应用顶空气相－离子迁移谱与相对气味活度值法分析卷烟特征香气物质

李登科，田 楠，田志章，吴若昕，马立超，邢立霞，张春涛

（上海烟草集团有限责任公司技术中心 天津工作站，天津300163）

卷烟风格特征是烟草制品的重要指标，是人的生理感官对烟草香气和吃味的综合感受。作为参与卷烟燃烧的最重要的物质，卷烟烟丝的化学组成及其含量很大程度上决定了卷烟品质的好坏［1］。关于卷烟风格特征的剖析常用对比分析［2］、多元聚类方法［3］和主成分分析法［4］以及判别分析［5］等方法。卷烟挥发性有机物主要来源于烟草成分、外加香料及加工过程中的反应产物。近年来，基于挥发性有机物的卷烟风味评价方法研究已有较多报道［6－9］，主要分析技术有动态顶空分析［10－11］、吹扫捕集/气相色谱－质谱联用法［12］、热脱附/气相色谱－质谱联用法［13］、固相微萃取/气相色谱－质谱联用［14］、气相色谱－串联质谱法［15］等，但这些技术存在前处理过程复杂、耗时较长、分离度低等诸多问题。因此，建立一种准确、简便、经济高效的卷烟挥发性有机物的分析方法，对于剖析卷烟风格、提升产品品质具有重要意义。

顶空气相－离子迁移谱（HS－GC－IMS）技术是基于气相色谱中不同离子在电场中迁移速率的差异对离子进行标识的一项分析技术，响应信号经气相色谱预分离后，可得到显著改善并能对物质精准定性。该技术具有分辨率和灵敏度高、分析高效、操作简便、可视化程度高等诸多优势［16－18］，适用于挥发性及半挥发性物质的痕量分析检测，已应用于药品、食品及化妆品等领域［19－23］。相对气味活度值法（ROAV）是一种评价不同感觉阈值化合物对整体香气贡献程度的新方法，已被用于食品中关键风味化合物的鉴别［24－26］，但在卷烟风格分析、品质检测方面鲜有报道。

本研究选取5款不同风格的市售卷烟产品，采用HS－GC－IMS技术对卷烟中的挥发性成分进行分析，并通过ROAV法确定了不同香气化合物的贡献值，反映出不同卷烟产品的风格特征，为卷烟产品风格设计和维护提供了理论依据。

1 实验部分

1.1 材料与设备

材料：5款市售卷烟产品，依次编号为A、B、C、D、E。

设备：FlavourSpec®顶空气相-离子迁移谱，配有CTC自动顶空进样器、Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析软件及GC×IMS Library Search Software定性软件，德国G.A.S公司产品。

1.2 样品前处理

分别取出5款市售卷烟产品烟丝，低温研磨成固体粉末并过40目筛；随后每个样品各取0.5 g置于20 mL顶空进样瓶中，待上机检测。各样品同时做3次平行试验。

1.3 样品分析及数据处理

仪器顶空自动进样单元、气相色谱单元及离子迁移谱单元的参数条件如表1所示。

表1 顶空气相－离子迁移谱参数条件Table 1 Parameters of HS－GC－IMS

采用Laboratory Analytical Viewer（LAV）分析软件查看离子迁移谱图；应用NIST数据库和IMS数据库对物质进行定性分析；采用Gallery Plot插件得出样品指纹图谱并分析不同样品间的挥发性有机物差异；采用Dynamic PCA插件进行主成分分析。

2 结果与讨论

2.1 不同卷烟产品挥发性物质的顶空气相－离子迁移谱图

卷烟样品经HS－GC－IMS分析生成三维信息谱图，进行降维处理后可得到样品的HS－GC－IMS二维谱图（俯视图），如图1所示。图中纵坐标为气相色谱的保留时间，横坐标为离子迁移时间，图谱的整个背景为蓝色，横坐标1.0处红色竖线为反应离子峰（RIP峰），RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物。颜色代表物质的浓度，白色表示浓度较低，红色表示浓度较高，颜色越深表示浓度越大。可以看出，卷烟产品中挥发性成分在30 min内可实现GC分离，在IMS单元也有较好的分离度。不同风格卷烟产品中的挥发性物质较为复杂，检出的化合物种类大致相同，但不同化合物含量之间存在一定差异，而其含量的差异性对卷烟风味具有决定性影响。

图1 5个卷烟产品的顶空气相－离子迁移谱图（俯视图）Fig.1 HS－GC－IMS topographic plots of five cigarette samples（top view）

2.2 不同卷烟产品挥发性物质含量分析

利用HS－GC－IMS内置的NIST气相保留指数数据库与G.A.S的IMS迁移时间数据库进行二维定性和初步定量，发现B卷烟产品挥发性物质的总体释放量最多，而E卷烟产品最少。针对定性出的44种化合物计算相对含量，结果如表2所示。结果表明，检出的挥发性物质主要由酯类、醛类、醇类、酮类构成，是形成卷烟特征香气的重要组成，另有少量酸类、噻吩类和吡嗪类物质。其中，酯类化合物含量最高，醛类和酮类化合物含量次之，醇类占比较小。这些化合物有的来自烟草中萜烯类物质的降解，有的是美拉德反应的产物，有的来自叶绿素和木质素的降解，也有的来自香精香料的添加等。不同化合物呈现出不同香韵特征［27］。

表2 5款卷烟产品中挥发性物质测定结果Table 2 Qualitative results of volatile organic compounds in 5 cigarette samples

(续表2)

5款卷烟产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、丙酮等含量普遍较高。但每款卷烟产品又有其独特的含量较高的成分，如在B款卷烟产品中，烟酸甲酯含量高于其他卷烟产品，C款卷烟中乙酸乙酯和壬醛的含量高于其他卷烟产品，而D样品中大马士革酮含量较其他几款卷烟高。

2.3 相对气味活度值（ROAV）计算

由于化合物化学组成、分子结构、动物鼻腔嗅觉受体细胞对化合物特异性结合程度等因素的差异，人们对于不同化合物的嗅觉敏感性差异很大，通常把人能感受到某种物质的最低浓度称为感觉阈值。浓度一定时，感觉阈值越低的化合物越容易被感知；感觉阈值一定时，浓度越高的化合物越容易被感知。同一化合物在不同介质中的感觉阈值会有所区别［28］。气味活度值（OAV）是指嗅感物质的绝对浓度（C）与其感觉阈值（T）之比，可以对化合物的风味贡献进行相对客观的评价：

但是由于样品挥发性物质较多，绝对定量比较复杂，对样品中关键物质的考察可以依据这些化合物的相对百分含量（C%）进行分析。对于同一实验所检出的不同组分，C、C%近似相等，即：

一般当OAV＞1时，该组分对总体风味有直接影响。但鉴于挥发性物质较多，为便于考察不同化合物之间对风味的贡献度差异，本研究建立相对气味活度值（ROAV）的概念对风味进行综合评价。选取对样品总体风味贡献最大的组分（即OAV值最大的化合物）定义为stan，其相对气味活度值（ROAVstan）为100，其他组分的相对气味活度值则为：

式中，ROAVA为A组分的相对气味活度值；OAVA为A组分的气味活度值，由其浓度（CA）和感觉阈值（TA）根据式（1）计算而得；OAVstan为化合物stan的气味活度值，由其浓度（Cstan）和感觉阈值（Tstan）根据式（1）计算而得；由公式（1）、（2）和（3）可得：

式中，（C%）A为A组分的相对百分含量；（C%）stan为stan组分的相对百分含量；Tstan为stan组分的感觉阈值；TA为A组分的感觉阈值。

因此，所有组分ROAV≤100，且ROAV越大的组分对样品总体风味的贡献越大。

当挥发性物质ROAV≥1时，认为其对卷烟香气风格有直接影响，是卷烟主要及关键挥发性物质；当挥发性物质0.1≤ROAV＜1时，认为其对于卷烟香气风格具有重要的修饰作用，可辅助和增强部分风味物质的呈味特性［24］，当ROAV＜0.1时，认为其对卷烟香气风格贡献很小。尽管香气化合物之间还存在协同或抑制效应，但利用气味活度值评估香气化合物对卷烟香气的贡献仍然不失为一种有效的方法［29］。

对5个卷烟产品中查询到感觉阈值（T）［28］的各化合物进行ROAV计算，结果如表3所示。结果表明，经ROAV计算，卷烟产品中不同化合物对卷烟香气风格的贡献更加客观。对ROAV的分布进行汇总，可反映出对卷烟风格有决定性影响和修饰作用的化合物数量，结果如表4所示。可以看出，E卷烟产品中的关键特征香气物质种类最多，不同化合物之间的含量和ROAV的差异会对其最终风格有交互影响；D卷烟产品中的关键特征香气物质种类最少，风格特征更加突出。

表3 5款卷烟产品中挥发性物质的ROAV值Table 3 ROAV of volatile organic compounds in 5 cigarette samples

表4 5种卷烟产品中化合物的ROAV分布Table 4 ROAV distribution in 5 cigarette samples

2.4 卷烟特征香气剖析

2.4.1 ROAV＞1物质对特征香气的贡献综合考察各卷烟产品的化合物及其ROAV值，结果表明，在A、B、C、D 4款卷烟中，糠硫醇的ROAV值最高，为风味贡献最突出的化合物。糠硫醇在烟草中具有浓郁的焦甜香，透发性强，留香持久，塑造了上述4款卷烟香气强烈的焦甜香的风格特征。而对于E卷烟产品，ROAV值最高的为1-辛烯-3-酮，塑造了该卷烟产品特有的壤香/蘑菇香的风格特征。

对于A、B、C 3款卷烟产品，1-辛烯-3-酮、呋喃醇、3-甲基丁醛的ROAV值均＞1，为卷烟风格增添了较为显著的壤香、可可香和坚果香，尤其是呋喃醇具有明显的协调烟香、掩盖杂气、改善吃味的作用，常在卷烟调香中应用，以提升卷烟透发性。C卷烟中乙酸异戊酯也贡献了较高的香蕉、苹果样的水果香气。D卷烟中ROAV＞1的物质仅糠硫醇一种，表明该卷烟产品属于典型的焦甜香特征，在配方设计上予以了着重强化。E卷烟产品中ROAV＞1的物质种类较多，使卷烟香气风格更加丰富，其中3-甲基丁醛、乙酸异戊酯、2-甲基丁醛的ROAV值较高，为卷烟提供了充沛的坚果香及水果香；壬醛、苯乙醛、乙酸正己酯、丁醛等物质ROAV值次之，为卷烟风格贡献了一定的玫瑰香气及柑橘等清甜的果香气息。

2.4.2 0.1＜ROAV＜1物质对特征香气的贡献0.1＜ROAV＜1的物质在卷烟香气风格中主要起一定的修饰作用，烘托主要香气特征。A、B、C 3款卷烟产品中0.1＜ROAV＜1的物质比较相似，主要包括乙酸异戊酯、壬醛、苯乙醛、乙酸乙酯等醛类和酯类，这些物质能够为卷烟风格提供一定的花香及水果香等青香气息，使卷烟风格更加丰富协调。D卷烟产品中介于此间的物质包括1-辛烯-3-酮、呋喃醇、乙酸异戊酯，可为卷烟修饰一定的壤香、可可香以及少许水果香气。E卷烟产品的2-辛醇则为卷烟提供了一定的脂蜡香气息，清新而独特。

2.4.3 其他物质对特征香气的贡献值得关注的是，某些化合物虽然未查阅到相关感觉阈值数据，但根据文献报道，其对卷烟香气风格特征仍具有重要影响。如烟酸甲酯在B卷烟产品中的含量远高于其他几款卷烟产品，其特有的暖浓的药草香和清淡的烟草香气，为卷烟带来与众不同的香气风格特征。而大马士革酮在D卷烟产品中含量很高，其中α-大马士革酮具有独特的梅子味，而β-大马士革酮则具有典型的玫瑰花香，这也为D卷烟品牌带来特有的香气风格。肉桂酸甲酯和己酸乙酯在各卷烟中含量也较高，它们具有菠萝果香或草莓、葡萄香等，能够赋予卷烟较为浓郁的水果香韵。而糠酸甲酯在A、E卷烟产品中含量较高，具有樱桃、梅青等香气，也在卷烟香气风格中具有一定的贡献度。

综合剖析卷烟特征香气化合物的贡献，结果表明：A、B、C卷烟产品主要为焦甜香伴有壤香、可可香、坚果香等香气特征，但C卷烟产品可可香相对较为浓郁，B次之，A相对较低，同时3款卷烟产品中均有花香、水果香等青香型香气作为修饰；B卷烟产品同时呈现出特有的药草香。D卷烟产品则呈现出典型的焦甜香，同时烘托出梅子香及花香等风格特征；E卷烟产品则主要呈现壤香/蘑菇香伴有水果香、花香、坚果香等香气特征。

3 结论

本研究以5款市售卷烟产品为研究对象，基于HS－GC－IMS分析技术，通过指纹图谱分析及相对气味活度值法（ROAV）等手段，分析了不同卷烟特征香气物质的含量和分布特征，同时剖析了对卷烟香气风格具有重要影响和修饰作用的物质，综合评价了不同卷烟的风格特征。本研究对卷烟品质控制、质量评价和感官品质控制等具有积极的推动作用。