压为1 635 V；质量扫描范围为30～550 amu；离子源温度为230 ℃；四极杆温度为150 ℃。

1.2.1.3 内标物的确定 本研究依据上述优化后的试验方法测定内标物-乙酸苯乙酯，其保留时间为26.337 min，如图1。因此，其可以作为烟丝香味成分的内标参照峰。

为了使香味成分指纹图谱更加精准，便于操作，该研究采用相对保留时间和相对峰面积作为量化数据，可以降低由预处理方法重现性和仪器精密度问题带来的误差影响。由GC-MS分析鉴定出特征指纹峰后，根据其保留时间和峰面积质谱图匹配后，以乙酸苯乙酯内标峰为参照峰求出样品中所有特征色谱峰的相对保留时间(α值)和相对峰面积(Sr值)，计算公式分别为:α=ti/tA。(ti为待测峰的绝对保留时间，tA为内标峰的绝对保留时间);相对峰面积Sr=Si/SA. (其中Si为待测峰的绝对峰面积，SA内标峰的绝对峰面积)。

1.2.2 烟丝香味成分GC-MS指纹图谱在监控卷烟质量稳定性上的应用 取5批次(M1,M2,M3,M4,M5)不同于试验中所用的16批次卷烟合格样品建立烟丝香味成分GC-MS指纹图谱，与选取国内6种(A,B,C,D,E,F)不同牌号卷烟作为非质量稳定性卷烟进行比对，确定指纹图谱在监控卷烟质量稳定性上的应用。

图1 成品烟香味成分总粒离子流图Fig.1 TIC of aroma components in finished tobacco product

2 结果与分析

2.1 烟丝香味成分GC-MS指纹图谱的构建

2.1.1 成品烟烟丝香味成分定性分析结果及指纹峰和指纹图谱的构建 按照1.2.1试验方法色谱条件对成品烟烟丝香味成分进行提取和检测，分析了成品烟丝中所含的挥发性香味物质成分。通过NIST11质谱库的检索对香味成分色谱峰定性，在分析结果中，共鉴定出57个化合物(内标除外)，对16个不同批次成品烟丝样品的香味成分总离子流图(图2)进行共有色谱峰识别，其中55个色谱峰为所有样品共有(共有率为96.5%)，另有1个色谱峰为13个批次样品共有，1个色谱峰为15个批次样品共有，且其峰面积和占总峰面积的93%以上。通过NIST11质谱库的检索，多批次图谱峰形，峰的大小，个数的比较，并结合其各个特征峰的CAS编号，匹配度以及化学结构式，最终确定上面57个特征色谱峰可作为鉴别卷烟成品烟丝香味成分的特征指纹色谱峰。根据16个不同批次成品烟丝样品中鉴定出的57种香味成分其相对保留时间所对应的相对峰面积的均值来构建卷烟挥发性香味成分的标准指纹图谱，结果见表1。

图2 不同批次成品烟丝香味成分总离子流重叠图Fig.2 The overlap TIC chart of aroma components in different groups of finished tobacco cut

2.1.2 成品烟各个批次样品间指纹图谱的相似度评价 本研究采用的相似度评价方法有4种：相关系数法、夹角余弦法、欧氏距离法和改进的Nei系数法[8-9]。分别采用这4种相似度计算方法将将本试验16个批次成品卷烟烟丝样品中的各个香味成分的相对峰面积与标准均值图谱的相对峰面积进行相似度计算，其结果见表2。由表2相似度计算结果可知， 16批次合格样品与标准指纹图谱间的相关系数、夹角余弦、欧氏距离和改进的nei系数相似度范围分别为99.895 8%～99.984 4%，99.845 9%～99.985 9%，0.022 9～0.048 1，0.904 1～0.953 5，其中各个相似度最小值(以欧氏距离作为相似度的判断方法与此相反)即为相似度阈值的参考值。因此，评价待鉴定卷烟样品的质量可通过该样品的指纹图谱相似度的平均值与阈值比较确定，相似度值大于阈值的样品为合格品，反之为不合格品(以欧氏距离作为相似度的判断方法正好与此相反)。

表2 成品烟相似度计算结果Table 2 The results of similarity finished tobacco products

2.1.3 成品烟丝挥发性香味成分分析方法的验证试验 为检验该方法结果的可靠性，以成品烟为研究对象，考察试验的稳定性、精密度和重复性。取某一批次成品卷烟烟末，按照上面优化后的前处理方法条件和稳定的色谱/质谱条件，进行6次平行试验。

同时蒸馏萃取方法提取的烟丝香味成分并利用GC-MS分析鉴定，方法重现性较好，样品稳定性较好，仪器精密度较高，完全符合构建指纹图谱的要求，而且所建立的指纹图谱具有很强的特征性(图3)。

2.2 指纹图谱在监控卷烟质量稳定性上的应用研究

取同种牌号生产的5种不同批次的卷烟 (M1，M2，M3，M4，M5)，另取6种不同牌号的卷烟当作该卷烟中的质量不稳定样品(A，B，C，D，E，F)，其中A，B为同一厂家生产，C为与烟样同类而不同牌号卷烟。按照第1.2试验方法提取和分析这11个卷烟样品烟丝中的挥发性香味成分，得到其各自的GC-MS谱图，以2.1.2所建立的卷烟香味成分标准指纹图谱为对照，分别计算11个卷烟样品与标准指纹图谱的4种相似度，结果如表3。

图3 平行6次试验检测的总离子流色谱图Fig.3 TICs of six parallel tests

由表3可知，A，B，C，D，E和F牌号卷烟的4种相似度计算值中相关系数法、夹角余弦法和改进的nei系数法的计算值分别都小于参考阈值99.895 8%，99.845 9%，0.904 1。欧氏距离计算值远远大于0.048 1，因此，可认为样品质量不稳定，其中C牌号卷烟的相似度值相对最接近参考阈值；对于M1，M2，M3，M4和M5来说，其4种相似度计算值都在参考合格范围之内，因此，可认为样品质量稳定，为合格产品。由此结果很好地验证了建立香味成分指纹图谱监控牌号卷烟质量的稳定性，采用4种相似度算法能全面、准确、综合地评价烟丝样品质量，可应用于烟丝产品质量控制。

表3 不同牌号卷烟指纹图谱验证结果Table 3 Results of validation fingerprints in different brand cigarettes

3 结论

1)本研究利用现代化学分析检测手段对卷烟成品烟丝样品中的挥发性香味成分进行提取、分析和鉴定，构建了全面、准确的样品前处理方法和分析方法，并考察了该方法的稳定性，重复性以及精密度；通过在全行业使用比较普遍的4种相似度评价方法测试烟样的质量稳定性，以此作为卷烟成品烟丝的系统质量控制方法，达到监控固定牌号卷烟质量稳定性的目的，同时也能用于真假烟的鉴别，指导烟叶配方开发、维护和加工质量的稳定性。

2)验证了运用香味成分指纹图谱监控卷烟质量稳定性方法的可行、准确、可靠，采用4种相似度算法能全面、准确、综合地评价和监控烟丝样品质量。

3)本研究以烟草为研究对象构建指纹图谱，为烟草行业中卷烟产品及半成品的质量控制提供一种客观、简便的方法，对以后指纹图谱在烟草行业中的运用与发展提供理论基础，并对卷烟品质控制具有一定的实用价值和重要的理论意义，也可以辐射至其他行业产品。

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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

黑龙江烟草工业有限责任公司项目(HY/KY2015-12)

张丽(1975-)，女，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，硕士，主要从事卷烟产品研发设计。

1000-2340(2017)06-0767-08

S 572

A

常思敏)