基于主成分分析法的烟丝加香均匀性评价

汪显国，申晓锋，刘泽，侯英，邱昌桂，何邦华

1红云红河烟草（集团）有限责任公司 技术中心，云南昆明650202；2云南同创检测技术股份有限公司,云南 昆明650106

烟丝加香工序是卷烟生产过程中一道重要工序，加香的准确性和均匀性直接影响到产品感官质量稳定性，是影响卷烟产品质量的重要因素[1-3]。目前，各卷烟企业在加香均匀性的评价主要从两个方面进行，一方面主要从理论的角度去推导和计算加香均匀性[4-6]，一方面从添加到烟丝的烟用香精标记物含量的变异系数来评价施加香精的均匀性[7-9]。但是由于烟用香精香料的化学成分复杂，种类极多，且含量微少，单独利用其中一种或几种特征化合物进行加香均匀性的评价，由于各单项特征化合物间存在高度相关性和复杂的交互作用以及单项特征化合物分值之间的相互抵触等问题，难以得到一个合理的综合评价结果。

主成分分析是将原来众多具有一定相关性的指标重新组成一组新的互相无关的几个综合指标来代替原来指标，利用几个较少的综合指标反映原来指标的一种统计方法，已经广泛应用在许多领域[10-13],目前正向烟叶质量评价[14-16]、卷烟配方[17-19]、烤烟品种比较[20-22]、香精香料质量控制[23-25]、土壤生态指标[26-28]、卷烟感官质量评价[29-31]等方面进一步拓展应用。本文针对烟丝加香工序均匀性评价中存在的多指标表征问题，借助主成分分析方法，建立了烟用香精的挥发性特征化合物整体信息的加香均匀性评价方法。为制丝加香工序的精细化控制提供科学、全面的技术支持，对卷烟加工制丝工艺中加香准确性和均匀性的提高具有实际意义。

1 实验部分

1.1 材料、仪器与试剂

FLT 加香机( 虹霓设备有限公司)；7890-5975C气相色谱质谱联用仪，配7693自动进样器(美国Agilent公司)；电子天平（感量：0.1 mg，瑞士Mettler-Toledo公司）；超声波清洗机（德国Elma公司）；振荡器（金坛市金南仪器厂）；旋转蒸发仪（瑞士步琦公司）；毛细管色谱柱：弹性毛细管柱HP-5MS柱（30m×0.25mm×0.25µm）。

云烟品牌某规格卷烟配方烟丝及该规格卷烟专用表香香精。

标准品：异戊酸异戊酯（CAS:659-70-1，日本东京化成工业株式会社），薄荷醇（CAS:89-78-1，美国Chemservice公司），呋喃酮（CAS:3658-77-3）、麦芽酚（CAS:118-71-8）、乙基麦芽酚（CAS:4940-11-8）、5-羟甲基糠醛（CAS:67-47-0）、茴香脑（CAS:104-46-1）、萘（CAS：91-20-3）均购自美国Sigma公司，以上标准品纯度均不低于99%。色谱纯溶剂：二氯甲烷、无水乙醇、甲基叔丁基醚、正己烷。

1.2 方法

1.2.1 取样方法

烟丝样品取自红云红河烟草（集团）有限责任公司昆明卷烟厂制丝车间加香工序。待加香设备运行稳定后，于加香机滚筒出口后3米内某固定位置采烟丝样品，每批次取样30次，每次取样间隔时间90秒，每次取样质量为100 g，将其置于密封袋中；每天只取一个批次的样品，共取3个对应批次（编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），作为加香均匀性测定的样品。将样品烟丝在温度(22±2)℃和相对湿度(60±5)%的环境下平衡24 h，待测。

烟用香精取自红云红河烟草（集团）有限责任公司香精香料室。

1.2.2 样品前处理

烟丝样品：样品前处理的方法参照文献[9]，具体如下：称取烟丝样品15.0 g（精确至0.1 mg）于250 mL锥形瓶中，准确加入100 mL二氯甲烷萃取液，轻摇萃取瓶，湿润浸没试样，静置不超过25 min，加盖密封后以180 r/min转速振荡萃取30 min。过滤，合并滤液，用旋转蒸发仪减压浓缩至不足1.0 mL，加入10 μL萘内标(5 g/L)，定容至1.0 mL。再将其通过有机系滤膜过滤，转移到色谱分析瓶中，进气相色谱-质谱联用仪分析。

表香香精样品：根据参考文献[32]，视表香香精样品浓度，用无水乙醇进行稀释(1-100倍)后，过有机系滤膜过滤，转移到色谱分析瓶中，进气相色谱-质谱联用仪分析。

1.2.3 气相色谱-质谱条件

烟丝样品和表香香精样品的气相色谱-质谱条件一致，具体如下：

载气：氦气，载气流速：1.0 mL/min；进样口温度：250 ℃；进样量1 µL，分流进样，分流比20:1；程序升温：初温：50℃保持1 min，以8 ℃/min速率升至160 ℃，保持2 min，再以8 ℃/min速率升至280 ℃，保持15 min，总运行时间45 min。

检测器：质谱检测器；溶剂延迟：2 min；电离电压：70 ev；离子源温度：230 ℃；传输线温度：280 ℃；扫描离子范围：35～450 amu；质谱扫描方式：SCAN/SIM同时扫描。

1.2.4 数据处理

采用Microsoft Excel和SPSS19.0软件进行数据统计分析。

2 结果与讨论

2.1 加香特征化合物的确定

加香特征化合物选择的原则是烟叶中不存在或含量很低、主要通过加香环节添加、且容易被提取出来分析的化合物。采用振荡萃取法对试验卷烟加香工序所用表香香精和加香前后的烟丝进行前处理，然后进行GC/MS分析，结果如图所示，表香中含有呋喃酮、异戊酸异戊酯、麦芽酚、薄荷醇、乙基麦芽酚、茴香脑等六种特征化合物，烟丝基质中（未加香前烟丝）虽然含有呋喃酮、薄荷醇、麦芽酚和乙基麦芽酚等四种化合物，但是含量较低，且通过加香后这四种化合物增加较多，因此，依照特征化合物选取原则，确定呋喃酮、异戊酸异戊酯、麦芽酚、薄荷醇、乙基麦芽酚、茴香脑等六种化合物为此次表征加香工序均匀性的特征化合物。

图1 云烟A牌号未加香烟丝样品的总离子流图

图2 云烟A牌号加香后烟丝样品的总离子流图

图3 云烟A牌号专用表香香精的总离子流图

2.2 单个加香特征化合物评价加香均匀性的效果

选取A品牌卷烟同一批次（批次Ⅰ）的30个烟丝样品，分别进行样品预处理和气相色谱-质谱分析，测定其中加香特征化合物的含量（见表1）。

结果表明，该批烟丝样品加香特征化合物的变异系数（CV）中，最高的异戊酸异戊酯为24.89%、最低的乙基麦芽酚为9.87%，其它在12.63%～17.66%之间，因此，采用单一的加香特征化合物对同一批次样品加香均匀性进行评价时，不同的特征物评价结果相差很大。

表1 同一批次A品牌烟丝样品中6种加香特征化合物的含量 （μg/g）

续表1

2.3 主成分分析

2.3.1 适合度检验

选取表1中的数据，建立30×6数据矩阵，其中矩阵的每一行代表某一个样品的特征化合物含量情况，每一列代表某一个特征化合物含量分布。利用SPSS 19.0软件进行主成分分析，可以得到KMO检验和Bartlett球度检验结果（表2）。检验结果表明，KMO的检验值为0.735，KMO值＞0.5；巴特利特（Bartlett）球形检验给出的相伴概率为0.000，小于显著性水平0.05。因此，应该拒绝零假设，认为相关系数数据不可能是单位阵，即原始变量之间存在相关性，适合于作主成分分析。

表2 KMO和Bartlett的检验

2.3.2 确定主成分个数

经过KMO和Bartlett检验之后，需要求出综合后的新指标。表3反映的是加香特征化合物协方差矩阵的特征值和贡献率，表4反映的是加香特征化合物因子的载荷矩阵。

表3 加香特征化合物因子特征值和贡献率

表4 加香特征化合物因子的载荷矩阵

主成分个数的确定有2个标准：根据因子的累计方差贡献率，一般方差的累计贡献率应在80%以上或根据特征值大小确定。本文根据主成分累积贡献率应大于80%的原则提取了2个主成分，其特征值分别为：λ1=5.015、λ2=1.432，各个主成分的方差贡献率分别为76.836%、21.948%，累积贡献率达98.784%＞80%，他们已经代表了加香特征化合物98.784%的信息。

表4中每一个载荷量表示主成分与对应变量的相关系数，加香特征化合物因子的载荷矩阵负荷越大，说明主成分对该变量的代表性越大。

根据主成分确定方法，综合表3和表4的信息，得到前两个累积贡献率达到98.784%的主成分1、2，用F1、F2表示。

2.3.3 主成分表达式

由表4的数据和特征值λ1、λ2确定主成分向量，见表5。

表5 主成分向量

根据回归法计算得到主成分向量，将得到的主成分向量与原始数据相乘，就可得出主成分与6项原始变量的线性组合表达式：

式中X1为呋喃酮、X2为异戊酸异戊酯、X3为麦芽酚、X4为薄荷醇、X5为乙基麦芽酚、X6为茴香脑。

F1、F2的表达式为表5的主成分向量1、2分别与表1中各加香特征化合物原始数据的线性组合。

2.3.4 主成分得分及综合得分值

由F1、F2方程结合表1中各烟丝样品加香特征化合物的原始数据计算得到主成分得分值。然后根据主成分的特征值来确定综合得分中主成分得分的权重，并以此建立各烟丝样品的综合得分模型：F=76.836%F1+21.948%F2。根据主成分综合模型即可计算综合得分值，如表6所示。

表6 主成分得分和综合得分值

续表6

为了直观地评价加香均匀性，并且便于不同批次、不同设备间加香均匀性的比较，采用均匀性系数（CU）CU=1-CV来表征加香均匀性，CU值愈大说明加香样品混合的均匀性愈高。

根据表6的综合得分值计算出均匀性系数，结果见表7。

表7 加香工序加香综合得分值的均匀性系数

由表7可知，根据主成分分析法得到的加香均匀性表征方程，试验批次样品加香均匀性综合得分的变异系数CV值为13.81%，均匀性系数CU为86.19%。

2.4 基于主成分分析的加香均匀性评价方法应用验证

为验证基于主成分分析的加香均匀性评价方法的可行性，选取了同一生产线两个不同批次（Ⅱ、Ⅲ）样品的检测数据进行分析，分析方法分别采用单特征化合物评价加香均匀性和基于主成分分析的加香均匀性评价。两个批次加香均匀性的单特征化合物评价结果见表8和表9。

表8 批次Ⅱ加香均匀性的单特征化合物评价结果 （μg/g）

续表8

表9 批次Ⅲ加香均匀性的单特征化合物评价结果 （μg/g）

续表9

对两个批次的加香变异系数进行对比分析，结果见图4。

由图4可知，批次Ⅱ各项特征化合物均匀性系数均高于批次Ⅲ。对两个批次采用基于主成分分析的评价方法进行加香均匀性评价，根据主成分综合模型计算得到的综合得分值见表10。

图4 两个批次的加香均匀性系数对比分析结果

表10 批次Ⅱ和Ⅲ样品主成分得分和综合得分值

由表10可知，通过计算综合得分，批次Ⅱ的均匀性系数为89.74%，批次Ⅲ的均匀性系数为90.28%。批次Ⅲ的加香均匀性优于批次Ⅱ，这与单特征化合物评价的结果一致。因此，采用基于主成分分析的加香均匀性评价方法能较好的评价加香均匀性。

3 结论

基于主成分分析的加香均匀性评价方法的应用避免了多指标表征加香均匀性结果不一致，批间加香均匀性差别无法量化的问题，其研究结果对卷烟制丝工艺中加香的准确性和均匀性的提高具有实际意义。

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