紫外-可見光譜技術(shù)在煙用爆珠內(nèi)液化學(xué)成分穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

唐 杰，朱 玲，許嘉東，胡興鋒，彭 忠，譚廣璐，朱立軍

重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，重慶市南岸區(qū)南坪東路2 號 400060

爆珠卷煙作為一種新型的煙草制品，在國內(nèi)外卷煙市場均有較快發(fā)展，各卷煙工業(yè)企業(yè)也相繼推出了不同類型爆珠產(chǎn)品［1]。目前，對于煙用爆珠的研究主要集中在新型煙用爆珠的制備、對煙氣成分的影響以及安全性的評估等方面［1-4]；對于生產(chǎn)過程中煙用爆珠的穩(wěn)定性研究則集中在物理指標(biāo)方面［5-6]，而對影響爆珠卷煙整體香味和品質(zhì)的爆珠內(nèi)液研究的國內(nèi)外報道較少，僅見于何媛等［7]研究的GC/MS 方法用于煙用爆珠內(nèi)含物的測定。物理指標(biāo)主要反映爆珠的形狀，不能體現(xiàn)其內(nèi)液的質(zhì)量信息；GC/MS 方法則由于樣品制備、測試條件及時間等的限制，用于卷煙生產(chǎn)過程的質(zhì)量穩(wěn)定性控制存在一定的局限性。

紫外-可見光譜（UV-vis）技術(shù)以其靈敏可靠、快速簡便、廉價環(huán)保的優(yōu)點被廣泛用于中藥鑒別［8]、真假酒鑒別［9]、煙用香精［10]和食品質(zhì)量控制［11]等，主成分分析法在煙用香精香料質(zhì)量控制中的應(yīng)用也較為成熟［12-14]。煙用爆珠內(nèi)液是由香精香料和適量溶劑調(diào)和制成的混合體系［7]，香精香料化學(xué)成分中無論是酯、醛、酮、羧酸、不飽和醇、不飽和烴，還是芳香族化合物［15]，因其分子中存在能吸收紫外可見光的生色基團(tuán)，絕大部分在UV-vis 譜區(qū)有吸收［16]。因此，通過測定煙用爆珠內(nèi)液的UV-vis，對圖譜進(jìn)行主成分分析，建立了爆珠樣品穩(wěn)定性整體表征模型，旨在提供一種快速準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的煙用爆珠內(nèi)液穩(wěn)定性監(jiān)測方法，以期為客觀評價煙用爆珠內(nèi)液質(zhì)量和完善產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測體系提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

6 種（編號為A～F）不同牌號的煙用爆珠樣品由重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心提供。

甲醇、丙二醇、無水乙醇、環(huán)己烷、正己烷、氯仿（AR，上海國藥集團(tuán)）；超純水（自制，電阻率≥18.2 MΩ·cm）。

Cary60 光纖紫外光譜儀（美國Agilent 公司）；7697-7890B-5977B 型頂空氣質(zhì)聯(lián)用儀（美國Agilent 公司）；Milli-QTMDirec16 全自動超純水系統(tǒng)（法國Merck Millipore 公司）；XSE204 電子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler Toledo 公司）。

1.2 方法

1.2.1 煙用爆珠標(biāo)準(zhǔn)樣品的篩選

采用電子天平稱量，精確到0.001 g，選擇樣品質(zhì)量和粒徑偏差均不大于±5%的煙用爆珠作為測試樣品。

1.2.2 UV-vis 的測定

在10 mL 試管中加入2～3 mL 無水乙醇，取1～3 粒煙用爆珠加入到試管中（由于不同牌號煙用爆珠樣品內(nèi)液的濃度差異較大，因此需根據(jù)不同煙用爆珠樣品內(nèi)液的濃度調(diào)整煙用爆珠和無水乙醇的料液比，使樣品在250～330 nm 范圍內(nèi)的最高峰吸收值在0.2～1.0 范圍內(nèi)）。壓破煙用爆珠，使爆珠內(nèi)液釋放，充分搖勻，靜置。

設(shè)定光纖紫外光譜儀測定波長范圍為190～350 nm，吸光度記錄范圍為-0.1～3.5，波長間隔0.5 nm，光程為10 mm；測定時將光纖探頭完全浸沒在待測溶液中，以無水乙醇作為參比液調(diào)零，以連續(xù)波長掃描3 次的光譜數(shù)據(jù)平均值作為樣品最終的UV-vis 數(shù)據(jù)。

1.2.3 頂空-GC/MS 測定

將定性濾紙在90 ℃烘2 h，裁剪成2 cm×1 cm的小塊。對折小塊定性濾紙；選取一種爆珠樣品，取1 顆放入小塊定性濾紙中，置于20 mL 的頂空瓶中，壓破爆珠，加蓋，平行制作3 個樣品。頂空-GC/MS 分析條件：

頂空瓶：20 mL；樣品環(huán)：1.0 mL；樣品平衡溫度：70 ℃；樣品環(huán)溫度：160 ℃；傳輸線溫度：180 ℃；樣品平衡時間：15.0 min；樣品瓶加壓壓力：138 kPa；加壓時間：0.20 min；充氣時間：0.20 min；樣品環(huán)平衡時間：0.05 min；進(jìn)樣時間：1.0 min；色譜柱：HP-5 型毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；進(jìn)樣口溫度：180 ℃；升溫程序：50 ℃載氣：氦氣，1.0 mL/min；進(jìn)樣模式：分流進(jìn)樣；分流比：20∶1；傳輸線溫度：250 ℃；溶劑延遲時間：6 min；離子源溫度：230 ℃；電離能量：70 eV。

1.2.4 爆珠樣品穩(wěn)定性整體表征模型的建立

選取煙用爆珠正常樣品內(nèi)液的UV-vis 譜圖建立模型，樣品光譜矩陣通過主成分分析被分解為得分矩陣和載荷矩陣，采用得分矩陣計算Hotelling T2值，根據(jù)T2和樣品編號繪制質(zhì)量控制圖。Hotelling T2值的計算公式［17]：

式中：S 為協(xié)方差矩陣；ti為第i 個樣品光譜x在模型載荷向量上的投影；ti′為ti的轉(zhuǎn)置。

在控制圖中，一般采用F 分布來確定控制限UCL，其計算公式［18]：

式中：m 為建模樣品數(shù)；p 為主成分?jǐn)?shù)；F（p,m-p,α）為F 分布的α上側(cè)分位數(shù)，其中α=0.05。

對已知樣品建模時計算出UCL 控制限，當(dāng)采用該模型對未知樣品進(jìn)行檢測時，計算出T2值，并比較T2值與UCL。若統(tǒng)計量T2＞UCL，則對應(yīng)樣品異常［18]。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Orange 軟件（3.16.0 版）和R 軟件（3.5.1版）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 譜區(qū)的選擇

不同煙用爆珠內(nèi)液的UV-vis 譜峰型和吸收強度存在差異，為避免波段過寬造成光譜矩陣含有大量冗余信息和噪音干擾，導(dǎo)致后續(xù)光譜分析的速度變慢、效率和模型預(yù)測準(zhǔn)確度降低［19]，本研究中對UV-vis 譜波段進(jìn)行了優(yōu)化提取。煙用爆珠內(nèi)液在波長大于330 nm 區(qū)域吸光度小，曲線相對平滑，可利用信息少。而在190～250 nm 區(qū)域存在較強的末端吸收，噪音較大，不適合模型的建立［20]，因此選擇波段250～330 nm 作為優(yōu)選譜區(qū)。6 種不同煙用爆珠內(nèi)液樣品（A～F）在250～330 nm 波段的光譜圖如圖1 所示。不同煙用爆珠內(nèi)液因其成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，導(dǎo)致其紫外吸收光譜曲線的峰形、峰高有一定差異。

圖1 不同煙用爆珠樣品內(nèi)液的紫外-可見光譜圖Fig.1 UV-visible spectra of six breakable capsule samples

2.2 樣品溶液溶劑的選擇

分別采用不同極性的溶劑制備煙用爆珠內(nèi)液樣品溶液，溶劑包括甲醇、丙二醇、無水乙醇、環(huán)己烷、正己烷、氯仿以及水。其中水作為溶劑時，溶液呈現(xiàn)混濁狀態(tài)，且爆珠壁材中的著色劑遇水會溶解［2]；丙二醇的黏度較大，作為溶劑不便于在更換樣品溶液時對光纖探頭的清洗；氯仿作為溶劑時，爆珠壁材懸浮在溶液中，對光纖紫外測定時的光路產(chǎn)生干擾。以甲醇、環(huán)己烷、正己烷和無水乙醇作為溶劑時，壁材完整，爆珠內(nèi)液完全溶解，溶液均澄清，制備的樣品溶液在250～330 nm 波段紫外吸收譜圖趨勢相近。因此，選擇綠色環(huán)保的無水乙醇作為溶劑。

2.3 UV-vis 譜圖預(yù)處理方法的選擇

紫外-可見光譜數(shù)據(jù)通過預(yù)處理可以減小噪音、基線漂移、光散射、光路角度及光程等因素對分析結(jié)果的影響，提高光譜的穩(wěn)定性和分辨率［21]。本研究中首先采用Savitzky-Golay 平滑法對光譜進(jìn)行平滑處理，平滑窗口為5，后對比了平滑后標(biāo)準(zhǔn)歸一化、多元散射校正、一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理方法，依據(jù)SIMCA 分類模型中類與類之間的最小距離來判別數(shù)據(jù)預(yù)處理效果。SIMCA 分類模型的分離效果可用距離來衡量，各類之間距離越大，差異越大，分類效果越好［22]。6 種煙用爆珠內(nèi)液SIMCA 分類模型類與類的最小距離如表1 所示。平滑和平滑加一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理后，類與類之間的最小距離較無處理時分別提高1.5 倍和1.8倍，其他處理方式對SIMCA 分類模型類與類之間最小距離影響較小或產(chǎn)生負(fù)影響。因此，選擇平滑加一階導(dǎo)數(shù)作為最優(yōu)預(yù)處理方法。

表1 不同預(yù)處理方法SIMCA 分類模型類與類之間的最小距離Tab.1 The minimum distance between pairs of classes in SIMCA models by different preprocessing methods

2.4 主成分分析

6 種煙用爆珠，連續(xù)每月抽樣一年，共計12 批次720 個樣品內(nèi)液的一階導(dǎo)數(shù)光譜數(shù)據(jù)的主成分分析二維投影如圖2 所示。光譜矩陣中第一主成分和第二主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為52.3%和43.3%，累加方差貢獻(xiàn)率達(dá)95.6%，所以樣本點在該二維平面上的投影分布可以充分表征樣品在超維空間中的分布特征，不同樣本各自聚在一起，沒有重疊現(xiàn)象。表明UV-vis 譜存在差異性，可以有效表征各個煙用爆珠內(nèi)液的特征。

2.5 爆珠樣品內(nèi)液穩(wěn)定性整體表征模型

圖2 6 種煙用爆珠樣品內(nèi)液的主成分分析二維投影圖Fig.2 2D plot generated by principal component analysis of six breakable capsule samples

針對不同牌號爆珠樣品分別建立樣品內(nèi)液穩(wěn)定性整體表征模型。以E 牌號為例，選取正常12個批次共計36 個樣品內(nèi)液的UV-vis 譜圖建立模型，選取50 個樣品進(jìn)行驗證。其中濃度增加50%的E 樣品（N1）、濃度增加20%的E 樣品（N2）、濃度減少25%的E 樣品（N3）、濃度減少14%的E 樣品（N4）、其他牌號樣品（N5～N8）、混有其他牌號的E樣品（N9）以及正常樣品（N10）各5 個。N1～N4類樣品濃度增減通過調(diào)節(jié)無水乙醇的體積實現(xiàn)，以上所有樣品均平行測定3 次。對36 個模型樣品和50個驗證樣品平行檢測3 次的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一編號，依次編為1～108 號和109～258 號，以各樣本編號對應(yīng)的Hotelling T2值作圖，結(jié)果如圖3 所示。其中UCL 控制限在12.6，N1～N9異常樣品均在模型控制限之上，正確判別率為100%（α=0.05）；正常樣品均在控制限以下（α=0.05），正確判別率為100%。因此，該模型具有較高的正確判別率。

其他5 個牌號爆珠樣品內(nèi)液穩(wěn)定性整體表征模型中，當(dāng)α=0.05 時，5 種模型對正常樣品和異常樣品的正確判別率均為100%。因此，其他5 個牌號樣品內(nèi)液穩(wěn)定性整體表征模型對這些牌號煙用爆珠內(nèi)液穩(wěn)定性也能進(jìn)行有效監(jiān)測。

圖3 E 牌號爆珠樣品內(nèi)液質(zhì)量監(jiān)測圖Fig.3 Quality monitoring plot of breakable capsule sample E

2.6 UV-vis 譜與頂空-GC/MS 方法的比較

研究中對12 個批次的E 樣品、N1、N2、N3以及N4樣品分別進(jìn)行UV-vis 分析和頂空-GC/MS 分析。其中頂空-GC/MS 分析中E 樣品濃度的增減通過調(diào)節(jié)GC 分流比實現(xiàn)。分別對上述各類型E 樣品的UV-vis 譜圖和頂空-GC/MS 結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，采用歐式距離測量，獲得系統(tǒng)聚類樹狀圖（圖4）。其中GC/MS 方法參照何媛等［7]的研究方法，首先建立每個爆珠內(nèi)液的色譜指紋圖譜，然后采用統(tǒng)計學(xué)軟件對指紋圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。

UV-vis 法和頂空-GC/MS 方法結(jié)合統(tǒng)計學(xué)分析均可明顯區(qū)分煙用爆珠內(nèi)液濃度改變的樣品。對于煙用爆珠內(nèi)液成分改變的樣品，何媛等［7]研究的GC/MS 色譜指紋圖譜結(jié)合統(tǒng)計學(xué)分析方法，因化學(xué)成分改變導(dǎo)致變量變化，不適宜進(jìn)行聚類分析。而UV-vis 法結(jié)合統(tǒng)計學(xué)分析對于煙用爆珠內(nèi)液濃度改變和/或成分改變樣品均能較好區(qū)分。UV-vis 法相對于GC/MS 方法更為快速簡便、廉價環(huán)保，且易于推廣，更適合工業(yè)生產(chǎn)中煙用爆珠內(nèi)液穩(wěn)定性的監(jiān)測；GC/MS 方法可以提供更多的化學(xué)成分信息，更適合于異常樣品的進(jìn)一步研究，排查出問題的實質(zhì)。因此，可充分結(jié)合UV-vis法和GC/MS 方法的優(yōu)勢，為客觀評價煙用爆珠內(nèi)液質(zhì)量穩(wěn)定性提供指導(dǎo)方法。

圖4 煙用爆珠E 及其濃度和成分改變樣品的系統(tǒng)聚類分析樹狀圖Fig.4 Hierarchical cluster analysis of breakable capsule sample E and samples derived from E

3 結(jié)論

①通過無水乙醇稀釋煙用爆珠內(nèi)液，UV-vis掃描建立了煙用爆珠內(nèi)液穩(wěn)定性表征模型，并對模型進(jìn)行了驗證，當(dāng)顯著水平α=0.05 時，6 種不同牌號的爆珠樣品內(nèi)液表征模型對異常和正常樣品的正確判別率均為100%。②UV-vis 法與GC/MS方法結(jié)合聚類分析均能明顯區(qū)分煙用爆珠內(nèi)液的正常樣品和異常樣品。③UV-vis 方法快速準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、易于推廣，能有效直觀反映煙用爆珠內(nèi)液質(zhì)量的穩(wěn)定性，可用于煙用爆珠內(nèi)液的質(zhì)量監(jiān)測。