基于HS-GC-IMS分析爆珠香精挥发性风味成分差异

金 强，孙学锋，唐 伟，胡玉轩，罗 亮，陆 飞，廖惠云

（1.南通烟滤嘴有限责任公司，江苏 南通 226014；2.江苏中烟工业有限责任公司，江苏 南京 210019）

烟用爆珠是卷烟材料常见的一种加香载体，因其不参与燃烧，没有裂解产物，滤嘴对香精的截留少，具有改善吃味、可赋予卷烟独特的特征香气风格及固香期长等显著特点，在卷烟工业企业得到广泛应用［1-2］。目前，通过气相色谱（GC）、气相色谱-质谱（GC-MS）、紫外光谱、吹扫捕集-气相色谱质谱-嗅闻仪（GC-MS/O）联用法及相关技术可对烟用爆珠中的香气成分进行分析［3-6］，但上述方法用于含有复杂未知成分的烟用爆珠检测费时费力，且成本较高，不适用于香气特征及整体风味的及时评价，无法快速有效地指导样品的一致性检测判定。由于不同批次烟用爆珠内容物香精存在波动，进而会影响爆珠香气、感官质量的稳定性。目前，爆珠的感官评价采用先制成爆珠滤棒，再接装卷烟进行人工评吸的方法，无法满足爆珠及时准确的生产过程品质控制及产品交收检验要求。因此，亟待建立一种快速、便捷、准确的烟用爆珠风味差异分析方法，用于爆珠香气质量的快速判定。

气相色谱-离子迁移谱（GC-IMS）融合气相色谱（GC）和离子迁移谱（IMS）各自的优势，满足高分离度与低检出限的分析要求［7］，不需要复杂甚至无需预处理样本即可分析液体和固体样本顶空的挥发物［8］。对于基质复杂的样品，由于其无需复杂的样品前处理，具有简便快捷、灵敏度高、鉴别精度高、结果可视化等优点，GC-IMS已在食品等领域得到一定应用［9-11］，而目前在烟草中的应用不多，主要用于卷烟、烟叶鉴别以及赋香卷烟纸分析等［12-15］。本研究采用顶空气相色谱-离子迁移谱（HS-GC-IMS）定性分析烟用爆珠中的香气风味成分，并通过感官评价结合多元统计分析，建立一种适合批量快速分析不同批次烟用爆珠风味差异的方法，为HS-GC-IMS在烟用爆珠香气风味分析、产品风味设计、香气品质判定控制及评价中的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

1.1.1 材 料不同批次烟用清新玫瑰爆珠样品1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#和8#（南通烟滤嘴有限责任公司），其中样品1#为原样，2#、4#、6#、7#、8#为不同批次生产的爆珠样品，3#和5#为仿配香精制成的爆珠样品（储存时间间隔6个月），8种爆珠样品的各项物理指标均符合企业标准要求。每组样品分别取2个重复，编号为A和B。

1.1.2 仪 器气相离子迁移谱FlavourSpec®风味分析仪（德国G.A.S. 公司）；CP2245 型电子天平（感量0.000 1 g，德国Sartorius公司）。

1.2 样品处理

8 种清新玫瑰爆珠样品分别随机取10 粒放入20 mL 顶空瓶中，挤爆，60 ℃孵化10 min 后，经顶空进样，用气相离子迁移谱FlavourSpec®风味分析仪进行风味分析。

1.3 分析条件

色谱柱：SE54（15 m×0.53 mm×0.5 µm），色谱柱温度为40 ℃，进样口温度为80 ℃；迁移管温度为45 ℃；漂移气和载气为高纯氮气；漂移气控制模式：恒流模式，流速：150 mL/min；载气流速：起始流速2 mL/min，2～15 min线性上升至100 mL/min，15～25 min维持150 mL/min。

1.4 感官评价

卷烟样品制备：分别将8种烟用爆珠样品制成中支爆珠滤棒，再分别将8种爆珠滤棒接装成中支卷烟。对接装卷烟进行感官质量评价［16］，进一步采用香味轮廓法评价不同清新玫瑰爆珠在卷烟中的应用效果［17-18］。由感官评吸成员讨论并确定清新玫瑰爆珠样品在卷烟中的呈香属性，分别为花香、木香、果香、青香、甜香和酒香。

1.5 数据处理与分析

采用Laboratory Analytical Viewer和GC×IMS Library Search Software分析软件，得到样品中挥发性有机物的差异谱图，再通过自带的NIST和IMS数据库进行定性分析。采用IBM SPSS Statistics V29专业版进行单因素方差分析（ANOVA），采用SIMCA 14.1进行主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）。利用Unscrambler 10.4软件通过偏最小二乘回归法（PLSR）分析香味物质与感官香韵属性之间的相关性。

2 结果与讨论

2.1 爆珠样品在卷烟中的感官特征分析

通过对清新玫瑰爆珠样品制备的卷烟进行感官评吸（如图1），发现爆珠样品在卷烟中的风格特征主要以花香、果香、木香为主，并辅以一定的青香、甜香与酒香香韵。比较各香韵属性间差异发现：8种样品在花香和果香属性上具有显著差异（p＜0.05），其余香韵无显著差异，其中1#和6#样品表现出较强的花香味，3#和5#样品的果香香韵明显高于其他样品，2#、4#、7#和8#样品的酒香香韵高于其他样品，且具有较为接近的青香韵。综合比较整体的香味轮廓图，可以看出同一规格不同批次的样品（1#、2#、4#、6#、7#、8#）香气风格较接近，但在一些香味属性强度上存在明显差异；仿配样品3#和5#的香韵属性较为接近，但与其他样品在风格上具有一定差异。

图1 不同爆珠卷烟样品的香味轮廓评价Fig.1 Aroma profile evaluation of different cigarette samples

爆珠样品对卷烟感官质量的影响如表1 所示，清新玫瑰爆珠中的花香韵及果香韵对卷烟烟香、整体谐调性具有较为明显的促进作用。其中，不同批次的爆珠样品（2#、4#、7#、8#）的香气特征较为接近；而1#、6#与经仿配处理的爆珠样品3#、5#在感官质量上更为接近。

表1 不同卷烟样品的感官评价结果Table 1 Results of sensory evaluation of different cigarette samples

2.2 爆珠香精的GC-IMS谱图分析

利用GC-IMS分析爆珠样品挥发性组分的差异，结合以上感官分析结果，选取3个代表性爆珠样品（1#、2#、3#）的GC-IMS谱图，如图2所示。挥发性成分的含量可通过颜色深浅表示，颜色越深代表该成分的含量越高，整个谱图代表爆珠样品的全部顶空成分。结果显示，不同爆珠中的挥发性成分在25 min 内可实现GC 分离，且不同样品间的含量存在一定差异。图2 显示3 个爆珠样品中挥发性组分存在差异，其中，仿配爆珠样品3#中挥发性组分的种类和浓度明显多于样品1#和2#。

图2 烟用爆珠样品的气相离子迁移谱图Fig.2 GC-IMS chromatograms of cigarette breakable capsules

利用FlavourSpec®仪器自带的数据库及软件进行定性分析，从3 个不同爆珠样品中鉴定出挥发性成分单体及部分物质的二聚体共59种，其中34种因缺少标准品或数据库更新问题无法定性，可明确定性的主要挥发性风味组分有22 种。由表2 所示，爆珠样品中可识别的挥发性化合物包括：醇类8 种、酯类3种、酮类3种、醛类3种、烯烃类3种、酸类1种、吡嗪类1种，主要挥发性成分为芳樟醇、α-萜品醇、桉叶油醇、苯乙酮、糠基硫醇、2-甲基丁酸乙酯、环己酮、正己醇、正丙醇、正丁醇、正辛醛、乙酸乙酯等。其中，样品中含量较高的芳樟醇、2-甲基丁酸乙酯、苯乙酮及萜烯类等属于具有明显香气特征的化合物［19-20］。如芳樟醇有紫丁香、玫瑰和铃兰的花香气息，是玫瑰香型天然原料及香精中的关键香气成分；2-甲基丁酸乙酯具有青香、花香、甜的果香，可增强花香型香精的清新及果甜感。

表2 3种样品的主要挥发性成分Table 2 Main volatile compounds of 3 samples

2.3 爆珠中挥发性成分的指纹图谱及PCA分析

为研究爆珠中挥发性风味物质的种类和含量差异，选取待分析区域，建立指纹图谱。如图3所示，每一行为同一样品所在区域，每一列为不同样品间同一区域的对比。由图3 可知：A 区域中爆珠样品1#、6#与其他样品在挥发性成分含量上有明显差异；B 区域中爆珠样品2#、4#的挥发性成分数量明显少于其他5个样品；C 区域中8个爆珠样品的共有挥发性成分较为一致，但在含量上有差别；D 区域中爆珠样品3#、5#的挥发性成分一致，而样品2#、4#、6#、7#和8#的挥发性成分一致；E 区域中爆珠样品3#、5#的挥发性成分一致。指纹图谱显示：1#和6#样品中的辛醛、苯乙酮、环己酮、2-甲基丁酸乙酯、桉叶油醇、α-萜品醇等含量较高，α-萜品醇具有紫丁香的清香、花香气味；苯乙酮具有令人愉悦的山楂、橙花样气味；辛醛具有果香、青香气味。2#、4#、7#、8#样品中芳樟醇、糠基硫醇、正丁醇、正己醇等成分的含量较高，其中，正丁醇和正己醇具有果香、清香及醇甜气味。3#、5#样品含有较多的丁酸乙酯、正戊醇、柠檬烯、α-蒎烯、β-蒎烯、苯甲醛等，其中，丁酸乙酯具有强烈的甜果香气味；柠檬烯具有强烈的甜橙、柠檬气味。综上可知，通过指纹图谱可直接分析比较不同爆珠样品间的挥发性成分差异，从而直接区分不同爆珠风味。因此，无需定量和额外建立检测方法，指纹图谱便可直接快速区分样品间的风味差异，也可以快速验证仿配香精及其爆珠感官质量。

图3 爆珠样品的GC-IMS指纹图谱Fig.3 GC-IMS fingerprinting of cigarette breakable capsules*：dimer

使用无监督的PCA 分析不同爆珠样品的差异，样品之间距离近则代表差异小，距离远则代表差异明显。如图4所示，主成分1（PC1）和2（PC2）的累计方差贡献率为85.7%，表明其可有效反映样品的总体特征。组间距离表明：1#与6#样品较为接近，不同批次的2#、4#、7#和8#样品较为相似，仿配的3#和5#样品较为相似。同时从图中可看出，同一规格不同批次样品（2#、4#、7#、8#）集中在图左侧，而3#和5#样品主要位于图右侧。爆珠样品（1#～8#）之间的差异主要集中在PC1（59.4%）。由此可知，通过PCA分析可对不同批次及仿配处理的爆珠样品进行区分。

图4 爆珠样品挥发性主成分的PCA分析Fig.4 PCA analysis of volatile principal components in cigarette breakable capsules

图 5 不同样品中挥发性化合物的PLS-DA分析Fig.5 PLS-DA analysis of volatile compounds in different samples

2.4 不同爆珠样品的PLS-DA及相关性分析

PLS-DA 可实现复杂数据的可视化及判别分析和预测［21］。PLS-DA 因子载荷图可直观地反映每一个变量在得分图上的贡献，并对不同批次及不同处理的爆珠样品中重要香气成分进行分析。如图5A 所示，正丙醇、辛醛、苯乙酮、环己酮、2-甲基丁酸乙酯等物质是1#和6#样品的特征香气成分；芳樟醇、正己醇、糠基硫醇等物质是2#、4#、7#和8#样品的主要香气成分；仿配样品3#和5#含有较高含量的丁酸乙酯、柠檬烯、α-蒎烯、β-蒎烯、苯甲醛等香气成分。因此，不同爆珠样品中的重要香气成分分析结果与上述指纹图谱分析结果一致。

利用变量投影重要性（VIP）筛选对爆珠样品有重要影响的关键组分［22］。如图5B 所示，10 种挥发性化合物在判别中具有重要作用（VIP＞1），分别为2-甲基丁酸乙酯、环己酮、芳樟醇、苯乙酮、丁酸乙酯、乙酸乙酯、辛醛、糠基硫醇、正己醇和正丙醇。由于VIP 值越大，差异越显著，因此以上10种组分对于区分不同爆珠样品差异尤为关键。

进一步以10 个显著差异（VIP＞1、p＜0.05）化合物为自变量（X），6 种香韵属性为因变量（Y），运用PLSR 对样品进行相关性分析［23］。结果如图6 所示，前两个主成分累计解释X变量的方差为83%，且大部分组分位于r2=0.5 及r2=1.0 之间，表明模型可以很好地解释这些变量，在相关载荷图中相互接近的变量具有高度的相关性。其中，2-甲基丁酸乙酯和丁酸乙酯与果香、木香呈正相关，与酒香呈负相关；苯乙酮、环己酮、辛醛和正丙醇与花香和青香呈正相关，与木香呈负相关；芳樟醇与酒香和花香呈正相关。一般来说，爆珠香精样品的感官特征是指纹图谱中挥发性成分种类和含量的集中感官呈现，不同样品间的差异与其关键组分种类及含量相关。据此，可推断出2-甲基丁酸乙酯、丁酸乙酯、苯乙酮、环己酮、辛醛、正丙醇和芳樟醇是对清新玫瑰爆珠风味有较大贡献的香味成分。

图6 样品中10种关键组分与6种香味属性的偏最小二乘回归分析图Fig.6 Partial least squares regression analysis of 10 key compounds and 6 fragrance properties in the samples

3 结 论

本研究采用HS-GC-IMS 技术，实现了对不同清新玫瑰烟用爆珠中挥发性风味成分的准确快速分析。在无需样品前处理的前提下，通过GC-IMS 指纹图谱非靶向分析，并结合PCA、PLS-DA 及PLSR多元统计手段可直观识别样品间的风味差异，为烟用爆珠风味的评价提供判定依据。GC-IMS 法样品处理及分析的温度低，一些热稳定性较差的挥发性物质能更真实地被检出，从而可以更加深入地了解爆珠产品的风味组成。因此，将GC-IMS 应用于烟用爆珠卷烟加香材料中挥发性成分分析，有助于烟用爆珠等卷烟材料的香气风味成分分析、香精仿制、香气品质控制及评价。