基于化學指紋圖譜評價多點加工卷煙產品質量穩定性

王小龍，張承明，李干鵬，張 濤，王 晉*

(1.云南中煙工業有限責任公司 技術中心，云南 昆明 650231；2.云南民族大學 民族醫藥學院 民族藥資源化學國家民委-教育部重點實驗室，云南 昆明 650031)

卷煙質量的優劣直接影響到卷煙企業的經濟效益，而影響卷煙質量的因素諸如物理、化學、外觀、煙氣和感官等指標。比如石鳳學[1,2]等以主流煙氣化學指標為表征向量，采用相似度分析進行多點生產卷煙均質化評價；謝長芹[3]采用產品外觀和感官質量等指標利用方差分析評價不同生產廠家的同一品牌卷煙質量穩定性。賴燕華[4]等基于主流煙氣化學指標、物理指標和煙絲常規化學指標，采用相似度分析評價卷煙產品質量穩定性。對于廣大消費者來說，抽吸是最直接的方式來滿足生理感官，而卷煙的香味成分是滿足生理感官的主要因素，因此香味物質是評價卷煙品質和風格特征的重要指標[5]。因此，卷煙生產中的質量波動必然影響到卷煙煙絲的香味物質的變化，從而影響卷煙質量穩定性。目前，主要依托感官評吸[6]和一些常規指標來評價卷煙產品質量穩定性，評吸結果受評吸人員的主觀因素影響，缺乏客觀定量的評價方法。而化學指紋圖譜具有指紋特征提取、宏觀推斷分析等特點[7-9]。近年來，指紋圖譜在煙草領域的應用研究取得突飛猛進的進展，這方面的報道也越來越多了，目前在煙草的質量監控[10-12]、質量評價[13,14]、質量一致性[15]等方面有很多的應用。借鑒中藥色譜指紋圖譜的研究方法[16-20]，本文采用頂空-氣相色譜/質譜聯用儀(HS-GC/MS)全掃描模式檢測卷煙煙絲中揮發及半揮發性成分，建立化學指紋圖譜，基于主成分分析(PCA)的投影判別法考察不同生產點卷煙樣品與對照之間的整體差異程度；計算歐式距離的相似系數對多點加工卷煙產品進行質量穩定性評價；基于卷煙煙絲揮發性及半揮發性化學指標的多元統計分析方法，建立了多點加工卷煙產品的質量穩定性定量評價方法，并分析了質量波動來源。以期為多點加工卷煙產品質量穩定性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 卷煙樣品 紅塔山(硬經典100)品牌楚雄、玉溪、大理和海南共4個生產點卷煙。

1.1.2 儀器與試劑 Perkin Elmer CLARUS 600 GC-MS 氣相色譜質譜聯用儀(美國 Perkin Elmer 公司)，Perkin Elmer TurboMatrix 40 Trap 頂空進樣器(美國 Perkin Elmer 公司)，多功能粉碎機(浙江高鑫工貿有限公司)，BSA22 4S-CW 電子天平(德國賽多利斯)，Chemmind Chempattern 2017專業版軟件(北京科邁恩科技有限公司)。乙酸苯乙酯(內標，色譜純，北京百靈維科技有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理 采用旋風磨將成品卷煙中煙絲粉碎至40～60目，準確稱取0.7 g樣品(約1支常規規格卷煙煙絲質量)放置于20 mL棕色頂空瓶中，加入0.1 μL乙酸苯乙酯內標，隨即旋緊瓶蓋密封待測。

1.2.2 儀器測試條件 靜態頂空條件：爐溫：110 ℃，取樣針溫度：140 ℃，傳輸線溫度：190 ℃，載氣：氦氣(99.99%)，20 Psi，保溫時間：40 min，進樣時間：0.2 min，拔針時間：0.5 min，加壓時間：2 min，GC分析循環時間：50 min。進樣模式：時間，操作模式：恒定。

氣相色譜/質譜條件：進樣口溫度：250 ℃，分流進樣，載氣：氦氣(99.99%)，恒流流速1.0 mL/min，色譜柱：DB-WAX(30 m×0.25 mm id×0.25 μm df，Agilent公司，美國)，不分流進樣，升溫程序：初始溫度40 ℃保持1 min，升溫速率5 ℃/min至220 ℃，保持3 min。電離方式：EI+，離子源溫度：230 ℃，傳輸線溫度：240 ℃，掃描范圍：33～400 amu，溶劑延遲：3.5 min。

1.2.3 數據統計分析 采用 Chempattern 軟件(科邁恩科技有限公司)對紅塔山(硬經典100)不同生產點卷煙樣品進行主成分分析和歐式距離相似系數分析。采用SIMCA-P 11.5軟件分析化學含量分布情況。

2 結果與討論

2.1 卷煙煙絲樣品中揮發性特征組分的定性定量結果

對檢測方法中使用的內標物及其體積進行了優化，得到的檢測方法條件如 1.2.1節所述，在優化條件下對樣品進行了HS-GC/MS 分析。紅塔山(硬經典100)卷煙煙絲樣品檢測的總離子流圖(TIC)如圖1所示。可以看出，卷煙煙絲樣品中化學成分的分離效果較好。對4個生產點的樣品進行了 HS-GC/MS分析，特征組分的定量數據如表1所示。

2.2 卷煙產品揮發性特征組分的質量穩定性分析

2.2.1 主成分分析結果 以紅塔山(經典100)卷煙楚雄生產點作為對照，對比玉溪、大理和海南3個生產點紅塔山(經典100)卷煙煙絲整體差異性，將數據導入到Chemmind Chempattern 2017專業版軟件中，采用主成分分析方法對檢測數據進行降維處理，從相關陣出發，將數據投影在二維平面或三維空間內，根據分類情況來判別兩者差異。可繪制出PCA得分圖(圖2～圖4)，由圖可知，3個生產點卷煙樣品與對照生產點進行聚集，發現兩兩均可分類，說明3個生產點與對照之間在煙絲揮發及半揮發性成分方面存在明顯差異。這3組數據的兩個主成分累計方差解釋率均保持在90%以上(結果見表2)，說明兩個PCA得分分析的解釋能力較高，符合指紋圖譜的表征要求。

圖1 紅塔山(硬經典100)卷煙樣品的TIC圖

表1 紅塔山(硬經典100)卷煙樣品特征組分含量的頂空-氣質檢測結果

續表1：

序號保留時間/min化合物名稱檢測平均值/(mg/kg)楚雄玉溪大理海南3118.5711,2-丙二醇-2-乙酸酯3.372.273.503.023218.662γ-丁內酯1.061.191.411.233318.979苯乙醛2.162.162.322.233419.542糠醇8.759.129.527.843520.143氧化異佛爾酮0.370.300.330.273620.921苯酚1.391.461.561.263721.006茄酮3.823.823.833.403821.4692-甲基-4,5-二氫-1H-咪唑0.730.770.910.914022.973β-大馬酮0.540.470.510.484123.0953-甲基-1,2-環戊二酮0.090.080.100.084223.16草蒿腦0.220.210.220.164323.673香葉基丙酮0.560.590.770.514423.948煙堿29.0541.0851.0630.624524.164苯甲醇1.882.082.241.794624.869苯乙醇1.140.921.381.084725.082新植二烯61.6569.7871.4462.994826.0432-乙酰基吡咯2.783.123.212.744927.171泛解酸內酯0.310.380.440.335028.074三乙酸甘油酯9.9617.858.8715.055130.326巨豆三烯酮A0.370.390.380.395230.636棕櫚酸甲酯0.230.290.210.195331.575水合麥芽酚4.606.486.893.945432.075巨豆三烯酮B0.190.210.230.21

表2 不同品牌不同生產點與對照比較的主成分累積方差解釋率

圖2 玉溪生產點主成分(PCA)分析

圖3 大理生產點主成分(PCA)分析

2.2.2 相似系數分析結果 評定個體間差異大小的方法有多種，包括歐氏距離、夾角余弦、馬氏距離等，其中歐式距離能夠有效區分不同生產點的卷煙樣品。

以楚雄生產點5次檢測數據點作為參考標準，采用歐式距離方法對檢測數據進行相似度計算，再將其歸一化，最后轉化為相似系數[18,19]。其換算方法如下：Cij=1/(1+dij)。

上式中第i個樣本與第j個樣本間歸一化后的歐式距離記為dij，第i個樣本與第j個樣本間的歐式相似系數記為Cij。

由表3可知，相似系數算術平均值都大于0.80，說明4個生產點的紅塔山(硬經典100)卷煙的質量穩定性在同一水平。

2.2.3 化學成分差異情況分析 針對煙絲中揮發及半揮發性成分檢測結果，把各樣品定量數據進行整理，剔除所有樣品中未檢出的指標數，將剩余的指標代入分析，導入到SIMCA-P 11.5軟件中，采用PCA分析方法對具有差異的化學成分進行分析，根據不同成分的含量差異分布圖得到分析結果見表4。

由表4可知，楚雄(對照)與玉溪生產點之間存在顯著的差異表現的化學成分有24個，與大理生產點之間有23個，而與海南生產點之間有6個。這與歐式距離的相似系數值結果一致。

表3 紅塔山(硬經典100)卷煙多點生產均質化評價相似系數評價結果

表4 紅塔山(硬經典100)卷煙化學成分差異情況匯總

注：偏高相對于對照樣化學成分含量為高，偏低是相對于對照樣化學成分含量為低。

3 結論

本試驗得到了紅塔山(硬經典100)卷煙煙絲中揮發及半揮發性成分的HS-GC/MS化學指紋圖譜，通過卷煙煙絲的揮發及半揮發性成分的主成分分析，可較好地對不同生產點的紅塔山(硬經典100)卷煙產品進行聚類區分、化學模式的識別，表明不同生產點的卷煙樣品具有不同的數據特征；通過歐式距離的相似系數的計算，可獲得4個生產點的差異均較小，產品質量比較穩定；根據不同成分的含量差異分布圖，可直觀地反映出卷煙產品葉組配方調整或香精香料添加的質量波動情況。上述方法可對不同生產點的卷煙快速、簡潔地鑒別，為多點生產卷煙產品質量穩定性提供全面、有效的評價方法。