卷烟清香风格特征预测模型构建研究

李 达， 李娥贤， 李晓科， 许仁杰， 蔡昊城， 袁 鹏， 李 超

(1. 红云红河烟草（集团）有限责任公司，云南 昆明 650231; 2. 云南省农业科学研究院生物技术与种质资源研究所，云南 昆明 650201; 3. 云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650024)

0 引 言

烟草中的致香物质具有降低卷烟刺激性、丰富卷烟香气以及改善余味的功能[1-3]，致香物质的组成和含量是评价烟草质量的重要指标[4]。目前，卷烟的感官评价主要来源于评吸专家依据GB 5606.4—2005 《卷烟 第4部分：感官技术要求》和YC/T 497—2014 《卷烟 中式卷烟风格感官评价方法》对其进行感官评吸[5-6]，因此存在一定的主观性，可能影响结果的重现性与稳定性。同时人工感官评吸对样品数量的要求也带来了一系列局限性，以至于对评价结果的可靠性产生一定影响[7-8]。因此，基于化学成分的卷烟感官评价成了近年的研究热点。

郭春生等[9]基于BP 神经网络探索卷烟内在化学成分与烟气指标和感官品质得分之间的关系，建立了相应的预测卷烟烟气指标和感官品质得分网络模型数学模型。薛超群等[10]采用相关分析、逐步回归分析等方法研究了烟叶理化指标与浓香型风格程度的关系。林顺顺等[11]基于PLSR方法分析了烟叶化学成分与感官质量的相关性。现有报道的研究重点多集中在烟叶中的化学成分与感官质量的关系，而忽视了化学成分的含量对感官质量的影响。

近年来，学者对卷烟中致香物质的含量对卷烟清香风格特征的影响也多有研究。如周芳芳等[12]研究了不同烟产地典型烤烟中清香型特征致香物质含量及组成差异。席元肖等[13]研究了不同香型烤烟中化学成分含量的差异。周泽弘等[14]利用RBF神经网络，对川渝中烟2009至2011年库存烟叶样品的香型特征进行了分析建模，所建立的模型可以较好地根据烟叶的常规化学成分对烟叶进行香型预测。但烟草中致香成分含量与清香特征指标的定性定量关系的研究，目前还未见到报道。因此，建立致香物质含量与卷烟清香风格特征指标及感官评价的模型至关重要。

回潮区温度是卷烟品质的重要影响因素，目前对回潮区温度的探索与优化主要基于其对卷烟中致香成分和含量的影响[15]，文献[16]采用静态顶空—气相色谱质谱联用法对烟丝中的致香成分进行分析测定，发现回潮区温度为60 ℃时更有利于保留烟丝中的致香成分。但这些研究与优化并未将感官评吸计入考察条件，因此筛选合适的回潮区温度以改善卷烟的感官品质仍需探索。

本文通过研究卷烟中致香成分含量对清香风格特征感官评吸的影响，采用SPSS 22.0 统计学软件的数据处理模块，建立表征清香风格特征的逐步线性回归方程，能够定量分析卷烟的感官质量。进一步通过建立的模型研究了回潮区温度对清香风格特征感官评吸的影响，研究结果可为工业在线制丝提供参考，提高卷烟品质。

1 材料与实验方法

1.1 材料、试剂及仪器设备

1.1.1 材料及试剂

材料：50种成品卷烟（盒标焦油 8～ 12 mg/支，盒标烟碱 0.5～ 1.3 mg/支，盒标 CO 7～ 12 mg/支，2019年分别购自厦门市、北京市、大理市等市场，此50种卷烟用于建立卷烟清香风格特征预测模型）；同一品牌规格3种回潮温度下的国内市售卷烟成品烟丝样品各300 g，由云南中烟工业有限责任公司工艺质量部提供。

萘内标：美国Sigma公司；30种卷烟挥发性成分标准品，见表 1（分析纯或以上，美国 Sigma 公司）；固态萃取搅拌棒：Gerstel Twister搅拌棒 (长 20 mm，厚 0.5 mm)；气相色谱柱：HP-INNOWAX，60 m×0.25 mm×0.25 µm。

1.1.2 仪器与设备

气相色谱-质谱联用仪：PerkinElmer Clarus 600型，美国PerkinElmer公司；分析天平：CP225D型，德国Sartorius公司。

1.2 实验方法

1.2.1 内标物的选择

如果用外标定量法会使致香成分在前处理的过程有一定的损失，使得气相结果存在较大的误差，因此本文采用内标法来测定卷烟中致香成分的含量[17]。根据致香成分的气相出峰时间选择萘作为内标物。

1.2.2 致香成分物质的选择

通过业内项目研究结果、文献调研[18]和相关专家指点，初步筛选出可能影响清香的30种致香物质：3-羟基-2-丁酮、3-乙基吡啶、苯乙醛、γ-己内酯、异戊酸异戊酯、乙基麦芽酚、黑香豆酊、香茅醇、苯乙酸乙酯、γ-辛内酯、4-乙烯基愈创木酚、洋茉莉醛、二氢香豆酯、β-二氢大马酮、3-乙氧基-4-羟基苯甲醛、γ-十一内酯、δ-十一内酯、γ-十二内酯、苯甲酸苯甲酯、金合欢基丙酮、肉桂酸苄酯、肉桂酸肉桂酯、苯乙醇、2-甲基四氢呋喃-3-酮、糠醇、3,5,5-三甲基环己烷-1,2-二酮、2-乙酰基吡咯、乙酸异丁酯、氧化异佛尔酮、香兰素。

1.2.3 标准溶液的配制

用分析天平称取5.0 g萘，置于50 mL容量瓶中，用无水乙醚稀释并定容，配制内标储备液，其质量浓度为 100 g/L；移取 0.1 mL 内标储备液于 10 mL容量瓶中，用无水乙醚稀释并定容，配制得到标准工作液，其质量浓度为 1000 mg/L。

分别称取30种致香成分标样各 0.01 g于30个100 mL的容量瓶中，用体积比为9∶1的无水乙醇和丙二醇混合溶液定容，配制成质量浓度为100 µg/mL 的标准储备液，摇匀后封存于棕色香料瓶中。所有溶液均保存于4 ℃冰箱中，恢复至室温后使用。

1.2.4 样品前处理

从购买的50种国内市售成品卷烟中分别随机抽取，剥去滤嘴和卷烟纸，称取6 g烟丝3份，分别放入3个100 mL锥形瓶中。之后，分别加入50 µg/mL内标萘10 mL和无水乙醚90 mL后，盖好并在摇床上震荡 25 min。之后，取上层萃取液，用 0.22 µm 微孔滤膜过滤后，使用GC-MS/MS（气相色谱-质谱/质谱仪）对其中成分进行分析。

1.2.5 气相色谱-质谱检测条件

色谱柱：DB-WAXTRE弹性石英毛细管色谱柱（50 m × 0.25 mm i.d. × 0.25 µm d.f.，美国 Agilent公司）；载气：He，恒流模式，柱流量 1.5 mL/min，进样量 1 µL，分流比 20∶1；进样口温度 230 ℃；升温程序：45 ℃（1.5 min），以 10 ℃/min 的速率升温至240 ℃（15 min）；传输线温度：230 ℃；全扫描监测Full scan 模式，扫描范围：50～ 600 amu；电离方式：EI；灯丝电流：80 µA；离子源温度：180 ℃；电离能70 eV；多反应监测MRM模式，定性、定量离子对选择参数见表1。

表1 烟丝中30种挥发性组分及内标的定性离子对、定量离子对和碰撞能量

1.2.6 定性、定量分析

1）定性分析：试样中的目标化合物是与标样的定性离子对、保留时间和定量离子进行对照后确定。当试样和标样在相同保留时间出现，且浓度相当情况下，各定性离子的相对丰度与标准溶液的离子相对丰度一致，其误差符合表2规定的范围，则判断样品中存在对应的被测物。

表2 定性确证时相对离子丰度的最大允许误差

2）定量分析：每个样品均平行测定3次。其中，试样中目标化合物的定量离子峰面积计算得到半挥发性与挥发性的有机化合物量。取3次平行测定目标物质获得的定量离子峰面积与内标峰面积比值的平均值带入试样中挥发性及半挥发性有机化合物的含量公式计算，其结果作为样品中致香成分的分析结果，如下式所示：

式中：Cs− 试样中某种特征物质的含量，mg/kg；

−试样中致香成分的峰面积，U(积分单位）；

a——各致香成分的标准工作曲线截距；

Ci——内标加入量， µg/mL；

V——进样体积，mL；−

Ai内标物质的峰面积，U(积分单位）；

k——各致香成分的标准工作曲线斜率；

m——称取烟丝质量，g。

1.2.7 感官评价方法

由云南中烟工业有限责任公司，组织持国家烟草专卖局颁发相关证件的评吸人员8名，据GB 5606.4—2005和 YC/T 497—2014对 50种卷烟样品的清香香气风格特征进行评吸，香韵强度特征赋分范围为0～ 10分，分值越高，清香香韵强度越明显，取8人结果的平均值，作为卷烟清香感官评分数据。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

待预测卷烟样品中30种致香物质的含量，均按照1.2实验方法测定。各种物质含量检测结果的描述统计见表3，从表中可知，不同卷烟样品中30种挥发性物质的种类差异不大，但部分组分的含量差异较大，如3-羟基-2-丁酮在样品中的最低含量仅为 0.24 mg/kg，但最高含量却为4.574 mg/kg，金合欢基丙酮在样品中的最低含量仅为28.459 mg/kg，但最高含量却为 79.852 mg/kg。

表3 烟丝中30种挥发性物质检测结果的描述统计 mg/kg

2.2 逐步线性回归方程建立

采用SPSS 22.0 统计学软件的数据处理模块对不同烟丝致香成分与清香感官评分进行分析[19]。将50种卷烟样品随机选取20种为训练集，其余30种样品为测试集。以20种训练集中的30种化学组分含量为自变量矩阵X，以清香评吸得分为因变量Y，进行逐步线性回归。当自变量的方程有效性F的概率值P≤ 0.05 时，自变量得到保留。反之，当自变量的方程有效性F的概率值P> 0.10时，自变量被剔除。最终X1～X23这23种化学组分得到保留。从表4可知，回归方程的决定系数R2= 0.942，调整决定系数R′2= 0.932，表明该回归方程具有优良的拟合效果。

表4 回归模型摘要

得到回归方程Y清香=–0.583X1–0.261X2–0.735

X3– 0.353X4– 0.301X5– 0.094X6+ 0.449X7+0.294X8+0.190X9+0.223X10+0.438X11+0.018X12+0.662X13+0.301X14+ 0.650X15+ 0.672X16– 0.783X17–0.457X18–0.295X19– 0.741X20– 0.613X21– 0.300X22–0.363X23+48.166。逐步回归方程的偏回归系数数值的大小直接反映生物碱对清香评分的影响程度，数值的正负可以反映对清香评分的影响是正效应还是负效应。因此，可知只有X7～X16这10种物质与清香评分呈现正相关，其中，X16的偏回归系数为正的最大，表明γ-十一内酯与清香评分的呈现最大正相关。其余13种物质与清香评分呈现负相关，X17的偏回归系数为负的最大，表明δ-十一内酯与清香评分的呈现最大负相关。

2.3 线性回归模型的验证

将测试集30种样品23种化学组分含量代入2.2中所建立的线性回归模型中算Y清香的数值，即为该种卷烟清香型的定量预测得分，并与感官评吸结果对比，如图1所示。菱形标记的曲线为回归方程预测得分，而方形标记为感官实际评吸得分。从图中可以看出，模型预测值与实际值误差较小，MAE值（平均绝对误差）为0.1007分，说明回归模型预测的卷烟清香风格特征感官评吸得分与实际评吸结果吻合度较好，对于清香这一感官品质指标具有较好的预测能力。

图1 测试集清香风格特征预测值与感官评吸值对比

2.4 回潮区温度对成品烟丝致香成分的影响

本文对同一品牌规格3种回潮温度(50 ℃、60 ℃、70 ℃)下的国内市售卷烟成品烟丝样品的致香成分进行了研究，实时数据的设定和记录由集团工艺质量云平台系统完成，并将测定结果带入清香风格特征模型，结果见表5，其中测定结果为50份样品结果的平均值。

表5 回潮区温度对烟丝样品致香成分的影响 mg/kg

从整体来看，随着回潮区温度的增加，烟丝中的致香成分含量均有相应的降低，烟丝的致香成分数目也有减少，其中 γ-辛内酯在50 ℃ 和60 ℃ 时仍存在，但含量较低，而70 ℃时则未检测到γ-辛内酯的存在。这可能因为某些致香成分在温度升高时会挥发或者发生变质。随着回潮区温度的增加，Y清香值降低，从2.978降低至2.790。因此，综合来看，设定回潮区温度为50 ℃更有利于得到感官评价更优的烟丝。

3 结束语

本文通过对卷烟烟丝中30种致香成分含量与卷烟清香风格特征的研究，筛选出了23种对卷烟的清香风格有影响的致香成分，同时建立了基于致香成分含量的清香风格特征感官评吸的预测模型，该模型能够较好地预测卷烟清香风格特征感官评吸得分。利用该模型，进一步研究了回潮区温度参数对清香评分的影响，结果表明回潮区温度控制在50 ℃时更有利于得到清香风格感官品质特征的卷烟，这对卷烟生产过程关于回潮温度参数的选择具有一定的指导意义。这也是行业首次利用回潮区温度参数对卷烟清香风格特征的感官品质进行定量预测研究，对其他香型模型的建立与卷烟制作过程中其他工艺参数的选择有实际的参考价值。