基于烟丝动态顶空香气成分的卷烟品牌分析

赖燕华，肖明礼，卢嘉健，韩 冰

（广东中烟工业有限责任公司技术中心，广州 510385）

卷烟烟丝的香气特征（香气质与香气量）是评价烟草制品的重要指标，卷烟产品的香味是人的生理感官对烟草香气和吃味的综合感受，是卷烟烟气特有的风格和风味。人们所感受到的烟气浓度、生理强度和味道与卷烟烟丝中的挥发性、半挥发性成分密切相关，其主要来源于烟草本体成分、外加香精香料以及加工过程中发生的化学反应产物[1]。卷烟烟丝中的挥发性、半挥发性成分不仅可以反映卷烟外加香精香料组成，而且与烟草的内在感官品质和风格紧密相关。

关于卷烟烟丝中的挥发性、半挥发性成分的分析研究，国内外有大量的文献报道[2-5]。样品前处理方法各种各样，例如溶剂提取[6]、同时蒸馏萃取[7]、固相微萃取[8]、静态顶空分析[9-10]、动态顶空分析[11]等。溶剂提取法易造成挥发性成分的散失；同时蒸馏萃取法提取条件剧烈，会导致美拉德反应和焦糖化反应加剧，副产物较多；固相微萃取装置价格昂贵，涂层种类有限，选择性较差。动态顶空分析即吹扫捕集技术，适用于从液体或固体样品中萃取沸点低于200℃，溶解度小于2%的挥发性或半挥发性有机物，广泛用于食品与环境监测等部门[12]，在烟草行业也有一定应用[13-14]。吹扫捕集法具有操作简单、灵敏度高和不使用有机溶剂的特点，在近似室温条件下达到平衡状态时进行吹扫，检测烟丝自然挥发出的化学成分的量[13]，因此用于直接测定烟丝香气成分具有独特的优势。采用吹扫捕集和气相色谱/质谱联用技术，在接近室温条件下模拟卷烟嗅香，可快速分析卷烟烟丝挥发性、半挥发性香气成分。本文采用主成分分析（PCA）和聚类分析（HCA）两种无监督模式识别方法对两个不同品牌的烟丝顶空香气成分进行解析和研究，探索利用烟丝顶空香气化学成分对卷烟品牌进行表征和区别的可能性。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

卷烟样品选取不同厂家2个牌号市售烤烟型商品卷烟，每个牌号各选取8个烤烟型卷烟共16个样品，分别标记为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8 和 B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8。

仪器：Eclipse4660吹扫捕集样品浓缩仪（美国O-I-Analytical公司），配7#吹扫捕集阱；Agilent 7890B-5977A气相色谱-质谱联用仪；BS423S型电子天平（感量：0.001 g，德国Sartorius公司）。

1.2 卷烟烟丝动态顶空烟气成分分析

[11,13]报道的吹扫捕集-气质联用法测定卷烟烟丝中的挥发性、半挥发性成分。

样品前处理：准确称取2.00 g刚拆包的卷烟烟丝，迅速装入25 mL的吹扫捕集管中，加入10 μL 66.60 μg/mL十六烷-1,2-13C2的二氯甲烷（内标）溶液，然后装载到吹扫捕集仪中进行吹扫捕集-GC/MS分析。

吹扫捕集条件：吹扫气体为高纯氦气（纯度99.999%），流量50 mL/min；吹扫温度40℃；吹扫、解吸、烘烤时捕集阱的温度分别为室温（吹扫时间40 min）、200℃（解吸时间1 min）和220℃（烘烤时间10 min）；吹扫、解吸、烘烤时水管理器的温度分别为220℃、室温和240℃；传输线和六通阀温度均为220℃。

GC/MS分析条件：色谱柱为DB-WAXer毛细管色谱柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）。

载气：高纯He，纯度99.999%，流速1.0 mL/min；进样口温度：220℃；进样模式：分流进样；分流比：40∶1；升温程序：40℃ 10 min，2.0℃/min升温至200℃，稳温5 min；离子源：电子轰击(EI)；电子能量：70 eV；离子源温度：230℃；传输线温度：220℃；质量分析器：四级杆；扫描模式：SCAN质量扫描；扫描范围：40～450 amu。

1.3 数据处理方法

主成分分析（PCA）、聚类分析（CA）和方差分析均用Matlab软件进行。聚类分析中采用欧氏距离按类平均法度量样本之间的相似程度。

2 结果与讨论

2.1 吹扫捕集参数优化

影响吹扫捕集效率的因素主要有捕集阱材料、吹扫流量、吹扫时间、吹扫温度、解吸温度、解吸时间和干吹时间。其中，不同的捕集阱材料对挥发性成分的捕集效果存在较大差异。本文比较了7号捕集阱（tenax）、8号捕集阱（tenax/硅胶）、9号捕集阱（tenax/硅胶/木炭）、10号捕集阱（tenax/硅胶/碳分子筛）、11号捕集阱（VOCARB 3000）和12号捕集阱[BTEX(Carbopack B/Carbopack C)]的捕集效果。结果发现填充材料为tenax的7号捕集阱对烟丝挥发性、半挥发性成分的捕集效果最好，捕集的香气成分种类最多，因此最后选择7号阱作为烟丝顶空香气成分的捕集阱。

本研究的目标组分为烟丝自然挥发出的香味物质的量，为了尽量反映嗅香的真实组成，又不至于受室温波动的影响，选择了尽可能接近室温又能保持恒定的40℃为吹扫温度。另外，为了保证香气成分解吸完全，将解吸温度设置为较高温度200℃。Eclipse4660吹扫捕集样品浓缩仪配备的水管理器系统可将水分除去，同时为了减少目标物的损失，在动态顶空取样过程中未设置干吹过程。对吹扫流量、吹扫时间和解吸时间，考虑到它们之间的交叉影响，采用L9（34）正交表设计了3因素3水平的正交试验，考察对象为香气成分的数目和总的峰面积（以相对峰面积计），结果见表1。

表1 正交试验安排及结果Table 1 The treatments and results of intercross test

从香气成分数量来看，第8号试验获得的香味成分数量最多，它的水平组合是：吹扫流量50 mL/min，吹扫时间40 min，吹扫温度40℃，解吸时间2 min。另外，根据各因素在各水平上试验指标之和，计算平均香气成分数，由表中结果可知，吹扫流量、吹扫时间和解吸时间的最优水平分别为50 mL/min、60 min和1 min。对比其极差发现，吹扫流量对香气成分数量的影响最大，解吸时间次之。

从香气成分峰面积之和来看，获得香气成分总量最多的也是第8号试验。而根据各因素在各水平上试验得到的平均香气成分量，最优水平组合为吹扫流量50 mL/min，吹扫时间40min，解吸时间1 min。综上，得到2个较好的水平组合：（1）吹扫流量50 mL/min，吹扫时间40 min，解吸时间1 min；（2）吹扫流量50 mL/min，吹扫时间60 min，解吸时间1 min。但它们都是未经过试验的，于是将这2个水平组合和已做过的9次试验中最好的水平组合（第8号试验）再进行对比试验。结果发现，吹扫流量50 mL/min，吹扫时间40 min，解吸时间1 min时，获得的香气成分数目最多，当吹扫时间增至60 min时，香气成分峰面积之和略有增加，但香气成分数量明显减少，这很可能是因为随着吹扫时间的增加，某些物质随吹扫气流从废液口排出。

另外，由于吹扫流量50 mL/min为边界试验条件，为了考察进一步增大吹扫流量对结果的影响，将吹扫流量设置为57 mL/min（仪器的极限值），发现与吹扫流量50 mL/min时相比，香味成分数量和总量无明显变化。因此，最后选定的条件为：吹扫流量50 mL/min，吹扫时间40 min，解吸时间1 min。

2.2 方法重复性

在上述吹扫捕集条件下，采用DB-WAXer毛细管色谱柱对捕集的香气成分进行分离，总离子流图（以卷烟A1为例）见图1。为考察方法的重复性，取6份卷烟A1烟丝，按1.2所述方法平行测定，每两次测定中间插入两个空白样本（即吹扫捕集管中不加入样品），以清除样品记忆效应。卷烟A1的烟丝中测得128种香气成分，计算其相对峰面积的相对标准偏差（RSD），结果发现，22种香气成分RSD≤5%，占总峰数目17.18%；87种香气成分5%

图1 卷烟烟丝顶空成分总离子流Fig.1 TIC chromatogram of volatile aroma components in cut tobacco

2.3 烟丝动态顶空香气成分分析

对16个样品卷烟烟丝进行吹扫捕集-GC/MS分析，每个样品平行测定3次，相对峰面积取平均值。共鉴定出158种挥发性、半挥发性成分，选取其中匹配度较高的118种香气成分（与NIST标准谱库中质谱图匹配度>80）进行数据处理与分析，具体如表2所示。这些香气成分主要来源于烟草本体成分、外加香精香料以及加工过程中发生的化学反应，不同品牌卷烟烟丝香气成分的差异即体现了其叶组配方和外加香精香料的差异。

表2 烟丝动态顶空香气成分信息表Table 2 Information of the volatile aroma components in cut tobacco

表2 烟丝动态顶空香气成分信息表（续）Table 2 Information of the volatile aroma components in cut tobacco（continued）

以118种烟丝动态顶空香气成分为基础，采用方差分析对16个卷烟样品进行分析，寻找不同品牌卷烟之间存在显著差异的挥发性、半挥发性香气成分，结果发现A品牌与B品牌的16种香气成分存在显著性差异（F值大于临界值4.6，如图2所示），其余的102种香气成分则不存在显著差异。从图中可以看出，两品牌间差异显著的16种香气成分中，A品牌卷烟烟丝含量较高的有15种，包括：β-水芹烯、2-丁基四氢呋喃、α-松油醇、4-烯丙基苯甲醚、苯甲酸乙酯、2-蒎烯、苯甲酸己酯、2-乙酰基吡咯、β-大马酮、(+)-柠檬烯、戊醛、苯乙醇、2-甲基己酸、苯乙酸甲酯和2-甲基丁醛；B品牌卷烟烟丝含量较高的香味成分仅有顺-2-戊烯醇1种。

2.4 烟丝动态顶空香气成分的聚类分析结果

对两个品牌16个样品的烟丝顶空香气成分进行标准化处理后，按欧式距离类平均法进行聚类，结果如图3所示。结果表明，16个样品被聚为两类，第一类包括B1～B8样品，第二类包括A1～A8样品，两个品牌卷烟样品各自聚为一类，说明烟丝顶空香气成分可以很好地将不同品牌卷烟区分开，烟丝顶空香气成分很好地体现了不同品牌卷烟各自的香气特征以及品牌间的差异。

图2 两个品牌卷烟烟丝间存在显著性差异的顶空香味成分Fig.2 The significantly different volatile aroma components in cut tobacco between brand A and B

图3 烟丝顶空香气成分的聚类分析Fig.3 Cluster analysis results of different cigarette brands based on the volatile aroma components in cut tobacco

2.5 烟丝动态顶空香气成分的主成分分析

基于在两个品牌间存在显著差异的顶空香气成分，16个卷烟样品进行主成分分析，样品在第一和第二主成分上的得分分布如图4（a）所示。从图中可以看出，在主成分空间中，A品牌卷烟样品（A1～A8）聚集成一簇，B品牌卷烟样品（B1～B8）聚集成另一簇，表明相同品牌的卷烟存在较好的相似性；A品牌卷烟在第一主成分上的得分均大于0，B品牌卷烟在第一主成分上的得分均小于0，两个品牌卷烟在主成分空间被很好的区分开，表明不同品牌卷烟的香味成分存在较大的差异，与聚类分析的结果一致。

图4（b）为香气成分在第一主成分和第二主成分上的载荷图。从图中可以看出β-水芹烯、2-丁基四氢呋喃、α-松油醇、4-烯丙基苯甲醚、苯甲酸乙酯、2-蒎烯、苯甲酸己酯、2-乙酰基吡咯、β-大马酮、(+)-柠檬烯、戊醛、苯乙醇、2-甲基己酸、苯乙酸甲酯和2-甲基丁醛等15种成分在第一主成分上的载荷大于0，表明它们在A品牌中的含量较高；顺-2-戊烯醇在第一主成分上的载荷小于0，表明B品牌顺-2-戊烯醇含量较高，与方差分析的结果一致。

由此可以将A、B两个品牌卷烟的烟丝顶空化学成分主要特征概括为：（1）在所检测的118种顶空香气成分中，大部分成分在两个品牌卷烟间不存在显著性差异，这些成分主要来源于烟草本体挥发性化学成分；（2）两个品牌的烟丝顶空香气成分的差别主要在于A品牌卷烟烟丝中还有更丰富的外加香化学成分，其中包括苯甲酸乙酯、苯甲酸己酯、苯乙酸甲酯、β-大马酮、(+)-柠檬烯、苯乙醇等果香和甜香[15]化学成分，以及α-松油醇、4-烯丙基苯甲醚和2-蒎烯等化学成分。

图4 烟丝动态顶空香气成分的主成分分析(a)得分图和(b)载荷图Fig.4 Score plot(a)and loading plot(b)of principle component analysis of different cigarette brands based on the volatile aroma components in cut tobacco

3 结论

采用吹扫捕集-GC/MS方法测定了两种品牌卷烟烟丝的顶空香气化学成分，并结合聚类分析和主成分分析方法建立了不同品牌的分类模型。结果发现同一品牌卷烟的顶空香气化学成分能很好地聚成一类，而不同品牌卷烟样品在聚类分析树状图和主成分分析得分图中均能很好地相互区分，说明不同品牌卷烟的香气风格存在较大的差异。因此采用聚类分析和主成分分析方法对卷烟烟丝顶空香气化学成分数据进行无监督模式识别处理，可以有效表征和区分卷烟品牌，为卷烟品牌风格表征和质量评价及控制提供有益的参考。

参考文献

[1]DAVIS D L，NIELSEN M T.烟草——生产，化学和技术[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]吴丽君，石凤学，刘晶，等.烟草香气成分分析研究进展[J].中国农学通报，2014，30（21）：251-257.

[3]LEFFING J C.Nitrogen components of leaf and their relationship to smoking quality and aroma[J].Recent advances in tobacco science,1976,2:1-31.

[4]王兵，杨凯，陈磊，等.不同产地烟叶中半挥发性香气成分的指纹图谱[J].烟草科技，2014（8）：42-46.

[5]VON GROB K,VÖLLMIN JA.Analyse der"Semi-Volatiles"aus Cigarettenrauch mit Hilfe einer Kombination von hochauflösender Gaschromatographie mit Massenspektrometrie[J]. Beiträge zur Tabakforschung,1969,5(2):52-57.

[6]许燕娟，钟科军，白长敏，等.溶剂萃取-气相色谱/质谱法分析烟草中的主要甾醇[J].色谱，2006，24（3）：315-316.

[7]李炎强，冼可法.同时蒸馏萃取法与水蒸气蒸馏法分离分析烟草挥发性、半挥发性中性成分的比较[J].烟草科技，2000（2）：18-21.

[8]刘百战，张映，孙磊，等.卷烟烟丝香气成分的固相微萃取-气相色谱-质谱法分析[J].分析测试学报，2000，19（4）：28-31.

[9]HASEBE H,SUBARA S.The quality estimation of different tobacco types examined by headspace vapor analysis[J].Beiträge Zur Tabakforschung,1999,18(5):213-222.

[10]姬厚伟，杨敬国，王芳，等.静态顶空-气相色谱法在烟草行业中的应用进展[J].理化检验（化学分册），2014，50（9）：1188-1192.

[11]郜强，沙云菲，金永明，等.温度、水分、时间和添加剂对烟丝挥发性及半挥发性化学成分的影响[J].中国烟草学报，2010，16（z1）：70-74.

[12]李宁，刘杰民，温美娟，等.吹扫捕集-气相色谱联用技术在挥发性有机化合物测定中的应用[J].色谱，2003，21（4）：343-346.

[13]张丽，刘绍锋，王晓瑜，等.吹扫捕集-气相色谱/质谱法分析卷烟烟丝的嗅香成分[J].烟草科技，2013（4）：63-70.

[14]刘春波，陆舍铭，李希强，等.吹扫捕集-GC法检测卷烟包装材料中挥发性有机化合物[J].烟草科技，2009（2）：42-45.

[15]陆龙建，陈磊，余苓，等.多元因子分析在卷烟风格特征剖析中的应用[J].烟草科技，2012（10）：36-40.