靜態(tài)頂空-氣質(zhì)聯(lián)用法測定煙草中的揮發(fā)性香氣成分

張霞，徐淑浩，龍雨蛟，李勤書，朱雪峰，王澤宇，李國智

（紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，云南 昆明 650023）

0 引言

卷煙香氣的特征是評價感官質(zhì)量重要指標(biāo)[1]，煙草香氣成分是一個復(fù)雜的體系，主要有醛類、酮類、醇類、酸類、酯類、雜環(huán)類等組分。梗絲是卷煙配方重要組成之一，加工良好的梗絲能增加煙絲填充值，降低煙絲消耗，改善卷煙燃燒性，降低煙氣焦油量；還可以改善卷煙煙氣特征，提升卷煙感官品質(zhì)。不同于煙葉結(jié)構(gòu)，煙梗是煙葉中的粗硬葉脈，煙梗主要由木質(zhì)素、纖維、細(xì)胞壁物質(zhì)、淀粉、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)組成，其總糠、煙堿及有利于吸味的香氣物質(zhì)含量較低、雜氣多且重、香氣吃味不足。目前，梗絲前處理主要目的是通過回潮、蒸梗、壓梗、切梗絲等各種工藝技術(shù)，改變煙梗物理結(jié)構(gòu)以滿足后序工藝加工要求；同時通過烘絲、加香加料等工藝技術(shù)降低梗絲中不良?xì)庀ⅰ⑻嵘湎銡饧俺晕叮詽M足在卷煙配方中的應(yīng)用[2-4]。

隨著現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展，煙草中香氣成分提取分析技術(shù)在索氏提取、同時蒸餾、動態(tài)頂空、吹掃捕集、微固相、超臨界、靜態(tài)頂空及與氣相色譜、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用、氣相色譜質(zhì)譜/質(zhì)譜聯(lián)用分析等方向有研究報道[5-13]。通過同時蒸餾、動態(tài)頂空、吹掃捕集、微固相及超臨界等萃取技術(shù)[5-11]，操作較復(fù)雜、影響因素多、分析時間更長，雖然對于定性分析樣品中未知成分發(fā)揮了積極作用，但對于定量、半定量分析樣品中成分穩(wěn)定性較差。靜態(tài)頂空的影響因素較少，操作簡單、條件溫和，有利于定性定量分析；但受樣品瓶體積、待測組分濃度、樣品基質(zhì)效應(yīng)等因素影響，檢測靈敏度較低，可檢測到的組分較少，其更有利于分析樣品中待測濃度較高、極易揮發(fā)的組分[12-13]。

靜態(tài)頂空分析技術(shù)所得到的香氣成分更有利于表征人體感官所感受到的氣味特征。然而樣品的基質(zhì)效應(yīng)直接影響頂空分析可檢測出的香氣成分種類和含量。樣品含水率和形態(tài)是導(dǎo)致基質(zhì)效應(yīng)的關(guān)鍵因素，將樣品經(jīng)過適當(dāng)?shù)那疤幚硪源_定煙草樣品含水率和形態(tài)，可有效降低基質(zhì)效應(yīng)對頂空分析的影響。本實(shí)驗(yàn)探討了影響頂空基質(zhì)效應(yīng)的含水率和樣品形態(tài)因素，開展煙草靜態(tài)頂空檢測結(jié)果的樣重量、平衡溫度和平衡時間的因素研究，構(gòu)建了可靠、穩(wěn)定的靜態(tài)頂空-氣質(zhì)聯(lián)用分析方法，為梗絲加工工藝改進(jìn)提供試驗(yàn)依據(jù)，也為卷煙煙絲、原料煙葉中香氣成分的組成與感官質(zhì)量之間的量化模型的研究提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試劑、材料與儀器

萘（純度99%，北京百靈威科技有限公司）；乙醇（SPS高純?nèi)軇gilent HP7694E頂空進(jìn)樣器（美國安捷倫科技有限公司）；Agilent 7890B氣相色譜-5977A質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國安捷倫科技有限公司）；AB104-S電子天平（感量0.0001g，瑞士梅特勒-托利多）；FS-II旋風(fēng)式粉碎磨（浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司）；單道可調(diào)移液器（百得實(shí)驗(yàn)室儀器(中國)有限公司）。

煙絲和煙梗樣品（由紅河卷煙廠生產(chǎn)車間在線取樣）。

1.2 樣品處理方法

將含水率較高的煙絲（或梗絲）樣品放入晾盤內(nèi)散開，自然晾曬一段時間，再低溫下烘干至含水率約12%，將樣品于旋風(fēng)式粉碎磨中磨成煙末，快速裝入棕色樣品瓶中，混合均勻，密封瓶口保存。準(zhǔn)確稱取1.000g（精確到0.0001g）煙末樣品于20mL頂空瓶中，準(zhǔn)確加入4.0μL濃度為10mg/mL萘/乙醇（內(nèi)標(biāo)）溶液，壓緊瓶蓋，待上機(jī)分析。

1.3 儀器條件

靜態(tài)頂空：頂空瓶體積20mL，定量環(huán)體積3.0mL，樣品瓶平衡溫度130oC，樣品環(huán)溫度150oC，傳輸線溫度170oC，樣品瓶平衡時間60min，樣品瓶加壓壓力138kPa，加壓時間0.20 min，充氣時間0.20 min，樣品環(huán)平衡時間0.05min，進(jìn)樣時間1.0min。

氣相色譜儀：色譜柱為DB-WAXetr（30m×0.25mm ×0.25um）（美國Agilent科技有限公司）。進(jìn)樣口溫度250℃；分流比10：1；柱流速：1mL/min；程序升溫：40℃(保持1min)，以4℃/min上升至220℃(保持3min)；載氣為99.9999%氦氣。

質(zhì)譜儀：傳輸線溫度：250℃；電子電壓：70ev，離子源：230℃；四極桿溫度150℃；掃描方式為全掃描(Scan)；掃描范圍：30-550aum；標(biāo)準(zhǔn)譜庫：NIST11譜庫。設(shè)定揮發(fā)性香氣成分與萘（內(nèi)標(biāo)物）的相對響應(yīng)因子均為1，確定揮發(fā)性香氣成分和萘（內(nèi)標(biāo)物）的色譜峰面積，進(jìn)行相對定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品前處理方式的確定

樣品含水率和形態(tài)是產(chǎn)生基質(zhì)效應(yīng)的重要因素，采取較適合的樣品前處理方式控制煙草樣品含水率和形態(tài)，可獲得穩(wěn)定的檢測結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中對樣品含水率和形態(tài)因素進(jìn)行考察，以可有效識別且定量的香氣成分?jǐn)?shù)量及其檢測結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD(n=3) 作為衡量指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 含水率和樣品形態(tài)對檢測結(jié)果的影響

比較樣品1#和樣品2#，僅樣品含水率不同，含水率控制在約12%時，檢測的香氣成分?jǐn)?shù)量中，RSD（n=3）≤10%的香氣成分?jǐn)?shù)量更多，比重更大；比較樣品1#和樣品3#，僅樣品狀態(tài)不同，將樣品處理為煙末后，可檢測到的RSD(n=3)≤10%的香氣成分?jǐn)?shù)量更多。綜合考慮，樣品前處理方式為：低溫下烘至含水率約12%，且樣品于旋風(fēng)式粉碎磨中磨成煙末。

2.2 頂空條件的優(yōu)化

樣品量、樣品平衡溫度、樣品平衡時間是影響頂空分析的重要因素，實(shí)驗(yàn)中對樣品量、平衡溫度、平衡時間進(jìn)行考察。

2.2.1 樣品量、平衡溫度和平衡時間的水平選擇

為了保證樣品瓶中取得到平衡時最大的氣體組分濃度，且有較高的樣品分析效率，實(shí)驗(yàn)中對樣品量、平衡溫度和平衡時間的水平選擇分別考察。以氣相成分峰面積總和響應(yīng)值作為衡量指標(biāo)，不同水平下樣品形態(tài)及氣相成分峰面積總和變化趨勢，如圖1和圖2所示。

圖1 平衡溫度對煙絲形態(tài)影響情況

圖2 氣相成分總峰面積影響趨勢

綜合考慮，選擇0.6g、0.8g、1.0g為樣品量因素考察水平，110℃、120℃、130℃為溫度因素考察水平，40min、50min、60min為樣品平衡時間因素考察水平。

2.2.2 頂空分析條件的優(yōu)化

根據(jù)單因素水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用正交試驗(yàn)表L9（33）設(shè)計正交實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化出最佳分析條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，9號實(shí)驗(yàn)的氣相成分峰面積總和響應(yīng)值最大。計算三個因素在三個水平上實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之和K和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)平均值k，三個因素的優(yōu)選水平組合為樣品量1.0g、平衡溫度130℃和平衡時間60min；通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證其氣相成分峰面積總和響應(yīng)值大于9號實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇的優(yōu)化條件為：即樣品量1.0g，樣品平衡溫度130℃, 平衡時間60min；同時，由三個因素的極差R值可知，對指標(biāo)結(jié)果影響由大到小的排序?yàn)椋浩胶鉁囟龋酒胶鈺r間＞樣品重量。

表2 頂空條件正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2.3 色譜柱的選擇

卷煙煙絲、煙梗中的揮發(fā)性香氣成分是一個復(fù)雜的體系，主要有醛類、酮類、醇類、酸類、酯類、烷烴類、雜環(huán)類等組分，包含了極性組分、易極化組分和非極性組分。為了能檢測到更多的揮發(fā)性香氣成分，比較了Agilent HP-5MS（30m×0.25mm×0.25um）和Agilent DB-WAXetr（30m×0.25mm×0.25um）兩組氣相色譜柱對于揮發(fā)性香氣的分離效果，如圖3所示，在相同的分離時間內(nèi)，使用DB-WAXetr色譜柱時峰形尖銳，各組分能被很好地分離開，能夠被有效識別的組分增多，尤其在0～10min出峰的組分分離效果得到顯著改善。因此，選擇DB-WAXetr作為實(shí)驗(yàn)的氣相色譜分離柱。

圖3 氣相色譜柱分離效果對比圖

2.4 方法的精密度

為評價靜態(tài)頂空-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析方法的可靠性、重復(fù)性，取某品牌的成品卷煙作為樣品，按照實(shí)驗(yàn)方法平行測定9次，計算樣品中香氣成分及其峰面積，設(shè)定各個化合物與萘（內(nèi)標(biāo)物）的相對響應(yīng)因子為1，進(jìn)行相對定量分析，得到每克煙絲中所含的香氣成分量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，樣品煙絲靜態(tài)頂空揮發(fā)性香氣成分中，進(jìn)行有效識別且定量的香氣成分有64個，揮發(fā)性香氣成分含量的RSD（n=9）在2.6%～10.0%之間。對于復(fù)雜多組分同時檢測分析，該方法重復(fù)性好，滿足實(shí)驗(yàn)的預(yù)期要求。

表3 樣品煙絲中揮發(fā)性香氣成分檢測結(jié)果（n=9）

2.5 梗絲樣品分析

按照實(shí)驗(yàn)方法對增壓、常壓梗絲烘絲前后樣品揮發(fā)性香氣成分進(jìn)行檢測，每種工序的樣品檢測結(jié)果為6次平行樣檢測結(jié)果的平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，不同工藝處理的梗絲樣品中揮發(fā)性香氣成分檢測結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 不同工藝處理的梗絲中揮發(fā)性香氣成分比較

表4 不同工藝處理的梗絲中揮發(fā)性香氣成分檢測結(jié)果（n=6）

由表4可知，對于梗絲樣品可以檢測到的揮發(fā)性成分有73個。增壓梗絲經(jīng)烘絲工序后，檢出的成分?jǐn)?shù)量無差異，分別為64個和63個，但揮發(fā)性香氣成分總含量呈降低趨勢，并且類似甲酸甲酯、甲酸乙酯、2-甲基糠醛、2，3-戊二酮等香氣成分化含量是呈增加趨勢；而乙偶姻、尼古丁、吡啶等含氮化合物成分含量呈降低趨勢。常壓梗絲經(jīng)烘絲工序后，檢出的成分?jǐn)?shù)量差異不明顯，分別為68個和70個，雖然烘絲前后揮發(fā)性香氣成分總含量呈升高趨勢，但對于相同成分，如甲酸甲酯、甲酸乙酯、2-甲基糠醛、2，3-戊二酮、乙偶姻、尼古丁、新植二烯、吡啶等成分含量未呈明顯的變化。

由圖4可知，增壓梗絲樣品中揮發(fā)性香氣成分中醇類和醛類檢出的含量明顯高于常壓梗絲樣品，酯類、醚類、酮類、酚類和烴類的檢出含量在四種梗絲中變化差異不明顯，常壓梗絲烘后樣品的酸類成分含量明顯高于烘前的樣品，主要是乙酸的含量增加。增壓、常壓梗絲烘絲前后樣品中檢出的成分?jǐn)?shù)量差異不明顯；但是，增壓梗絲經(jīng)烘絲工序揮發(fā)性香氣成分總含量呈降低趨勢，而常壓梗絲經(jīng)烘絲工序揮發(fā)性香氣成分總含量呈升高趨勢；同時，增壓梗絲樣品中揮發(fā)性香氣成分總量明顯高于常壓梗絲樣品；說明增壓處理更有利于提升梗絲中揮發(fā)性成分的釋放。

由圖5可知，不同工藝處理的梗絲中揮發(fā)性香氣成分檢出的含量分布規(guī)律一致，由多到少依次是醛類、酸類、酮類、醇類、其他、酯類、烴類、醚類和酚類。其中醛類（占35.6%～40.70%）、酸類（占23.71%～28.31%）、酮類（占12.87%～14.44%）和醇類（占8.72%～9.69%）是檢出的含量比重較大的四類成分。

圖5 不同工藝處理的梗絲中揮發(fā)性香氣成分的含量分布圖

3 結(jié)論

通過對影響靜態(tài)頂空的基質(zhì)效應(yīng)（樣品含水率和形態(tài)）、樣品量、樣品平衡溫度和樣品平衡時間等因素的探討優(yōu)化，對影響揮發(fā)性香氣成分的分離分析效果的色譜柱進(jìn)行選擇，建立了一種靜態(tài)頂空-氣質(zhì)聯(lián)用法檢測煙草中揮發(fā)性香氣成分的分析方法。將本方法用于不同工藝處理的梗絲中揮發(fā)性香氣成分檢測，結(jié)果表明，增壓處理更有利于提升梗絲中揮發(fā)性成分的釋放，經(jīng)不同工藝處理后，梗絲中的醇類、醛類和酸類等成分檢出的含量有明顯變化，但是揮發(fā)性香氣成分檢出的含量分布規(guī)律一致。本方法具有簡便、快速、可靠，靈敏度高、穩(wěn)定性和重復(fù)性較好等特點(diǎn)。在不具備標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的情況下，可作為一種快速檢測的分析手段，適用于煙絲和煙梗中的揮發(fā)性香氣成分的檢測，也可擴(kuò)展應(yīng)用于卷煙產(chǎn)品、煙葉原料、制絲工藝研究過程中各類樣品的揮發(fā)性香氣成分檢測分析，為企業(yè)卷煙生產(chǎn)過程監(jiān)控及感官質(zhì)量提升提供技術(shù)參考。