两种雪茄烟分段烟气香气成分及香气特征差异分析

杨淋,刘路路,姬凌波,姜晨曦,蒋忠荣,杨振,徐恒,胡军,

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院,河南 郑州 450001;

2.四川中烟工业有限责任公司 雪茄烟技术创新中心,四川 成都 610101;

3.四川中烟工业有限责任公司 技术中心,四川 成都 610066

0 引言

雪茄烟是一种拥有独特香味和文化属性的烟草制品,因具有香气醇厚丰富、劲头大、吃味浓、焦油含量低等特点而备受关注[1-2]。香气特征是雪茄烟品质的核心部分,香气成分构成是雪茄烟香气特征和感官品质的物质基础。近年来,有关雪茄烟香气成分的报道主要涉及不同产地、品种雪茄烟叶致香成分差异性分析[3-7],种植、采收、晾制、发酵技术对雪茄烟叶致香成分的影响[8-15],以及成品雪茄烟烟叶香气成分分析[16-18],而有关雪茄烟烟气中香气成分分析的报道较为少见。

在抽吸过程中雪茄烟的风味是变化的,普通的茄客们在抽吸时也会对雪茄烟前、中、后段的抽吸感觉进行描述性评价,一些雪茄烟品鉴专家组在感官评吸时开展了关于雪茄烟前、中、后段香气变化的评价,文献[19]提出了丰富性这一评价指标,主要反映雪茄烟前、中、后段香气的层次变化。然而,有关雪茄烟前、中、后段烟气香气成分构成特点及其变化趋势鲜见报道。

鉴于此,本文拟以蒙特4号和长城2号为研究对象,采用GC-MS联用技术对前、中、后3段烟气香气成分构成特点进行分析,进而结合感官评价和气味贡献权重对其香气特征进行研究,并通过偏最小二乘判别分析(PLS-DA)法筛选抽吸过程中引起香气特征变化的关键差异香气成分,以期为雪茄烟的风格特征强化和新产品开发提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

主要材料:长城2号(长度130 mm,环径43 mm,出厂年份2019年),四川中烟工业有限责任公司;蒙特4号(长度129 mm,环径42 mm,出厂年份2018年),古巴雪茄有限公司。

主要试剂:二氯甲烷(色谱纯),德国Merck公司;丙酸苏合香酯(纯度98%,内标)、(E)-3-己烯酸(纯度98%,内标),美国Acros Organic公司;C7—C30饱和烷烃(混标)、乙酸(纯度99%)、异戊酸(纯度98%)、3-甲基戊酸(纯度97%),美国Sigma Aldrich公司;2,3-丁二酮(纯度98%)、异戊醛(纯度98%),中国J&K公司;2-甲基丁醛(纯度98%)、丙酸(纯度99%)、辛酸(纯度98%)、苯甲酸(纯度99%)、肉豆蔻酸(纯度99%)、棕榈酸(纯度97%),日本TCI公司;N,O-双(三甲基硅基)三氟乙酰胺(BSTFA,纯度>99%),美国 Regis Technologies公司。

主要仪器:7895A/5957C 型气相色谱-质谱联用仪,美国Agilent公司;SM410-CV型雪茄烟吸烟机,英国Cerulean公司;HY-5型振荡器,金坛中大仪器厂;ME204电子天平(感量0.000 1 g),瑞士Mettler Toledo公司;R-210型旋转蒸发仪,瑞士Büchi公司;0.22 μm滤膜,中国天津津腾公司。

1.2 实验方法

1.2.1 雪茄烟分段感官评价以坚果香、豆香、咖啡香、可可香、木香、辛香、果香、清甜香、焦甜香、蜜甜香、花香、奶香、树脂香、干草香、皮革香15种香气为评价指标,由6位评吸专家对两种雪茄烟的分段烟气进行打分并计算各单项指标平均得分,采用5分制,0～5分分别代表无、弱、较弱、中等、较显著、显著6个香气层级。

1.2.2 雪茄烟分段抽吸方法按照文献[20]的要求,将雪茄烟样品置于温度(22±2) ℃、相对湿度(60±5)%的环境中平衡72 h以上。按照文献[21]的要求,标记烟蒂长度,根据雪茄烟直径计算抽吸容量并准备夹持器,抽吸间隔为40 s,抽吸持续时间为1.5 s,在此条件下,用剑桥滤片捕集3支雪茄烟分段烟气(如图1所示)的粒相物,将3支雪茄烟的前、中、后段烟气分别捕集在3张滤片上,待测。

图1 雪茄烟分段示意图Fig.1 Schematic diagram of cigar segmentation

1.2.3GC-MS检测方法基于酸性化合物检测的样品前处理:雪茄烟抽吸完毕后,取一张剑桥滤片置于100 mL具塞锥形瓶中,加入20 mL二氯甲烷、300 μL质量浓度为1.16 mg/mL的(E)-3-己烯酸溶液,振荡萃取30 min,将萃取液经针式过滤器过滤后,取1 mL置于色谱瓶中并加入100 μL BSTFA,于60 ℃水浴条件下衍生50 min,待冷却后进样,平行测定3次。

基于其他化合物检测的样品前处理:雪茄烟抽吸完毕后,取一张剑桥滤片置于100 mL具塞锥形瓶中,加入20 mL二氯甲烷、300 μL质量浓度为0.92 mg/mL的丙酸苏合香酯溶液,用密封膜密封,振荡萃取30 min,将萃取液浓缩至1 mL,用滤膜过滤后进行GC-MS分析,平行测定3次。GC-MS检测条件如下。

1)GC条件。酸性化合物:进样量为1 μL,进样口温度为270 ℃,分流比为10∶1;载气为氦气,流速1 mL/min。色谱柱为DB-5 MS石英毛细管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm);程序升温起始温度为50 ℃,以4 ℃/min的速率升温至280 ℃,保持5 min。

其他化合物:进样量为1 μL,进样口温度为270 ℃,分流比为10∶1;载气为氦气,流速为1 mL/min。色谱柱采用两种不同极性色谱柱,DB-5 MS石英毛细管柱 (60 m×0.25 mm×0.25 μm),程序升温起始温度为50 ℃,以2 ℃/min的速率升温至250 ℃,再以5 ℃/min的速率升温至280 ℃,保持5 min;DB-FFAP毛细管柱 (60 m×0.25 mm×0.25 μm),程序升温起始温度为50 ℃,以5 ℃/min的速率升温至110 ℃,再以2 ℃/min的速率升温至230 ℃,保持10 min。

2)MS条件。采用电子轰击离子源(EI),电离能量为70 eV;离子源温度为230 ℃;传输线温度为290 ℃;扫描方式为全扫描;扫描范围为35～400 amu;溶剂延迟时间分别为DB-5 MS柱5 min,DB-FFAP柱8 min。

3)定性定量分析。MS结果通过与NIST17谱库比对检索,结合保留指数、标品进样等信息对化合物定性,定量方法为相对定量,假定校正因子为1,计算方法见下式:

式中:ρa为化合物的释放量/(μg·g-1);CIS为内标物的体积浓度/(mg·mL-1);VIS为内标物的体积/μL;AIS为内标物的峰面积;Aa为挥发性成分峰面积;Mt是燃烧前雪茄烟质量/g;Mb是燃烧后所剩烟蒂的质量/g。

1.2.4 气味贡献权重分析雪茄烟风味特征的形成不完全取决于香气成分释放量水平,还与该成分的嗅觉阈值相关,通常具有较高气味活度值的香气成分能赋予烟气更多的香气特征[22]。为描述雪茄烟分段烟气的风味特征变化,依据气味活度值理论,基于香气成分释放量数据,结合化合物嗅觉阈值信息[23-25],计算每种香气成分的气味活度值,并根据化合物的气味属性进行分组,得到气味特征贡献占比,对抽吸过程中雪茄烟气味贡献权重的变化进行分析与讨论。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据统计;采用OriginPro 2021进行图形绘制;采用SPSS 23.0进行单因素方差分析(Analysis of Variance,ANOVA);采用SIMCA 14.1软件进行PLS-DA分析,计算预测变量重要性投影 (Variable Importance in Projection,VIP);采用TBtools绘制热图。

2 结果与讨论

2.1 感官评价结果

雪茄烟分段烟气感官评价雷达图如图2所示。由图2可知,在持续的抽吸过程中,长城2号中豆香、木香、花香减弱,咖啡香增强;蒙特4号中豆香、坚果和皮革香减弱,而辛香和焦甜香增强,抽吸过程中雪茄烟香气特征呈现动态变化。进一步比较两种雪茄烟的香气特征差异发现,长城2号微带花香,坚果香香气特征更强;蒙特4号辛香和皮革香香气特征更强。

图2 雪茄烟分段烟气感官评价雷达图Fig.2 Radar charts for sensory evaluation of segmented smoke of cigars

2.2 雪茄烟分段烟气香气成分的变化

雪茄烟分段烟气中香气成分分析结果如表1所示。由表1可知,两种雪茄烟烟气中共检出95种香气成分,包括醇类化合物4种、酮类化合物20种、醛类化合物3种、酚类化合物8种、酸类化合物11种、酯类化合物4种、生物碱类化合物6种、杂环类化合物27种、烯烃类化合物5种和烷烃类化合物7种。其中长城2号前、中、后3段烟气中分别检出83种、87种和93种香气成分,蒙特4号前、中、后3段烟气中分别检出84种、88种、94种香气成分。部分杂环类化合物如2-甲基吡嗪、2-乙基吡嗪、2,3-二甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、2,6-二甲基吡啶在两种雪茄烟前段和中段烟气中均未检出,在后段烟气中虽检出但释放量较低。长城2号分段烟气总释放量高于蒙特4号,两种雪茄烟分段烟气释放量由高到低均为后段>中段>前段。各类化合物释放量在抽吸过程中整体逐渐增大,这主要是抽吸过程中烟气路径变短,对烟气成分的截留作用减弱导致的[26]。其中雪松醇释放量呈现下降趋势,这可能是因为在存放过程中,雪茄烟逐渐吸收了盒子中雪松木片的油脂(主要成分为雪松醇)[27],在其燃烧过程中,雪松醇在高温下发生逸散。

表1 雪茄烟分段烟气中香气成分分析结果Table 1 Comparison of the release of aroma components in segmented smoke of cigars

续表1

图3 雪茄烟分段烟气中香气种类释放量占比Fig.3 Percentage of release of each aroma species in segmented smoke of cigars

雪茄烟分段烟气中香气种类释放量占比如图3所示。由图3可知,长城2号烟气中生物碱释放量占比(约52.00%)高于蒙特4号(约43.00%),其中释放量最高的烟碱直接影响雪茄烟的生理强度和刺激性。酸类化合物可以调节烟气的酸碱度,降低烟气的刺激性,蒙特4号烟气中酸类化合物释放量占比(约30.00%)高于长城2号(约25.00%),且具有焦甜香的糠酸只在长城2号中被检出。蒙特4号中烯烃类化合物释放量占比(约7.00%)高于长城2号(约4.00%),这主要是具有柔和烟气、减轻刺激性作用的新植二烯的释放量差异较大所致。蒙特4号中醇类化合物雪松醇的释放量显著高于长城2号,与于航等[4]的研究结果不一致,这主要是因为于航等比较的是9种国产雪茄烟与24种古巴雪茄烟的平均值,从单一种类来看,也存在古巴雪茄烟雪松醇释放量高于国产雪茄烟的情形。

抽吸过程中生物碱释放量占比呈现增加的趋势,长城2号由前段的51.72%分别提升至中后段的52.03%和52.41%,蒙特4号则由39.24%分别提升至44.95%、45.28%。醇类化合物释放量占比呈现递减的趋势,而醛类化合物释放量占比呈现递增的趋势。由于各种化合物的沸点和结构差异,烟支路径对其截留效果不同,因此在前、中、后段烟气中,各类化合物释放量占比的变化反映了雪茄烟分段烟气中化学成分组成的变化,也是雪茄烟前、中、后段香气特征差异的物质基础。但各类化合物释放量占比变化不能完全解释雪茄烟3段烟气的感官评价结果差异,如生物碱释放量占比在3段中的变化较小,然而在雪茄烟实际抽吸过程中(尤其是在抽吸后段时),生物碱的苦味感会不断增强,造成这种差异的原因是,在抽吸过程中各类化合物(包括生物碱)的释放量是增加的,但部分化合物(如释放量较高的棕榈酸)能够通过调节烟气的酸碱性降低其刺激性,间接对感官评价结果造成影响。因此,雪茄烟抽吸时的实际感受除了与化合物的释放量有关,还与化合物的阈值有一定关系。

2.3 雪茄烟分段烟气香气特征分析

雪茄烟分段烟气气味贡献权重结果如表2所示。由表2可知,长城2号中花香贡献权重高于蒙特4号,长城2号中重要花香物质香叶基丙酮的香气活度值(由表1释放量和阈值计算得到)显著高于蒙特4号,使长城2号略带花香;蒙特4号中木香贡献权重高于长城2号,这是因为蒙特4号中雪松醇的释放量显著高于长城2号。

在所有的分段烟气中,烟熏香的气味贡献度最大,且在两种雪茄抽吸过程中其贡献占比均呈现增大的趋势。烟熏香主要来源于烟气中的酚类化合物(如对甲酚、邻甲酚、4-乙基苯酚等),在烟草制品中该香韵过于强烈,因些在感官评吸时往往将其作为背景而不作为评价指标[28]。除烟熏香之外,气味贡献度较大的为木香,在雪茄烟抽吸过程中其贡献权重逐渐降低,这与感官评价中长城2号木香随抽吸过程减弱的结果一致,产生木香的主要化合物是雪松醇,其具有比较温和的木香香气。辛香通常是指香料的香气,略带辛辣味,其贡献权重在蒙特4号中逐渐增大,与感官评价的结果一致。在两种雪茄烟中豆香贡献权重均呈现下降趋势,与感官评价的结果一致。焦甜香是感官评价中比较突出的香气特征,且在两种雪茄烟抽吸中香气越来越突出,但其OAV值和贡献权重较低,分析原因可能是释放量较低且嗅觉阈值也极低的焦甜香化合物未能被准确地检出。坚果香在两种雪茄烟抽吸过程中贡献权重均逐渐增大,而感官评价中坚果香均减弱,咖啡香呈现增加或保持不变的趋势,这种差异产生的主要原因是坚果香中主要贡献化合物是2-甲基丁醛,它是美拉德反应过程中产生的小分子Strecker醛类物质,具有咖啡香、可可香和坚果香,但在进行气味属性分组时仅简单将其归入坚果香组内,这与实际感官感受存在差异。感官评价与香气特征分析结果不完全一致,推测原因是OAV的计算是基于化合物释放量与嗅觉阈值,而感官评价是所有化合物综合作用的结果,不同香气成分之间可能存在协同或抑制作用[29-30]。

2.4 雪茄烟分段烟气中关键差异香气成分筛选

为明确雪茄烟抽吸过程中引起香气特征变化的关键香气成分,本研究基于雪茄烟香气成分的释放量,采用PLS-DA进行分析,结果见图4。由图4可知,两种雪茄烟的3段烟气均能达到显著分离。建立的关于长城2号的PLS-DA模型的R2X(自变量拟合指数)、R2Y(因变量拟合指数)和Q2(模型预测能力)分别为 0.933、0.989 和 0.922,建立的关于蒙特4号的PLS-DA模型的R2X、R2Y和 Q2分别为 0.910、0.991 和 0.964,两个模型的R2和Q2均超过0.5,表示模型拟合结果可靠。经过200次置换检验,Q2回归线与纵轴的相交点小于0,说明该模型不存在过拟合现象,较可靠,可进行差异化合物筛选。

表2 雪茄烟分段烟气气味贡献权重Table 2 Weighting of odor contribution in segmented smoke of cigars %

图5 雪茄烟分段烟气关键差异香气成分相对含量热图Fig.5 Heat map of key differential aroma components in segmented smoke of cigars based on the relative compound content

当变量投影重要性值(VIP)大于 1 时,表明变量对整体的贡献度较大。以VIP>1.00、P<0.05和OAV>1.00为标准,筛选出雪茄烟分段烟气关键差异香气成分,其相对含量热图如图5所示。由图5可知,对长城2号模型分组贡献较大的差异香气成分有12种,分别为γ-己内酯、糠酸、2,6-二甲基吡嗪、丙酸、苯乙酮、苯乙酸、乙酸、2,4-二甲基苯酚、4-甲基苯乙酮、苯乙醇、2-戊酮、γ-壬内酯;对蒙特4号模型分组贡献较大的差异香气成分有11种,分别为辛酸、雪松醇、邻甲酚、γ-壬内酯、2,3-戊二酮、2-甲基丁醛、4-乙烯基愈创木酚、4-乙基苯酚、2,3,5-三甲基吡嗪、3-羟基-2-丁酮、愈创木酚。

这些差异香气成分是雪茄烟香气特征变化的关键香气物质。在感官评吸中,蒙特4号还呈现出皮革香减弱,但在关键差异香气成分中没有直接体现,因为皮革香不是一种单一的香气,而是复杂的混合香,如木香、烟熏味混合香调或烟草味、动物味混合香调,在蒙特4号分段烟气的关键差异香气成分中有大量烟熏香和木香成分,因此推测蒙特4号中的皮革香与木香和烟熏味成分有关。

3 结论

本文测定了两种具有一定代表性、尺寸较为相近的雪茄烟(长城2号、蒙特4号)的分段烟气中香气成分释放量,结合感官评价结果和气味贡献权重分析,通过PLS-DA探究其抽吸过程中香气成分的变化规律,解析香气特征变化原因。结果表明:1)随着抽吸的进行,烟支变短,截留效果减弱,醇类、酮类、醛类、酚类、酸类、酯类、生物碱类、杂环类、烯烃类和烷烃类化合物释放量在抽吸过程中均逐渐增大。由于化合物的沸点和结构不同,截留效果不同,分段烟气中各类化合物的占比不断发生变化,是雪茄烟3段烟气特征差异形成的物质基础。2)长城2号分段烟气的豆香和木香贡献权重减弱,咖啡香贡献权重增强,蒙特4号分段烟气的豆香贡献权重减弱,辛香贡献权重增强,这些气味贡献权重变化与感官评价结果具有一致性。3)雪茄烟前、中、后段烟气香气特征具有明显差异,引起长城2号香气特征变化的是γ-己内酯、糠酸、苯乙酮、苯乙酸、2,6-二甲基吡嗪等12个关键差异香气成分,引起蒙特4号香气特征变化的是雪松醇、2-甲基丁醛、4-乙烯基愈创木酚、愈创木酚、γ-壬内酯等11个关键差异香气成分。

本研究结果有助于了解雪茄烟抽吸过程中香气成分的构成,并进一步加深对该过程中香气特征变化的认识。未来可通过烟叶配伍、烟叶种植、调制、发酵等技术优化国产雪茄烟气中生物碱类、酸类化合物与新植二烯的比例,强化关键差异香气成分,以进一步提高国产雪茄烟品质。