卷烟烟气的化学成分与味觉特征的相关性研究

宋佳 孟庆华（通讯作者） 蔡宝国

（1上海交通大学化学化工学院 上海 200240）

（2上海应用技术大学 上海 201418）

卷烟烟气的化学成分与味觉特征的相关性研究

宋佳1,2孟庆华1（通讯作者） 蔡宝国2

（1上海交通大学化学化工学院 上海 200240）

（2上海应用技术大学 上海 201418）

以用二氯甲烷萃取剑桥滤片捕集所得的四种烤烟型卷烟和主流烟气，对其中的致香成分进行了分离和鉴定，找出影响卷烟味觉感受的关键成分。结果表明：产地、年份的不同，对卷烟的成分组成或含量均有不同程度的影响。采用GC/MS对样品进行了成分分析，研究表明卷烟致香成分主要由醇类、醛类、烯类、酮类、酯类、酸类、芳香族化合物、杂环化合物、酚类等各类化合物组成。采用人工感官评吸进行分析评定，结合PLSR分析，表明卷烟烟气味觉特征与致香成分具有的特征香味具有一定的相关性。

卷烟；气质联用；感官评定；PLSR分析

前言

烟草为草茄目茄科一年或多年生草本植物，花序顶生，圆锥状，多花，蒴果卵状或矩圆状，夏秋季开花结果，在南美洲、南亚和中国有较悠久的吸食历史。虽然现代科技认识到烟草给健康带了一定的危害，限制流通或抽吸，世界卫生组织成员还签署了《烟草控制框架公约》。但作为一种历史悠久的药用植物，尚具有一定的医疗价值。《全国中草药汇编》记载，烟草性温味甘、有毒，具有消肿、解毒、杀虫等功效，主要用于疔疮肿毒、头癣、白癣、秃疮、毒蛇咬伤等症，还可治疗项疽、背痈、风痰、鹤膝等病[1]。

当前对烟草质量研究主要集中于两个方面，一是减毒，二是感官质量。而烟草烟气化学成分的研究是烟草质量研究之重要基础。1975年，Schumacher等[2]报道了土耳其烟的香味物质组成，鉴定出了118种化合物，其中低级脂肪酸尤其是五碳和六碳的带支链的异构酸是赋予香料烟特殊香味的重要物质。1976年，Lloyd等[3]用萃取和蒸馏两种方法从B4F烤烟中鉴定出的323种物质的香味特征进行了评定。1985年，Masao Matsukura等[4]模拟“烘丝”处理过程，分析卷烟烟丝散发出气体中的挥发性成分，发现烤烟烟气中含有大量的挥发性醛酮类、呋喃类和内醋类物质。2005年，Leffingwell等[5]利用GC/MS对Perique烟草中的挥发性组分进行了定性研究，鉴定出的组分超过330种。国内对烟草中香味成分的分析始于20世纪80年代之后。2001年，刘百战等[6]采用固相微萃取顶空取样和气相色谱-质谱法分析卷烟烟丝的香气成分。2003年，蔡君兰和赵明月[7]采用蒸馏萃取和气相色谱、气质联用分析技术对烟气中的挥发性成分进行了分析，在烟气中共鉴定出87种成分。2006年，李莉等[8]采用全二维气相色谱/飞行时间质谱(GC-TOFMS)法分析了烟草中挥发性、半挥发性酸性物质。2010年，王海艳等[9]建立MCX阳离子柱固相萃取净化、大气压电离模式下液相色谱串联四极杆质谱测定8种杂环，测定出烟气中杂环胺的含量。

吸烟者对卷烟的感官质量评价，是通过对卷烟燃烧之后所产生的烟气被吸烟者受用后产生的，即燃烧后所产生的烟气中的致香成分对吸烟者的感觉所引起综合反映效果的评价。卷烟评吸方法有两种，即“局部循环评吸方法”和“整体循环评吸方法”[10]。从实践经验来看，全面地衡量卷烟的内在质量，必须采用“整体循环评吸方法”（Overall circulation smoking manner）才能得到正确的、客观的结论。否则评吸人员采用不同的评吸方法，将会在香气、杂气、刺激性几个主要技术指标上的打分上会有较大差异，直接影响到感官质量总得分。从人的生理来讲，鼻腔内的嗅神经产生嗅觉，鼻腔在评吸时的作用是判断香气、香气特征、香型、杂气和刺激性。口腔内舌头上有味蕾能产生味的感觉，口腔在评吸时的作用是判断烟气的刺激性（辣度）、粗糙或细腻、烟气硬或柔和、烟气的浓或淡、烟气的饱满程度和余味。卷烟的评吸同时还要依赖于喉部，喉部在评吸时的作用是判断烟气的刺激性（烟气流动到喉部的前沿时）和烟气劲头的大小（烟气通过喉部时）。

在卷烟的烟气化学成分研究和感官质量评价的数据基础上，烟草化学成分与感官味觉之间的相关性也有了一定的研究。如王丽丽等[11]研究了烟叶中生物碱含量与评吸质量的相关性；刘帅帅等[12]考察了烤烟非挥发性有机酸对感官品质的贡献；邵慧芳等[13]对烤烟还原糖含量与挥发性香气物质及感官质量进行了统计学分析；许自成等[14]研究了烤烟中氯含量与挥发性香气物质及感官质量的关系；刘非等[15]研究了烟叶石油醚提取物与感官舒适度的关系；汤朝起等[16]研究了攀西烤烟主要化学成分与吸食品质的关系。在仪器分析所获得挥发性化学成分数据与感官味觉评分值之间进行的相关性研究时，可以采用偏最小二乘回归分析（PLSR）的数据分析方法。该方法能充分解决样本个数较少数据非正态分布、因子不确定性和模型不能识别等潜在问题，已广泛用于生物工程、食品科学等领域并取得了较好效果。Song Shiqing 等[17]采用PLSR方法对牛脂脂肪氧化，电子鼻检测及感官属性进行了分析，结果表明，PLSR成功地建立了基于电子鼻的牛脂肪氧化特征参数的预测模型及其对其感官香气的贡献。牛云蔚等[18]利用PLSR方法对草莓酒香气活性物质与感官属性的关系进行了研究，其结果也表明，PLSR可以很好地预测感官属性的变化。

本课题拟采用GC/MS分析技术，测量四种卷烟烟气的化学成分，并以评吸员采用整体循环评吸方法对卷烟烟气的感官质量进行评价。通过偏最小二乘回归分析（PLSR）的数据分析方法，研究四种卷烟的致香成分对感官评吸的影响，研究一些特征组分含量的差异对味觉的影响规律，为卷烟的味觉调控提供一定的数据基础。

1.实验部分

1.1 原料、试剂和仪器

1.1.1 原料与试剂 所用试剂均为分析纯或色谱纯。所用卷烟原料如表1所示。

表1 卷烟样品Table 1 The samples of cigarettes

1.1.2 仪器 RM20H吸烟机，博瓦特凯希(中国)有限公司；RE-52A旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；ZHWY-304摇床，上海智城分析仪器制造有限公司；Agilent7890A-Agilent5975C型气相色谱/质谱联用仪，美国安捷伦科技有限公司。

1.2 实验步骤

1.2.1 样品处理与烟气捕集 RM20H吸烟机为20孔道全自动转盘式吸烟机（图1A），可模仿人的吸烟行为，在吸烟组件（图1B）中完成香烟的装烟、点火、抽吸与拔除（烟蒂）动作，可在转盘旋转过程中循环完成20支香烟的吸烟操作，同时做好抽吸过程中的烟气捕集与初步分析。

图1 RM20H吸烟机的构造与烟气捕集（A：吸烟机的构造；B：吸烟组件；C：剑桥滤片捕集）Fig 1 The construction of the smoking machine and capturing of smoke

香烟样品于恒温（22℃±1℃）恒湿（60%±2%）条件下平衡72小时以上。按照ISO3308标准规定的条件用RM20H吸烟机抽吸卷烟样品，用剑桥滤片（图1C）收集吸烟机所吸取的卷烟主流烟气，每张滤片捕集20支卷烟的烟气。吸毕，用二氯甲烷萃取剑桥滤片，然后通过旋转蒸发仪浓缩萃取液，得到含有卷烟主流烟气的浓缩液，该浓缩液用于GC/MS法分析其中的挥发成分。

1.2.2 GC/MS分析

色谱条件（GC）：载气：He，流速为1mL/min；色谱柱：HP-INNOWAX（60m×0.25mm×0.25µm，Aglient）；进样方式：自动进样；压力：7.58 psi；分流比：50:1；模式：恒流；柱温条件：初始温度60℃，保持2min，以2℃/min的速率升温至180℃，再以5℃/min的速率升温至230℃，保持40min。

质谱条件（MS）：质谱：四极杆；离子化方法：电子轰击离子化，全扫描1pg八氟萘至少信噪比10:1；离子源温度：230℃；检测器温度：250℃；扫描方式：全扫描；质量范围：10～450u；真空系统：分子涡轮泵；溶剂延时：3min；电子轰击离子源（EI），温度230℃，电子能量为70eV；四极杆温度：150℃。

采用全扫描模式采集数据；数据处理：采用nist05标准图谱库，Wiley标准图谱库，mylib自建图谱库，进行数据检索。

1.2.3 感官评定方法 参考国家标准YC/T 138-1998《烟草及烟草制品感官评价方法》，运用味觉器官对酸、甜、苦、辣、咸五种基本味觉以及收敛感、残留感、刺激感、生津感和综合感等精细风味进行评定。评吸的方式采用整体循环评吸方法，即：用最大抽吸量将烟气吸入口腔，使口腔内充满烟气。稍作停留，用鼻腔控制呼吸；由鼻腔呼出烟气后，改用口腔吸入空气，烟气自然向喉部运动；当烟气达到喉部时，关闭嘴唇，咽下烟气；然后迫使烟气从鼻腔呼出，完成整个吸烟过程。本次试验参与评吸得小组成员均为资深评吸人员。卷烟感官质量评判，采用9分制利用香味轮廓法分析样品的感官质量指标。

1.2.4 数据分析 采用PLSR（Unscrambler version 9.7）对烟叶中化学和感官指标评吸数据进行相关性及贡献性分析。在PLSR分析时，对所有数据进行中心化与标准化（1/Sdev）处理，使每个变量都得到公正的贡献分析。

2.结果与讨论

2.1 卷烟烟气的的GC/MS分析

四种烤烟型卷烟经吸烟机吸取产生的主流烟气，通过张滤片捕集捕集后，以二氯甲烷萃取、浓缩，再用GC/MS法分析其挥发性化学成分。实验所得到四种卷烟烟气GC/ MS分析结果的总离子流图（TIC）如图2所示，从特征峰的保留时间来看，它们的特征化学成分是相似的，只是相对浓度不同。也就是说，不同年份、产地、类型的卷烟，其烟气的香型特征很可能是由这些特征化学成分的相对含量所引起的。因此，将其相对含量数据与感官味觉进行对应关系研究，可以找到一些客观规律，应用于香烟的商品溯源。

图2 四种卷烟烟气GC/MS分析总离子流图Fig 2 The total ion flow diagrams for GC/MS analysis of cigarettes’ smoke

为了研究其致香成分之间存在的差异以及与味觉特征的关系，我们对其中的化学成分进行质谱定性、定量分析，对卷烟烟气致香成分的含量并进行对比、分析。四种卷烟香气挥发性物质各成分所得质谱数据经谱库检索，从中检出了几十种化合物（表2）。

表2 卷烟烟气中的化学成分Table 2 The results ofGC/MS analysis of cigarettes’ smoke

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2.2 卷烟味觉特征感官评定

味觉产生的过程是呈味物质刺激口、鼻腔内的味觉感受体，然后通过一个收集和传递信息的神经感觉系统传导到大脑的味觉中枢，最后通过大脑的综合神经中枢系统的分析，从而产生味觉。口、鼻腔内感受味觉的主要是味蕾，味蕾一般有40～150个味觉细胞构成，味觉细胞表面有许多味觉感受体，不同物质能与不同的味觉感受体结合而呈现不同的味道。人的味觉从呈味物质刺激到感受到滋味仅需1.5～4.0ms。

作为香烟烟气吃味，反映在口腔内包括酸、甜、苦、辣、咸五种基本味觉以及收敛感、残留感、刺激感、生津感和综合感等复合精细风味。收敛感是指感觉到口干，干涩感）；残留感，也称余味，是指呼出烟气后口腔的感觉，指吸烟过程中烟气微粒沉降在舌与口腔中的一种爽快与否的感觉；刺激感是指由烟气中的低级脂肪酸或酚类引起的口腔上颚部分的一种假热效应，有点类似于灼烧皮肤的感觉；生津感是因酸甜等引起的口腔唾液分泌增多的感觉。这些复合味觉是各种成分在烟气中协调一致的反映，并不决定于成分单独的绝对含量。参考国家标准YC/T 138-1998《烟草及烟草制品感官评价方法》，运用味觉器官对酸、甜、苦、辣、咸五种基本味觉以及收敛感、残留感、刺激感、生津感和综合感等复合精细风味进行评价，分值如表3所示。

表3 感官评定味觉分值Table 3 The evaluating values oftastesfor cigarettes’ smoke

2.3 卷烟烟气成分与感官味觉的相关性研究

味觉感官质量的评定主要是通过评吸人员的主观评吸来完成。感官评吸的主观性、评吸人员差异性等因素不仅对评价结果产生影响，也使评价样品的数量受到限制。为克服这种局限性，我们有必要对烟气化学成分与感官味觉的关系进行深入的研究，探究相关规律，力求以客观的指标精确描述其味觉。

2.3.1 主要化学成分与基本味觉的相关性 按照经验和文献[19-20]，我们重点选取了含量较高、且味觉特征明显的几个化合物列于表4。其中，以乙酸作为酸味特征物质、以三醋酸甘油酯作为甜味、以尼古丁作为苦味特征物质、以吡啶作为辣味特征物质和以乙酸乙酯作为咸味特征物质。当然，也有一些化合物在挥发物中含量较高、但味觉特征不明显，如新植二烯、5-羟甲基糠醛等，则不将其用于与味觉特征关联性考量。

表4 卷烟烟气GC/MS检出的典型成分、含量和味觉特征Table 4 The typical components detecting by GC/MS associating tastesfor cigarettes’ smoke

将上文所获得的四种不同卷烟的五种基本味觉的感官评吸味觉分值与其典型味觉物质含量分别以其相对强度描绘成雷达指纹图谱，进行对比显示（图3）。从这四组雷达图对比可以看出，基本味觉和典型味觉物质在其五维坐标上具有较明确的对应关系（误差主要源于感官评吸的主观性），这也就为将来依据典型味觉物质去筛选电子鼻（舌）创造了良好的基础。由图3可知，在相同评判条件下，四种烤烟的雷达指纹图谱的轮廓明显相差较大，可以用于定量揭示其口感的显著差别。20136样品显示其甜中带酸辣；20147样品显示其味觉较均衡而略带咸；20154和20165样品味觉较为相似，均显示其酸中带苦。

图3 基本味觉与特征组分相关雷达对比图Fig 3 The comparative radar diagrams between the basic tastes and typical components

2.3.2 指纹化学成分与精细风味的相关性 以卷烟香气成分为X变量，感官评定为Y变量，采用PLSR分析法对卷烟致香成分与感官味觉进行多自变量多因变量分析。如图4所示，四种卷烟在分布区域中相距较远，结合实验部分中的样品信息，可知烤烟的产地和年份对PLSR分析的数据产生明显的相应，换句话说，PLSR分析可有效应用于鉴定烤烟的产地和年份。

图4 四种卷烟在PLSR分析中的分值图Fig 4 The scores of the tobacco in PLSR analysis

卷烟化学成分与感官属性的相关载荷图如图5所示，大多数变量落在了两个椭圆（R2=0.5和R2=1.0）之间，分别代表50%和100%的解释方差，表明大多数变量能够较好的被解释。在主成分PC1上，精细风味中的收敛感、刺激感、残留感、等味觉特征位于载荷图的左侧，而生津感、综合感则位于载荷图的右侧，说明这两类精细风味感官之间相互对立。

在卷烟代表性化学成分与感官属性的影响上，吡啶（7）和降茄二酮（29）这两个化学成分对的残留感的贡献较大；十四酸（43）、3-乙烯基吡啶（17）和麦司明（31）对这三个化学成分对的刺激感的贡献较大；邻苯二酚（44）、苄腈（20）、4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)呋喃酮（25）、苯酚（24）和对苯二酚（46）这五个化学成分对的残留感的贡献较大；油酸（48）、苯甲酸（38）、三醋酸甘油酯（26）和硬脂酸（47）这四个化学成分对的生津感的贡献较大；4-乙烯苯酚（36）、丁香酚（35）和棕榈酸（45）这三个化学成分对的综合感的贡献较大。其它的一些化学成分，虽然其香型特征并不显著，但也间接影响香气，在烟气中起平衡作用。因此，从烟气化学成分出发，研究卷烟特征香味化学成分与风格特征相关性尤为重要。

图5 卷烟化学成分与感官属性的相关载荷图Fig 5 The plots of correlation loadings between chemical components in tobacco and sensory attributes

3.结论

本文基于仪器分析结果与感官品评相结合的原则，对四种烤烟型卷烟的挥发性致香成分分析、特征性组分的含量进行了探讨。经GC/MS 进行分析，得几十种致香成分。进行雷达图比较分析发现，典型致香成分与实际人工感官评吸得到的规律基本吻合；而卷烟化学成分与感官属性的相关载荷图则对指纹化学成分与精细风味的相关性做了一定研究，为卷烟的味觉调控提供一定的数据基础。

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The correlation study between the chemical components and the taste characteristicsof cigarette smoke

Song Jia1,2, Meng Qinghua1*, Cai Baoguo2.
School of Chem. and Chem. Eng., Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, P. R. China;Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418, P. R. China

In this study, the chemical componentsin the mainstream smoke is extracted with dichloromethane from the Cambridge filter trapping, isolated and identified by GC/MS.The main components that affect the sense of taste feeling were compared with the data obtained from the sensory evaluation. The results showed thatthe origin and year of different ingredients on the composition or content of cigarettes have different degrees.In terms of the smoking assessment on the basis of artificial sensory analysis, the basic taste characteristics offlue-cured tobacco cigarettes were illustratedby the radar chart method and the fine flavors were evaluated by the Partial Least Squares Regression (PLSR)analysis.

Cigarette;GC/MS;Sensory evaluation;PLSR analysis

TQ656+.5

A

1009-5624（2016）05-0136-06

宋佳，女(1988-)，上海交通大学工程硕士在读，研究方向为分析化学；E-mail:songsong_225@163.com。

孟庆华，男(1971- ),江苏泰州人,博士,研究生导师.研究方向：光化学、分子探针、传感材料；E-mail: qhmeng@ sjtu.edu.cn；Tel：13918184475。