基于数字化调香技术的烟用表香香精开发与应用

蔡佳校，卢红兵，李燕春，钟科军，庹苏行，伍毅子，刘金云，杨华武，马 畛，谢圣林，孔 波

湖南中烟工业有限责任公司技术中心，长沙市雨花区劳动中路386 号 410007

卷烟调香技术是发展中式卷烟的核心要素。当前，卷烟调香工作主要依赖于调香师的经验和简单的理化指标分析，容易受制于调香师的嗅辨能力、个人偏好与调香习惯等因素，导致调香过程的随意性增加，结果缺乏重复性和可控性。此外，优秀调香师的培养周期也较长。随着香料产业和香料化学的发展，色谱、质谱以及计算机技术等在卷烟调香中得到了广泛应用［1-5］。另一方面，为提高自主研发能力，烟草行业也正积极探索现代调香技术体系。近年来，在研究运用先进分析手段结合计算机技术辅助解析烟用香精香料关键信息，利用先进调香技术为卷烟产品赋予独特香气风格及口味特征等方面也取得了积极进展［6-8］。陈爱明等［9］通过对烟用香精香料的色谱指纹图谱数据进行预处理和多元分辨，结合多种多元统计模式识别方法，开发了烟用香精香料指纹图谱质量控制系统。赵剑超等［10］采用GC-MS与“烟用香精成分剖析及计算机智能调香系统软件”相结合的方法，实现了对未知香精的定性及香味分析。孙琼等［11］采用GC-MS 分析方法和基于化学计量学建立的“烟用香精香料智能辅助调香系统”，结合气味特征和调香经验，对烟用香精进行仿配研究。孔波等［12］通过在计算机辅助烟用香精开发方面的研究积累，开发了集辨香、仿香、创香及烟用香精香料数据库于一体的“数字化调香专家系统”。该系统自2020 年在烟草行业开放运行以来，为相关研究人员提供了一个便捷高效的工具，有效提升了行业香精香料相关研究的效率及自主调香水平。

为进一步提高卷烟调香数字化应用水平以及新品卷烟表香香精的开发效率，本研究中拟采用GC-MS分析技术，结合“数字化调香专家系统”辅助，开展新品卷烟表香香精的开发。通过GC-MS 分析符合目标新品卷烟风格的通用功能性香基，利用“数字化调香专家系统”中的“辨香”和“仿香”功能开展通用功能性香基的仿香研究；再以成功仿制的香基为基本框架，借助“数字化调香专家系统”的“创香”功能，针对性开展具有品质提升作用的功能性香基自主创香研究；最终，根据感官评价结果，通过调整上述香基在表香香精中的用量，完成新品卷烟表香香精的开发，从而在确保产品风格延续的同时，实现对香精配方的全面自主掌控。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

7890-5975C 气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent 公司）；X3603SX 电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）；KBF720 恒温恒湿箱（德国Binder 公司）；一次性针头过滤膜（孔径0.45 μm，上海书培实验设备有限公司）。

通用功能性香基TYXJ-A、TYXJ-B 和TYXJ-C标样抽取自湖南中烟工业有限责任公司仓库最新一批自产原料；进行加香验证所用叶组配方由湖南中烟提供；辨香、仿香和创香过程中所用的香料和溶剂均为食品级。

1.2 方法

1.2.1 数字化调香专家系统

“数字化调香专家系统”由湖南中烟主持开发，该系统运用GC-MS指纹图谱解析、香韵轮廓对比等技术手段，建立了烟用香精感官信息与香料定量描述信息数据库的有效关联，搭建了“辨香子系统”“仿香子系统”和“创香子系统”等主要功能模块。系统将香精香料指纹图谱与化学计量学结合，通过精准剖析烟用香精组成，找到关键致香成分，实现“精准辨香”；通过智能学习算法学习调香师使用经验，结合天然原料特征峰数据，以快速实现目标香精配方仿制为目标，实现“智能仿香”；以烟草行业长期归纳总结的烟用香料嗅评数据和卷烟风格影响指数等信息为基础，利用计算机进一步学习成熟烟用香精配方的组成和功能等信息，不断优化完善创香模型，实现“数字创香”。系统分为桌面应用版和云应用版，已在烟草行业内网完成了统一部署和统一使用。

1.2.2 样品前处理

准确称取1.000 g待分析香精样品，用无水乙醇稀释至溶液质量为5.000 g，摇匀，静置后再经一次性针头过滤膜过滤后进行GC-MS分析。分析条件：

色谱柱：HP-5毛细管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；进样口温度：250 ℃；进样量：1 μL；分流比：15∶1；载气：高纯氦气（99.999%）；柱流量：1 mL/min；升温程序：；传输线温度：280 ℃。离子源：EI；电离能量：70 eV；离子源温度：230 ℃；四极杆温度：150 ℃；溶剂延迟：4.8 min；质量全扫描范围：33～400 amu。

2 结果与讨论

2.1 通用功能性香基仿香

由于拟开发的新品卷烟香精存在多种对卷烟香气风格影响较大的功能性香基，为保证该新品卷烟的香气风格接近传统品牌，拟借助“数字化调香专家系统”中的“辨香”和“仿香”功能，开展通用功能性香基TYXJ-A、TYXJ-B 和TYXJ-C 的仿香研究，以期使该品牌的固有香气风格在新品卷烟中得到延续。以通用功能性香基TYXJ-A的仿香为例。

2.1.1 GC-MS分析结果

将通用功能性香基TYXJ-A 的GC-MS 分析结果与NIST谱库进行匹配度检索，并结合色谱保留时间初步定性，结果见表1。该香基中共鉴定出28 种成分，主要包括酯类、醛类、酮类和醇类化合物等。

表1 通用功能性香基TYXJ-A的GC-MS分析结果Tab.1 GC-MS analysis results of commonly used functional base TYXJ-A

2.1.2 “数字化调香专家系统”辅助配方解析

“数字化调香专家系统”中的“辨香子系统”包括“色谱谱峰检测”“质谱数据解析”和“天然原料解析”等功能。色谱谱峰检测和质谱数据解析与GC-MS联用工作站的化学成分自动检索功能类似；天然原料解析是根据天然香料的特征峰信息，计算天然香料在香精中存在的可能性及其用量。

通过在系统中导入通用功能性香基TYXJ-A的GC-MS 数据，根据谱图特征设置相应参数后，分别进行“色谱谱峰检测”“质谱数据解析”和“天然原料解析”操作。系统首先对样品中的合成香料和天然香料进行定性分析，结合人工复核对定性结果进行修正，最后系统根据内置算法得到香基中各香料的大致质量浓度，形成初拟配方单（表2）。

表2 “数字化调香专家系统”初拟通用功能性香基TYXJ-A的配方单Tab.2 Formula of commonly used functional base TYXJ-A initially proposed by “Digital Perfumery Expert System”

在仿香过程中，建议先对系统推荐的配方单进行人工复核后再复配验证。主要是为了进一步明确原料组成，并根据标样的外观和嗅香特征优化合成香料和天然香料的用量比例。

人工复核的主要工作是通过天然香料特征峰精确比对和化学成分检索建立详细的成分溯源信息，从而优化香精配方解析结果。根据系统初拟的配方结果，需进行人工复核的天然香料分别为秘鲁浸膏、当归根油和香荚兰提取物（图1）。

图1 天然香料标准谱图与通用功能性香基TYXJ-A谱图比对Fig.1 Spectra of natural flavor standards and commonly used functional base TYXJ-A

由图1并结合表1中的保留时间数据可知，通用功能性香基TYXJ-A中苯甲酸苄酯和肉桂酸苄酯的色谱峰相对强度与秘鲁浸膏标准谱图较为接近；另外，橙花叔醇也仅出现一个峰（合成的橙花叔醇一般对应两个峰），结合TYXJ-A以膏甜香气为主的嗅香特征，可确定该香基中存在秘鲁浸膏且其为主要香料［13］。当归根油的主要成分和特征成分为藁本内酯，从表1 的GC-MS 分析结果来看，可以初步认定功能性香基TYXJ-A中含有少量当归根油。香荚兰提取物的标准谱图信息较少，特征成分为香兰素，而TYXJ-A 中香兰素质量浓度较高，因此通过化学成分比对难以确定是否含有香荚兰提取物。但是结合香基的外观和嗅香特征，香荚兰提取物有助于提高该香基的天然感和舒适感，在仿香过程中可添加适量香荚兰提取物用以调节嗅香特征。

最终，根据系统解析和天然香料比对结果，得到通用功能性香基TYXJ-A的成分溯源信息（表1）。

2.1.3 仿香香基复配验证及调整

以成分解析结果为基础，结合卷烟调香经验对表2的配方进行适当调整，得到仿香香基TYXJ-A-1的配方（表3）。

表3 仿香香基TYXJ-A-1的配方单Tab.3 Formula of imitated base TYXJ-A-1

按照表3配方调制小样，充分混匀并在常温下保存30 d后与通用功能性香基TYXJ-A标样同时进行GC-MS分析（采用水杨酸乙酯作为单点内标，内标质量百分数为0.1%），随后将GC-MS数据分别导入“仿香子系统”，对比分析两者的成分和质量浓度差异。

“仿香子系统”主要包括“内标峰高校准”和“香精差异辨析”等功能。内标峰高校准是指将目标香精和仿香香精中同一内标物的色谱峰对齐，并将峰高校准到同一水平。“香精差异辨析”是指将目标香精和仿香香精中相同成分的质量浓度进行对比，并反馈差异结果。

通过运行“仿香子系统”相关功能，得到仿香香基TYXJ-A-1 和目标功能性香基的色谱相似度为91.3%，两种香基中对应成分的质量浓度差异见表4。

表4 仿香香基TYXJ-A-1与通用功能性香基TYXJ-A相同成分的质量浓度差异结果Tab.4 Concentration differences for the same components between imitated base TYXJ-A-1 and commonly used functional base TYXJ-A

进一步将仿香香基TYXJ-A-1与通用功能性香基TYXJ-A 以香韵轮廓法［14］进行嗅香轮廓比对，结果见图2。可知，仿香香基TYXJ-A-1与通用功能性香基TYXJ-A 主体香韵类型基本一致，但整体香气强度偏弱，香气自然感有所欠缺。其中，甜香、烘焙香和焦香香韵强度明显不足，奶香和豆香香韵稍弱。

图2 仿香香基TYXJ-A-1与通用功能性香基TYXJ-A的嗅香轮廓对比Fig.2 Olfactory profiles between imitated base TYXJ-A-1 and commonly used functional base TYXJ-A

综合“仿香子系统”的差异辨析和香基嗅香比对结果，将仿香香基TYXJ-A-1 配方中的各香料用量乘以表4中对应原料的差异倍率（其中，天然原料以主要特征成分的差异倍率为参考依据），适当取整后得到新的配方用量。进一步结合调香经验和嗅香评价结果，对部分香料进行用量优化，得到新的仿香香基TYXJ-A-2配方（表5）。

表5 仿香香基TYXJ-A-2配方单Tab.5 Formula of imitated base TYXJ-A-2

按照表5 配方调制小样后再次与通用功能性香基TYXJ-A以香韵轮廓法进行感官嗅香比对，结果见图3。可知，仿香香基TYXJ-A-2与通用功能性香基TYXJ-A 的主体香韵类型和整体香气强度基本接近，嗅香以甜香、膏香和烘焙香为主，辅以奶香、焦香和树脂香等，头香、体香和基香较为均衡，香气协调性和舒适性较好，留香持久。

图3 仿香香基TYXJ-A-2与通用功能性香基TYXJ-A的嗅香轮廓对比Fig.3 Olfactory profiles of imitated aromatic base TYXJ-A-2 and commonly used functional base TYXJ-A

将仿香香基TYXJ-A-2 与通用功能性香基TYXJ-A分别加入同一加料未加香烟丝中，加香比例为0.01%（质量百分数，下同），加香后置于恒温恒湿箱密封存储6 h再卷制成烟支。以中式卷烟风格感官评价方法［15］对上述2种样本进行加香效果评价，得到仿香香基TYXJ-A-2与通用功能性香基TYXJ-A的加香风格特征和加香品质特征比对结果（图4～图5）。

图4 仿香香基TYXJ-A-2与通用功能性香基TYXJ-A的卷烟加香风格特征对比Fig.4 Cigarette flavoring style characteristics of imitated base TYXJ-A-2 and commonly used functional base TYXJ-A

图5 仿香香基TYXJ-A-2与通用功能性香基TYXJ-A的卷烟加香品质特征对比Fig.5 Cigarette flavoring quality characteristics of imitated base TYXJ-A-2 and commonly used functional base TYXJ-A

从图4和图5可以看出，仿香香基TYXJ-A-2与通用功能性香基TYXJ-A在卷烟加香风格特征和品质特征方面无明显差异。同时，通过“数字化调香专家系统”中的“相似度计算”功能进行比对（扣除主要溶剂峰），仿香香基TYXJ-A-2 与通用功能性香基TYXJ-A的相似度为97.8%。综合上述结果，仿香香基TYXJ-A-2可用于替代老产品中使用的TYXJ-A，可以认为已较好地完成仿香作业。

以果香、清甜香和药草香为主体香韵的通用功能性香基TYXJ-B 及以酸香、甜香和可可香为主体香韵的通用功能性香基TYXJ-C对卷烟品牌风格的影响也较大。参照上述仿香过程，分别实现了其仿香工作，并将2种仿香香基分别命名为TYXJ-B-2和TYXJ-C-3。

2.2 表香香基的创香

根据拟开发新品卷烟的内在品质设计目标，本款产品需要在保持该品类卷烟传统风格及品质特征的同时，有更加充足饱满的香气量和更强的满足感。因此，尝试借助“数字化调香专家系统”的创香功能开发3种分别以增香增浓、强化果香和提调清甜为主要功能的香基，以提升新品卷烟的内在品质。

“创香子系统”具有一定的自主创香功能。其自主创香的模式主要是依据香料数据信息，结合内置的调香理论及经验配方，根据用户需求，采用智能算法推荐一系列香精配方供筛选调整，有助于提高烟用香精的创制效率。

根据开发需求，首先以增加香气厚实感和香气丰富性及提高香气质为共同创香目标，通过对“创香子系统”智能生成的一系列配方单进行初步筛选，得到创香香基CXXJ-A的配方（表6）。

表6 “创香子系统”推荐的创香香基CXXJ-A的配方Tab.6 Formula of created base CXXJ-A recommended by “Flavor Creation Subsystem”

以系统推荐的配方为参考，拟定增香增浓香基配方的思路：以烟草精油和杂环类香料为骨架，用以提升卷烟香势；辅以β-二氢大马酮和茄酮等与烟香较协调的香料，用以丰满香气；以低碳酯类、6-甲基-5-庚烯-2-酮和香叶基丙酮等具有新鲜果香类香气的原料透发圆润香气。进一步结合调香实践经验，根据卷烟加香评价效果针对性调整配方原料及用量，最终得到创香香基CXXJ-AA 的配方（表7）。该香基的卷烟加香风格与拟开发新品较为契合，且具有显著的增香、增浓和提升香气质的功能。

表7 创香香基CXXJ-AA的配方单Tab.7 Formula of created base CXXJ-AA

依托“创香子系统”，完成了以果香、豆香和甜香为主体香韵，具有强化果香功能的创香香基CXXJ-BB及以清甜香和果香为主体香韵，具有提调清甜香韵作用的创香香基CXXJ-CC的自主创制工作。

2.3 表香香精的整体优化

结合品牌风格彰显及拟开发新品卷烟的品质设计目标，借鉴传统表香配方经验，初步拟定表香1#的配方（表8）。

表8 表香1#的配方单Tab.8 Formula of top flavorant 1#

在实验室进行人工加香并卷制后进行感官评价，卷烟烟支嗅香及感官评吸结果表明，加香烟支的嗅香接近该新品所属品类卷烟的传统风格，清香和果香略微明显；感官评吸方面以烤烟烟香、清甜香和烘焙香为主体香韵，兼有焦甜香、果香、辛香和木香等，整体香气较协调，基本延续了该品类产品的传统风格特征；香气质感优雅，香气量较充足丰满，烟气状态良好，无明显刺激，余味干净、回甜感好，但满足感有待进一步加强。

根据表香1#的加香评吸结果，结合各香基的功能作用，对整体配方进一步优化完善，以增强香气量和满足感，使最终产品更符合设计初衷。经试验调整后得到表香2#的配方（表9）。

表9 表香2#的配方单Tab.9 Formula of top flavorant 2#

对表香2#配方进行叶组加香评价，结果表明，施加该香精后，卷烟嗅香和评吸风格特征与该品类卷烟产品传统风格基本接近，香气质感优雅，香气量饱满，烟气状态蓬松，无明显刺激，余味干净、回甜感好。卷烟抽吸时整体轻松感、愉悦感和满足感较好，基本达到本款产品的品质设计目标。

3 结论

采用数字化调香技术结合卷烟调香理论及实践经验的方式，在提高烟用表香香精开发效率的同时，也有助于实现对新品卷烟表香香精配方的完全自主掌控：①依托“数字化调香专家系统”的“辨香”和“仿香”功能，在GC-MS 分析结果基础上，实现了以甜香、膏香和烘焙香为主体香韵的通用功能性香基TYXJ-A，以果香、清甜香和药草香为主体香韵的通用功能性香基TYXJ-B 和以酸香、甜香和可可香为主体香韵的通用功能性香基TYXJ-C 的仿制，所仿制的香基可较好地替代原香基；②以“创香子系统”智能推荐的相关功能性香基配方为参考，进一步结合调香实践经验和卷烟加香评价效果，实现了增香增浓香基CXXJ-AA、强化果香香基CXXJ-BB 和提调清甜香基CXXJ-CC的自主创香；③以仿制的香基为主要框架，以创香香基为功能性辅助，完成了既能有效彰显品牌风格，又具有较好品质提升作用的新品卷烟表香香精全配方的开发。